中美页岩气开采压裂返排液处置政策分析及启示

2021-12-26陈学忠鲁友常吴易一马丽丽

西南石油大学学报(自然科学版) 2021年5期

关键词：压裂液页岩废水

陈学忠，鲁友常，吴易一，马丽丽

1.四川长宁天然气开发有限责任公司，四川宜宾 644399

2.四川页岩气勘探开发有限责任公司，四川成都 610041

3.中节能清洁技术发展有限公司，四川攀枝花 617000

4.西南石油大学化学化工学院，四川成都 610500

引言

中国页岩气储量丰富，具有较大的页岩气开发应用潜力，近十多年来，页岩气勘探和开发蓬勃发展[1]。页岩气资源开采需要借助水力压裂技术，因此，对水资源需求量巨大，同时会产生大量成分复杂的压裂返排液，带来的环境问题也备受关注。美国历经百年页岩气开发实践，尽管已实现了页岩气的规模及商业化开采，但其发展过程中也一直伴随着水环境问题的困扰[2-3]。

当前，中国正处于页岩气开发的起步阶段，为减小中国页岩气规模化持续开发带来的水环境风险，促进其可持续发展，加强页岩气压裂返排液处理处置的管理尤为重要。近年来，一些学者研究了页岩气开发中的水环境影响问题[3-6]，并从环境影响评价制度、环境保证金制度、环境风险应急管理体系等方面，提倡建立并完善中国页岩气开发环境监管法律法规制度[7-9]。

本文以页岩气开发中的水环境保护为核心，通过梳理中国和美国页岩气开发过程中压裂返排液处置的相关政策及法律法规，提出中国页岩气压裂返排液管理的对策。

1 页岩气开采压裂过程的水环境污染问题

水力压裂技术是页岩气开发的核心技术，水力压裂操作过程需要在短时间内消耗大量水资源[10]，开采过程中所需钻井数量多、单井需水量大[4]。一些注入的水力压裂液会滞留在地层，但仍有5%～80%的注入水会在压裂液释放压力后返回地面[5]，这些回流的液体通常包含支撑剂、化学残留物和地层水、岩屑中的各类物质[5-6]。页岩气开发产生的地表水污染主要是由成分复杂的压裂返排液造成的。返排液由于与页岩储层的长时间紧密接触，返排回地表时还存在着压裂液组分以外的物质，如石油烃类冷凝物等有机物到附近水体，将会对地表水带来污染。压裂液中添加剂的溶解性化学成分也可能会渗入地下水，增加有毒有害有机物等溶解性化学物质对地下水污染的风险[11-12]。美国针对页岩气开发是否会造成地下水污染问题开展了大量研究，发现Marcellus 页岩气井1 km 以内的地下水中的甲烷含量远高于1 km 以外的地下水[13-14]；美国在怀俄明州页岩气开发区域的浅层地下、卤水（高浓度的钠、氯、溴化物和其他无机成分）和天然放射性物质等[5-6]。返排液水质指标中的化学需氧量（COD）、悬浮物（SS）的含量常高于中国的GB 8978——1996《污水综合排放标准》中的一级标准限值[11，15]，且此类废水由于污染物种类多、盐度大使得处理技术难度大、成本费用高，若不经妥善处理使返排液泄漏或排放水中检测到压裂液添加剂成分[16]。因此，为了减少环境污染风险，保持页岩气产业的绿色可持续发展，必须对压裂过程带来的水环境影响问题进行有效管控。

2 页岩气开发中水环境保护及压裂返排液管理

2.1 美国监管方式及管理依据

美国的监管权是由联邦政府和州政府共同拥有，采用分级监管的方式[17]。美国联邦政府颁布的各项法律及规章条例中与水环境保护相关的主要有《清洁水法案》《安全饮用水法》及《石油污染法案》等[18]。

其中，《清洁水法案》利用国家污染物排放消除系统许可程序从排污许可和总量控制的角度来控制油气开采可能对水环境造成的影响。联邦政府于2009 年出台了《压裂责任与化学品意识法》，该法案进一步明确地下注入监控法规框架（Underground Injection Control，UIC）中包含油气开发中使用的地下注入物质和支撑介质，此外，要求相关企业公布水力压裂液的化学成分，以监督和规范压裂液中各类化学品的使用[18]。

美国页岩气开发涉及的环境问题在相关联邦政府机构批准的协定和计划下，被下放到各州政府具体执行[19]。若各州标准与被替代的联邦标准具有同等保护性或为了达到本地环保要求而具有更高保护性，美国各州可以执行区域性、州级特性的法规标准[19]。

美国各州在环境监管执行上具有特色鲜明、主动性大的优点，州政府和开发地区环境监管机构因地制宜地进行环境监管，提出适合开发区块的具体监管政策规定，从而弥补联邦法律中水力压裂具体环节监管的缺失，一些州建立了更为严格完善、各自适用的监管法规、制度、标准体系[20]。例如，美国有14 个州要求页岩气开发商可在不泄露商业机密基础上，在网站上提交并向民众公开水力压裂液的化学组成相关信息，其中，蒙大拿州和怀俄明州要求页岩气开发商主动公开使用的压裂液化学物质含量[9]。

美国各州、政府和页岩气开发商本着保护地表和地下水资源甚至能减少未来对淡水需求的原则处理返排液，通过遵循“减少、重复利用、再循环”的污染预防和控制原则，对返排液的处理方式和管理措施主要有地下注入、回收利用和达标排放等3 种方式。

根据美国地下注入监控法规框架（UIC）的管理方案，其中，蒙大拿州和怀俄明州要求页岩气开发商主动公开使用的压裂液化学物质含量。

据美国环保署报告指出，大部分II 类注入井的液体是油气生产中被带至地表的卤水，这种卤水是地层中天然形成的，含盐度一般很高且可能含有天然放射性物质，若排放到地表水或土地表面会危害环境和公众健康。

为了防止污染土地和地表水，II 类注入井允许同层回注[21]。根据Navigant 咨询公司报告[21]，考虑到受地表污水处理的返排液运输、处置和异地处理等成本和地质条件等环境因素以及各州为防止卤水污染地表水和土壤所采取的处理规定，II 类注入井已成为水力压裂操作中返排液的首选处理方式。

但使用地下注入方式处理返排液不是所有页岩气开发区域都可以使用的，因为有些区域不属于可注入的范围，如，宾夕法尼亚州只有5 口用于返排液地下注入的II 类注入井，而得克萨斯州和科罗拉多州更适合建设II 类注入井[3]。在纽约州和宾夕法尼亚州，获得美国环保署和环保机构签发的许可证才能通过深井注入来处理返排液。

返排液进行回收利用前需经过服务公司和开发商的评估，确定返排液的处理程度和所需补给水量。通常情况下，根据需要处理返排液的流量和总体积、需除去的成分及其含量、处理需达到的目标，以及回用、排放的要求，来决定现场处理设备和技术方法。

通常返排液处理到达到水力压裂要求或能够用作其他工业用水即可，不需要将其处理到可以排放到地表水或用作饮用水的程度，因此，美国建设了一些商业废水处理设备，用于处理页岩气开发的返排液废水[12]。

虽然返排液的重新利用能节约用水量，减少其他处理方式需求，解决取水的相关问题，但为了提高利用返排液配置的压裂液的性能和节约成本，美国开展研究以寻求新方法和技术来使返排液的回收利用成本更低。

在美国返排液含有需要进一步处理的污染物而无法排放到地表水时，服务公司将不得不转移返排液到废水处理工厂。美国工业废水处理设施的运营商将根据处理设施的排污许可标准进行废水处理，然后才排放到附近受纳水体[9，21]。

2.2 中国监管方式及管理依据

与北美地区不同，中国目前处于页岩气开发初期，开采区多集中在生态脆弱且人口较为密集的敏感区，此外，由于中、美两国法律法规体系的差异，中国在页岩气开采相关的水环境管理方面与美国亦有不同之处（表1）。

中国页岩气开发环境监管机构分为中央和地方两个层级，中央监管职责权限主要归属于生态环境部、自然资源部、国家发展和改革委员会、国家税务总局、财政部，地方监管依靠于各省地市级政府、地方环保部门和行业组织[17]。

中国颁布的水环境保护方面的各项法律及规章条例中与页岩气开采相关的主要有《中华人民共和国环境保护法》《水污染防治法》《环境影响评价法》及《石油天然气开采业污染防治技术政策》等。总体上，有关页岩气开发环境监管方面的环保法规标准零散分布在相关的法规条例中，没有针对性解决页岩气开发过程中产生的特殊生态环境影响问题，如水力压裂技术及其产生的高矿化度的返排液[9，18，22]。

此外，从国家能源局关于《页岩气发展规划（2016—2020 年）》来看，中国虽然强调大幅度提高页岩气产量的同时要注重生态保护，但尚未从排污许可和总量控制的角度规划页岩气产业环境保护政策。

中国页岩气压裂返排液处置主要采用“大量回用，少量回注及外排”的方式。总体上，中国和美国均通过回注、回用、外排这3 种方式进行压裂返排液的处理[23]，但由于两国管理依据各具特点，使其在执行中存在异同（表2）。

表2 中、美页岩气开采压裂返排液的管理特点Tab.2 management characteristics of fracturing flowback fluid in shale gas exploitation between China and the United States

在压裂返排液地下注入方面，美国依据联邦法规层面的地下注入监控法规框架进行管理，中国主要依靠能源行业标准和油气公司企业标准进行回注。中国要求页岩气开发中压裂返排液回注目的层应当为地质构造封闭地层，一般应回注到现役油气藏或枯竭废弃油气藏。

而回注处理的开采废水应当依据能源行业标准NB/T 14002.3—2015《页岩气储层改造第3 部分：压裂返排液回收和处理方法》[24]；对于废水深井灌注，目前并无专门的环保立法和监管措施[25]，主要依据石油天然气行业标准SY/T 6596—2016《气田水注入技术要求》及油气公司企业标准Q/SY 01004—2016《气田水回注技术规范》[26-27]。

近年来，部分地区的环境管理部门对回注方式持谨慎态度，对回注处理方式提出了严格的环境监管要求。如，2019 年12 月发布的《关于进一步加强石油天然气行业环境影响评价管理的通知》中提到涉及废水回注的，应当论证回注的环境可行性，采取切实可行的地下水污染防治和监控措施，不得回注与油气开采无关的废水，严禁造成地下水污染；如，2018 年2 月颁布的《四川省页岩气开采业污染防治技术政策》提出“对采取压裂返排液回注处理方式的，应充分考虑其依托回注井的完整性，注入层的封闭性、隔离性、可行性，以及压裂返排液与注入层的相容性，确保环境安全。依托的回注井相关手续须齐全，运行监控管理制度须健全”。

部分地区已禁止压裂返排液采用回注方式处理，如，2016 年颁布的《重庆市页岩气勘探开发行业环境保护指导意见（试行）》中首次对废水处置提出“压裂返排液回用于配置压裂液，回用不完的，应处理达标后进行排放，严禁偷排漏排、稀释排放或回注”[28]。

中国在压裂返排液回用方面主要依照能源行业标准及地方产业政策，而美国压裂返排液的回用主要依据商业市场需求。

目前，国内先后出台多项环保技术政策以规范石油天然气开采业的水污染防治。根据大量的现场工厂化应用数据，2015 年，国家能源局出台NB/T 14002.3—2015《页岩气储层改造第3 部分：压裂返排液回收和处理方法》[24]，规定了压裂返排液等废水回用处理后水质要求。

2018 年，发布《四川省页岩气开采业污染防治技术政策》，明确指出钻井废水和压裂返排液应优先进行回用，平台钻井废水回用率、平台或区域压裂返排液回用率均应达到85%以上[29]。

在建设四川长宁—威远国家级页岩气示范区过程中，中国石油集团注重加强循环利用压裂返排液来减少用水量，采用平台内回用和区域平台内回用的方式，减少压裂施工的清水取用量和返排液外运处置量，符合2018 年发布的《四川省页岩气开采业污染防治技术政策》中“压裂返排液回用率应达到85%以上”要求[25]。

中国尚缺乏针对页岩气开采行业的废水排放标准。中国处理后外排，指返排液经污水处理厂处理后能够满足相应水质标准指标限值等要求。尽管压裂返排液回用率较高，但仍存在未利用的部分，需要进一步处理后外排，特别是当井场压裂作业期结束，前期贮存的返排液没有回用需求，就会产生大量需要外排的压裂返排液。

从环境管理、政策导向等方面来看，回注不利于环境管理，只是暂时控制了污染，没有从源头根本上消除污染，国家和行业层面更倡导支持科技创新，要求返排液达标排放，更有利于对其进行严格的环境管控[28]。目前，国内某些地区返排液达标排放要求满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》一级标准排放限值[15]，在该标准中未明确压裂返排液所归属的污水行业类型，也未给出对于页岩气开采行业的污水排放标准限值要求。

随着国家对生态环境保护要求的提高，限制盐或氯化物含量的省份越来越多，贵州、云南、四川等地方政策已经要求对区块压裂返排液采用集中处置和深度处理以满足排放标准。

此外，压裂返排液排放前须取得了环境主管部门的排污许可证，而压裂返排液脱盐处理工艺处理产生的结晶盐须交由有危废处置资格的企业进行了处置[28]。

2018 年，四川省发布《四川省页岩气开采业污染防治技术政策》，指出区域有集中处理条件的，可纳入集中式污水处理厂处理；区域无集中处理条件的，可自行处理达到相关标准后排放，其中，对氯化物的管理可以参照GB 5084—2005《农田灌溉水质标准》中的有关规定[30]。

目前，还没有准确的页岩气开采行业废水排放标准，各级各类标准及规范性文件中也尚无对压裂返排液外排中氯化物含量限值的确切规定[28]。