石油圈
頁巖氣作為一種重要的非常規天然氣資源，其開發具有生產周期長、開采壽命長、含氣面積大及烴類運移距離較短等特點，且在全球的資源儲量十分豐富，可采資源總量為187.6×1012m3，主要分布在北美、亞洲、歐洲和非洲，目前頁巖氣已經成為全球油氣資源開發的新亮點?
近十幾年來，水平井和水力壓裂技術的發展較為成熟，使得頁巖氣的大規模商業開發成為可能?但同時，頁巖氣資源的開發卻容易導致空氣污染、溫室氣體排放、輻射以及采出水污染等環境污染問題，特別是采出水污染問題，已經引起世界各國政府和民眾的關注?為此，本文在分析頁巖氣采出水組成特點的基礎上，討論了頁巖氣開發引起的水污染問題，系統討論并評估了頁巖氣采出水的處理方式與相關技術，指出了我國頁巖氣采出水處理存在的問題并提出了相應建議?
1頁巖氣采出水組成特點及污染分析
1.1采出水組成特點
頁巖氣采出水的組成特點與其造成的污染、采出水處理技術有著直接且密切的關系，因此，在研究頁巖氣采出水污染和處理技術前，有必要深入分析采出水的主要組成特點?與常規天然氣和煤層氣不同，頁巖氣滲透率較低，一般為0.000001~0.00001μm2，頁巖層幾乎不含水，大多數情況下以返排時間來區別頁巖氣返排液和產出水，但目前缺少統一明確的區別定義方式?此外，頁巖氣返排液和產出水的主要組成相似且范圍波動較大，因此，本文將頁巖氣返排液與產出水統稱為采出水進行分析?
本文通過相關文獻資料調研，對比了國內外典型頁巖氣田采出水的水質指標]，以及相應的污水回用標準主要指標?
分析得出，頁巖氣采出水的組成特點主要包括：
1)采出水組成較為復雜?頁巖氣采出水的組成影響因素較多，主要取決于壓裂液組成和頁巖氣儲層性質?典型壓裂液除了用于支撐裂縫開口的沙懸浮液外，還包括降阻劑、阻垢劑、膠凝劑、鹽以及表面活性劑等15種以上的化學物質，而8~70的壓裂液將會作為采出水返回地面?此外，包含部分壓裂液組分的采出水還會與頁巖氣儲層進行長時間的接觸，從而混入儲層中的懸浮物、重金屬、放性物質以及酚類酮類等物質?
2)采出水水質指標普遍具有“三高”特點，即高化學需氧量(COD)、高溶解性總固體(TSS)、高懸浮物總含量(TDS)?國內外典型頁巖氣田的采出水水質指標在堿度、油脂含量以及金屬含量方面存在較大差異，但是均表現出“三高”特點?相比國外的Marcellus、Barnett頁巖氣田，國內南方某頁巖氣田的COD、TSS及TDS中位值明顯更高，這主要與頁巖氣勘探開采的儲層地質條件有關?
3)開采階段內的采出水水質指標波動范圍較大?從采出水來源出發，首先，采出水中壓裂液在不同開采階段內的返回率差異較大，采出水中的多種化學物質返回量不同；另外，頁巖氣地質儲層的物性組成在不同開采階段和開采區域是不同的，接觸儲層摻入到采出水中的雜質也不盡相同?因此，不同開采階段內的采出水組成差別較大，導致相應水質指標波動范圍較大?
4)多數采出水水質指標大大超過了國內外污水回用標準?與國內外污水回用的水質指標標準相比，無論是國內還是國外的頁巖氣田采出水的COD、TSS、TDS、油脂含量以及氯化物均較高?污水回用標準中部分重金屬含量指標尚無明確規定，但采出水重金屬含量指標均大大超過GB8978-1996《污水綜合排放一級標準》?
1.2水污染分析
1.2.1地下水污染
美國的Marcellus頁巖氣田一度因為地下水污染而停止開發，并且導致了公眾對頁巖氣開發的強烈抵制?目前，我國正處于頁巖氣開發初期，開采技術與管理經驗均不成熟，應以美國頁巖氣開發經驗為鑒，在頁巖氣開發過程中防范地下水污?
頁巖氣開采過程中的地下水污染一般包括兩方面：
1)雜散烴類氣體的污染，如甲烷、乙烷等烴類物質?相關研究表明，地下水中雜散烴類氣體可以通過破裂的套管、井環、廢棄的油氣井或相鄰的水力壓裂儲層進行泄漏運移，其可能的運移范圍在頁巖氣開發儲層1km范圍內?地下水中雜散烴類氣體的混入量雖然不多，但很容易被地下水中的細菌氧化，消耗地下水中的氧，同時放出大量熱量，從而增加砷等重金屬在水中的溶解度，使地下水污染程度加重?此外，雜散烴類氣體從地下水中逸出后還可能產生空氣爆炸?
2)溶解性化學物質的污染?壓裂液或采出水中的相關化學組分可能會在開采過程中滲入地下水中，導致地下水的溶解性化學物質污染?相關研究表明，作為頁巖氣優先開采的省份，我國湖南省頁巖氣開采地下水曾檢測出重金屬鎘含量超標?此外，地下水中較多的鹵素含量可能會與烴類氣體發生化學反應，產生有毒的溶解性三鹵甲烷，嚴重污染地下水?
1.2.2地表水污染
由于頁巖氣開采使用的壓裂液以及返回的采出水組分復雜，當頁巖氣井靠近河流湖泊或采出水排入地表水中時，容易使地表水發生水體污染，其污染通道主要包括以下四種：在開采過程中，壓裂液或采出水發生泄漏，并流入附近的淺層地表水；儲存在地面的采出水溢出或發生泄漏，流入附近的地表水中；采出水未經處理直接排放；出水未達到處理標準而排放?
基于采出水的組成特點和水體污染通道可知，地表水發生水體污染的種類比較多，包括鹽、有機物、重金屬以及有害微生物等?首先，采出水中的鹽濃度，特別是氯化鈉濃度較高，使得地表水中相應的鹽濃度也上升，促進水體中有毒有害物質的混入或生長，如鋇、鍶、放射性鐳以及有害微生物，不僅會對居民飲用水造成較大威脅，還會導致地表水的富營養化?另外，經美國科羅拉多的地表水污染研究表明，在同時開采石油、頁巖氣的區域周邊，其地表水中的苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)濃度均較高，會進一步加劇水體污染?
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