页岩气开发水管理对策分析

朱景义* 李冰 谢卫红 杨帆

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.中国石油辽河油田分公司浅海石油开发公司）

朱景义等. 页岩气开发水管理对策分析. 石油规划设计，2014，25（4）：10～12，26

页岩气是一种非常规天然气，其赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式。近年来，随着水平井技术的突破，以及与水力压裂的结合应用，页岩气开发在北美获得了巨大的成功。2011年，美国页岩气产量为 2406×108m3，约占美国天然气产量的30%，使美国从天然气净进口国变为出口国。研究表明，我国同样存在页岩气大量发育的地质条件，页岩气资源十分丰富，初步计算页岩气资源量约为 30×1012m3，开发潜力巨大。

1 页岩气开发水管理特点

目前，页岩气开发主要依赖水力压裂来扩大采收面积及提高采收率。水力压裂作业需在较短时间内（一般为 3～5d）消耗大量的水来配置压裂液。以美国Barnett（巴尼特）页岩气田为例，每口水平井所需压裂液约为7000～18000m3，其中99%为清水及支撑剂，其余为减阻剂、杀菌剂、除氧剂、碳化物稳定剂、稀酸液等化学添加剂。水力压裂耗水量大是页岩气开发的一个显著特点。

当水力压裂结束后，气井进入“排水产气”周期。排水初期，压裂液通过套管返排至地面，返排液量为压裂液量的 10%～60%，返排速度随时间递减，初期能达到1000m3/d，一般2周后气井排水趋于稳定，平均水量为1～10m3/d，此时出水以地层水为主。返排液和排出地层水统称为采出水。采出水是压裂液和地层水的混合液，既有压裂液中的各种化学添加剂，也有地层中的天然放射性元素、重金属、细菌和盐类。其中，总溶解固体（TDS）含量极高，海相岩层采出水中TDS含量可达300000 mg/L，接近海水的10倍。采出水短时水量大、成分复杂、污染物多，处置不当会污染水环境，引发社会问题，这是页岩气开发水管理的另一个特点。

2 页岩气开发水管理对策

针对页岩气开发水管理的特点，页岩气开发水管理的任务是供给水力压裂用水及合理处置采出水，并且尽可能地减少对地表和地下水环境的影响。

2.1 美国页岩气开发水管理经验

美国地广人稀、水资源丰富，页岩气开发具有天然优势。经过十几年的快速开发，美国积累了丰富的页岩气开发水管理经验。但是，随着开发规模的不断扩大，美国页岩气开发水管理也遇到了一些难题。

2.1.1 水力压裂对淡水资源的消耗

最初，美国页岩气开发水力压裂作业主要使用地表或地下清水，会消耗大量的淡水资源。虽然与可采水资源总量相比，页岩气开发使用的水资源量相对较少，如，Marcellus（马塞勒斯）页岩气田的比值为0.52%～0.92%。但是，水力压裂周期短、用水量大，对于干旱地区和季节性河流来说，若不能合理安排取水点、取水频率和水量，会干扰农业灌溉、工业生产和居民生活，破坏水环境。德克萨斯州近年严重干旱被指与Barnett气田大量用水有关，而在宾夕法尼亚州，Marcellus气田由于河流水量减少，萨斯奎汉纳河流域委员会（SRBC）于 2012年7月暂停了取水许可。这说明即使水资源丰富，水力压裂作业若全部采用淡水，其对水环境的影响也是不容忽视的。

2.1.2 采出水对水环境的影响

页岩气采出水不仅含有压裂液中的各种化学添加剂，还含有地层中的天然放射性元素、重金属、细菌和盐类，TDS数值非常高。如，Marcellus气田采出水中，TDS含量为38500～238000mg/L，平均值为 160000mg/L。Marcellus气田页岩气采出水主要水质指标见表1。

表1 美国Marcellus气田采出水水质指标*

由于TDS组分中含有钙、镁、钠、钡、氯化物及天然放射性物质，采出水若直接排放会污染环境，美国曾发生多起因洪水冲毁存液池或运输不当造成泄漏而污染水体的环境事件。

在美国，采出水的处置方式通常采用地下灌注或运往污水处理厂处理后排放。按照美国《地下灌注控制计划》（UIC），地下灌注井分 5大类，用于灌注与石油天然气生产相关液体的为Ⅱ类灌注井。截至2010年，美国II类灌注井有150851口，其中80%用于注水、注蒸汽等，其余大部分井用于灌注石油天然气工业高盐污水，少部分井用于为地下储气库注气。在Barnett气田，有12000口Ⅱ类井用于灌注页岩气采出水。Ⅱ类井有严格的管理规程，其灌注深度必须低于最深地下饮用水含水层，并且井的建造、运行及监测等也受到全面监管。

为保护地下饮用水，并非所有页岩气田都能采用灌注方式处置采出水，某些地区由于地层条件达不到要求，地下灌注是被禁止的。2011年，Marcellus气田采出水量为1682000m3，而宾夕法尼亚州境内仅有8口Ⅱ类井，地下灌注能力明显不足。因此，Marcellus气田绝大部分采出水需运往市政污水处理厂处理后外排，但是，市政污水处理厂的处理工艺通常不具备去除TDS和放射性物质的能力。随着页岩气开发规模的逐渐扩大，采出水量也在不断增加，致使宾夕法尼亚州Monongahela（莫农加希拉）等河流的TDS含量高达900mg/L，接近污水排放标准的2倍，影响了水体环境。

由于地下灌注和市政污水处理处置页岩气采出水的局限性，近年来，Marcellus气田采出水处置被迫转向回用。利用专业污水处理厂或移动式处理装置对采出水进行简单处理，达到配置压裂液要求后，将采出水输至附近的井场用于压裂。2011年，Marcellus气田仅有56%的采出水被回用于压裂，而2012年已增长至90%。

2.2 我国页岩气开发水管理面临的问题及对策

目前，我国页岩气还处于理论研究与试验开发阶段。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，我国将加速页岩气的开发。页岩气开发水管理难点多、社会影响大，特别是在我国人口密度大、水资源短缺、水环境脆弱的背景下，更应高度重视页岩气开发水管理及水环境保护。

2.2.1 水资源

我国水资源严重短缺，华北平原、四川盆地、辽宁、山西、河西走廊等都是重点缺水地区，而我国页岩气勘探开发区也基本上处于或邻近这些地区。据估算，在四川盆地，每开发1000口页岩气井的用水量相当于四川省居民年用水量的 10.5%或工业年用水量的2.7%。显然，页岩气大规模开发初期，将会对水资源造成区域性、季节性的冲击。同时，在地下水逐渐被禁采的北方地区，可能会出现无水可用的情况，这将严重制约页岩气的开发。

页岩气开发应多渠道解决水源短缺的问题。首先，可利用采出水回用，已投产井采出水经处理后用于附近新井的水力压裂，实现滚动开发；其次，在临近城镇地区可使用城镇污水处理厂的出水；另外，在气田内可选择合适地点建设临时性雨洪截留设施，存储雨季自然降水用于旱季气田开发。各类水源水质都应满足页岩气水力压裂要求，不能满足时应设水处理装置。根据页岩气的开发特点，水处理装置宜采用移动式。

2.2.2 采出水处置方式

根据国内外开发经验，页岩气采出水主要有地下灌注、处理后外排和回用于水力压裂3种处置方式。地下灌注在国际上已是成熟、安全和经济的废水处置技术，广泛应用于化学品生产、石油开发和市政污水处理，而我国关于地下灌注技术的研究和应用则刚刚起步。2005年，国家环保总局组织开展了《工业废液地下灌注技术示范和环境监督管理的应用和研究》重点项目的研究工作，重庆索特、杜邦（中国）、大庆油田等企业也开始探索利用地下灌注技术用于污水处理。但是，截至目前，关于地下灌注技术，我国尚无相关的法规和标准出台，其法律法规、理论体系、技术方法等有待进一步研究。

页岩气采出水的一个显著特点是TDS含量高。我国CJ 343—2010《污水排入城镇下水道水质标准》对进入市政污水处理厂的水质做了明确要求，其中，TDS指标不大于2000mg/L。因此，在我国，页岩气采出水不能直接输至市政污水处理厂进行处理。另外，虽然GB 8978—1996（1999年局部修订）《污水综合排放标准》未对排水的TDS指标做出要求，但是，我国一些省市地区的地方标准对此有严格的要求，如，北京和上海均要求排水中TDS含量不得超过2000mg/L，而辽宁和河北均对排水中氯化物的浓度做出了规定。显然，随着我国水环境污染的加剧，对排水中TDS指标或TDS的重要组成部分氯化物等进行限制是大势所趋。因此，在我国，页岩气采出水若采用处理后外排的方式进行处置，则去除 TDS是必不可少的过程。

页岩气采出水回用于水力压裂，既可以减少气田开发对外部水资源的攫取，又可避免采出水外排带来的高额处理费用及环境问题，因此，采出水回用这种处置方式近年来在国外逐渐被推广。在我国，延长油田已开展陆相页岩气采出水处理后用于水力压裂的研究，并开发出了试验用小型处理工艺设备。

根据国外经验，回用于水力压裂的采出水，其水质应与地层岩性相适应，因此，通常需要去除悬浮物、油类、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Ba2+等易结垢离子及原压裂液中的减阻剂等聚合物添加剂，并进行杀菌处理后方可回用。目前，我国页岩气尚未大规模开发，采出水水质及水力压裂对水质基本要求的数据积累较少，采出水回用于水力压裂的水处理工艺技术研究也仅仅处于起步阶段，试验用的设备主要借鉴了常规油气采出水处理设备。因此，页岩气采出水回用于水力压裂的水处理理论、工艺、技术及设备的研究和开发是当前亟待解决的问题。

2.2.3 高盐废水处理技术

在页岩气开发的末期，随着生产井的增加和新打井的减少，采出水总量将多于水力压裂用水量，此时，多余的采出水若不能灌注地下，将不可避免地需要外排。因此，如何对高盐采出水进行处理使之达到外排标准是页岩气开发水管理面临的又一个难题。高盐水处理的难点在于脱盐的技术难度和高昂的运行费用。页岩气采出水中 TDS含量高达300000mg/L，现有的脱盐淡化技术已经不适应页岩气采出水的处理，如，在反渗透（RO）技术中，高盐水的渗透压已远远超过现有膜组件的压力应用范围，使得淡水回收率大大降低；而常规的多级闪蒸（MSF）和多效蒸馏（MED）技术则需要消耗更多的能量和更高级别的防腐材料。

对于页岩气采出水这类特殊的高盐污水，其脱盐技术是当前国际研究热点，先后提出了机械压缩蒸馏（MVC）、膜蒸馏（MD）及正渗透（FO）等新技术用于高盐水脱盐。目前，机械压缩蒸馏技术已有较多的应用实例，但是，其能耗相对较高；正渗透技术发展较快，前景较好。美国已开始对Marcellus气田采出水进行正渗透处理中试试验，处理效果良好，与机械压缩蒸馏相比，其能耗降低了42%，为21kW·h/m3。在我国，这些新型高盐水脱盐技术尚处于理论研究阶段，无论是工艺技术突破还是装置设备国产化均任重道远。

3 结语

我国页岩气资源丰富、开发潜力巨大，大规模页岩气开发及水力压裂，将给水管理带来一系列问题。根据国外经验，页岩气开发应减少直接取用地表或地下水源，可通过采出水回用、使用市政污水处理厂出水和存储自然降水等多渠道解决水力压裂用水。对于采出水处置，在我国地下回灌技术不成熟、法规不完善、外排要求严格、处理费用高的形势下，采出水回用于水力压裂是首选的处置方式。目前，我国页岩气开发水管理的首要任务是开展采出水回用水处理理论研究和工艺技术设备开发，并跟踪高盐水脱盐新技术和新工艺的发展动向。

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