魏云錦 王世彬 馬倩 伍葳 陸曉平 閻曉雨

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.中國石油西南油氣田公司開發(fā)事業(yè)部 3.川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院 4.中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院 5.四川頁巖氣勘探開發(fā)有限責(zé)任公司

四川盆地頁巖氣有利區(qū)多處于丘陵-低山地區(qū)，地表?xiàng)l件復(fù)雜，屬典型亞熱帶半濕潤氣候，各季節(jié)降水量差異較大，全年降水量90%集中在5～10月，其余時間淡水資源則相對短缺，而鉆井廢水、壓裂返排液產(chǎn)量大，不易處理及回用，對水環(huán)境保護(hù)提出了巨大挑戰(zhàn)[1]。《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》的實(shí)施對水污染防治提出了要求，2018年1月1日起實(shí)施的《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法》《中華人民共和國水污染防治法》則進(jìn)一步地從法律上實(shí)現(xiàn)了對污染物的嚴(yán)格管控，明確了企業(yè)在環(huán)境管理中的責(zé)任。水資源循環(huán)利用已成為緩解目前頁巖氣開發(fā)中存在的環(huán)保問題，實(shí)現(xiàn)安全、綠色開發(fā)的重要手段。

1 頁巖氣生產(chǎn)用水需求及廢水產(chǎn)出現(xiàn)狀

頁巖氣生產(chǎn)用水主要是鉆井工程、壓裂工程用水。在四川盆地長寧-威遠(yuǎn)頁巖氣開發(fā)示范區(qū)(以下簡稱長寧-威遠(yuǎn)示范區(qū))內(nèi)，每口單井用水量巨大，直井段采用水基鉆井液鉆進(jìn)[2-3]，平均鉆井液用水約600～1 000 m3/口；水平段壓裂工程用水約為40 000 m3/口。而平臺井因起下鉆作業(yè)時，泥漿的流失、泥漿循環(huán)系統(tǒng)的滲漏、沖洗地面設(shè)備及鉆井工具上的泥漿和油污而形成的廢水平均約450～600 m3/口；完鉆后，因鉆井液無法通過循環(huán)使用而產(chǎn)生的鉆井廢水平均約200 m3/口。以P1平臺開發(fā)數(shù)據(jù)為例，P1平臺投產(chǎn)一段時間后，返排液共40 968 m3，占壓裂液總量的24.5%(見表1)，部分返排液會繼續(xù)留在地層中，與地層水混合返排。頁巖氣生產(chǎn)現(xiàn)場普遍存在水資源供給不足但鉆試采全過程產(chǎn)出的廢水量又極大的產(chǎn)需矛盾。

表1 P1平臺返排率統(tǒng)計(jì)Table 1 Flowback rate of platform P1井號歷年累產(chǎn)水量/m3總壓裂液量/m3返排率/%P1-14 45524 07818.50 P1-25 66827 33520.74 P1-34 75114 92331.84 P1-47 89319 24541.01 P1-56 43833 30419.33 P1-65 67625 67422.11 P1-76 08733 93317.94 平均5 852.57 25 498.86 24.50 總計(jì)40 968178 492

2 長寧-威遠(yuǎn)示范區(qū)生產(chǎn)廢水管理現(xiàn)狀

近年來，隨著環(huán)保壓力的加大，長寧-威遠(yuǎn)示范區(qū)規(guī)范了頁巖氣鉆完井作業(yè)，加強(qiáng)了清潔化生產(chǎn)管理[4]，多舉措促進(jìn)減量化和資源化生產(chǎn)。

2.1 廢水的源頭控制

頁巖氣生產(chǎn)廢水造成環(huán)保威脅的原因是原材料帶來的環(huán)境危害，無法重復(fù)利用的原因是經(jīng)使用后原材料性能失效，無法發(fā)揮分子的設(shè)計(jì)功能。開發(fā)低毒、無毒的新型環(huán)保型鉆井液及適應(yīng)較差水質(zhì)的壓裂液降阻劑是頁巖氣清潔化生產(chǎn)從根本上降低無害化處理難度、提高鉆試廢水重復(fù)利用率的重點(diǎn)研究方向。

2.1.1環(huán)保型鉆井液開發(fā)

鉆井液體系組分復(fù)雜，且不斷發(fā)展變化，每一種體系都極具個性，很難用一種或用幾種方法、技術(shù)完全解決其無害化處理問題，因此急需發(fā)展新型環(huán)保鉆井液。川渝地區(qū)由于地質(zhì)條件復(fù)雜，在雷口坡及上部地層鉆井施工過程中，選用PAC、CMC、CMS、HPAM等對環(huán)境影響小的處理劑配制成水基聚合物鉆井液使用，在鉆頁巖氣井直井段下部的易垮塌地層、頁巖層時，通常要將體系轉(zhuǎn)換成強(qiáng)封堵的聚磺鉆井液體系。該體系對環(huán)境影響較大，主要是因?yàn)榫酆衔锉旧黼y以降解以及催化劑、交聯(lián)劑的毒性及重金屬離子影響等。以A201井四開鉆井液體系為例，根據(jù)鄰井實(shí)鉆提示，該井四開石牛欄組、龍馬溪組及五峰組具有厚層泥巖、頁巖，易發(fā)生垮塌，要求鉆井液具有保持井壁穩(wěn)定，攜砂性能好，抗硫、抗高溫等性能。四開采用鉀聚磺鉆井液鉆進(jìn),其配方為(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))：井漿+0.1%～0.3%NaOH+0.01%～0.03%KPAM+0.3%～0.8% PAC-LV+3%～5%RSTF+4%～5%SMP-1+3%～4%FRH+3%～5%FK-10+0.3%～0.5%SP-80+3%～5%KCl+適量SMT(或TX)+加重劑(按密度需要)。配方中部分處理劑樣品的有毒重金屬離子環(huán)評測定結(jié)果見表2。

表2 鉆井液部分處理劑重金屬離子含量Table 2 Content of some heavy metals in drilling fluid項(xiàng)目水溶性油田化學(xué)劑重金屬離子最高允許質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(mg·kg-1)部分處理劑環(huán)評測定質(zhì)量分?jǐn)?shù)/(mg·kg-1)SMP-1KPAMKCl重晶石粉總Pb1 00040.801.631.02未檢出總Cd207.3002.9100.4660.020總Cr1 00021.1041.300.251.12總As753.5703.7802.2800.268總Hg150.2330.0030.003未檢出

表3 A201井、B201井鉆井液添加劑有害物質(zhì)評價(jià)Table 3 Content of harmful substances in drilling fluid (A201, B201)評價(jià)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)最高允許排放值A(chǔ)201井B201井pH值6～911.206.82COD值/(mg·L-1)15010 200404ρ(氯化物)/(mg·L-1)2 490126ρ(石油類)/(mg·L-1)10.0086.0030.11ρ(懸浮物)/(mg·L-1)1501 08031ρ(Cr+6)/(mg·L-1)0.5000.3120.398ρ(Pb)/(mg·L-1)1.0002.1220.054ρ(Cd)/(mg·L-1)0.1000.0180.036ρ(Hg)/(mg·L-1)0.0501.154×10-31.060×10-3

為降低環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，鉆井設(shè)計(jì)中盡量選取低毒處理劑，對于毒性較高的，提示適量使用或改用低毒處理劑。四川盆地頁巖氣自營區(qū)塊B201井(井溫低于120 ℃)，選用環(huán)境友好型處理劑配制聚合物鉆井液，順利完成了鉆井作業(yè)，對比同區(qū)塊利用原聚磺體系的A201井，該體系更有利于清潔生產(chǎn)的后續(xù)處理(見表3)。但從體系的毒性檢測結(jié)果看，尚未達(dá)到無毒，還需繼續(xù)改進(jìn)。

2.1.2抗鹽降阻劑開發(fā)及添加劑優(yōu)選

長寧地區(qū)壓裂返排液多為氯化鈣水型，組成較為復(fù)雜，壓裂液在與地層接觸一段時間后，形成總礦化度高(區(qū)域單井平均總礦化度約為30 000 mg/L)、硬度大(區(qū)域單井平均ρ(Ca2+)大于600 mg/L、ρ(Mg2+)大于100 mg/L)、懸浮物含量高等特點(diǎn)。按照降阻理論-湍流脈動抑制說，分子鏈側(cè)鏈越短，電離的離子產(chǎn)生的排斥作用使得分子構(gòu)象越舒展，能夠更好地發(fā)揮降阻性能。返排液中的陽離子在高聚物分子鏈的內(nèi)外部進(jìn)行擴(kuò)散，強(qiáng)電解質(zhì)遮蔽了高分子鏈的部分電荷，使得聚丙酰胺高分子鏈的擴(kuò)展作用減弱，分子蜷曲，降低其降阻性能(如圖1(a)、圖1(b)所示)。高價(jià)金屬離子還易造成管線和地下結(jié)垢問題 ，對返排液重復(fù)使用時的效果產(chǎn)生了較大影響[5-7]。

近年來，中國石油西南油氣田公司天然氣研究院開展了抗鹽降阻劑的研究，設(shè)計(jì)多種m、n值的耐鹽官能團(tuán)作為短側(cè)鏈，如式(Ⅰ)所示。該系列降阻劑適用于礦化度最高達(dá)60 000 mg/L的返排液，有效地提高了壓裂液的降阻性能，并減少了返排液回收利用中降阻劑的用量。

為了降低環(huán)保危害，川渝地區(qū)頁巖氣分段壓裂中優(yōu)選環(huán)境友好型壓裂液添加劑，大多添加劑如胍膠、羥乙基纖維素、碳酸鈉/鉀等對環(huán)境無毒，也從源頭控制了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[8]。

(Ⅰ)

2.2 生產(chǎn)廢水產(chǎn)出過程管控

頁巖氣生產(chǎn)廢水的產(chǎn)生主要為以下3個過程：①鉆井過程中接觸鉆井液及油污的廢水；②完鉆后的廢棄鉆井液；③壓裂返排液等液體的產(chǎn)出。這3個環(huán)節(jié)主要控制思路為“分類、減量、集中管理”。

2.2.1鉆井廢水管理

鉆井廢水成分復(fù)雜，環(huán)境污染值極高：色度高，通常呈紅褐色或黑褐色；懸浮物質(zhì)量濃度高，常在2 000 mg/L以上；COD值高，常超標(biāo)幾十到幾百倍，并含有一定量的油。鉆井作業(yè)產(chǎn)生的落地油和鉆井液對鉆井廢水水質(zhì)的影響最大。頁巖氣現(xiàn)場管理采用清潔化生產(chǎn)方式[9]，將鉆井廢水量降至最低。

(1) 清污分流，控制產(chǎn)生量。如圖2所示，劃定井場清潔區(qū)和污染區(qū)，實(shí)現(xiàn)清潔區(qū)與污染區(qū)的徹底分開；在場外修建截水溝，防止汛期井場外雨水大量進(jìn)入，雨水通過分流系統(tǒng)全部進(jìn)入自然水系，減少鉆井廢水產(chǎn)生量。

(2) 收集處理。集污池收集的廢液通過空氣隔膜泵或手持管路槍抽入廢水罐中，輸送到廢液脫水系統(tǒng)進(jìn)行集中處理。

2.2.2鉆井液管理

鉆井液處理劑具有一定的毒性，落地油存在對地表水和地下水資源的污染風(fēng)險(xiǎn)；處理劑中重金屬離子在土壤滯留，影響植物的生長和微生物的繁殖，同時因植物吸收富集，危害人畜健康。故在現(xiàn)場采取以下3種方法進(jìn)行控制。

(1) 堅(jiān)持鉆井過程中實(shí)行全密閉式操作，即鉆井液不落地。

(2) 將鉆井過程中多余的鉆井液進(jìn)行集中儲備收集、改造和回用，減少資源浪費(fèi)，減輕環(huán)境壓力。

(3) 采用清潔掏罐技術(shù)，循環(huán)罐內(nèi)的上部鉆井液泵入回收罐，不能回收利用的廢棄鉆井液送入廢液脫水系統(tǒng)處理，處理后的清液回用配制鉆井液，不能回用的運(yùn)輸至廢水處理廠處理。

2.2.3返排液和氣田水集中管理

美國頁巖氣開發(fā)中，對廢水的處理方式主要有：深井灌注、市政污水處理廠處理后外排、現(xiàn)場或中心建廠處理后回用、現(xiàn)場或中心建廠處理后外排4種方法[10]。借鑒美國頁巖氣開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合在四川頁巖氣生產(chǎn)現(xiàn)場管理的實(shí)際情況，堅(jiān)持“集中管理、循環(huán)使用”的壓裂返排液總體處理原則，合理調(diào)度，極大地提高了返排液的使用效率。

目前，長寧-威遠(yuǎn)示范區(qū)多在井場設(shè)置污水池，容納從井口排出的返排液，通過污水池緩沖水量和均化水質(zhì)，經(jīng)處理后管輸送至壓裂返排液蓄水池稀釋后使用。

2.3 生產(chǎn)廢水合理處置、重復(fù)利用

在頁巖氣生產(chǎn)現(xiàn)場，鉆井廢水處理回用、鉆井液重復(fù)利用、壓裂返排液回收利用等技術(shù)的發(fā)展極大地減少了生產(chǎn)過程的資源浪費(fèi)，減輕了環(huán)境壓力。

2.3.1鉆井廢水的回收利用

目前，頁巖氣現(xiàn)場管理普遍采用將鉆井廢水集中到污水池內(nèi)，通過取樣小試后，向池內(nèi)適量加入絮凝劑、混凝劑，用石灰調(diào)節(jié)pH值，充分?jǐn)嚢杌旌虾箪o置。處理后的上清液用于配膠液、鉆井液或擦洗設(shè)備，完井后不能回用的污水運(yùn)輸至污水處理廠，或者轉(zhuǎn)至回注站處理，達(dá)到回注標(biāo)準(zhǔn)后回注(見圖3)。

2.3.2水基鉆井液的重復(fù)利用及生物處理

實(shí)現(xiàn)鉆井液各組分對生物無毒害、無機(jī)組分可直接排放、有機(jī)組分可自動降解為無害和泥漿可直接排放是很難推廣應(yīng)用的理想化的作法。對于頁巖氣現(xiàn)場使用的鉆井液體系，按照當(dāng)前技術(shù)水平，大都普適性差，難以實(shí)現(xiàn)成本效益雙贏。

在頁巖氣開發(fā)區(qū)，同井場乃至同區(qū)塊的地質(zhì)情況較為接近，而完鉆后鉆井液性能優(yōu)良，重復(fù)利用完鉆鉆井液，可更快更好地適應(yīng)井下情況，有利于鉆井優(yōu)快進(jìn)行。在四川頁巖氣開發(fā)區(qū)，鉆井液公司將完鉆鉆井液拉運(yùn)回收，集中處置，大幅減少了廢棄物處理量，降低了鉆井液成本。在長寧-威遠(yuǎn)示范區(qū)開展的13個平臺現(xiàn)場試驗(yàn)，完成水基鉆井液回收再利用7 671 m3，回用率為81.17%，降低單井成本約30%(見表4)。

表4 長寧-威遠(yuǎn)示范區(qū)水基鉆井液回收統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of water-based drilling fluid recycling區(qū)塊 平臺 水基富余量/m3 水基回用量/m3水基回用率/%W1井區(qū)W1H1 330 316.5 95.91 W1H2 690 515.0 74.64 W1H3 1 350 1 150.0 85.19 W1H4 1 230 1 030.0 83.74 W1H5 130 80.0 61.54 W1H6 250 170.0 68.00 W1H7 240 200.0 83.33 W2井區(qū) W2H1 980 800.0 81.63 N區(qū)塊 NH1 1 330 1 108.0 83.31 NH2 580 400.0 68.97 NH3 1 120 950.0 84.82 NH4 970 801.5 82.63 NH5 250 150.0 60.00 共計(jì) 9 450 7 671.0 81.17

頁巖氣開發(fā)現(xiàn)場同時也開展生物處理技術(shù)研發(fā)，將廢棄鉆井液中的復(fù)雜有機(jī)物一部分轉(zhuǎn)化成腐殖質(zhì)組分，一部分降解為簡單的無機(jī)物甚至CO2和H2O，從而使鉆井廢液中的污染物得到降解去除，達(dá)到無害化處置目的。

2.3.3壓裂返排液及生產(chǎn)水的處理及回收利用

自2014年起，長寧頁巖氣示范區(qū)已開展壓裂返排液處理及回收利用現(xiàn)場試驗(yàn)。針對返排液中硫酸鹽還原菌(SRB)和產(chǎn)酸菌(APB)等造成返排液發(fā)黑發(fā)臭、高礦化度影響新配壓裂液性能的情況而建成一套壓裂液回收處理裝置。現(xiàn)場首先經(jīng)儲水池集中收集返排液體，待自然沉降后，綜合采用澄清+軟化+混凝/絮凝+斜板沉降+袋式過濾工藝，控制陽離子及懸浮物，獲得達(dá)到配制滑溜水標(biāo)準(zhǔn)的處理液體?，F(xiàn)場流程如圖4所示。處理后的液體懸浮物粒度控制在10 μm以下(見圖5)，處理后的水質(zhì)見表5。

現(xiàn)場通過對P1平臺返排液進(jìn)行回收處理，按照40%返排液配制滑溜水，補(bǔ)加適量降阻劑，返排液重復(fù)利用性能基本與清水配液接近(見表6)，重復(fù)利用率達(dá)90%，減少了廢水轉(zhuǎn)運(yùn)及處理的成本。按600 元/m2計(jì)算，總共節(jié)約費(fèi)用400余萬元，減少壓裂施工用清水量，有利于環(huán)境保護(hù)、節(jié)約水資源。

表5 處理前后水質(zhì)對比Table 5 Comparison of water quality before and after treatmentpH值ρ(總鐵)/(mg·L-1)COD值/(mg·L-1)ρ(石油類)/(mg·L-1)ρ(總懸浮固體)/(mg·L-1)原水水質(zhì)7.812.2287.022.6873.00處理后水質(zhì)7.30.898.41.1429.75

表6 返排液配制滑溜水與清水配制滑溜水的對比Figure 6 Comparison of fracturing flowback fluid performance prepared with flowback water and clean waterw(降阻劑)/%黏度/(mPa·s)純返排液配制滑溜水40%返排液配制滑溜水清水配制滑溜水0.091.011.311.890.151.211.84

3 生產(chǎn)廢水管理

3.1 存在的問題

長寧-威遠(yuǎn)示范區(qū)通過全面推行清潔化生產(chǎn)，規(guī)范頁巖氣鉆完井作業(yè)，采取回收利用等手段，生產(chǎn)廢水管理已取得長足的進(jìn)步，但依舊存在以下一些問題。

(1) 完鉆鉆井液一般都極其穩(wěn)定，其中有大量造漿的鉆屑，重復(fù)利用時不利于優(yōu)快鉆進(jìn)，不采用特殊手段難以有效分離，性能越好越穩(wěn)定，分離難度越大；鉆井液如果接近老化狀態(tài)，重新使用不易維護(hù)處理；不同井地質(zhì)特征有所區(qū)別，鉆井液性能不能完全滿足新開井段鉆井的最佳要求。

針對完鉆鉆井液組分的回收重復(fù)利用，已開展重泥漿離心分離技術(shù)，回收加重材料，作為液相配漿用或作為鉆進(jìn)過程中泥漿維護(hù)專用處理劑；泥漿(特別是重泥漿)低溫干燥成粉作為配漿材料重新使用；將井漿轉(zhuǎn)化為固井水泥漿的MTC技術(shù)；生物處理，培育水基鉆井液降解菌技術(shù)等。

(2) 壓裂返排液處理劑加量大，污泥排放、處置困難，成本費(fèi)用較高是現(xiàn)場處置存在的問題之一；各平臺間的互通連接、調(diào)度不足也使得廢液不能最大程度被利用。

3.2 管理方案

根據(jù)頁巖氣開發(fā)同一井區(qū)的井分布較近的優(yōu)勢，建議采用以下方案進(jìn)行管理優(yōu)化。

(1) 建立鉆井液配制-鉆井廢液綜合處理站，減少井隊(duì)配漿環(huán)節(jié)，集中處理區(qū)塊內(nèi)各井廢棄鉆井液，并按新井各開井段所需提供性能優(yōu)良的鉆井液，可實(shí)現(xiàn)直接上井運(yùn)用。采用此方法可以減少新配制鉆井液的費(fèi)用及無害化處理的鉆井廢液量，增大重復(fù)利用率。

(2) 對頁巖氣壓裂返排液的處理，通過在井區(qū)建立污水集中收納處理的儲水池，在返排液處理中試結(jié)果成功的基礎(chǔ)上建立處理站，并在開發(fā)區(qū)內(nèi)，通過在現(xiàn)有的SCADA數(shù)字化氣田管理系統(tǒng)中增加返排液調(diào)度模塊(SCADA系統(tǒng)基本流程原理見圖6)，通過軟件對全區(qū)塊內(nèi)的產(chǎn)水進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、集中調(diào)度，從而提高壓裂返排液的利用率。

(3) 頁巖氣開發(fā)初期，通過設(shè)計(jì)增強(qiáng)處理劑分子功能，提高壓裂液性能，盡可能回用返排液，減少回注；開展達(dá)標(biāo)外排處理技術(shù)研究與先導(dǎo)性試驗(yàn)，聯(lián)合地方環(huán)保部門進(jìn)行水質(zhì)分析，為今后的達(dá)標(biāo)外排奠定基礎(chǔ)。在現(xiàn)場管理中，必須充分論證回注井的回注可能性[11]，增強(qiáng)壓裂返排液回注層位露頭區(qū)的監(jiān)測，按照回注量確定監(jiān)測頻率或增加實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際加密(減少)監(jiān)測次數(shù)；在雨季特別是洪水期加強(qiáng)生產(chǎn)區(qū)域周邊地表水監(jiān)測，確保開發(fā)區(qū)內(nèi)水源不受污染。

4 結(jié) 語

四川盆地長寧-威遠(yuǎn)頁巖氣開發(fā)示范區(qū)內(nèi)人口較為稠密且分布不少飲用水源地，而示范區(qū)內(nèi)存在井?dāng)?shù)量多、產(chǎn)污量大，廢水管理難度大等特點(diǎn)。為降低長周期開發(fā)過程中對環(huán)境敏感點(diǎn)產(chǎn)生不可預(yù)見的影響，必須根據(jù)井區(qū)實(shí)際情況加大環(huán)保投入，不斷提升生產(chǎn)廢水處置技術(shù)，持續(xù)推動更加健全、科學(xué)、規(guī)范的廢水管理體系，使各項(xiàng)措施落實(shí)到位，有效防范環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。為了實(shí)現(xiàn)“減量化、資源化、無害化”目標(biāo)，企業(yè)不但要在開發(fā)示范區(qū)內(nèi)全面推廣已形成的環(huán)保管理體系和技術(shù)方法，即：通過研發(fā)環(huán)保型鉆井液、抗鹽降阻劑等手段，從源頭控制污染物的產(chǎn)生；通過對現(xiàn)場防控設(shè)備設(shè)施的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)廢水的過程管控；通過對生產(chǎn)廢水合理處置、重復(fù)利用，減少對外排放；更是要在未來工作中進(jìn)一步加強(qiáng)“集中管理、重復(fù)使用，強(qiáng)化監(jiān)管”，即：通過規(guī)范場地設(shè)施，確保清污分流，全面實(shí)現(xiàn)鉆井廢水等污染物不落地管理；增強(qiáng)鉆井液的集中處理能力，提高鉆井液的重復(fù)利用率、鉆井組分回收利用率，加大生物處理、環(huán)保降解的技術(shù)研發(fā)力度；利用數(shù)字化管理方法合理調(diào)配返排液，提高返排液使用率；加強(qiáng)對環(huán)境影響區(qū)的全面監(jiān)測，防止水源被污染。