1. 引言
随着页岩气、致密油等非常规油气资源的商业化进程加速，压裂技术作为其开发的核心手段，发挥着不可替代的作用。然而，传统压裂作业却面临着高能耗、高污染、高耗水的“三高”挑战，不仅单井柴油消耗高达50~80吨，返排液中的化学需氧量(COD)更是高达18,000 mg/L，且单井用水量往往超过1万立方米，给环境带来了沉重负担[1] [2]。据相关数据显示，在我国页岩气开发过程中，压裂返排液的处理成本已占总运营成本的15%~20%，更有约30%的返排液因处理不当而引发土壤与地下水污染问题[3]。“绿色压裂”理念的提出，正是为了应对这些挑战，通过全链条的技术创新，实现降低碳排放、减少污染、节约水资源、提高开发效率的目标。其核心路径包括：推动装备的节能化改造，降低能耗与排放；革新流体技术，实现低毒化与可降解；探索支撑剂的环保化替代方案，减少资源消耗与环境影响；以及促进废液的资源化利用，实现循环经济。
2. 环保型压裂工具与装备优化
压裂工具装备的环保化改进，是减少环境污染、提升作业效率的重要途径。当前，改进工作主要聚焦于降低泄漏风险、减少能源消耗以及优化操作流程，通过结构创新与智能化升级，从源头上控制污染物的产生。
2.1. 电动压裂设备的节能与减排
传统压裂设备依赖柴油机作为动力源，能源利用效率低下，通常只有30%~40%，导致单井作业过程中碳排放量高达60吨以上，对环境造成严重影响。而电动压裂设备的出现，为这一问题提供了有效的解决方案。该设备采用电动机替代柴油机，能源转换效率显著提升至90%以上，同时彻底消除了尾气排放，实现了零碳排放。但电动压裂设备对供电系统依赖性极强，在偏远、电网覆盖不足的油气田区域，需配套建设专用供电设施，增加了前期投资成本，且设备在低温、高湿度等极端环境下的运行稳定性仍需提升。
总体而言，电动压裂设备在能耗优化方面表现出色。长庆油田陇东页岩油区域101层全电驱压裂的实际应用数据显示[4]，相较于传统设备，电动设备单井作业能耗降低了42%，相当于每井节约标准煤120吨，显著降低了能源消耗与运营成本。在噪音控制方面，电动设备运行时的噪音水平降至85分贝以下，较传统设备降低了15~20分贝，有效减少了对周边生态环境及居民生活的噪声污染。此外，电动压裂设备还具备智能调控功能，通过内置的传感器实时监测作业过程中的压力、流量等关键参数，并自动调整设备运行状态，确保调控精度达到±0.5 MPa，从而有效避免了因操作失误导致的压裂液浪费。在作业区域周边，PM2.5浓度降低了35%，噪音投诉量也大幅下降了70%，为油气田的绿色开发奠定了坚实基础。[1]不过，智能调控系统的维护难度较大，对操作人员的技术水平要求较高，且传感器等核心部件易受压裂作业中粉尘、振动的影响，可能出现数据偏差，影响设备调控精度。
2.2. 防呲漏与密封工具的创新设计
在压裂作业过程中，井口返排液的泄漏是一个不容忽视的环境污染源。传统凡尔喷砂器由于砂粒的磨损作用，容易导致密封失效，进而引发返排液泄漏问题，单井返排液落地量可达50~100 m3，不仅增加了环保处理成本，还可能对土壤和地下水造成污染。为了解决这一问题，新型凡尔喷砂器通过创新设计，实现了管内防喷功能，有效避免了泄漏事故的发生。
新型凡尔喷砂器在结构上进行了重大改进。它取消了传统凡尔的密封喷砂口功能，转而采用双级滑套结构来完成密封任务。这种设计避免了砂粒对关键部件的直接磨损，从而显著提高了密封的可靠性和使用寿命。在具体操作上，下级滑套首先对喷砂口进行初始密封，确保基本密封效果；随后，上级滑套通过钢球驱动机制实现精准封堵，进一步增强了密封性能。这种分级控制的设计思路，使得密封成功率提升至100%，有效杜绝了返排液的泄漏(见图1)。现场试验数据充分证明了新型凡尔喷砂器的优异性能，通过对15口井的试验中，该技术成功减少了返排液落地量共计549 m3，不仅有效保护了环境，还节约了环保处理费用530.1万元。这一成果不仅体现了技术创新在环保领域的重要价值，也为油气田压裂作业的绿色化发展提供了有力支持[5]。此外，新型凡尔喷砂器的制造成本较传统产品高出约40%，对于部分中小型油气田企业而言，成本压力较大，限制了其大规模应用。
Figure 1. Structure of the valve sand blaster
图1. 凡尔喷砂器结构
3. 环保型压裂液体系研发
压裂液作为压裂作业中的关键材料，其成分和性能对环境影响至关重要。为了减少压裂液对环境的负面影响，研发环保型压裂液体系成为行业的重要方向。当前，环保型压裂液的研发主要围绕可降解性、低毒性及循环利用等方面展开。
NHC环保型清洁压裂液
当前，传统植物胶基压裂液体系在非常规油气开发中仍占主导地位。然而，此类体系存在显著环境与工程缺陷：压裂液破胶后产生的高量残渣(通常超过100 mg/L)在施工初期易形成滤饼，导致地层渗透率下降；后期返排过程中，残渣沉积于裂缝支撑剂内部，显著削弱裂缝导流能力，从而制约压裂改造效果。针对上述问题，长庆油田研发的NHC环保型清洁压裂液体系创新性地采用低分子多糖表面活性剂BHC-2作为稠化剂，通过多糖分子自交联作用与表面活性剂胶束缠绕机制，构建具有优异黏弹性的复合体系，实现了压裂液性能与环保特性的双重突破。
1) 技术优势与性能表征
NHC压裂液体系的核心技术优势体现在其耐温抗剪切性能与高效循环利用能力。实验数据显示，当BHC-2添加量控制在0.4%~0.8%时，体系在70℃~90℃温度范围内表现出稳定的抗剪切特性，黏度可维持在70 mPa·s以上，完全满足常规油井压裂施工需求。在返排液处理环节，仅需补加0.3%~0.7% BHC-2即可实现二次交联重构，形成有效压裂液。以长庆华池油田某井为例，返排液回收率高达95.67%，2020~2022年累计应用数据显示平均回收率稳定在94.45%，显著提升了水资源利用效率。
2) 储层保护与环境效益
NHC压裂液对储层的损害显著低于传统体系。其破胶后残渣含量低于13.8 mg/L，岩心伤害率控制在5.8%以内，较胍胶压裂液的28.6%伤害率下降超76%。这一特性有效降低了对地层渗透率的破坏，有助于维持储层原始动态平衡。现场应用表明，采用该体系改造的油井产油量较传统胍胶压裂液提升7.55%以上，验证了其工程适用性。
3) 绿色可持续发展价值
从环境管理角度，NHC压裂液体系通过简化配液流程与返排液回收工艺，大幅减少化学添加剂的使用量，降低废液排放强度。其低残渣特性(<13.8 mg/L)与低储层伤害率(<5.8%)显著减轻了对地层及地下水体的污染风险，为油气田绿色开发提供了关键技术支撑。该体系的规模化应用不仅解决了传统压裂液的环境负担问题，还为行业实现“减污、降碳、增效”的可持续发展目标提供了实践范式[6]。
4) 存在问题与整改方向
NHC压裂液体系对温度较为敏感，当温度超过90℃时，其黏度会显著下降，难以满足高温油气井的压裂需求，且低分子多糖表面活性剂BHC-2的生产成本较高，导致压裂液整体价格高于传统压裂液。并且，返排液循环利用过程中，需严格控制补加BHC-2的剂量，剂量偏差过大会导致压裂液性能不稳定，且多次循环后，返排液中可能积累微量杂质，对压裂液的交联效果产生潜在影响。另外，在高盐度储层环境中，NHC压裂液的破胶速度会加快，可能提前失去黏弹性，影响压裂效果，且目前尚未明确其破胶产物在高盐地层中的长期稳定性，存在潜在环境风险。加之NHC压裂液的配液工艺对水质要求较高，若使用当地含杂质较多的水源，需额外进行预处理，增加了作业复杂度与成本，且其降解产物的生态毒性虽低，但在大规模应用后对周边水生生态系统的长期影响仍需进一步监测。
4. 压裂支撑剂的环保化改良
压裂支撑剂作为压裂作业中的关键材料，其环保性能备受关注。为降低其全生命周期(包括生产、运输及使用)的环境负荷，行业正通过材料替代、工艺优化及废弃物资源化等路径，系统推进支撑剂的绿色化改造与环保技术升级。
4.1. 赤泥基低密度支撑剂
传统陶粒支撑剂主要依赖铝矾土作为原料，其开采与加工过程能耗高、碳排放量大。为了寻找更加环保的替代材料，行业将目光投向了赤泥这一氧化铝工业废渣。通过技术创新和配方优化，赤泥基低密度支撑剂成功研发并应用于实际生产中。需要注意的是，赤泥成分复杂，不同来源的赤泥所含杂质种类与含量差异较大，导致支撑剂性能稳定性难以控制，且赤泥的预处理过程需消耗大量酸碱试剂，可能产生新的污染物，容易增加环保处理压力。
赤泥基支撑剂在配方上进行了大胆创新。当赤泥添加量达到10%时，支撑剂的体积密度可降至1.55 kg/L，破碎率控制在4.16%以内，完全满足行业标准要求。同时，通过引入硅酸钠助剂与缓释液并优化造粒工艺，进一步提升了支撑剂的性能。优化后的支撑剂破碎率降至3.11%，体积密度降至1.42 kg/L，展现出更加优异的力学性能和环保特性。赤泥基支撑剂的应用不仅降低了原料成本30%，还实现了固废资源化利用的重大突破。每万吨支撑剂的生产可减少赤泥堆存占地1.2亩，有效缓解了赤泥堆存带来的环境压力。这一成果不仅体现了技术创新在环保领域的重要价值，也为支撑剂的绿色化发展开辟了新路径[7]。然而，赤泥基支撑剂的抗压强度虽能满足常规需求，但在超深井、高闭合压力的油气井中，其长期支撑稳定性仍需验证，且目前赤泥的回收利用率较低，大部分赤泥仍以堆存为主，难以满足大规模生产支撑剂的原料需求。
4.2. 树脂覆膜支撑剂的性能优化
覆膜支撑剂通过表面改性技术提升其环保性能和使用效果。传统的溶剂型树脂覆膜材料在生产和使用过程中可能释放大量挥发性有机物(VOCs)，对环境造成污染。为了解决这一问题，行业积极研发并应用水性树脂等环保覆膜材料。
水性树脂覆膜支撑剂在性能上实现了显著提升。通过优化覆膜工艺和配方设计，水性树脂覆膜支撑剂的抗压强度提高了20%，在69MPa闭合压力下破碎率低于5%，展现出更加优异的力学性能和耐久性。同时，水性树脂的使用还有效减少了VOCs的排放，排放量降低了90%，更加符合环保要求。但在高温、高矿化度的地层环境中，水性树脂覆膜易发生老化、降解，导致支撑剂的导流能力下降，且目前尚无成熟的技术回收利用废弃的树脂覆膜支撑剂，可能造成固体废弃物污染。
现场应用数据表明，改良后的树脂覆膜支撑剂在导流能力方面提高了15%，油气井的稳产期也延长了6~12个月。这些成果不仅证明了树脂覆膜支撑剂在性能优化方面的显著成效，也为油气田的高效开发提供了有力支持[3]。
4.3. 支撑剂质量检测与控制
为了确保支撑剂的环保性能和使用效果，建立全链条的质量控制体系至关重要。从原材料采购到生产加工再到运输存储的每一个环节都需要进行严格的质量检测和控制。
在质量检测方面，行业采用了高精度检测设备和方法来确保支撑剂的质量符合标准要求。例如，采用激光粒度分析法对支撑剂的粒径分布进行精确控制，偏差控制在≤5%以内；利用X射线荧光光谱分析技术对支撑剂的化学成分进行准确测定，误差控制在≤0.1%以内。这些高精度检测手段的应用为支撑剂的质量控制提供了有力保障。
在生产过程管控方面，行业通过优化破碎与筛分工序等措施来降低支撑剂的破碎率并提高其均匀性。通过严格控制生产工艺参数和操作流程，确保支撑剂的破碎率控制在3%以内，从而提高了支撑剂的使用效果和寿命。
在运输存储环节，行业也制定了严格的规范来确保支撑剂的质量不受影响。采用封闭容器进行运输以避免扬尘和污染；对存储环境进行湿度控制(≤5%)以避免支撑剂结块和变质。这些措施的实施为支撑剂的顺利使用提供了有力保障[3]。
5. 压裂返排液处理与循环利用技术
压裂返排液是压裂作业中产生的主要污染物之一，其成分复杂、处理难度大。为了实现压裂作业的绿色化和可持续发展，行业积极研发并应用高效的返排液处理与循环利用技术。
5.1. 电化学氧化–混凝沉降联用技术
针对返排液中难降解有机物和悬浮物含量高的问题，电化学氧化–混凝沉降联用技术提供了一种有效的解决方案。该技术通过电解催化氧化和混凝沉降两个步骤实现返排液的深度净化。
在电解催化氧化阶段，利用电解过程中产生的羟基自由基等强氧化剂对返排液中的有机物进行氧化分解。在12V电压、pH = 10的条件下，COD去除率可达90.3%，显著降低了返排液中的有机物含量。随后，在混凝沉降阶段，采用复合混凝剂FHN-1 (加量3000 mg/L)对返排液中的悬浮物进行混凝沉降处理。处理后的悬浮物去除率达到96.03%，含油量降至1.5 mg/L，水质得到明显改善。尽管如此，该技术对pH值控制精度要求极高，pH值偏差超过±0.5时，COD去除率会下降15%~20%；且复合混凝剂FHN-1的采购成本较高，相较于普通混凝剂，其价格高出约3倍，增加了处理成本。
结合电解催化氧化与混凝沉降试验数据，将联合处理后压裂返排液的悬浮物、含油量及化学需氧量(COD)指标与GB 8978-1996《污水综合排放标准》中的一级排放限值进行比对分析见表1。
Table 1. Combined treatment effect of electrochemical catalytic oxidation and coagulation sedimentation
表1. 电解催化氧化–混凝沉降联合处理效果
水质指标 |
COD值/(mg·L−1) |
悬浮物(ρ)/(mg·L−1) |
含油量(ρ)/(mg·L−1) |
联合处理后水质 |
35.6 |
3.4 |
1.5 |
一级排放标准 |
<100 |
<70 |
<10 |
由表1可知：经该工艺处理后，返排液COD值降至35.6 mg/L，悬浮物质量浓度仅为3.4 mg/L，含油量(ρ)低至1.5 mg/L，三项核心水质参数均严格满足标准要求(COD < 100 mg/L、悬浮物<70 mg/L、含油量<10 mg/L)，处理效果显著，可直接排放或用于配液等后续工序。这一成果不仅解决了返排液处理难题，还为油气田的绿色开发提供了有力支持[8]。
5.2. 返排液循环配液技术
为了实现返排液的最大化利用和节约水资源，返排液循环配液技术成为行业的研究热点。吴起油田开发的“气浮除油–氧化破胶–混凝脱稳–板框压滤–水质净化”工艺为返排液的循环利用提供了有效途径。
该工艺首先通过气浮除油阶段去除返排液中的浮油成分，去除率可达80%以上；随后利用过硫酸铵进行氧化破胶处理，降低返排液的黏度84.3%；接着采用纳米活性炭吸附技术去除硼离子等有害物质，去除率高达95%以上；最后通过板框压滤和水质净化等步骤进一步去除悬浮物和杂质，确保处理后的水质满足配液要求。不过，气浮除油阶段易受水温影响，当水温低于10℃时，除油效率会下降至50%以下；且纳米活性炭的再生难度大、成本高，通常使用1~2次后即需更换，增加了耗材成本；板框压滤过程需定期清理滤布，频繁停机影响处理效率。
应用该工艺处理后的返排液可用于配制压裂液等后续工序。实际应用数据显示，处理后的返排液配制出的压裂液黏度可达39 mPa·s，交联性能良好；单井节约清水用量164 m3，处理成本降低了60%。这些成果不仅体现了返排液循环配液技术在节约水资源和降低成本方面的显著优势，也为油气田的绿色开发提供了新的思路和方法。(见图2) [9]
Figure 2. Process flow diagram of fracturing flowback fluid recycling
图2. 压裂返排液循环利用工艺流程图
5.3. 返排液回用影响因素及控制
返排液的回用受到多种因素的影响，为了确保回用效果和安全性，需要对相关因素进行严格控制和管理。
阳离子是影响返排液回用的重要因素之一。其中，Fe2+和Fe3+对压裂液黏度的影响最为显著。当Fe2+浓度超过2 mg/L时，压裂液黏度下降率可达60%，严重影响压裂效果。因此，在返排液回用前需要对阳离子进行有效去除或控制其浓度在合理范围内。
矿化度也是影响返排液回用的关键因素之一。过高的矿化度会导致压裂液性能下降甚至失效。研究表明，当回用返排液的矿化度低于30,000 mg/L时，压裂液的降阻率可保持在65%以上，满足使用要求。因此，在返排液回用过程中需要对矿化度进行严格监测和控制。同时，矿化度调节通常采用稀释或脱盐工艺，稀释会消耗大量清水，违背节水初衷；脱盐工艺如反渗透等，设备投资高、能耗大，且易产生浓盐水，后续处理难度大。
pH值对压裂液的性能也有重要影响。在pH值 = 6~9的范围内，聚合物稠化剂的增黏效果最佳。因此，在返排液回用前需要根据实际情况对pH值进行适当调节以确保压裂液的性能稳定可靠[10]。
6. 结论与展望
绿色压裂技术通过工具优化、流体创新、支撑剂改良及返排液处理等多方面的协同作用，实现了压裂作业的环保化与可持续化发展。电动压裂设备的应用显著减少了碳排放量达60%；低分子压裂液的推广使用实现了水资源节约50%以上；电化学处理技术则确保了返排液处理达标率100%。这些技术的综合应用不仅有效降低了油气开发过程中的环境影响成本约40%~60%，还为行业的绿色转型和可持续发展奠定了坚实基础。然而，绿色压裂技术整体仍处于发展阶段，技术成熟度参差不齐，部分技术的长期可靠性和经济性尚未经过大规模、长时间的现场验证，且技术间的协同整合程度较低，难以形成完整的绿色压裂技术体系，导致整体环保效益未达最优。
展望未来，绿色压裂技术的研究与发展仍将持续深入。开发全生命周期零排放的压裂体系将是重要方向之一，旨在实现压裂液从生产到使用的全过程无污染、无排放；推动太阳能驱动的智能化压裂装备研发也将成为新的热点，通过利用清洁能源进一步降低能耗和碳排放；同时，建立完善的绿色压裂技术标准与评价体系对于规范市场秩序、促进技术进步和规模化应用具有重要意义。相信在不久的将来，随着技术的不断进步和政策的持续支持，绿色压裂技术将在油气资源开发中发挥更加重要的作用，为构建清洁低碳、安全高效的能源体系做出更大贡献。
NOTES
*第一作者。