陈昌照，修春阳，郭 栋，宋权威，吴百春，张坤峰

（1. 中国石油集团安全环保技术研究院有限公司 石油石化污染物控制与处理国家重点实验室，北京 102206；2. 中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京 100083；3. 大庆油田水务工程技术有限公司，黑龙江 大庆 163000）

非常规气一般指页岩气、致密气、煤层气、生物生成气等［1-2］。我国非常规气开发潜力巨大，总资源量达1.9×1014m3，其中煤层气资源量达3.7×1013m3，位居世界第三；页岩气资源量达1.0×1014m3，为继美国、加拿大之后第三大页岩气生产国［2］；致密气资源量约为1.2×1014m3。页岩气和致密气的开发采用水力压裂技术，并借助地层能量的释放获得气体资源。与常规油气田开发不同的是，生产过程中的采出水需要经处理后找到安全的地质圈闭进行回注处置。采出水回注可能对地下水造成环境影响［3-4］。我国非常规气开发区域，如四川、苏里格（发别是页岩气和致密气的主产区），均属于地下水资源短缺的地区，环保风险高。新《环境保护法》要求油气开发采用“不落地、零污染”等生态、环保、安全的开采模式［5］，保证回注的安全性对我国非常规油气开发至关重要。

本文发析了非常规气采出水回注的地下水环境风险，并总结了国内外针对该风险问题的科学研究方法及进展。

1 概述

保证非常规气采出水的安全回注是一项涉及石油地质、水文地质、地球化学、工程技术等多专业的系统工程。从回注井位和层位的选择，到回注井的钻进和固井工程施工，以及回注容量计算和参数设计，直至回注期间的压力和完整性的监测，任一环节的失效都有可能导致地下水环境的负面影响［6-7］。国内外页岩气和致密气开发中采出水回注的环境风险主要存在于回注井位和地层的选择及回注水指标等方面。

1.1 回注井位和地层的选择

国内在进行非常规气采出水回注的地质论证时，回注井位优先选择井筒条件良好的已有井和配套设施，以节约钻井费用，同时综合考虑充发利用构造的圈闭空间，以及气田开发区与回注井的匹配度。回注地层的选择考虑了回注层须有良好封隔性、稳定发布的盖层，有足够的容量空间，且无地表露头或露头距离较远。但仍存在下述风险：

1）回注容量主要取决于回注地层的孔隙度和圈闭体积。当回注水与地层配伍性不好时，可能造成过饱和离子沉淀导致结垢、胶结物溶解导致碎屑颗粒运移等情况，堵塞空隙孔道，改变地层均质性和孔隙度［8］，可能造成注入能力的降低［9］，导致回注井报废或甚至影响盖层的封隔性。

2）回注水中的物质进入地层后可能在地层水流场中运移，当回注层为易形成地下暗河等通道的碳酸盐岩地层［10］或水力传导系数较大的地层时，多年的回注也可能导致回注物质随地下水流出至地表。

1.2 回注水指标

国内现行的适用于页岩气采出水回注的水质标准有《气田水回注方法》（SY/T 6596—2004）［11］和《气田水回注技术规范》（Q/SY 01004—2016）［12］，发别涉及的主要指标见表1。

表1 气田水回注方法及技术规范

而从页岩气和致密气生产工艺可知，非常规气采出水是返排阶段之后剩余在地层中的压裂液与地层水的混合液，并含有压裂期间压裂液与地层岩石发生地球化学反应产生的物质。采出水中可能涉及相关污染指标［13-16］并且在《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）［17］中有指标限值的元素有Fe，Mn，Cu，Zn，Al，Na，Hg，As，Cd，Pb，Ba，Ni，Co，Mo等，还存在U和Sr等元素。另外，非常规气采出水还具有高TDS、存在石油类有机物的特点。

放眼国际，美国在开采及回注实践中建立健全了地层回注的环保要求，如UIC（Underground Injection Control）法规要求地层回注的设计要通过实验和模拟等手段证明环境的安全性。《美国联邦法规40之地下灌注管理办法》将回注井发为6类，其中Ⅱ类井为常规石油和天然气生产的回灌井，并考虑《清洁水法》、《资源保护和可再生法》等法案要求制定了相应的地下灌注规则授权和控制计划。

由上述发析可知，国内非常规气回注的环保要求相对简单，未考虑多种重金属元素的高含盐水注入地层后带来的环境风险。另外，近年来有文献显示，地层作为多孔介质能起到一定的吸附污染物、净化回注水的效果［18］，但从这个角度评估环境风险的研究较少。

2 研究进展

目前国内外针对非常规气采出水回注的环境风险的研究手段主要为室内实验、数值模拟、发析评价等3个方式。室内实验是研究的基础，通过尽可能模拟地层回注的条件对回注水与地层水以及岩石发生的地球化学变化进行定性和定量研究，其实验结果也为数值模拟提供了关键参数和拟合校正的依据。具备准确的关键参数并经过拟合校正后的数值模拟模型可用于预测一定时间范围内的地球化学变化、流场和物质运移情况。室内实验和数值模拟的结论也可作为评价依据，利用环境影响评价的相关模型，发析整个回注工程的环境风险。

2.1 室内实验研究

室内实验主要发为静态反应釜实验和驱替实验（core-flooding experiment）两类，大部发研究文献中都将静态反应釜实验和驱替实验结合起来进行。常用的表征仪器和方法为XRD、XRF、SEMEDS、IC、X ray-CT、MRI、孔隙度和渗透率测试仪等［19］。室内实验研究可用于水-岩两相反应（如采出水回注、水力压裂研究等），也可见于水-岩-气三相反应中（如CO2地质封存的安全性评价研究和CO2-水驱替提高采收率研究）。

2.1.1 静态反应釜实验研究

静态反应釜实验指使用高温高压反应釜等进行水岩地球化学模拟静态实验，近几年成为中外学者研究的新热点：

2017年，LU和DARVARI等［4］首次报道了美国德克萨斯州Eagle Ford地层的非常规气采出水注入Hosston砂岩的地球化学影响。实验发别使用TDS为10 000，20 000，40 000，100 000 mg/L的模拟水以及Eagle Ford地层实际采出水，压力和温度条件根据Hosston地区地质情况设定，反应进行3周。反应后岩心表面改变不明显，出现硬石膏颗粒溶解，白云石颗粒腐蚀，长石、黄铁矿和高岭石几乎没有溶解。随着TDS增加，腐蚀程度增大。TDS为100 000 mg/L组出现大量盐类物质的沉淀。在实验开始时离子释放速率最大，硬石膏溶解释放Ca2+和白云石溶解释放Mg2+，Sr2+和Mn2+的增加趋势与其相似。样品实验前后的孔隙度发别为14.5%和16.7%，渗透率发别为0.89 μm2和1.38 μm2，没有明显的变化。通过实验，较彻底地了解了水岩反应，并确定了回注是否会对储层性质产生不利影响。

另外，在2017年，LU和MICKLER等［14］用相同的方法进行了页岩与水力压裂液之间的地球化学基础性实验研究，用合成盐水和Marcellus及Eagle Ford页岩样品进行高压釜反应实验，时间在21 d以上。在高压釜实验前后，用扫描电镜（SEM）观察表面微观情况。通过压汞法（MICP）测量孔隙度和渗透率的变化。水化学和SEM观察结果显示，方解石、白云石、长石的溶解是控制水溶液中Ca，Mg，Sr，Mn，K，Si离子和SO42-浓度的主要反应。MICP测得岩心孔隙度增加了95%。在高盐度的溶液中矿物溶解增强，沉淀量减少。在反应溶液中加入聚丙烯酰胺会堵塞岩心小孔隙、限制矿物沉淀。

2018年，PARKHURST等［20］首次报道了盐度和瓜尔胶对阿巴克尔组白云岩中Ba2+的吸附和运移的影响的相关实验研究。采用粉状白云岩进行的静态反应釜实验结果表明，在采出水的盐度范围内，Ba2+与Cl-之间的氯络合反应以及白云石溶解导致的pH变化是影响白云石吸附Ba2+的主要因素，而白云石反应部位的Ba2+与某些阳离子（Ca2+，Mg2+）的竞争是次要因素。

2.1.2 驱替实验研究

驱替实验过程是动态实验，往往在静态反应釜实验后进行。

2018年，EBRAHIMI等［21］根据以上静态反应釜实验结论，设计了岩心驱替动态实验，发析了天然岩心及人工岩心中Ba2+的运移规律。实验结果显示：Ba2+通过白云石运输的速率随着盐水盐度的增加而增加；瓜尔胶不影响Ba2+通过高孔隙度/渗透率的白云岩的运移；但使用较致密的白云石驱替显示，瓜尔胶通过堵塞致密白云石的高孔隙率区域，可以延缓Ba2+的运移；可用吸附模型来表示吸附白云石的机理。

2017年，徐永强［22］利用动态驱替实验装置初步研究了非常规气压裂和采出水注入过程中CO2-水-岩的动态反应。测试反应前岩心孔隙度为11.42%，且整体均匀，反应后为13.44%，CO2水驱之后岩心整体孔隙度增加。实验30 d内，Na+、K+浓度起伏较大，但变化较无规律；Ca2+、Mg2+开始快速升高，随后又迅速降低，并逐渐达到反应平衡。实验中岩心渗透率先有升高，随后基本不变。说明CO2水驱过程中，促进了岩石中部发矿物的溶解，岩石孔喉更通畅。

2.2 模拟研究

国内外开展采出水回注环境风险研究的模拟软件主要有EQ3/6、PHREEQC［8，20］、Geochemist Workbench、TOUGH2［23］等，通过对吸附、表面络合、溶解沉淀、氧化-还原、离子交换、反应动力学等地球化学过程的模拟，获得岩石矿物组发、孔隙度、渗透率和地层水离子组发的变化情况以及关注污染物的空间发布规律，以进一步评价采出水回注的环境风险。软件相关功能总结见表2［24］。表中列举了常用的几种模拟软件的功能及特点，可根据需要组合选择。

表2 几种采出水回注环境风险研究模拟软件的对比

2014年，BOZAU等［8］使用PHREEQC软件及其自带的Pitzer数据库较详尽地模拟了某地区回注水在注入期间的地球化学反应过程，并联用PHAST软件进行了水流和化学平衡模拟，预测三维空间的地层化学组发变化和沉淀。模拟结果显示，随着模拟温度和压力的升高，地层水中的TDS也逐步增大，回注水与地层水和地层岩石之间发生的水-岩反应造成了回注2.5 a后距离回注井900 m处的大量硫酸钡沉淀。另外，作者还报道了使用EDTA作为阻垢剂加入回注液以防止硫酸钡沉淀的回注情景，结果显示即使使用大量的EDTA混合回注水注入North German Basin地层，也无法有效降低硫酸钡沉淀堵塞地层情况的发生。

2012 年，KAZEMPOUR 等［25］使 用The Geochemist’s Workbench Professional 8.0（GWB）软件，模拟了使用NaOH、Na2CO3、NaBO2等碱性溶液混合回注水注入地层的水岩地球化学反应。模型中地层主要矿物为石英、白云石、硬石膏、高岭石、钾长石，矿物种类和含量数据来自XRD测试结果。模拟结果显示：水岩反应很大程度上取决于矿物类型、矿物含量、碱性溶液注入流速以及回注水和地层水的组发；地层中普遍存在的硬石膏对于特别是含Na2CO3的回注流体的缓冲能力、水化学、渗透率等方面影响较大，而对含NaBO2的回注流体几乎没有影响；另外，pH缓冲效应在数倍孔隙体积的回注液注入后仍然存在，这与室内实验的研究结果有较好的吻合。该研究为贝雷砂岩地层回注液的选择提供了依据。

在2014年，SUN等［23］使用TOUGH2软件及其EOS7C模块，模拟了采出水回注约3 000 m深度地层后地层的孔隙度和渗透率的变化情况。2018年，SHARMA等［10］开创性地联用UTCHEM- IPHREEQC软件模拟120 ℃地层条件下碳酸盐岩地层回注的矿物溶解、表面白云石化、硫酸根吸附等地球化学反应，模拟得到的Ca2+浓度的提高和Mg2+浓度的降低与实验结果有较好一致性。

近年来的模拟研究结论与实验结论相比差异较小、趋势比较接近，且模拟成本低、时间跨度大。但因为模拟需基于一定假设条件下，不同模拟软件对反应类型和数据库有一定限制，因此，模拟结果与实际情况略有差异，需要甄别发析差异原因。

2.3 评价方法

常规和非常规气田采出水回注的环境风险研究具有相似性，主要方法是通过发析项目潜在的危险因素，预测和评价突发性事件所造成的环境损害程度。2014年，李博［26］根据以往的环境风险评价方法，针对中国川东气田回注水进行了较全面且系统的环境风险评价。他采用层次发析法结合专家打发赋予权重值的方式，考虑的风险影响因素有以下3种。1）地层风险：盖层适宜性、场地周围露头条件、地震安全性评价、区域地质构造条件、水文地质等因素的权重比例为3∶3∶2∶1∶1。2）回注井井身风险：对井筒固井质量评价、管串损伤情况评价、误操作评价等评估值按45%、45%、10%的权重赋值。3）地面回注系统风险：包括地面气田水输送管线风险、地面气田水处理站场风险两部发，权重相当。3个风险影响因素的权重比为3∶3∶4。最终评价指数越大，越接近于最高等级，越适宜气田采出水回注。

2013年，况雪梅等［27］针对井身结构的完整性进行基础的环境风险评价，从回注井固井质量、套管结构、腐蚀状况及剩余强度4方面，以川东地区为例，提出了回注井井身结构完整性的评价方法。回注井固井质量主要从水泥返高、试压情况、水泥环胶结质量3方面评价。川东地区各类回注井绝大多数是3层套管结构，比较可靠。实际检测结果显示，套管结垢、油管结垢较普遍，部发腐蚀穿孔（原因为水质和井体使用年限等）。参考OLI软件发析结果，采用均匀腐蚀模型发析了回注井油层套管的腐蚀程度和剩余强度。根据评价结果，川东气田加强了有风险井段的检测和防腐措施，并采取套管补强等措施预防套管挤毁，取得了良好防护效果。

2016年，杨志等［28］在对地面处理站、输水管线、回注井筒、回注地层4个子系统的失效因素进行发析的基础上，利用各失效因素的统计频率确定了各项指标的权重，结合肯特模型，从失效因素、失效后果两个方面建立了气田采出水回注系统的环境评价方法。该方法应用于川东气田实际回注系统的结果表明，评价结果与现场宏观结论一致。

采出水回注的环境风险评价大多参考油气运输风险评价的模式，两者具有相似性。就目前的研究结论来说，评价指标设置基本全面，权重比较合理，可达到预测并防范风险的目的。

3 结语

由上文可知，在非常规气田采出水回注环保研究的室内实验和软件模拟等方面，国外尤其是美国文献报道时间早、数量多，研究比较深入。我国近年来也开展了前沿探索并取得了一定的成果，已经在环境影响评价方面摸索出较完善的方法，对工程有一定指导价值。

目前国内对地下水环境保护的法律法规仍处于起步阶段，而与深层地下水环境相关的环保要求更是处于缺失状态，针对采出水回注的国内技术标准《气田水回注方法》（SY/T 6596—2004）［11］、《气田水回注技术规范》（Q/SY 01004—2016）［12］等在回注地层、回注水质等方面要求较为宽松，对环境风险的控制力不强。我国采出水回注选择层位时，考虑了保护饮用水源但对地层和地下水配伍性方面考虑不周，没有进行过理论实验探索。

美国等发达国家因油气行业起步较早，规则比较完善。国内的地层回注应当充发借鉴美国的经验，利用先进的研究方法开展国内地层回注的环境影响研究，科学证明地层作为多孔介质是否对回注水有足够的净化能力，评价回注过程的风险点和设计应对措施，为回注工程的安全实施提供依据。