页岩气井开发过程中返排水处理方法

【摘要】为满足全球能源需求，非传统页岩气开发走上迅速开发的轨道。然而在页岩气开发过程中所产生的污水的处理，是我们需要面对的重要问题。当页岩气井在压裂完成后，含有高浓度可溶性固体的污染水反出地面。这些反排水的可溶性固体浓度甚至达到海水的5倍。这些污水处理所要的费用是我们面临的巨大挑战。如何处理好页岩气开发过程中水的污染问题成为高效经济的开发页岩气的关键。当前主要的处理方式是将反排液注入注水井中。然而在很多情况下，注水井不够或者没有条件。随着人们对淡水资源数量和质量的重视，越来越多新管理技术和科学技术将应用在页岩气的开发中。

【关键词】页岩气 返排水 水资源重复使用 环境问题

1 引言

在全球能源市场，天然气占据了不可或缺的地位。天然气的主要优势在于其易流动性、可易传输性、高效性和清洁燃烧性。天然气燃烧时只产生少量的温室气体；然而煤不仅产生大量温室气体，同时还产生粉尘等有害颗粒。在北美，天然气占发电总量的21%，占整个能源需求的24%。在未来的25年内，这一比率将维持不变甚至有所上升。中国也将天然气在能源的比率从2010年的4%提升到2020年的8%[1]，最近中国中央财政对页岩气开采企业给予补贴，2012年―2015年的补贴标准为0.4元/立方米[9]，这极大的鼓舞了中国企业向天然气进军。

通过钻水平井以及压裂改造技术，以达到页岩气经济生产价值。在钻一口井的水平段和竖直段过程中，需要400到4000方水来维持井底静液压、冷却钻头以及携带岩屑等，然后再需要7000到18000方来进行压裂作业[2]，这些水通常是附近的水源或者从市政水源抽取。在那些水资源比较匮乏的地区，水将是页岩气开发的一个制约因素。当压裂结束后，泵压释放掉，压裂液便通过套管返回地面。这些水就是我们所要讲的“返排液”（图1）。返排量最大的时间是第一天，返排速度随时间衰减；最初的返排量能达到1000方每天 [7]。10%到40%的压裂液会返排至地面。一旦活性气体开始产出，便伴随着液体和非液体物质以2-8方每天的速度产出，在页岩气井产出过程中，这种情况会一直持续。不同地层的返排水的成分不一样，那是因为返排水与地层接触的原因。金属矿物质和有机质溶解在压裂液中，混成一种含有盐、金属、油、酯以及挥发性和半挥发性有机物的卤水。收集返排至地面的返排水，通过处理并重新使用。

4 反渗透水处理技术

反渗透方法是我们众所周知的用来生产饮用水和高纯工业用水的方法。在反渗透过程中，水穿过一层半透膜后，变成高质量的水。这种方式将悬浮粒子到有机分子甚至铁离子都能与水分离开 [4]。对于高浓度可溶性固体溶液，可应用振动剪切增强（VSEP）膜处理技术 。在振动剪切增强时，膜之间平行排列，中间用垫片隔开，通过一片类似叶片一样的东西击打膜表面，以产生振动。振动将附着在膜表面的固体和污垢振落，从而减少膜面污垢，避免膜堵塞。该项技术应用在海洋石油生产时的污水处理，但是海洋石油生产所产生的盐度远低于页岩气生产时产生污水浓度。

5 热蒸馏结晶法

高浓度的可溶性固体溶液限制膜透析的应用，但是热蒸馏结晶法将适应这类液体 。热蒸馏结晶法在处理可溶性固体溶液方面是一项很成熟的技术。加热的蒸汽通过热交换器冷凝，产出纯净的水。最近运用热蒸馏结晶法处理返排水比较经济，因为加热的蒸汽可以用来预热进入井底的流体。水蒸汽还可以用产生金属盐晶体，在提高水回收率的同时还可以产生盐，从而提高盐的二次使用。对于浓度达到300g/L的固相溶液，利用结晶法处理这种返排水是可行的，但这种方法耗能高，并且花费大。

6 现场水力压裂对返排水的重复使用

最有前景的一项返排水处理是将返排水应用到接下来的压裂酸化中去。返排水蓄在地面，直接或稀释或者预处理后重新使用。通过返排水的重复使用，我们既可以减少水处理成本，也可以减低环境污染，还能够提高页岩气的采收率。当然返排水的重复使用有一定的限制因素：首先是化学增粘剂的稳定性问题，还有压裂中其它盐组分，还有井筒内二价阳离子的沉淀作用。在高浓度可溶性固体溶液里，降粘剂的作业将降低。添加剂的发展可以增加返排水在压裂过程中重复利用的可行性。如果返排水重新注入井筒内，那么水中的二价阳离子则容易产生碳酸盐和硫酸盐沉淀。这将降低井的气产量。特别是产生溶解性非常低的钡、锶的硫酸盐，同时高浓度的钙离子则容易产生方解石。依据返排水的质量，通过预处理来减低二价阳离子的含量。

7 总结

中国是一个干旱缺水严重的国家。中国水利水电科学研究院的水资源分析显示，华北平原（黄淮海平原）、四川盆地、辽宁、山西、天山及河西走廊等地区都是重点缺水地区。并且中国页岩气勘探有利区域基本处在这些缺水区域中或附近。这对于中国页岩气未来的开发是一个很大的限制因素。根据上述我们讨论的，可以借鉴北美页岩气开采过程中的水处理技术，运用反渗透、热蒸馏结晶等技术，重复利用水资源，以解决水资源匮乏对页岩气开发的限制；同时重复利用水资源可以减少返排水等对环境的污染。

从现在起，要求将页岩气资源的勘探评估与区域水资源规划和环境影响评估等结合在一起，综合评估开采的可行性，本着不影响当地和区域的居民饮用水、工农业用水、动植物生态需水等水资源平衡的原则，防治和减少页岩气资源开发中潜在的环境污染和生态破坏。

参考文献

[1] 人民日报（2010）. 中国发展5万亿元替代能源计划

[2] GWPC and ALL Consulting. 美国现代页岩气发展（2009）

[3] Tintera J.巴尼特页岩气 （2008）The Regulatory Framework of Saltwater Disposal 2008

[4] X u P，Drewes JE（2006）. 纳米过滤和超低压反渗透膜处理甲烷产出水技术