页岩气压裂返排液对环境的影响及思考

付茜彭其勇

（1.中国地质大学（北京）地球科学与资源学院；2.中国石油安全环保技术研究院）

页岩气压裂返排液对环境的影响及思考

付茜1彭其勇2

（1.中国地质大学（北京）地球科学与资源学院；2.中国石油安全环保技术研究院）

页岩气开发对水资源的大量消耗和压裂返排液处置困难引起了广泛关注。文章分析了滑溜水压裂液、混合压裂液、纤维压裂液、高速通道压裂液、二氧化碳压裂液、液化石油气压裂液6种页岩气压裂液的特点及对环境的影响。介绍了压裂液返排技术，主要有深井灌注、现场或中心建厂处理后重新利用、返排液处理后外排，进而结合我国页岩气开发的形势提出压裂返排液处理技术研究思路、研究方向和建议。

页岩气压裂返排液；处理；环境影响

0 引 言

页岩气是一种新型、清洁的气体能源，美国页岩气成功开发对全球能源格局产生了重要影响。中国页岩气勘查开发处在探索试验阶段，初步评价资源潜力较大，加快发展有基础，通过努力有望成为能源的重要组成部分［1］。自2011年起中国石油对外依存度已超过国际石油安全警戒线［2］，页岩气开发在为经济发展带来许多机遇的同时，也产生了地表水地下水体污染、生态植被破坏和空气污染等环境问题［3］。国内外逐渐形成了以水平井“井工厂”式的大规模滑溜水或“滑溜水+线性胶”分段压裂、同步压裂为主，以实现“体积改造”为目的的页岩气压裂主体技术［4-5］，约占注入压裂液总量60%～80%［6］的液体返排至地面，不仅含有添加的化学物质，而且还包括地层本身含有的放射性物质和盐类［7］，无论是就地处理还是转移至污水处理厂或回收利用都是巨大的挑战，此过程可能渗入地下或随雨水外溢，对当地水资源造成污染。因此，页岩气开采对水资源的大量消耗和压裂施工完成后返排液如何处置引起了广泛关注［8］。且2015年1月1日起施行的《中华人民共和国环境保护法》加大了对环境污染的惩治力度：“企业事业单位和其他生产经营者违法排放污染物，受到罚款处罚，被责令改正，拒不改正的，依法作出处罚决定的行政机关可以自责令改正之日的次日起，按照原处罚数额按日连续处罚”［9］。与此同时，新环保法中增设“信息公开与公众参与”专章，其中，几经讨论，“公益诉讼主体”范围进一步扩大至在设区的市级以上人民政府民政部门登记的社会组织，也被认为是环保史上开先河之举。使页岩气开发（包括其他非常规油气开采）面临更严峻的环境挑战。国外30多年的页岩气开发实践中，完备的HSE管理体系和详实的案例可为我国页岩气开发的环保管理制度和污染物防治技术等方面提供借鉴［10］。文章通过分析页岩气压裂液的种类及压裂返排液的处理工艺，以期为压裂返排液的处理处置提供技术思路。

1 页岩气压裂液现状

页岩气压裂返排液具有悬浮物多、总溶解固体含量高和成分复杂等特点，但因地质条件不同，水质指标可能存在较大差别，返排液中总溶解固体（TDS）、氯离子、一些金属离子（总钙、总镁、总钡、总锶）等含量不同，但总溶解固体含量往往超过10×104mg／L［2］。

页岩气藏能否得到商业利用的关键是先进的压裂技术，但目前广泛采用的水基压裂液，存在清水用量巨大，回收处理困难的问题。我国“十二五”页岩气发展规划要求开展新型压裂液、压裂液处理和再利用等技术攻关，节约水资源。同样，水源供应难题也让美国西部、加拿大和欧洲部分国家转而研发新的环境友好型压裂技术。

1.1 滑溜水压裂液

滑溜水压裂液是由总含量99%以上的清水和支撑剂、总含量在1%以下的减阻剂、表面活性剂、黏土稳定剂、阻垢剂和杀菌剂组成的［11］。支撑剂能够让裂缝在压裂液返排后仍保持开启状态［12-13］；0.01%左右的高分子聚丙烯酰胺（减阻剂）能降低压裂液流动的磨擦系数；0.02%的表面活性剂（如乙氧基化醇）能增大返排能力；0.05%～0.1%的季铵类黏土稳定剂、0.007%左右的杀菌剂能减少压裂液对储层的伤害；0.05%左右的阻垢剂能防止结垢。2004年滑溜水压裂液在美国的总使用量已超过30%，并取得了良好效果［14］。但返排液中含有胍胶、聚丙烯酰胺等有机物质，且无机盐含量也较高，因此，具有高COD、高含盐量的特征，对环境危害极大［15］。

1.2 混合压裂液

混合压裂液是先泵入造缝能力强的滑溜水，再泵入减缓支撑剂沉降，使支撑剂分散均匀地交联凝胶前置液。混合压裂液显著改善了滑溜水压裂液滤失高、黏度低和携砂能力差的缺陷，也可以泵入更大粒度的支撑剂，增加裂缝宽度，降低储层伤害。在Barnett页岩、Anadarko盆地、Haynesville页岩气开发中，小规模滑溜水压裂的平均有效裂缝半长为25m，而混合压裂后有效裂缝半长为75m［2，16］。压裂返排液中的化学添加剂存在导致水环境污染的隐患。

1.3 纤维压裂液

2006年美国《哈特勘探与开发》杂志评选出石油工程技术创新特别贡献奖为海丁顿公司“纤维压裂液流体技术”［17］，就是在压裂液中加入改善石英砂等支撑剂的悬浮状态、有利于形成有效的裂缝长度的纤维，从而在提高导流能力时，避免了使用增加稠化剂黏度来改善支撑效果的方法，减少残余物对地层的伤害。该技术在美国Barnett页岩气、墨西哥国家石油公司Burgos和Wilcox4盆地应用，纤维压裂后产能是滑溜水压裂作业的2～7倍［18］；同时，2002—2010年在国内涩北气田先后应用47口井，单井日产气量平均增加40%以上［19］；在扶余油田也进行了3口井的试验，施工后产量大幅度提高［20］。压裂返排液中除化学添加剂外，难以生物降解的纤维材料、石油烃类等是影响环境的主要污染物。

1.4 高速通道压裂液

2010年，Schlumberger除了在压裂液中混入支撑剂外，还掺入特制纤维材料，通过混配设备和操控系统将支撑剂以较高速率脉冲式泵入井下，泵送完成后支撑剂收缩成柱，保持裂缝开启，高速渗流通道围绕支撑剂单元贯通连接。2012年6月高速通道压裂液在非常规气藏的开发中进行了4000多次作业，初期产量提高53%［21］。其主要污染物同纤维压裂返排液相似。

1.5 二氧化碳压裂液

二氧化碳压裂液是大量气体在少量液体中的一种液包气乳状液均匀分散体系，体系中包括：起泡剂、稳泡剂、黏度稳定剂、酸性交联剂、破胶剂、助排剂。泡沫质量fgtp＜52%的为增能体系，一般用作常规压裂后的后置液帮助返排；52%＜fgtp＜96%是施工所用的泡沫压裂液［22］。2000年起在Ohio，LewisShale进行页岩气藏二氧化碳泡沫压裂，获得成功并取得重大突破。20世纪90年代，国内分别在吉林、大庆、长庆、辽河、江苏等油田进行试验，均取得了较好的效果，其中，陕28井初测日产气2×104m3／d，压后试气22×104m3／d［23］。化学添加剂仍是主要的污染物，同时，返排的二氧化碳作为温室气体将造成大气污染。

1.6 液化石油气压裂液

荣获第一、二届世界页岩气技术创新奖的液化石油气压裂液是以丙烷、丁烷或二者混合的非清水基液。当储层温度≤96℃时，选择100%的丙烷作为压裂液；而当温度＞96℃时，为保证施工过程中压裂液处于液体状态则需要加入一定比例的丁烷；应用于150℃高温储层时，必须选用100%的丁烷作为压裂液。2012年GeoScoutIndustryDatabase公布液化石油气压裂初产量提高50%～80%，累计产能提高103%以上［2，12］。

液化石油气压裂施工时全程封闭，由气体凝胶、氮气密闭、凝胶与支撑剂混配压裂注入、远程风险监控、气体回收系统等组成。丙烷、丁烷等可回收重复使用，降低了压裂液返排对环境的影响。但液化石油气属可燃性高危气体，安全防爆问题非常关键，需进行严格监测，同时，在压裂及返排过程中因设备原因，可能造成丙烷、丁烷泄漏的危险。

2 页岩气压裂液返排技术现状

美国环保署统计表明：单口页岩气水平井压裂耗水量一般在7600～19000m3，压裂后有15%～80%的返排液排至地面。

2.1 深井灌注

同常规油气田开发一样，页岩气压裂返排液可通过深井灌注进行处置，但页岩气井压裂施工后早期返排的主要为压裂时所用的地表水，并非地质构造中的地层水，大量深井灌注意味着生物圈可利用水资源的损失，造成地表水、地下水的污染，这也是某些国家（如法国和保加利亚等）禁止水力压裂在页岩气开发中应用的原因；在美国不允许与活水层接触或连通。

2.2 现场或中心建厂处理后重新利用

压裂返排液处理回用取决于返排液水质、水量和压裂液配液对水质的要求。井场现场处理回用时，用化学沉淀法去除返排液中的总钡、总锶后，与清水混合稀释配液即可满足压裂作业要求，比较成熟的处理装置有哈里伯顿公司开发的采用水质调节、电絮凝工艺、精细过滤等流程的移动式CleanWaveTM处理系统［8，24］。中心建厂处理时，需要将压裂返排液运至处理厂，去除悬浮固体及进行化学软化，处理后水硬度小于20mg／L，浊度小于10NTU，达到回用的实际需求。压裂返排液处理回用工艺技术较成熟，关键在于合理选择经济、有效、占地面积小、可移动式、处理速度快的工艺流程和技术。

2.3 返排液处理后外排

脱盐工艺是压裂返排液处理外排的难点，处理的难度和成本随着总溶解固体含量的增加而增加。其中，反渗透工艺在压裂返排液脱盐处理中得到了成功的商业化应用，适用于TDS小于40000mg／L的返排液［25］；机械蒸汽再压缩蒸发脱盐工艺不仅具有较好处理效果和稳定性，而且能回收氯化钠以节省工艺成本。目前，北美开始探索将低能耗高效率的正渗透膜技术应用于页岩气后期返排液脱盐处理的可行性［26］，近十年来迅速发展膜蒸馏技术，用于处理TDS含量超过120000mg／L的高盐水脱盐处理，被国内外学者认为具有显著优势［27］，但目前尚未见到使用该技术的压裂返排液处理应用报道。

3 页岩气压裂返排液处理的思考

我国已批准成立“四川长宁—威远国家级页岩气示范区”和“滇黔北昭通国家级页岩气示范区”，2015年页岩气产量有望达到65×108m3，因位于植被茂盛、人口稠密的区域，含有大量残余化学物质（如：盐、重金属、放射性元素和有机化学物质）的压裂返排液，若处理不当或随雨水泄漏，可能导致地表水、地下水源污染，可能影响人、畜饮水安全，造成庄稼减产甚至绝收等环境灾害。

在借鉴国外先进技术的基础上，创新适合中国国情的先进技术，比如打水平分枝井、使用计算机监测和模拟，调查和管理开发区域的水资源。在借鉴国外相关经验的基础上，建议页岩气压裂返排液处理方面重点开展以下研究。

中国的页岩气资源开发受到特殊的地质和作业条件限制，因此，需要探索适宜的新型压裂技术，解决水资源匮乏、大型压裂设备运输拓宽路面对植被的破坏和泥土扬尘对空气的污染、压裂返排液处理技术繁琐等问题；液化石油气压裂技术在北美页岩气开发中已有大量尝试，在中国尚无应用先例，其显著的节水环保性，在减少压裂返排液排放量方面表现出的优异特性，具有极大的吸引力，技术引进与自主研发均具有重要的战略意义；二氧化碳泡沫压裂在我国致密砂岩气的试验性应用效果良好，页岩气储层中的应用有待研究；

完善页岩气压裂返排液深井灌注技术标准体系，保障处置返排液的环保及安全性；

开展页岩气压裂返排液处理回用技术研究，减少水资源消耗量和废水产生量，重点是研发耐盐、耐高矿化度压裂液体系的药剂配方以及简单高效的水处理技术；开展压裂返排液重新利用、配制页岩气压裂液或无水压裂可行性研究，水资源消耗最小化，保护区域生态环境；

探索压裂返排液处理外排技术应用的可能性，形成返排液全过程管理技术方案；

页岩气压裂液及其技术的优选是一个系统性工程，不同的压裂技术适应性不同，高效开发页岩气常需要多种压裂技术和各种压裂返排液处理工艺综合应用。

4 结束语

从目前国外应用和研究现状来看，页岩气开采过程中应充分重视环境问题。地理环境的限制和环境立法的不足等已影响了页岩气的合理开发。为保证我国页岩气可持续开发、保护生态环境，需要完善页岩气压裂返排液处理标准体系，开展页岩气压裂返排液处理回收重复利用技术攻关，减少水资源消耗量和废水产生量，探索压裂返排液处理外排技术应用的可能性，形成返排液全过程管理技术方案，为页岩气规模化开发提供环保技术支持。

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（编辑 王薇）

10.3969／j.issn.1005-3158.2015.03.020

：1005-3158（2015）03-0060-04

2015-01-09）

付茜，中国地质大学（北京）地球科学与资源学院在读硕士研究生，研究方向：非常规油气的开发研究。通信地址：北京市海淀区学院路29号中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，100083