淮南矿区煤层气井压裂返排液量质特征研究.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.054淮南矿区煤层气井压裂返排液量质特征研究（1.安徽省煤矿绿色低碳发展工程研究中心，安徽 淮南 232001;2.煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽 淮南 232001；3.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司，安徽 淮南 232001）摘要 为了掌握淮南矿区煤层气压裂返排液的水量水质特征情况，通过调研和实测掌握了淮南矿区煤层气气田压裂返排液的水量变化情况。根据 GB8978原1996 污水综合排放标准 中第一类污染物排放标准要求，采用实验室试验检测等方法，对返排液水质相应指标进行了化验分析。结果表明：返排液产生过程可划分为放喷期和排采期。其中放喷阶段返排液产生量较大，最大超过 50 m3/d；排采期返排液产生量将减小并趋于稳定，在30 m3/d 以下。返排液水质质量随时间推移逐渐提高，且现阶段返排液水质各项指标均满足 GB8978原1996 污水综合排放标准 中第一类污染物排放标准。关键词 煤层气井；压裂返排液；水量变化分析；水质污染分析中图分类号X741文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0168蛳 040引言近年来，天然气由于具有清洁且热值高的特点，发展天然气工业对双碳目标的达成起到了积极的推动作用。其勘探在致密气、煤层气、页岩气等领域相继获得重大突破咱员暂。而压裂作为天然气生产过程中的一道重要工序，产生的压裂返排液若直接排入自然水体，将对水生生物和人们的日常生活造成严重威胁咱2暂。不同赋存条件下的天然气压裂返排液在某些水质指标上可能存在较大差异咱3暂。对油气田而言，其压裂返排液主要具有成分复杂、污染物种类多、含量高、黏度大、乳化程度高以及处理难度大的特点咱4暂；对页岩气而言，其压裂返排液一般具有高化学需氧量（COD）、高悬浮物、高浊度、高盐度等特点咱5暂；煤层气压裂返排液通常具有高 COD、高色度、高稳定性等特点，未经处理会产生潜在的环境污染及资源浪费问题，如会导致土壤 pH 值发生改变咱6原7暂、出现板结、盐碱化咱8暂以及重金属污染咱9暂等问题。淮南矿区煤层埋藏深（3001 500 m）、压力大（6.7 MPa）、瓦斯含量高（1226 m3/t）咱10暂。近年来，随着煤炭开采不断向深部延伸，安全生产工作受矿井瓦斯灾害威胁愈发严重。因此，淮南矿区积极从地面治理瓦斯，开展地面钻井抽采，实施煤层气试验井钻井、压裂、排采技术工程试验研究。为了避免煤层气压裂返排液可能存在的污染问题，掌握淮南矿区煤层气压裂返排液的水质等相关情况，本文重点对淮南矿区煤层气井压裂返排液的水量水质特征进行了研究。1煤层气井压裂治理概况1.1压裂液及压裂技术体系目前针对煤层气储层压裂施工常用的压裂液体系主要包括活性水压裂液、线性胶压裂液、清洁压裂液以及泡沫压裂液等咱11-12暂。而压裂返排液常用处理方法主要分为物理法、化学法、物理化学法、生物法以及其他处理法 5 类咱13暂。我国煤层储层复杂、差异性较大，为了改善煤层渗透率，共提出了水力喷射煤层气压裂技术、高能气体煤层气压裂技术、间接煤层气压裂技术、氮气泡沫煤层气压裂技术、连续油管煤层气压裂技术咱14暂。1.2地面瓦斯区域治理试验工程地面瓦斯区域治理试验工程项目地处淮南矿区。其地形平坦，地面标高一般为+19.0+27.0 m，东西长约 95 km，南北宽 25 km，面积约 2 300 km2。区域内的地表水系为淮河水系，土壤中有机质含量较低，结构性差，渗透快，系新生界松散堆积层。项目区地表植被状况良好，多被农作物、四旁树木和野生杂草所覆盖。地面瓦斯区域治理试验工程项目组成包括主体工程、辅助工程、环保工程等。其工程组成如表 1所示。淮南矿区在 20182020 年先后施工了 6 口地面开发试验井，编号为 XX-1L、XX1-2、PX1-1、PX1-2、PX2-1 和 PX2-2。共完成钻井有效进尺13 038 m，平均单井有效进尺 2 173 m，沿煤层顶（底）板钻水平井长度 5 889 m，平均单井完成水平能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41682023 年 8 月Aug.,20231.3煤层气井压裂情况6 口试验井采用酸性活性水+低伤害酸性压裂液体系，以酸性活性水为主体。施工期间根据现场施工情况，现场配置少量低伤害压裂液，在施工压力异常、加砂困难时方可使用。2 种压裂液体系配方如下：（1）活性水（酸性）配方。清水+1.0%KC1+0.05%杀菌剂+0.05%表活剂+0.2%酸性调节剂。（2）低伤害压裂液体系（酸性）配方。清水+粘土稳定剂+植物胶稠化剂+表活剂+酸性调节剂+酸性交联剂+复合破胶剂。试验井均采用水力喷射煤层气压裂技术，压裂段数 77 段，平均单井 13 段，加砂压力 2062 MPa。采用 0.425/0.212 mm、0.90/0.425 mm、1.18/0.90 mm 压裂砂，砂比 3.0%11.0%。压裂总液量 149 505 m3，单井压裂液量 10 99551 350 m3，平均单井 24 918 m3；压入石英砂 5 679 m3，单井加砂 5341 919 m3，平均单井 947 m3。2压裂返排液调查与检测2.1压裂返排液水量调查通过现场实测、资料收集等方式获得了 6 口试验井的近 2 年时间序列的返排液产生量以及压入排出水量情况，如图 1、表 2 所示。（a）XX-1L 返排液量变化趋势（b）XX1-2 返排液量变化趋势（c）PX1-1 返排液量变化趋势赵得荣，等淮南矿区煤层气井压裂返排液量质特征研究表 1工程组成工程名称工程内容主体工程钻井建设 6 个预抽井井场，全部为“L”型井，每个井场占地约 9 600 m2；每口井年抽采瓦斯量 36.5 万 m3，瓦斯年抽采量 438 万 m3辅助工程入场道路井场设置均位于现有乡村道路旁，施工期不新设施工便道柴油储罐井场设置柴油罐 2 个，单个井场柴油储存量 33.8 t泥浆罐每个井场项目设置 3 个，每个容积 40 m3公用工程施工期水源利用水车拉水或农家民用水井；各井场电源施工期利用柴油发电机作为电源，运行期架设电线利用附近电源环保工程车辆运输粉尘：企业对进出井场车辆加强管理，定期清洗，硬化地面、运输过程物料加盖帆布，定期进行洒水抑尘车辆清洗废水经沉淀池沉淀后循环使用，不外排；道路抑尘用水全部蒸发损耗，不外排采气排水收集后用于场地抑尘和绿化，多余部分用罐车运至工业广场矿井水处理站设备噪声：采取隔声、减震措施、定期维修，避免在不良状态下运行生活垃圾集中收集后，运至工业广场集中处置施工完成后，按批复的土地复垦方案进行复垦，复垦为耕地，保证生产能力不变废气处理废水处理运营期废水处理噪声控制固废处置土地复垦施工期设备噪声：采取隔声、减震措施、定期维修，避免在不良状态下运行钻进期间钻渣在现场进行沉淀、压滤脱水后，作为塌陷区填筑等建材使用；生活垃圾定期清运；挖填平衡，无弃土产生噪声控制固废处置井长度 981 m。6 口钻井分别选择 13-1 煤、8 煤、3 煤及 1 煤等主采煤层作为目的层，采用煤层顶（底）板水平井分段压裂储层改造技术，对目的煤层进行压裂改造。35302520151050时间时间60504030201006050403020100时间1692023 年 8 月Aug.,2023（d）PX1-2 返排液量变化趋势（e）PX2-1 返排液量变化趋势（f）PX2-2 返排液量变化趋势图 1各试验井返排液产生量表 2试验井压排水量情况（2019-11-062022-05-26）2.2压裂返排液水质检测研究人员于 2021-07-20 和 2021-09-28 对 6口试验井进行了采样，并对 pH、化学需氧量、悬浮固体含量、溶解性总固体、总矿化度、总硬度和总铁等指标进行了实验室检测。检测标准的依据如表 3所示。表 4 为各取样点 2 次（2021-07-20 和 2021-09-28）采样的检测结果；表 5 为 2021-09-28 返排液中第一类污染物指标的检测结果。表 3检测标准依据序号项目检测方法方法来源1pH电极法HJ 1147-20202溶解性总固体电极法GB/T 5750.4-20063悬浮固体含量重量法GB/T 11901-19894化学需氧量快速消解分光光度法HJ/T 399-20075总硬度乙二胺四乙酸二钠滴定法GB/T 5750.4-20066总矿化度重量法水和废水监测分析方法7总铁火焰原子吸收分光光度法GB/T 11911-1989孔号压入总液量/m3累计产水量/m3已排液占比/%XX-1L23 81612 20251.23XX1-230 92514 54547.03PX1-114 7246 51944.27PX1-251 58228 65455.55PX2-110 99612 717115.65PX2-217 5159 15952.29表 4试验井返排液水质指标检测情况（7 月 20 日和 9 月 28 日 2 次取样）项目取样次数取样时间取样点XX-1LXX1-2PX1-1PX1-2PX2-1PX2-2pH第 1 次7 月 20 日7.918.328.128.058.548.18第 2 次9 月 28 日8.188.057.987.78.267.54化学需氧量/（mg/L）第 1 次7 月 20 日65135369329122333第 2 次9 月 28 日193643623145悬浮固体含量/（mg/L）第 1 次7 月 20 日12430561231第 2 次9 月 28 日4.074.03559溶解性总固体/（mg/L）第 1 次7 月 20 日3 6743 2109 0488 6305 0959 250第 2 次9 月 28 日2 9302 4006 0707 3004 2207 890总硬度/（mmol/L）第 1 次7 月 20 日0.530.591.011.230.571.65第 2 次9 月 28 日0.671.051.281.570.582.07总铁/（mg/L）第 1 次7 月 20 日0.1435.53.738.460.159.13第 2 次9 月 28 日1.896.983.327.861.864.36序号污染物指标最高允许排放浓度实测最大值备注序号污染物指标最高允许排放浓度实测最大值备注1总汞/（mg/L）0.050.01符合7总镍/（mg/L）1.00.05符合2总镉/（mg/L）0.10.05符合8苯并（a）芘/（mg/L）0.000 03-3总铬/（mg/L）1.50.03符合9总铍/（mg/L）0.005-4六价铬/（mg/L）0.50.004符合10总银/（mg/L）0.50.03符合5总砷/（mg/L）0.50.009符合11总 琢 放射性/（Bq/L）1-6总铅/（mg/L）1.00.2符合12总 茁 放射性/（Bq/L）10-表 5第一类污染物排放标准对比4035302520151050时间时间时间504540353025201510506050403020100能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41702023 年 8 月Aug.,20233结果分析3.1水量分析据图 1、表 2 分析可知：（1）试验井返排液产量趋于稳定。其中，XX-1L井约为 9.41 m3/d，PX1-1 井约为 4.56 m3/d，PX1-2井约为 17.08 m3/d，PX2-1 井约为 2.37 m3/d，PX2-2井约为 26.86 m3/d。截至 2022 年 4 月，试验井返排液产生总量约为 60 m3/d。（2）返排液量随时间变化总体上可以划分为放喷期和排采期 2 个阶段。放喷阶段返排液产生量较大，最大超过 50 m3/d，随着放喷压力的减小，返排液量也逐渐降低，放喷时间一般在 12 个月；进入排采阶段，排采前期返排液产生量较大，一般前 2 个月返排液量衰减较快，6 个月后返排液趋于稳定，衰减速率较小。总体来讲，返排液随着抽采井服务年限的增加，产生量逐年减少，且随着气井的关闭，返排液将不再产生。（3）累计产水量占压入总液量约一半。XX-1L、XX1-2、PX1-1、PX1-2 以及 PX2-2 5 口试验井已排液占比在 44%56%之间，总体累计产水量占压入总液量一半左右。而 PX2-1 试验井已排液占比为115.65%，可能是因为压入液注入层与地下水有所沟通，从而导致累计产水量超过压入总液量。3.2水质分析据表 3、4 分析可知：（1）随着时间的推移，同一钻井返排液在化学需氧量、悬浮固体含量、溶解性总固体指标上均有明显降低，总硬度和总铁指标变化不大，表明随时间推移返排液总体水质逐渐提高。（2）6 口试验井 2021-09-28 返排液中的重金属含量普遍较低，其中总镉、总铬、六价铬、总铅、总镍、总银均未检出，其他指标均满足 GB8978-1996污水综合排放标准 中第一类污染物排放标准。4结论通过对淮南矿区 6 口试验井返排液水量和水质调查检测和分析可知：（1）返排液产生量随着时间变化总体上可以划分为放喷期和排采期 2 个阶段。放喷阶段返排液产生量较大，最大超过 50 m3/d，排采期返排液产生量较小并趋于稳定，在 30 m3/d 以下；累计产水量占压入总液量约一半，其产量受水文地质条件和压裂液压入量影响，即钻井所处层位地下水含量较丰富、压裂液压入量较大时，返排液产生量也较大，反之亦然。（2）在采用酸性活性水+低伤害酸性压裂液体系情况下，随着时间推移，返排液水质逐渐提高，且现阶段返排液水质各项指标均满足 GB8978-1996污水综合排放标准 中第一类污染物排放标准。因此，现阶段 6 口煤层气试验井返排液可直接运送至就近煤矿矿井水处理站进行处理即可。参考文献1王震，孔盈皓，李伟.“碳中和”背景下中国天然气产业发展综述 J.天然气工业，2021，41（8）：194-202.2 刘琪.新型 g-C3N4-x光催化剂的设计制备及其深度处理页岩气返排液研究 D.武汉：武汉理工大学，2019：13-15.3 范红良.川东地区页岩气压裂返排液处理试验研究 D.成都：西南石油大学，2016.4 李兰，杨旭，杨德敏.油气田压裂返排液治理技术研究现状 J.环境工程，2011，29（4）：54-56.5 孟宣宇.页岩气开发压裂返排液水质特征及其处理技术研究 D.北京：中国石油大学（北京），2017：24-26.6 Girisha K.Ganjegunte，Lyle A.King，George F.Vancec.Cumulative Soil Chemistry Changes from Land Application ofSaline-Sodic Waters J.Journal of Environmental Quality，2008，37（5_Supplement）：S128-138.7 王静，李向东，冯启言，等.沁水盆地煤层气产出水对土壤盐度的影响 J.江苏农业科学，2014，42（2）：295-298.8 李沿英，康静文.煤层气地面开采中潜在的生态环境影响分析 J.中国煤炭，2014，40（3）：124-127.9 刘会虎，桑树勋，曹丽文，等.煤层气生产区重金属污染特征及其潜在生态危害 J.安全与环境学报，2014，14（3）：288-293.10李琰庆，杨科，秦汝祥，等.煤与瓦斯突出煤层群安全高效开采技术体系与展望 J.煤炭科学技术，2020，48（3）：167-173.11陈海汇，范洪富，郭建平，等.煤层气井水力压裂液分析与展望 J.煤田地质与勘探，2017，45（5）：33-40.12管保山，刘玉婷，刘萍，等.煤层气压裂液研究现状与发展 J.煤炭科学技术，2016，44（5）：11-17.13韩洪晶.绿色氧化剂高铁酸钾处理压裂返排液及其作用机制 D.大庆：东北石油大学，2021.14杨勇，刘红，孙瑞娜，等.煤层气压裂技术综述 J.石化技术，2015，22（9）：122.作者简介赵得荣（1996-），男，助理工程师，硕士，毕业于中国矿业大学测绘工程专业，主要从事煤矿生态环境修复技术工作。收稿日期：2022-11-30能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4171