竹 涛 薛泽宇 牛文凤 侯益铭 叶泽甫 薛 明

(1.中国矿业大学(北京)大气环境管理与污染控制研究所；2.石油石化污染物控制与处理国家重点实验室；3.格盟国际能源有限公司)

0 引 言

根据美国环保署统计结果[1]，页岩气开采过程中，开采一口井的耗水量为8 700～14 000 m3，其中的20%～80%可以返排，其余水可短暂存在于地层中。美国各地区返排液现状各不相同，Barnett地区和Marcellus地区产生的压裂液分别为14 383，20 817 m3，返排率分别为324%和22%[2]。

四川盆地页岩气储量丰富，开采过程中单井需水量20 000～30 000 m3。龙马溪组的涪陵区块完钻层返排率只有3%，而长宁区块完钻层返排率为20%；在另一个地区，奥陶系下统马家沟组的延长区块完钻层返排率为50%。由于上述区块处在不同地区，每个区域地层含水率不同，地质条件不同，所以其返排率也不同[3]。

随着水力压裂技术的成熟，页岩气开发力度将逐渐增加。鉴于压裂返排液产量大、成分复杂、处理困难，势必成为页岩气规模化发展的瓶颈之一。因此，本文通过中美页岩气开采过程中压裂返排液水质和治理现状的对比分析，提出符合我国国情的监管建议，希望能够为压裂返排液的管理提供参考。

1 压裂返排液水质特点与治理现状

压裂返排液水质受很多因素的影响，压裂返排液成分、地层特点及地区的不同都会对其造成影响。

为了保证开采设备正常运行，同时诱导储层裂缝，在水力压裂过程中会用到压裂液。压裂液中除含水外，还含有盐、胶凝剂以及其他含量各异的黏土稳定剂等，见表1[4]。仅在2005年之后的4年内，就有多达750种的化学试剂被用于压裂返排液。在这些化学试剂中，既含有无毒组分，也含有有毒物质，且有毒物质的种类多、范围广，共涵盖29种[5]。

表1 典型压裂液的成分及含量

1.1 美国页岩气压裂返排液水质特点与治理现状

1.1.1 水质特点

水力压裂液由多种成分混合而成，通常包括水、支撑剂以及多达750种的化学添加剂。在不同矿区，压裂液所包含的化学物质的量值、种类和浓度都有差异。化学添加剂是否具有毒性，不同专家有不同的看法，目前还没有定论。由公开数据可知[6]，美国在页岩气水力压裂液中添加了81种化学添加剂，其中55种有机物中只有27种可降解。如果返排时间逐步增加，对应的累积压裂返排液量会逐步上升，其中的氯根、总溶解固体(TDS)、金属离子(总钙、总镁、总钡、总锶等)含量也会发生变化。当处于产出水过程时，因压裂液和地层接触的时间久，TDS>1.0×105mg/L，同时有机物与金属离子含量较高。表2为美国Marcellus页岩区和Barnett页岩区压裂返排液主要水质指标[7]，有机物所占的比例很高，金属离子也占了很大比例。

表2 美国不同页岩区压裂返排液主要水质指标 mg/L，pH值除外

由表2可知，页岩气压裂返排液具有成分复杂、TDS高、悬浮物多等特性。部分水质指标存在很大差异，这些差异可能是由于不同页岩区地质条件不同造成的。例如：Marcellus页岩区的压裂返排液相比于Barnett页岩区，总锶、总钡及TDS含量较高，硫酸盐含量较低。同时根据水质指标的变化幅度可以看出，同一页岩区不同气井的压裂返排液也存在一定差异。

表3为科罗拉多州丹佛-朱尔斯堡盆地(DJ)气井压裂返排液的化学成分[8]。

表3 DJ气井压裂返排液的化学成分

由表3可知，压裂返排液成分复杂，排放量较大且间歇性排放。压裂返排液中的悬浮物含量会变高，是由于破胶返排后的液体中含有残杂物以及悬浮油颗粒，他们是导致高悬浮物的主要因素。同时废液中的COD很高，一般在2 000～20 000 mg/L。这主要是由于破胶返排后的液体中含有很多水溶性聚合物，包括胍胶及其他有机添加剂(包括苯系衍生化合物和多环芳烃类化合物)。这些聚合物稳定性强，很难被去除，且有很大的毒性，从而导致COD变高。在压裂返排液中，还含有很大数量的浮油，浓度在100～500 mg/L。同时氯离子和一些重金属离子含量也很高，其中重金属离子以铁离子为主。

综上，美国压裂返排液具有产生量大、难生物降解、成分复杂，以及COD、TSS、TDS高等特点。

1.1.2 处置方式

1)深井灌注

经地下灌注控制计划法规允许后，同石油和天然气开发过程中产生的伴生水一样，页岩气压裂返排液也可以深井灌注的方式进行处置。根据美国环保署规定，能够接纳上述废水的灌注井为第二类灌注井，相关法律对灌注井的选址、施工、运行及法律责任等有非常系统且明确的规定。根据Tosello等的研究[9]，有3种方法可以将水力压裂返排液注入地下进行永久处置。

(1)废水注入盐洞。被选用的盐洞需要满足两个关键因素，一是合适的盐洞构造；二是考虑到运输距离所耗费的成本，盐洞需有足够的体积处理大量的废水，使得成本合理。

(2)在原井堵塞和弃井时注入。如德克萨斯州、俄克拉何马州和怀俄明州等允许在弃井之前将钻井废料注入原井中。需要注意的是，注入压力必须大于压裂压力。

(3)潜在裂缝注入。在特定的地质条件下，废水可在低于地层断裂压力的压力下注入地层。在一些情况下，废物在真空下会被吸入地层。

Tosello等[9]统计，截至2008年底，得克萨斯州经美国环保署批准的第二类灌注井的数量为11 000口，略多于产气井的数量，有利于Barnett区块页岩气开发产生的压裂返排液的处置。相反，宾夕法尼亚州符合要求的灌注井数量只有7口，过剩的压裂返排液需要送到其他州进行处置，提升了Marcellus页岩区压裂返排液的灌注成本，该州的油气开发公司只能寻找其他的压裂返排液处置方法。虽然深井灌注可能是一种处理压裂返排液的方式，但也并非万无一失。问题之一是溢出或泄漏可导致污染注入区域的水资源和土壤。此外，存在于压裂返排液中的金属、放射性物质和沉积物的累积在注入处理后可能引发长期问题。

2)市政污水处理厂处理后外排

根据美国《清洁水法案》中的国家污染物排放消除系统(NPDES)许可程序，压裂返排液可以通过工业或城市废水处理设施进行处理。具体到各气田，还应符合各州压裂返排液排放相关法规。据Lutz等[5]统计，2008年Marcellus页岩区共有4.0×105m3气田废水经市政污水处理厂外排，其中以压裂返排液为主。在Monongahela流域的部分地表水体中曾短暂检测出高盐分，这是由于污水处理场的工艺流程对存在于水中的TDS几乎没有去除效果导致的，所以宾夕法尼亚州采取了比其他地区更加严格的污水排放标准以及管理要求。

3)现场或中心建厂处理后回用

压裂返排液再利用是克服水供应有限和处置废液存在问题时的良好替代方案。有时根据条件，压裂返排液经处理后在另一个压裂过程中重复使用更加实用，而不是处理后将其排放到地表。根据 Lutz 等[5]的统计，Marcellus页岩区压裂返排液的回用比例在2008—2011年从10%提升到了71%以上。这是由于开发规模不断扩大以及环保要求更加严格而形成的。在该区域，Range Resource、Anadarko、Atlas Energy和Chesapeake Energy等油气开发公司都将压裂返排液全部回用作为目标。例如：Range Resource公司2009年所用的6.0×105m3压裂液中28%作为回用，17%以上的页岩气井压裂施工过程中进行了返排液回用。该公司共拥有25口高产井，有近一半的高产井参与回用，且并未出现影响产气效果的情况[10]。

4)现场或中心建厂处理后外排

对于多次回用后水质不再适合继续回用的压裂返排液以及回用成本较高等现实问题，现有水处理服务技术能够达到外排标准要求。目前已开展对“零排放”处理技术的研究，并且回收氯化钠等副产品。分析美国页岩气压裂气返排液处置现状可知，压裂返排液处理技术路线的建立要对某些因素进行综合评估和系统分析，这些因素包括政策法规、水质特点、开发现状、地质条件和技术经济性等。考虑到水力压裂液成分的复杂性，返排液须在几个不同的过程中进行组合处理。图1为压裂返排液处置的可能路线，可根据实际情况对①～⑥种路线进行适当选择及设计，即返排液管理技术路线。

图1 压裂返排液处置的可能路线

1.2 中国页岩气压裂返排液水质特点与治理现状

1.2.1 水质特点

我国不同页岩区具有不同的地质条件，由于地区差异等原因，可能对水质指标产生影响，造成一定差异，即使是同一页岩区，不同气井的压裂返排液也会有差异。国内使用的压裂液兼有国外和国内自主研发配方，但是各大生产商均对压裂液成分保密，我国未对这部分进行强制披露。本文选取国内典型页岩气田压裂返排液污染特征进行分析。

1)涪陵地区页岩气井压裂返排液主要污染指标

我国第一个千亿方大型页岩气田是涪陵页岩气田焦石坝龙马溪组页岩气田。页岩气大部分在上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组形成，埋深2 300～2 800 m。涪陵页岩气田区域岩性具有良好的稳定性，总体孔隙密度约为4.61%，岩性基本分为3类，主要包括灰黑色泥岩、灰黑色碳质泥岩和灰黑色粉砂质泥岩，渗透率在2.363 3×10-4μm2左右。在开发目的层段，厚度能够达到80～114 m。页岩气储层的孔隙度和渗透率都较低，所以在后期使用套管生产，通过生产气体的临界携液速度进行排水采气。此方法能够稳定的产气产水，从而稳定生产页岩气。目前四川盆地涪陵焦石坝页岩气田采用的回收与循环利用方法有可能减少80%需要处理或处置的压裂返排液。统计报告表明，37.85万L水中大概含有20 t的化学物质(苯、甲醇等)，而且其中的盐度会发生变化。回流水是海水的十倍，每开采一口页岩气井就需要37.85万～302.8万L水。大量的回流水若不及时进行处理造成泄漏，对水质和生态环境造成的影响不可预估[11]。通过分析涪陵焦石坝区块多个平台的压裂返排液，了解污水中悬浮物浓度、水型、矿化度、细菌浓度等情况，见表4。

由表4可知，压裂返排液总矿化度较高，水体为棕褐色，水型为NaHCO3型，pH值大部分呈中性，3种细菌浓度较高，悬浮物含量较高，意味着减阻剂溶解性能较差，同时减阻水压裂液性能不达标，出现沉淀或者絮状物。因其存在COD、细菌类等污染物，为防止污染农作物和地表水质，必须要将这些污染物进行处理后才能排放。在形成针对性政策时需要考虑到这些因素。

2)长宁-威远地区页岩气井压裂返排液主要污染指标

威远气田是以震旦系为主要产气层的致密白云岩裂缝-孔洞型气藏。震旦系气藏含气高度244 m，探明含气面积约216 km2，原始地层压力29.533 MPa，地层温度120℃，硫化氢含量16～20 g/m3，气藏探明天然气地质储量4×1010m3。长宁-威远区块单井用水量在25 000 m3以上，压裂作业结束后，10%～70%的返排液到达地面。表5为长宁-威远地区页岩气井压裂返排液成分分析[12]。

表4 涪陵焦石坝区块压裂返排液分析结果

表5 威远-长宁地区页岩气压裂返排液成分分析

从表5可知，不同地区的页岩气井压裂返排液成分含量区别很大，但是主要成分没有质的区别，两个区域的储层矿物化学成分也基本没有不同。所以该地区压裂返排液回用技术可作为代表性技术在不同地区进行推广。在后期处理时需要注意到其中含有COD、悬浮物等，不能让这些物质直接排放到环境中，应制定相应对策。

1.2.2 治理现状

随着《页岩气发展规划(2011—2015年)》和《页岩气产业政策》(国家能源局公告 2013年第5号)的发布，我国加快了页岩气开发脚步，但同时也出现了环境问题，其中压裂返排液的处理问题尤其显著。美国页岩气压裂返排液的处理方法主要是重复利用，例如：Marcellus页岩矿压裂返排液的20%是回收与循环利用的。我国页岩气压裂返排液的主要处理方法是深井回注和重复利用。

国内对压裂返排液的处理主要是通过沉降、气浮选、水力旋流等方法进行油水初级分离，然后进行自然风干和化学处理。

自然风干是将置于专门的返排液池中的压裂返排液通过自然蒸发的方式干化后填埋。这种处理方法有很多缺点，时间需求长，填埋处理后部分醛、重金属等依然会从污泥块中渗出，造成二次污染。

化学处理是将压裂返排液统一进行加药絮凝及过滤等预处理，然后将其回注到地层。这种方法亦有工艺复杂、应用范围小等不足。国内页岩气开采地区大多为新开发区块，附近没有合适的回注井，需要将压裂返排液输送到较远的井场进行处理，这一过程增加了处理成本。若对产生的污泥进行自然风干、化学处理或者焚烧，不仅耗费资源，而且重金属、放射性物质等有害物质会对环境造成污染。目前国内绝大部分压裂返排液贮存过程中未实施防护，若处理不当，会使地面处理系统内部结垢严重，井下套管遭到一定程度的腐蚀。必须采取相关措施对地面处理系统实施保护或者对回用压裂返排液严格处理，使其达标。

以成分较为复杂的涪陵焦石坝区块为例，其在产能建设期间产生大量压裂返排液，每口井压裂返排液量达到1 000～2 000 m3。这些压裂返排液的处理一般是经过pH值调节、脱稳反应、气浮、絮凝沉降、过滤等流程。因涪陵山地貌特殊，分三级处理才能够达到较好的处理效果。首先调节pH值，之后进行杀菌处理，进一步絮凝沉降，最后将清水与污水混合，对外排放或重复利用[13]。

2 总结与建议

页岩气在美国大规模开发帮助了相关产业的复苏，改写了能源版图，也带来了长久的环境争论。页岩气开发采用的主要储层改造手段为水力压裂技术。据美国环保署统计，每一口页岩气水平井消耗7 600～19 000 m3的水，每次压裂作业完成后，约15%～80%的返排液排至地面。因压裂返排液曾与地层接触，若处置不慎，其中含有的有机质、氯根及含量较高的金属离子等会带来环境风险。所以，如何减少水资源消耗、合理处置页岩气开发过程中产生的大量返排液已成为目前页岩气规模化开发的瓶颈问题之一。

通过对比中美页岩气开采过程中水力压裂返排液的水质特点和治理现状，可以看出压裂返排液的主要特征在于产生量大、成分复杂、难生物降解、高COD、高TSS、高TDS等，极有可能对地表水和土壤，甚至人类的健康造成影响。我国CJ 343—2010《污水排入城镇下水道水质标准》中规定市政污水处理厂TDS≤2 000 mg/L，GB 8978—1996《污水综合排放标准》虽未规定排水TDS指标，但北京和上海地方标准中提出排水TDS≤2 000 mg/L，未来一定会对压裂返排液中TDS及相关指标进行限值。另外，页岩气开采的当地地层岩性必然与压裂返排液水质特点正相关，压裂返排液中悬浮物、油类、Ca2+、Fe2+等易结垢离子及原压裂液中的黏土稳定剂、杀菌剂、减阻剂、表面活性剂与阻垢剂等聚合物添加剂都需要进行相应处理后才可实现回用。当前，压裂返排液处理最常用的方法为深井回注法、处理后排放法和处理后回用法。国内页岩气水力压裂返排液处理技术相对落后，并且处理简单，一些地区仍沿用石油行业处理采出水的方法。部分页岩气田以借鉴国外压裂返排液处理技术为主，结合自身返排液情况制定处理流程。

我国在压裂返排液处理技术及应用上总体处于起步阶段，考虑到成本和环保，压裂返排液循环处理利用是页岩气开采技术的未来发展趋势。因此，在页岩气开采过程中，必须把对水环境质量的影响降低到最低程度，以保护生态环境。政府要加强监管，尤其是压裂过程，同时要加强对压裂返排液的处理，以降低影响程度。当前保护生态环境形势日益严峻，同时为了降低气田经济成本以及让页岩气行业更好更快的发展，对压裂返排液处理技术的研究势在必行。