油气田开采中压裂液对水环境的污染与控制

张 磊，李 朋，曾伟凌

（成都理工大学 能源学院，四川 成都 610059）

油气田开采中压裂液对水环境的污染与控制

张 磊，李 朋，曾伟凌

（成都理工大学 能源学院，四川 成都 610059）

水力压裂技术在油气田生产开发中被广泛使用，在压裂过程中若注入地层中的压裂液发生泄露，或者对返排压裂液处理不当，将会给地下水、地表水等水环境带来严重的污染和破坏。处理返排压裂液的六种方法，每一种方法都有各自的特色及局限性。从环境保护和节约成本等方面考虑，重视对返排液处理后循环使用的研究具有意义深远。

压裂液；水环境；返排液；环境保护

我国石油天然气资源丰富，为满足国民经济快速稳定发展的需要，我国也在不断加快研制新工艺、新方法的步伐，以便对资源进行大规模开发利用的同时也能兼顾环境保护。由于目前对开采技术掌握得不够成熟以及对返排液的处理不加以重视，并没有达到理想的效果，压裂生产对水环境造成了难以恢复的污染和影响，严重地破坏了水资源的动态平衡和生态环境[1]，特别是我国油气资源储量相对富足且水资源比较匮乏的地区，其影响更为显著。水资源是人类生存极为重要的基础性资源，将水资源保护起来并加以重视及合理利用，对步入与环境协调可持续发展道路具有积极作用，因此研究压裂液对水资源的影响意义深远。

1 压裂液的类型及作用

在油气资源的开发过程中，压裂液是在压裂生产施工中所用到的工作液，其成分复杂，含多种化学添加剂且按一定的比例配置而成。目前国内外使用的压裂液主要分为五类：水基压裂液、泡沫压裂液、油基压裂液、乳化压裂液和清洁胶束压裂液。

压裂液对提高油气产量发挥着重要作用，其基本作用主要概括为以下几个方面：（1）携带支撑剂到地层。压裂液在注入的过程中，能将支撑剂带入到压裂层段的裂隙中，并对压裂的层段起支撑作用，使油气能有效地导入到油气井中，最终达到提高油气产量的目的；（2）压开裂缝。在强大的水力作用下，能形成一条尺寸较为理想的、有足够导流能力的裂缝，压裂液的使用在减少对储层伤害的同时，也能最大程度提高增产效果；（3）降低地层温度。在钻井、压裂等施工过程中，地层温度会急剧上升，压裂液的注入对缓解地层温度的升高具有显著的作用，同时也能减轻钻头等器械的磨损，延长其工作寿命。

表1 国内外压裂液类型[2]

2 压裂液对水环境的影响

油气开采过程中注入的压裂液和压裂作业完成后返排到地面的废压裂液中，有重金属、甲醛、苯类以及其他多种有害化学物质，如果压裂液返排不充分或返排至地面不经过任何处理而随意排放，将会对施工区块附近的环境，尤其是对水资源造成严重的污染。

2.1 压裂液对储层的破坏

压裂液在足够高的压力下被泵入地层，由于储层内部结构复杂以及存在气液等多种相态，外来压裂液的侵入可能给储层带来多种破坏，其破坏主要有以下几个方面：

（1）如果压裂液与储层之间存在不配伍性，一旦压裂液进入地层，将可能与储层中的流体以及粘土矿物发生物理或者化学反应。一方面粘土矿物可能发生膨胀使孔隙度降低；另一方面孔隙表面的颗粒脱落下来，随着储层中流体在孔隙中运移，颗粒在流动过程中可将部分孔隙堵塞，使孔隙喉道变小，孔渗性变差。

（2）压裂液破胶水化后，没有随废压裂液返排而遗留在储层当中的残渣，将会对储层中的孔隙喉道以及支撑裂缝造成封堵，对裂缝的导流能力造成严重的破坏。

（3）在滤失作用下，压裂液将在裂缝表面形成致密的滤饼，一旦滤液进入裂缝内部，将形成浓缩压裂液，破胶难度加大，裂缝导流能力也将大大降低[2，3]。

2.2 对地下水的污染

压裂液主要由稠化剂、交联剂、高温稳定剂等一些助剂组成，含有多种对环境有害的化学物质。在实际操作过程中，由于导管质量问题以及压裂过程中可能存在的多种人为因素等，压裂液会沿着导管破裂处直接流向储层，在一定条件下，逐渐渗流到地下水系统当中，对地下水资源造成严重的污染。多项调查研究报告表明[4-7]，在美国，多个采用水力压裂技术开采的生产区块，其地下水实测数据显示当地地下水资源已受到不同程度的污染。

2.3 废压裂液污染地表水

压裂作业停止后，废压裂液就会沿着油气井管道返排至地面。返排的压裂液中不仅含有原始压裂液中绝大部分的有毒成分，而且还携带油储层中的重金属、高矿化度盐类以及放射性物质等，如果处理不当，危害极大。目前我国处理废液仪器自身存在缺陷性，不能对废液中的有害物质全部进行识别，故对废液中的有害物质处理并不彻底；此外，相关工作人员环保意识不强，可能致使大量的废液泄露到地表等，这些因素都将会在一定程度上引发废液对地表水资源的污染[4-9]。在大自然水循环过程中，有害物质也始终处于一种流动状态，一旦进入人体，将会对人们的健康带来极大的危害。

3 返排压裂液污染控制浅析

返排的压裂液中有害物质种类繁多[8-12]，成分复杂，处理这部分废液对保护水资源具有重要意义，废压裂液的处理方法主要有以下几种：

3.1 固化法

在生石灰、硅酸盐水泥等固化材料的基础上，将普通水泥、生石灰、助凝剂以及吸水剂等按一定的比例配置成固化剂。现场实践表明，配置出的固化剂能很大程度地降低压裂液中重金属和COD的含量，处理后的废压裂液能达到理想的对环境无污染、无危害的要求。

3.2 混凝法

该方法的主要作用在于能大幅度降低返排液中COD、悬浮物、重金属等污染物的百分含量，达到有效去除返排液中固体悬浮物及多种可溶性物质的目的。但在碱性、中性及酸性环境条件下其处理效果会有一定的变化，易受环境的影响。

3.3 催化氧化法

通过激发出处理液中具有强氧化能力的羟基自由基（·OH），并经过一系列的物理化学反应，使含碳链等有机结构发生裂解，最终生成对环境无污染的CO2和H2O。

3.4 生物法

微生物广泛存在于植被、土壤和液体等自然环境中。当微生物群体与废液充分接触时，一方面微生物的分解代谢作用可降解废液中呈溶解和胶体状态的有机污染物，使废液达到净化的效果；另一方面废液中部分有机物在一定条件下，可被合成微生物的细胞质。微生物的细胞质与废液中的有机物相比，体积较大，更容易凝聚，与废液中其他一些物质在物理凝聚的作用下，一起上浮或者沉淀，从而与废液分离。

3.5 注入到废弃油气井中

返排废压裂液的处理成本往往较高，为充分利用油气田中废弃的油气井及简化返排液处理过程，有时将返排液直接注入到废弃油气井中。该方法虽然操作简单，但会对地层以及地下水环境造成极大的破坏和污染。

3.6 处理后循环使用

为节约成本和减少对水环境的污染及地层的破坏，往往将处理达标后的返排液循环使用。该方法既节约成本，也能有效保护人们赖以生存的水环境。

目前，国内对返排压裂液处理的方法主要有六种，每一种处理方法都有各自的优点和缺点，因此在选择返排液的处理方法时，要在将各种处理方法区别开来的基础之上，同时根据油气田工作区域的地质特征及周围环境等实际情况，选择正确的返排液处理方法。通过将常用的废液处理方法对比分析可知，无论是从环境保护还是从节约成本的角度考虑，压裂过程中压裂液的循环利用将是压裂技术未来发展的趋势。

4 结论

压裂液中不仅含有大量有毒性的化学添加剂，而且在返排过程中还将储层中的有机和无机化合物、重金属、细菌以及放射性元素携带出来，与其他污染源相比，具有污染物种类繁多、成分复杂、稳定性高等特点。如果对其可能带来的诸多不利不加以重视，将会带来严重的水环境污染和生态破坏等一系列不良后果。对目前常用的处理返排液的六种方法进行对比分析，结果表明，每种返排液的处理方法各有优缺点，需根据对处理技术的掌握程度及油气田工作区域的实际情况进行合理筛选，优选出最佳的处理方法。综合环保和成本节约两大方面考虑，加大研究返排液处理后循环使用的力度，对水环境的保护具有重要意义。

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[11]任改娟，胡春雷，齐海云，等.矿区地下水环境影响评价的关键问题探讨[J].中国环境管理干部学院学报，2014，24（5）：33-35，76.

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（编辑：程 俊）

The Pollution and Control Analysis of Fracturing Fluid to Water Environment in Oil and Gas Fields

Zhang Lei,Li Peng,Zeng Weiling
（College of Resources,Chengdu University of Technology,Chengdu Sichuan 610059,China）

Hydraulic fracturing technology was widely used in the process of oil and gas fields development.Much fracturing fluid was used in the fracturing process,if the leakage occured when it was injected into the stratum,or improper handling with the back fracturing fluid,will bring serious pollution and damage to water environment such as groundwater,surface water ect.By analyzing the six processing methods of the back fracturing fluid,concluded that each method had its own characteristics and limitations.Considering the environmental protection and cost saving, paying attention to the research of circular use of the back fracturing fluid has great significance.

fracturing fluid,water environment,return liquid,environmental protection

X820.3

A

1008-813X（2015）05-0075-03

10.13358 /j.issn.1008-813x.2015.05.20

2015-06-30

张磊（1989-），男，山东威海人，成都理工大学能源学院石油与天然气工程专业硕士在读，主要研究方向为油气储层综合评价与油气藏描述。