石油圈
页岩气作为一种重要的非常规天然气资源，其开发具有生产周期长、开采寿命长、含气面积大及烃类运移距离较短等特点，且在全球的资源储量十分丰富，可采资源总量为187.6×10¹²m³，主要分布在北美、亚洲、欧洲和非洲，目前页岩气已经成为全球油气资源开发的新亮点｡
近十几年来，水平井和水力压裂技术的发展较为成熟，使得页岩气的大规模商业开发成为可能｡但同时，页岩气资源的开发却容易导致空气污染、温室气体排放、辐射以及采出水污染等环境污染问题，特别是采出水污染问题，已经引起世界各国政府和民众的关注｡为此，本文在分析页岩气采出水组成特点的基础上，讨论了页岩气开发引起的水污染问题，系统讨论并评估了页岩气采出水的处理方式与相关技术，指出了我国页岩气采出水处理存在的问题并提出了相应建议｡
1页岩气采出水组成特点及污染分析
1.1采出水组成特点
页岩气采出水的组成特点与其造成的污染、采出水处理技术有着直接且密切的关系，因此，在研究页岩气采出水污染和处理技术前，有必要深入分析采出水的主要组成特点｡与常规天然气和煤层气不同，页岩气渗透率较低，一般为0.000001~0.00001μm²，页岩层几乎不含水，大多数情况下以返排时间来区别页岩气返排液和产出水，但目前缺少统一明确的区别定义方式｡此外，页岩气返排液和产出水的主要组成相似且范围波动较大，因此，本文将页岩气返排液与产出水统称为采出水进行分析｡
本文通过相关文献资料调研，对比了国内外典型页岩气田采出水的水质指标]，以及相应的污水回用标准主要指标｡
分析得出，页岩气采出水的组成特点主要包括：
1)采出水组成较为复杂｡页岩气采出水的组成影响因素较多，主要取决于压裂液组成和页岩气储层性质｡典型压裂液除了用于支撑裂缝开口的沙悬浮液外，还包括降阻剂、阻垢剂、胶凝剂、盐以及表面活性剂等15种以上的化学物质，而8~70的压裂液将会作为采出水返回地面｡此外，包含部分压裂液组分的采出水还会与页岩气储层进行长时间的接触，从而混入储层中的悬浮物、重金属、放性物质以及酚类酮类等物质｡
2)采出水水质指标普遍具有“三高”特点，即高化学需氧量(COD)、高溶解性总固体(TSS)、高悬浮物总含量(TDS)｡国内外典型页岩气田的采出水水质指标在碱度、油脂含量以及金属含量方面存在较大差异，但是均表现出“三高”特点｡相比国外的Marcellus、Barnett页岩气田，国内南方某页岩气田的COD、TSS及TDS中位值明显更高，这主要与页岩气勘探开采的储层地质条件有关｡
3)开采阶段内的采出水水质指标波动范围较大｡从采出水来源出发，首先，采出水中压裂液在不同开采阶段内的返回率差异较大，采出水中的多种化学物质返回量不同；另外，页岩气地质储层的物性组成在不同开采阶段和开采区域是不同的，接触储层掺入到采出水中的杂质也不尽相同｡因此，不同开采阶段内的采出水组成差别较大，导致相应水质指标波动范围较大｡
4)多数采出水水质指标大大超过了国内外污水回用标准｡与国内外污水回用的水质指标标准相比，无论是国内还是国外的页岩气田采出水的COD、TSS、TDS、油脂含量以及氯化物均较高｡污水回用标准中部分重金属含量指标尚无明确规定，但采出水重金属含量指标均大大超过GB8978-1996《污水综合排放一级标准》｡
1.2水污染分析
1.2.1地下水污染
美国的Marcellus页岩气田一度因为地下水污染而停止开发，并且导致了公众对页岩气开发的强烈抵制｡目前，我国正处于页岩气开发初期，开采技术与管理经验均不成熟，应以美国页岩气开发经验为鉴，在页岩气开发过程中防范地下水污｡
页岩气开采过程中的地下水污染一般包括两方面：
1)杂散烃类气体的污染，如甲烷、乙烷等烃类物质｡相关研究表明，地下水中杂散烃类气体可以通过破裂的套管、井环、废弃的油气井或相邻的水力压裂储层进行泄漏运移，其可能的运移范围在页岩气开发储层1km范围内｡地下水中杂散烃类气体的混入量虽然不多，但很容易被地下水中的细菌氧化，消耗地下水中的氧，同时放出大量热量，从而增加砷等重金属在水中的溶解度，使地下水污染程度加重｡此外，杂散烃类气体从地下水中逸出后还可能产生空气爆炸｡
2)溶解性化学物质的污染｡压裂液或采出水中的相关化学组分可能会在开采过程中渗入地下水中，导致地下水的溶解性化学物质污染｡相关研究表明，作为页岩气优先开采的省份，我国湖南省页岩气开采地下水曾检测出重金属镉含量超标｡此外，地下水中较多的卤素含量可能会与烃类气体发生化学反应，产生有毒的溶解性三卤甲烷，严重污染地下水｡
1.2.2地表水污染
由于页岩气开采使用的压裂液以及返回的采出水组分复杂，当页岩气井靠近河流湖泊或采出水排入地表水中时，容易使地表水发生水体污染，其污染通道主要包括以下四种：在开采过程中，压裂液或采出水发生泄漏，并流入附近的浅层地表水；储存在地面的采出水溢出或发生泄漏，流入附近的地表水中；采出水未经处理直接排放；出水未达到处理标准而排放｡
基于采出水的组成特点和水体污染通道可知，地表水发生水体污染的种类比较多，包括盐、有机物、重金属以及有害微生物等｡首先，采出水中的盐浓度，特别是氯化钠浓度较高，使得地表水中相应的盐浓度也上升，促进水体中有毒有害物质的混入或生长，如钡、锶、放射性镭以及有害微生物，不仅会对居民饮用水造成较大威胁，还会导致地表水的富营养化｡另外，经美国科罗拉多的地表水污染研究表明，在同时开采石油、页岩气的区域周边，其地表水中的苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)浓度均较高，会进一步加剧水体污染｡
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