页岩气开发压裂返排液环境监管及对策建议

史聆聆 李小敏 马建锋 邹广迅

(中国环境科学研究院，北京 100012)

页岩气是一种以吸附、溶解、游离状态赋存于泥页岩中的清洁、低碳、非常规天然气资源，它作为一种重要的战略资源，其储量在美国、中国、波兰、法国、澳大利亚、南非、利比亚、阿尔及利亚、阿根廷和巴西等国家都十分丰富［1］。近年来，随着水平井技术和水力压裂技术的成熟，美国页岩气开发得到快速发展，影响了北美甚至世界的能源格局，但同时也带来了旷日持久的环境争议。我国近年加大了页岩气的勘探开发力度，在四川、重庆已有部分页岩气井投入商业开发，同样也面临诸多环境问题。其中，压裂后返排液量大、成分复杂、处理困难，已成为页岩气行业规模化发展的瓶颈之一。为此，本文通过返排液的水质分析和国内外页岩气开发返排液监管政策标准对比，提出符合我国实际情况的监管建议，为我国页岩气开发环境监管，尤其是返排液的管理提供参考。

1 压裂返排液

1.1 压裂液成分

页岩气开采的核心技术是水力压裂法，水力压裂法中的压裂液主要由水、砂和化学添加剂组成。其中化学添加剂按照功能不同，可分为酸、破胶剂、灭菌剂、粘土稳定剂、防腐剂、交联剂、减阻剂、胶凝剂、铁质控制剂、防垢剂、表面活性剂、pH 值调节剂等。2005－2009年，美国14 家压裂液供应商提供的2500 种压裂液中，包括约750 种化学物质［2］;美国纽约州2009年编制的环境影响报告统计了197 种压裂液，涉及260 种化学物质，这些化学物质的毒性存在较大争议。William等人［3］根据不同类型和功能，统计了美国页岩气开发常用的81 种化学添加剂的理化性质及毒性数据，81 种化学物质中55 种属于有机物，其中只有27 种有机物可生物降解;根据《全球化学品统一分类和标签制度》(GHS)急性毒性分级标准，3 种化学品的口服毒性超过二级(炔丙醇、硫脲、氯化四甲基铵)，7 种超过三级(氢氧化钠、氢氧化钾、二癸基二甲基氯化铵、四羟甲基硫酸磷、2，2－二溴－3－次氮基丙酰胺、1－溴－3－氯－5，5－二甲基海因、氢硫基醋酸);乙二醇单丁醚大白鼠吸入毒性二级，戊二醛、2，2－二溴－3－次氮基丙酰胺大白鼠吸入毒性一级;乙醇、萘、二乙醇胺、乙醛、硫脲为确认的或怀疑的致癌物。

目前，国内所使用的压裂液一方面采用国外已有的压裂液配方，另一方面是自主研发，总体上呈国外技术本土化的趋势。国内的环境管理中尚无压裂液成分披露的要求，供应商均以商业机密为由，对压裂液成分保密。

1.2 返排液水量

返排阶段由于压力下降，井下液体流向反方向排至地面，包括返排液和采出水，其中采出水是地层中存在的水经水力压裂到达地表，为压裂过程的“生成水”。返排液和产出水主要从阶段和时间上来加以区分，有人将返排液和产出水统称为返排液，也有将返排液定义为返排10 天内或30 天内收集到的液体，或者是产气之前收集的液体。本文为了便于讨论，将返排液和后期的采出水统称为返排液。

据美国环保局统计［4］，页岩气开采单井需要8700～14000m3水，美国四个井区数据表明，高产单井需耗水19000～49000m3。根据地层地质情况和操作流程的不同，这些水有20%～80%可在返排过程中返排，其余的水暂时性的留在地层中。不同地区返排液情况见表1 所示［5］，个别地区地层中可能含水导致返排液明显多于压裂液。

我国四川盆地页岩气开发单井需水量在20000～30000m3不等，由于地质条件和地层含水率的差异，不同区块的返排率也存在较大差异。例如，涪陵区块完钻层位属于龙马溪组，返排率在3%左右;延长区块完钻层位属于奥陶系下统马家沟组［6］，返排率在50%左右;长宁区块完钻层位属于龙马溪组，返排液在20%左右。

1.3 返排液水质

返排液的水质受压裂液成分和地层特点所影响，不同的压裂液、不同地区的返排液水质存在一定的差异。表2 列出了美国丹佛－朱尔斯堡盆地［7］和我国不同地区页岩气开采返排液的水质情况。

表1 美国页岩气开发返排液排放情况

表2 国内外返排液水质比较

从表中数据可以看出，国内外页岩气开发返排液具有溶解性总固体含量高、成分复杂等特点，但不同页岩区由于地质条件差异等原因，在个别水质指标上存在较大差别。与美国丹佛－朱尔斯堡盆地相比，国内页岩气开发压裂返排液中具有较高的TDS、COD、BOD5、硫酸盐等，但氯化物浓度偏低。

2 返排液的处理及监管现状

目前，国外有关页岩气开发压裂返排液的处置，主要包括深井灌注、送污水处理厂处理后外排、现场处理后回用、现场处理后外排等。

2.1 深井灌注

(1)美国

美国能源署将地下注入井分为五类，与油气生产有关的大部分注入井属于第二类［8］。据统计，目前美国已有172068 口二类井，大多分布在德克萨斯州、加利福尼亚州、俄克拉荷马州和堪萨斯州［9］。

《安全饮用水法》构建了“地下灌注控制计划(UIC)”，该计划制定各项废水灌注安全标准，同时禁止某些类型的灌注。2005年，该法对于水力压裂进行了豁免，造成地下饮用水源安全受到威胁，后来被称为“哈里伯顿漏洞”。近年美国环境监管趋严，正在通过法律途径逐步关闭该漏洞。在美国，大约有30 个州允许深井灌注，但同时有许多限制要求，比如蒙大拿州要求只有TDS 高于15000ppm 的返排液才能进行深井灌注;科罗拉多州对Ⅱ类注入井的地面设备和附属设施要求增加5 万美元的保险要求［10］;有些州还会根据情况暂时关闭深井灌注。此外，美国联邦环境保护法第146 条C部分对二类井作出施工、操作、监测和报告、审批、封井和弃井要求等。

(2)中国

目前，国内页岩气开采企业如中石油和延长石油，一般根据页岩气井周围的情况决定是否灌注，如果有适当的回注井，将返排液或产出水处理达到一定的标准后进行深井灌注。

2015年以前，企业一般将返排液处理达到《碎屑盐油藏注水水质推荐指标及分析方法》(SY/T5329－2012)等规定的回注标准后进行深井灌注。2015年1月1日开始施行的新《环境保护法》第四十二条规定:“严禁通过暗管、渗井、渗坑、灌注或者篡改、伪造监测数据，或者不正常运行防治污染设施等逃避监管的方式违法排放污染物”;《中华人民共和国水污染防治法》(2008)第四章规定:“禁止利用渗井、渗坑、裂隙和溶洞排放、倾倒含有毒污染物的废水、含病原体的污水和其他废弃物”。企业以往的地下灌注处理方式将不符合新《环境保护法》的要求。

2.2 市政污水处理厂处理后外排

(1)美国

在美国，满足联邦、州和当地排放要求时，污水可以排入集中式污水处理厂处理。在页岩气开采初期，美国Marcellus 页岩区等地的返排液经市政污水处理厂处理后外排。由于页岩气开采的返排液含有高浓度的TDS，而传统的市政污水处理厂工艺流程对TDS 等指标几乎没有去除效果，且有研究称TDS 中的某些成分会导致传统活性污泥的处理效果会受到抑制，某些重金属在污泥中沉淀富集也会导致污泥处理成本增加［11］。由于EPA 尚未发布页岩气废水预处理标准，返排液的引入将会影响到市政污水处理厂的正常运行，2010年宾夕法尼亚州环保局禁止市政污水处理厂接收返排液，其他州也开始考虑此事。

(2)中国

国内部分页岩气开采企业将压裂返排液暂存于厂区污水池，经简单预处理达到污水处理厂的进水标准后，用罐车送当地具有处理能力和规模的污水处理厂，处理达到污水处理厂的排水标准后外排。该方法适用于返排液水量不大、距离市政污水处理厂较近的页岩气井区。

2.3 现场处理后回用

返排液中含有一系列影响回用的成分。总溶解固体(TDS)会影响钻井液中某些降阻剂的效力，产生不利的沉淀析出;总悬浮固体颗粒(TSS)会导致注入系统结垢或孔隙堵塞;重金属钡、钙、镁等易对设备和基础设施造成负面影响;微生物会腐蚀管材;地层可能带出含有放射性物质等［4］。

(1)美国

随着页岩气开发规模的扩大和环保要求的日趋严格，美国返排液的回用比例也在不断地上升。部分公司如 Range Resources、Anadarko、Atlas Energy 和Chesapeake Energy 等均以全部回用作为目标［8］，以Range Resources 公司为例，早在2009年，该公司使用的压裂液就有28%为回用的返排液，17%以上的页岩气井在压裂施工中进行了返排液回用，此间也没有出现影响产气效果的情况出现。污水处理工艺主要包括自然蒸发、冻融、过滤、臭氧氧化、化学沉淀法、热技术、电渗析、电凝法、灭菌技术等，实际采取哪种技术会根据返排液的水质而定，可采用一种或多种组合的方法处理。

(2)中国

目前，现场处理后回用于压裂液的配制是返排液最广泛应用的处理方式。2014年，页岩气标准委员会针对回用方法及要求开始制定《压裂返排液回收和处理方法》标准，该标准提出了回用水推荐水质控制指标，包括矿化度、总硬度、总铁、pH、悬浮固体含量、配伍性等。除了上述行业标准外，部分企业如中石化等制定了企业内部标准。国内的中石油等企业将返排液处理后重新配制压裂液，实践证明可以满足非常规储层体积压裂的施工要求［12］。常用的处理技术包括破乳、絮凝沉降、膜处理、多级过滤等方法。

2.4 现场处理后外排

针对多次回用后不再适合继续回用的返排液，或者是回用成本较高的情况，企业一般处理达到标准后外排。

(1)美国

按照《联邦清洁水法》(CWA)要求，页岩气开发行业废水排放应执行有关地表水污染物排放标准，EPA正在开展相关标准研究工作，原计划于2014年完成，但目前尚未发布。CWA 还要求，通过“国家污染物排放消除系统”(NPDES，402 条)许可流程对生成水和雨水的地面排放进行监管，并要求跟踪压裂液中的各种有毒化学物质。向地表水(河流、湖泊)和污水处理厂排污的，须获得排污许可证，禁止在没有许可证的情况下排放污染物。返排液在排放前须做处理，不能简单地排放到河流或污水处理厂。各州经EPA 授权后根据该法签发排放许可证，州法律对联邦政府的规定进行补充。

(2)中国

按照现有的环保法律法规要求，废水排放应执行《污水综合排放标准》(GB8978－1996)。现场监测数据表明，该标准未包括返排液中部分指标:如总碱度、矿化度、氯化物、硫酸盐等浓度较高的污染物，现行的《污水综合排放标准》(GB8978－1996)监管作用有限，也无石油、天然气开采行业标准可供参考。2015年，环保部已经着手开始制订《页岩气开采污染控制标准》，计划2017年完成。

3 我国页岩气开发返排液环境监管存在的问题及对策建议

3.1 环境监管存在的问题

(1)根据国外的文献资料，压裂液中可能含有部分具有毒性的化学添加剂。目前国内压裂液的成分仍处于保密状态，一旦发生返排液泄露等事故，无法采取有针对性的处理工艺和应急措施。

(2)新《环保法》将“暗管、渗井、渗坑、灌注等”定义为逃避监管的方式，若返排液仍采取地下灌注的方式处理，将违反新的《环保法》。页岩气开采进行工厂化作业后，大量的返排液处理将面临新的挑战。

(3)返排液的水量大、水质复杂，部分指标难以处理，现行的综合排放标准起不到监管作用，环保部正在着手制订的《页岩气开采污染控制标准》最快也要2018年开始实施，新标准颁布之前的污水排放按照现行的法律法规进行监管，存在一定的局限。

(4)关于我国页岩气开发项目环境监管，目前主要是在施工前开展建设项目环评，正式运行后开展竣工环保验收，其他重大问题如建设危险废物处理设施等定期向当地环保局备案等。这种监管模式存在的弊端是难以对施工期的环境问题进行有效监管。如企业普遍在作业现场设置的废水存储池，存在污染土壤和地下水的风险，但竣工验收时难以判断是否满足防渗要求。

(5)返排液的四种处理方式中，国内外目前最常用的是现场处理后回用。国内有关返排液的处理技术仍处于起步阶段，处理效果不稳定。

3.2 对策建议

(1)为了便于事故应急，环保部门需要掌握企业所适用的化学品信息，建议页岩气开采企业在执行现有法律法规的基础上，对所有使用的化学品向环保部门进行申报登记或信息披露，包括一般化学品和危险化学品。对于涉及商业秘密或者专利的部分，企业或承包商可提供专利证明，环保局与企业或供应商签订保密协议。

(2)为了适应将来页岩气大规模开发环境监管的需要，建议制定页岩气开发污水排放的行业标准，尤其要考虑特征污染物如氯离子、矿化度等指标，但因西北、西南等地存在较大差异，制定前需要开展详细的调查和研究。

(3)页岩气开采项目的环境影响集中在施工期，废水存储池可能存在泄漏，竣工验收时又难以发现或者发现后也无法采取补救措施，建议对页岩气开采项目进行分段验收，并加强施工期的环境监理。

(4)鉴于目前数据资料有限，有关放射性的影响还不好确定，建议继续跟踪研究钻井、管道阀门、管道结垢、集气站等地的放射性，一旦出现异常，对返排液的处理和回用等应该采取相关防护措施。

(5)返排液具有水质复杂、难以处理等特点，处理效果、处理规模等还有待提高，为了适应页岩气大规模开发的需要，鼓励企业积极研发污水处理新技术。

［1］宋磊，张晓飞，王毅琳，等．美国页岩气压裂返排液处理技术进展及前景展望［J］．环境工程学报，2014，8(11):4721－4725．

［2］U．S．Environmental Protection Agency(U．S．EPA)，Chapter 4:hydraulic fracturing fluids，in:Evaluation of Impacts to Underground Sources of Drinking Water by Hydraulic Fracturing of Coalbed Methane Reservoirs，EPA 816－R－04－003，U．S．Environmental Protection Agency(U．S．EPA)，Washington，DC，2004．

［3］William T．Stringfellow，Jeremy K．Domen，Mary Kay Camarillo，et al．Physical，chemical，and biological characteristics of compounds used in hydraulic fracturing［J］．Journal of Hazardous Materials，2014，275(6):37－54．

［4］董志立．页岩气开发过程中的压裂用水处理工艺进展［J］．中国石油和化工标准与质量，2014，(5):140－141．

［5］M．Mantell，GWPC Annual UIC Conference［R］，Austin，TX，January 26，2010．

［6］廖友运，李文厚，王若谷．延长探区延153 井古生界储层物性特征及主控因素研究［J］．科技情报开发与经济，2010，20(7):168－170．

［7］Yaal Lester，Imma Ferrer，E．Michael Thurman，et al．Characterization of hydraulic fracturing flowback water in Colorado:Implications for water treatment［J］．Science of the total environment，2015，512－513:637－644．

［8］凯特林·M·纳什．页岩气开发技术．上海:上海科学技术出版社，2013:34－39．

［9］刘文士，廖仕孟，向启贵，等．美国页岩气压裂返排液处理技术现状及启示［J］．安全与管理，2013，33(12):1－5．

［10］Nathan Richardson，Madeline Gottlieb，Alan Krupnick，et al．The state of state shale gas regulation［R］．Washington，DC，USA:Resources for the Future，2013:52－53．

［11］Center for sustainable shale development．Performance standards，2013:5－18．

［12］刘友权，陈鹏飞，吴文刚，等．加砂压裂用滑溜水返排液重复利用技术［J］．石油与天然气化工，2013，42(5):492－495．