頁巖氣開發壓裂返排液環境監管及對策建議

史聆聆 李小敏 馬建鋒 鄒廣迅

(中國環境科學研究院，北京 100012)

頁巖氣是一種以吸附、溶解、游離狀態賦存于泥頁巖中的清潔、低碳、非常規天然氣資源，它作為一種重要的戰略資源，其儲量在美國、中國、波蘭、法國、澳大利亞、南非、利比亞、阿爾及利亞、阿根廷和巴西等國家都十分豐富［1］。近年來，隨著水平井技術和水力壓裂技術的成熟，美國頁巖氣開發得到快速發展，影響了北美甚至世界的能源格局，但同時也帶來了曠日持久的環境爭議。我國近年加大了頁巖氣的勘探開發力度，在四川、重慶已有部分頁巖氣井投入商業開發，同樣也面臨諸多環境問題。其中，壓裂后返排液量大、成分復雜、處理困難，已成為頁巖氣行業規模化發展的瓶頸之一。為此，本文通過返排液的水質分析和國內外頁巖氣開發返排液監管政策標準對比，提出符合我國實際情況的監管建議，為我國頁巖氣開發環境監管，尤其是返排液的管理提供參考。

1 壓裂返排液

1.1 壓裂液成分

頁巖氣開采的核心技術是水力壓裂法，水力壓裂法中的壓裂液主要由水、砂和化學添加劑組成。其中化學添加劑按照功能不同，可分為酸、破膠劑、滅菌劑、粘土穩定劑、防腐劑、交聯劑、減阻劑、膠凝劑、鐵質控制劑、防垢劑、表面活性劑、pH 值調節劑等。2005－2009年，美國14 家壓裂液供應商提供的2500 種壓裂液中，包括約750 種化學物質［2］;美國紐約州2009年編制的環境影響報告統計了197 種壓裂液，涉及260 種化學物質，這些化學物質的毒性存在較大爭議。William等人［3］根據不同類型和功能，統計了美國頁巖氣開發常用的81 種化學添加劑的理化性質及毒性數據，81 種化學物質中55 種屬于有機物，其中只有27 種有機物可生物降解;根據《全球化學品統一分類和標簽制度》(GHS)急性毒性分級標準，3 種化學品的口服毒性超過二級(炔丙醇、硫脲、氯化四甲基銨)，7 種超過三級(氫氧化鈉、氫氧化鉀、二癸基二甲基氯化銨、四羥甲基硫酸磷、2，2－二溴－3－次氮基丙酰胺、1－溴－3－氯－5，5－二甲基海因、氫硫基醋酸);乙二醇單丁醚大白鼠吸入毒性二級，戊二醛、2，2－二溴－3－次氮基丙酰胺大白鼠吸入毒性一級;乙醇、萘、二乙醇胺、乙醛、硫脲為確認的或懷疑的致癌物。

目前，國內所使用的壓裂液一方面采用國外已有的壓裂液配方，另一方面是自主研發，總體上呈國外技術本土化的趨勢。國內的環境管理中尚無壓裂液成分披露的要求，供應商均以商業機密為由，對壓裂液成分保密。

1.2 返排液水量

返排階段由于壓力下降，井下液體流向反方向排至地面，包括返排液和采出水，其中采出水是地層中存在的水經水力壓裂到達地表，為壓裂過程的“生成水”。返排液和產出水主要從階段和時間上來加以區分，有人將返排液和產出水統稱為返排液，也有將返排液定義為返排10 天內或30 天內收集到的液體，或者是產氣之前收集的液體。本文為了便于討論，將返排液和后期的采出水統稱為返排液。

據美國環保局統計［4］，頁巖氣開采單井需要8700～14000m3水，美國四個井區數據表明，高產單井需耗水19000～49000m3。根據地層地質情況和操作流程的不同，這些水有20%～80%可在返排過程中返排，其余的水暫時性的留在地層中。不同地區返排液情況見表1 所示［5］，個別地區地層中可能含水導致返排液明顯多于壓裂液。

我國四川盆地頁巖氣開發單井需水量在20000～30000m3不等，由于地質條件和地層含水率的差異，不同區塊的返排率也存在較大差異。例如，涪陵區塊完鉆層位屬于龍馬溪組，返排率在3%左右;延長區塊完鉆層位屬于奧陶系下統馬家溝組［6］，返排率在50%左右;長寧區塊完鉆層位屬于龍馬溪組，返排液在20%左右。

1.3 返排液水質

返排液的水質受壓裂液成分和地層特點所影響，不同的壓裂液、不同地區的返排液水質存在一定的差異。表2 列出了美國丹佛－朱爾斯堡盆地［7］和我國不同地區頁巖氣開采返排液的水質情況。

表1 美國頁巖氣開發返排液排放情況

表2 國內外返排液水質比較

從表中數據可以看出，國內外頁巖氣開發返排液具有溶解性總固體含量高、成分復雜等特點，但不同頁巖區由于地質條件差異等原因，在個別水質指標上存在較大差別。與美國丹佛－朱爾斯堡盆地相比，國內頁巖氣開發壓裂返排液中具有較高的TDS、COD、BOD5、硫酸鹽等，但氯化物濃度偏低。

2 返排液的處理及監管現狀

目前，國外有關頁巖氣開發壓裂返排液的處置，主要包括深井灌注、送污水處理廠處理后外排、現場處理后回用、現場處理后外排等。

2.1 深井灌注

(1)美國

美國能源署將地下注入井分為五類，與油氣生產有關的大部分注入井屬于第二類［8］。據統計，目前美國已有172068 口二類井，大多分布在德克薩斯州、加利福尼亞州、俄克拉荷馬州和堪薩斯州［9］。

《安全飲用水法》構建了“地下灌注控制計劃(UIC)”，該計劃制定各項廢水灌注安全標準，同時禁止某些類型的灌注。2005年，該法對于水力壓裂進行了豁免，造成地下飲用水源安全受到威脅，后來被稱為“哈里伯頓漏洞”。近年美國環境監管趨嚴，正在通過法律途徑逐步關閉該漏洞。在美國，大約有30 個州允許深井灌注，但同時有許多限制要求，比如蒙大拿州要求只有TDS 高于15000ppm 的返排液才能進行深井灌注;科羅拉多州對Ⅱ類注入井的地面設備和附屬設施要求增加5 萬美元的保險要求［10］;有些州還會根據情況暫時關閉深井灌注。此外，美國聯邦環境保護法第146 條C部分對二類井作出施工、操作、監測和報告、審批、封井和棄井要求等。

(2)中國

目前，國內頁巖氣開采企業如中石油和延長石油，一般根據頁巖氣井周圍的情況決定是否灌注，如果有適當的回注井，將返排液或產出水處理達到一定的標準后進行深井灌注。

2015年以前，企業一般將返排液處理達到《碎屑鹽油藏注水水質推薦指標及分析方法》(SY/T5329－2012)等規定的回注標準后進行深井灌注。2015年1月1日開始施行的新《環境保護法》第四十二條規定:“嚴禁通過暗管、滲井、滲坑、灌注或者篡改、偽造監測數據，或者不正常運行防治污染設施等逃避監管的方式違法排放污染物”;《中華人民共和國水污染防治法》(2008)第四章規定:“禁止利用滲井、滲坑、裂隙和溶洞排放、傾倒含有毒污染物的廢水、含病原體的污水和其他廢棄物”。企業以往的地下灌注處理方式將不符合新《環境保護法》的要求。

2.2 市政污水處理廠處理后外排

(1)美國

在美國，滿足聯邦、州和當地排放要求時，污水可以排入集中式污水處理廠處理。在頁巖氣開采初期，美國Marcellus 頁巖區等地的返排液經市政污水處理廠處理后外排。由于頁巖氣開采的返排液含有高濃度的TDS，而傳統的市政污水處理廠工藝流程對TDS 等指標幾乎沒有去除效果，且有研究稱TDS 中的某些成分會導致傳統活性污泥的處理效果會受到抑制，某些重金屬在污泥中沉淀富集也會導致污泥處理成本增加［11］。由于EPA 尚未發布頁巖氣廢水預處理標準，返排液的引入將會影響到市政污水處理廠的正常運行，2010年賓夕法尼亞州環保局禁止市政污水處理廠接收返排液，其他州也開始考慮此事。

(2)中國

國內部分頁巖氣開采企業將壓裂返排液暫存于廠區污水池，經簡單預處理達到污水處理廠的進水標準后，用罐車送當地具有處理能力和規模的污水處理廠，處理達到污水處理廠的排水標準后外排。該方法適用于返排液水量不大、距離市政污水處理廠較近的頁巖氣井區。

2.3 現場處理后回用

返排液中含有一系列影響回用的成分。總溶解固體(TDS)會影響鉆井液中某些降阻劑的效力，產生不利的沉淀析出;總懸浮固體顆粒(TSS)會導致注入系統結垢或孔隙堵塞;重金屬鋇、鈣、鎂等易對設備和基礎設施造成負面影響;微生物會腐蝕管材;地層可能帶出含有放射性物質等［4］。

(1)美國

隨著頁巖氣開發規模的擴大和環保要求的日趨嚴格，美國返排液的回用比例也在不斷地上升。部分公司如 Range Resources、Anadarko、Atlas Energy 和Chesapeake Energy 等均以全部回用作為目標［8］，以Range Resources 公司為例，早在2009年，該公司使用的壓裂液就有28%為回用的返排液，17%以上的頁巖氣井在壓裂施工中進行了返排液回用，此間也沒有出現影響產氣效果的情況出現。污水處理工藝主要包括自然蒸發、凍融、過濾、臭氧氧化、化學沉淀法、熱技術、電滲析、電凝法、滅菌技術等，實際采取哪種技術會根據返排液的水質而定，可采用一種或多種組合的方法處理。

(2)中國

目前，現場處理后回用于壓裂液的配制是返排液最廣泛應用的處理方式。2014年，頁巖氣標準委員會針對回用方法及要求開始制定《壓裂返排液回收和處理方法》標準，該標準提出了回用水推薦水質控制指標，包括礦化度、總硬度、總鐵、pH、懸浮固體含量、配伍性等。除了上述行業標準外，部分企業如中石化等制定了企業內部標準。國內的中石油等企業將返排液處理后重新配制壓裂液，實踐證明可以滿足非常規儲層體積壓裂的施工要求［12］。常用的處理技術包括破乳、絮凝沉降、膜處理、多級過濾等方法。

2.4 現場處理后外排

針對多次回用后不再適合繼續回用的返排液，或者是回用成本較高的情況，企業一般處理達到標準后外排。

(1)美國

按照《聯邦清潔水法》(CWA)要求，頁巖氣開發行業廢水排放應執行有關地表水污染物排放標準，EPA正在開展相關標準研究工作，原計劃于2014年完成，但目前尚未發布。CWA 還要求，通過“國家污染物排放消除系統”(NPDES，402 條)許可流程對生成水和雨水的地面排放進行監管，并要求跟蹤壓裂液中的各種有毒化學物質。向地表水(河流、湖泊)和污水處理廠排污的，須獲得排污許可證，禁止在沒有許可證的情況下排放污染物。返排液在排放前須做處理，不能簡單地排放到河流或污水處理廠。各州經EPA 授權后根據該法簽發排放許可證，州法律對聯邦政府的規定進行補充。

(2)中國

按照現有的環保法律法規要求，廢水排放應執行《污水綜合排放標準》(GB8978－1996)。現場監測數據表明，該標準未包括返排液中部分指標:如總堿度、礦化度、氯化物、硫酸鹽等濃度較高的污染物，現行的《污水綜合排放標準》(GB8978－1996)監管作用有限，也無石油、天然氣開采行業標準可供參考。2015年，環保部已經著手開始制訂《頁巖氣開采污染控制標準》，計劃2017年完成。

3 我國頁巖氣開發返排液環境監管存在的問題及對策建議

3.1 環境監管存在的問題

(1)根據國外的文獻資料，壓裂液中可能含有部分具有毒性的化學添加劑。目前國內壓裂液的成分仍處于保密狀態，一旦發生返排液泄露等事故，無法采取有針對性的處理工藝和應急措施。

(2)新《環保法》將“暗管、滲井、滲坑、灌注等”定義為逃避監管的方式，若返排液仍采取地下灌注的方式處理，將違反新的《環保法》。頁巖氣開采進行工廠化作業后，大量的返排液處理將面臨新的挑戰。

(3)返排液的水量大、水質復雜，部分指標難以處理，現行的綜合排放標準起不到監管作用，環保部正在著手制訂的《頁巖氣開采污染控制標準》最快也要2018年開始實施，新標準頒布之前的污水排放按照現行的法律法規進行監管，存在一定的局限。

(4)關于我國頁巖氣開發項目環境監管，目前主要是在施工前開展建設項目環評，正式運行后開展竣工環保驗收，其他重大問題如建設危險廢物處理設施等定期向當地環保局備案等。這種監管模式存在的弊端是難以對施工期的環境問題進行有效監管。如企業普遍在作業現場設置的廢水存儲池，存在污染土壤和地下水的風險，但竣工驗收時難以判斷是否滿足防滲要求。

(5)返排液的四種處理方式中，國內外目前最常用的是現場處理后回用。國內有關返排液的處理技術仍處于起步階段，處理效果不穩定。

3.2 對策建議

(1)為了便于事故應急，環保部門需要掌握企業所適用的化學品信息，建議頁巖氣開采企業在執行現有法律法規的基礎上，對所有使用的化學品向環保部門進行申報登記或信息披露，包括一般化學品和危險化學品。對于涉及商業秘密或者專利的部分，企業或承包商可提供專利證明，環保局與企業或供應商簽訂保密協議。

(2)為了適應將來頁巖氣大規模開發環境監管的需要，建議制定頁巖氣開發污水排放的行業標準，尤其要考慮特征污染物如氯離子、礦化度等指標，但因西北、西南等地存在較大差異，制定前需要開展詳細的調查和研究。

(3)頁巖氣開采項目的環境影響集中在施工期，廢水存儲池可能存在泄漏，竣工驗收時又難以發現或者發現后也無法采取補救措施，建議對頁巖氣開采項目進行分段驗收，并加強施工期的環境監理。

(4)鑒于目前數據資料有限，有關放射性的影響還不好確定，建議繼續跟蹤研究鉆井、管道閥門、管道結垢、集氣站等地的放射性，一旦出現異常，對返排液的處理和回用等應該采取相關防護措施。

(5)返排液具有水質復雜、難以處理等特點，處理效果、處理規模等還有待提高，為了適應頁巖氣大規模開發的需要，鼓勵企業積極研發污水處理新技術。

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