深井灌注技术：用于处理煤矿高盐废水的展望

杜松 地质封存低碳技术研究

杜松，博士，中国煤炭地质总局勘查研究总院，地质封存技术研究所，所长，长期从事煤矿矿井水及煤化工废水处理研究，斯坦福大学访问学者，中国科协青年托举人才。

引言

深井灌注(Deep well injection)又称地下灌注（underground injection, UI）是指将液体（或固体）污染物注入并封存在地表以下500-3500米深部的地下多孔岩石孔隙的污染物处置技术。这些被注入流体的岩层通常是砂岩或灰岩（K. P. Saripalli, 2000,[2] J. Glater , 2003）。它不是简单地向地下排放废液，而是将废液（固）封闭封存置于生物圈以外的一种安全的地质环境学技术方法，即利用第四类环境介质（深层地质环境）的封闭、降解等作用，使废弃物不参与人类和生物的物质循环（Baren blatt G I,1960）。该技术安全性较高，且运行成本低[1]。

深井灌注最早起源于20世纪30年代的美国。石油行业中利用深井灌注技术处理开采时产生的高盐废水，并同时提高原油产量。从1950年代开始，美国化工企业也开始采用深井灌注的方法处理工业废液，随着工业的发展，深井灌注方法也得到了广泛应用。自1980年美国环境保护局（EPA）出台《地下灌注控制》（Underground Injection Control，UIC，1980）法案（Testa, S.M. ,1994）以来，深井灌注技术是被美国环保局认可的最为普遍应用的废液处置方法之一，同时这种方法也被证实是安全且低成本的工业废弃物处置方法之一[2]。根据EPA的有关规定，在申请灌注井运行许可证之前，必须对拟灌注井进行废液在地下岩层中运移的数值模拟，以保证1万年内废液不会从垂直方向流出灌注带，也不会在水平方向溢出指定排放区域或接触地下饮用水源[3]。

现在，全美有大概40万座深井正在运行，大多数用于油田回注高盐废水。尽管深井灌注技术用于处理高盐废水已经进行了许多年，但近些年在深井设计、操作、监测和分析方面的一些新进展，才逐渐使该技术进一步完善，从而能够真正的实现安全处置高盐废水。随着技术的进步和需求的增加，深井灌注技术将在污水处理中也发挥越来越重要的作用，以促进全球城市和工业的可持续发展[4]。

1 深井灌注的分类

EPA的UIC管控法案把深井灌注技术分成了6个等级，即6类井，但实际只有前5类被用于废液及废弃物的处置，第6类井则是用于CO2补集贮存的封存井[5]：

Ⅰ类井，是将有害或无害流体注入到地下含水层以下岩层的深井。该岩层上面须有隔水层，将流体与地下饮用水源隔离；

Ⅱ类井，注入高盐废水和油气开采过程中所带来其他废液。此类高盐废水的产量较大，且含盐量高；

Ⅲ类井，实为生产井，注入包含过热蒸汽、水或其他与采矿相关的流体，这些被注入的流体随后被泵力抽取到地表，而在溶浸过程中的矿物质被萃取出来。超过50%的盐和80%的铀的萃取都是利用这种方式；

Ⅳ类井，为注入区域高于地下水含水层的浅层井，这类井是美国UIC所禁止的，因为可能危害公众健康；

Ⅴ类井，为浅层的并借助重力排水或者将废水经处理后注入地表池子，例如沉淀池和化粪池，部分可以将处理达标后的水注入含水层；

Ⅵ类井，用于CO2补集贮存的封存井或试验井。深井灌注的分类见表1及图1。

表1：深井灌注的分类[2]

Table 1：UIC Well Classes

图1：深井灌注的分类图例[6]

Figure 1.UIC Well Classes

2 国内外深井灌注技术应用及管理现状

在美国及欧洲的一些国家，深井灌注已成为有害废液重要的处置方式之一。据美国EPA的研究，有选择的对化学工业废液进行深井灌注，几乎比其他所有处理方式都要安全，其风险分析设想的所有情况中，泄露几率在百万分之一到四百万分之一[15]。至 2001年，美国19个州已有I类灌注井529口，其中有害废物灌注井163口，每年有超过3400×104m3有害废液被灌注到地下[16]。据统计，在美国每天有超过20亿加仑（757万 m3）的废液通过Ⅱ类井被注入地下，这类灌注井大多在在德克萨斯，加利福尼亚，奥克拉荷马，和堪萨斯，在全美大约有180000座II类井正在运营[2]。

2.1国外应用历史与现状

（1）美国深井灌注技术

美国的深井灌注技术起源于20世纪30年代，最早应用于石油开采领域[4]。杜邦公司1949年建设了第一座用于处理工业废弃物及废水的深井，从而开启了深井灌注技术用于处理工业废水和废弃物。到现在，深井灌注技术已有80年的应用历史，根据BRS 告[8]，深井灌注方法仍然是当今美国使用最多的废物处置方法，数量超过其他处理方法例如水和有机处置、焚烧、填埋等[17]。

深井灌注技术在美国的发展史也是其相关法律法规的完善历史，1960年起美国各州采用一定的管理制度逐渐对该项技术进行具体的管理。德州第一个通过立法管理深井灌注技术。但由于各州环境条件不同，所以标准很难统一起来。据统计，全美1970年深井灌注项目总计有250个，美国联邦政府在1972年修订了Clean Water Act(CWA)法案，明确提出深井灌注的授权许可制度(Brasier, F.M., and Kobelski, B.J., 1996.)。1974年EPA出台了Safe Drinking Water Act(SDWA)法案，这意味着联邦政府开始统一对深井灌注技术进行监管。直到1980年Underground Injection Control(UIC)出台后，联邦政府明确了对全美境内深井灌注技术的具体管理办法。UIC颁布至今约40年，期间深井灌注技术飞速发展，迄今为止全美有大概40万个深井在运行。在技术不断完善的同时，UIC法案也在不断的完善。

图3：美国对深井灌注进行管控的历程

Deep Well Injection Regulatory Timeline in US

据统计美国每年有大概2200万吨的废弃物是通过深井灌注方法处置的，占总有害废弃物处理量的49.7%。和过去相比，废弃物处置的总量有所减少，但是深井灌注所处置的有害废弃物比重在增加[26]。

用于处理工业高盐废水的深井为Ⅱ类井。它们能够处理任何和油气开采相关的废水。油气工业用灌注井来处理含有高盐、化学物质、重金属和其他放射性物质的废水。废水也可以在私人处理设施进行处理。以宾夕法尼亚州为例，多家灌注井是商业化运营的，其中大多数公司每月可能需要处理约3万桶（200L标准桶）。

（2）加拿大深井灌注技术的应用

加拿大也是允许深井关注技术应用的，并且与美国一样，有专门的法律对此类技术进行专门的管理。加拿大国土土地法授权颁布的《石油与天然气钻探与生产条例》（Canada Oil Gas Drilling and Production Regulations）中对深井灌注技术进行了详细的要求，要求技术应用企业需根据具体项目，对灌注地层信息、注入物质成分、防渗保护措施、监控措施等信息进行详细的备案，并需一系列法律手续，方可申请许可证。加拿大政府也希望利用深井灌注技术解决工业废水及钻井废弃物的原位处置的难题[18]。

（3）欧洲深井灌注技术的发展

欧盟明令禁止将污染物排放到地层中[19]，但唯独对于深井灌注技术是可以允许按照法定程序申请许可的，因为深井灌注技术在其他国家（主要指北美）应用较为广泛，技术成熟，且有可参照的管理条例。

英国《1990年环境保护法案》中的综合污染预防和控制（IPPC）部分中，明确指出深井灌注技术的应用需要一个专门的许可证，可以处置的钻井废物包括：钻屑、废钻井泥浆、钻液、返排液、废气和其他留在地下的废物等[27]。

俄罗斯开展深井灌注技术的应用及研究也相对较早(Foley M,1998)。早期大多利用深井灌注技术处置核废料，达到降低放射性废物对地表水环境污染的目的[29]。1966 年以来，随着俄罗斯联邦“原子反应堆”项目及国家科学中心在采矿领域的发展，深井灌注得到快速发展。1967 年，在位于俄罗斯特维尔州北部的加里宁核电站灌注场址，进行了非放射性废物深部地质封存试验[20]。

2.2中国应用及研究情况

王灿等[21]认为中国现阶段在深井灌注技术的应用几乎是空白。这不仅造成了大量资源（废弃深井）浪费，同时也使环境压力加大。如果能有效的利用这一实用技术，将大大有利污染物的处理与管理，对环境保护起到积极的作用。

中国自20世纪90年代以来，重庆索特盐化股份有限公司已经采用深井灌注技术成功处理了公司60万吨/年真空制盐装置的制盐废水废渣[22]；大庆油田建设设计研究院同大庆油田勘探开发研究院曾联合开展了含氰污水深井回注技术研究，解决了油田聚合物工程74万吨/年含氰废水的地面纳污问题，而且最终解决226万吨/年含氰污水的排放问题[23]。2009年杜邦东营钛白粉扩产项目拟采用深井灌注技术处理有机废水及放射性污染物，备受争议，最后项目中止[24]。

鲁意扬[25]认为辽宁省油田废井可作为工业污染物的处置井利用，地质条件符合深井灌注技术要求，但是相关法律法规有待于完善。

吴唯民,杜松等[26]认为深井灌注技术可用于煤化工高盐废水的处置。

由于中国环境保护管理部门对地下饮用水资源的保护尤为重视，因此对深井灌注技术的引入较为谨慎，且深井灌注技术涉及地质学、环境生态学、地球化学、流体力学、材料学、自动化科学等多门学科，少有学者对此项技术展开研究。以上是中国未广泛研究及应用深井灌注的原因。

3 深井灌注技术在中国的应用前景

如上所述，在建立规范的基础上，深井灌注技术在美国以及其他发达国家已经被广泛应用于污水、固废以及危险废弃物和放射性废弃物的处置。由于我国对该技术的研究和应用都非常少，而且与之相伴的管理办法尚不健全，对该技术的风险控制尚不能有效控制，因此笔者认为在我国目前不适用于对所有废水及固体废物深井灌注技术都进行处置，需要对不同的废水与固体废物分别进行可行性评估。

3.1矿井水治理分析

中国能源资源的特点是富煤缺油少气，煤炭资源总量居世界第一，占国内一次能源资源总量94%。2010年产煤32.4亿吨，占世界煤炭总产量的45%，占我国一次能源生产量78%，占消费总量的70.2%。煤炭工业的持续发展有力地支持了我国经济持续发展对能源的需求。目前，国家十分重视新能源开发、低碳经济的发展，煤炭占总能源消费量的比重将逐步降低，为确保我国能源供求，预计20~30年内煤炭生产总量还要增加。

煤炭是赋存在地下沉积岩内的矿产资源，含煤层、含水层、隔水层共生在一起，为确保煤矿井下生产安全，在煤炭开采过程中，必然要排放大量的矿井涌水。2018年全中国煤矿年排放矿井水约80亿m3，约合生产每吨煤炭排放矿井水2 m3。矿井涌水量大小与矿山所处的地理位置、气候、地质构造、煤层形成年代、开采深度、开采方法等因素有关。

随着科技进步及对环保的重视，我国政府出具了一系列的标准要求，煤炭工业废水处理的关注重点从以前的“去除有机物污染物”转变为“对废水中无机盐也要考虑脱除”（图1），排放要求经历了“达标排放”、“蒸发塘终端处置”、“浓盐水结晶蒸发”3个重要阶段[26]，即最后将废水中的盐份也通过分离、提纯以达到工业盐要求。

3.2矿井水高盐废水的水质特征分析

矿井水高盐水是指用双膜法处理矿井水后所产生的浓缩液。矿井废水经过沉淀及精细过滤的预处理后再经纳滤反渗透的膜分离，最后再经软化、有机物深度去除等工艺处理，经过高压膜再浓缩后的浓缩液。以某矿井水处理工程的高盐废水水质特性为例（表2），可见矿井水高盐废水有别于其他工业废水的水质，总有机污染物及氨氮等并不是很高，由于经过预处理，浊度、石油类、悬浮物等物理指标皆为0mg/L；同时由于软化及混凝沉淀的处理，总Fe、Al3+、Cu2+、Sr2+、As3+高分子量离子浓度也为0mg/L；但由于高倍浓缩的原因，低分子量的阴阳离子Na+、K+、Cl-、SO42-的浓度却非常的高。

表2：矿井水高盐废水水质参数

Table2：Water Quality Parameters of High Salt Wastewater from Mining wastewater concentration

对于煤矿高盐废水的深井灌注技术应用主要对标美国深井灌注技术Ⅱ类井的相关技术要求，区别于国内传统意义的矿井涌水回灌，深井灌注技术是需要对地层结构进行详细识别及准备判断的基础上，将高盐废水封存在远离煤层开采区及含水层的安全屏障区域，以确保被封存物的绝对隔离，因此对煤矿生产的安全影响风险较低。

4 深井灌注技术的可行性分析

4.1地质条件优越性分析

我国作为地质大国，按照深井灌注的选址要求[8]寻找适合的深部灌注地质结构是完全可行的，松嫩、松辽、华北、江汉盆地等地区都是较好的封存地质。新生代盆地多属陆相沉积、古生代盆地多属海相沉积，由于历经多重构造运动，多数海相沉积地层已经不是好的储集层。但在海相沉积盆地中，“华北地台”和扬子准地台以及西北某些地区的古生代和中新元古代地层是可供选择的存储层。江汉、苏北盆地也可以在其构造相对简单的部位选择灌注层[24]。

我国积累了大量的地质环境信息与实践经验，并且近年来地质数字信息系统科学发展迅速，为深井灌注技术的研究与发展提供基础；从1950年代以来，随着石油开采行业的发展，我国的钻井技术不断突破。先进的钻井技术、丰富的钻井经验以及充足的钻井人才为深井灌注技术的实施及推广提供有力保障；在我国实行高盐废水地质封存处置技术推广完全可行。

4.2深井灌注技术的特点

深井灌注属于终端处置技术，用于处理矿井水高盐废水具有以下特点。

有利：①通过深井灌注处理矿井水高盐废水真正实现了将浓缩污染物与人类生态圈的隔绝，可以认为是一种广义的零排放的的技术。

②深井灌注技术被证实具有较高安全性，1989年EPA固废及应急中心（OSWER）对该技术进行了风险评估，研究证明用深井灌注技术处置危废是安全有效的，并且比填埋、罐装贮存以及焚烧等方法更为安全可靠[28]。

③深井灌注技术与蒸发结晶零排放技术相比具有绝对的成本优势。④我国的勘探技术、科学钻井技术的发展为推广深井灌注技术提供了一定的技术保障[29]。

不利：①灌注位置以及灌注总量需完全依据地质条件而确定，并且最大贮存量无法准确预计。②深井灌注存在一定的引发地震的风险[30]，1967年8月9日在丹佛科罗拉多附近的Mw4.8级地震是科学界广泛接受的由污水注入引发的最大事件[30]。研究证明，地震可以通过增加作用在断层上的孔隙压力或作用于断层上的剪切力和正应力而引起，灌注速率以及总的灌注量可能是地震的重要影响因子[31,32]。 ③潜在一定的地下水源污染的风险，因此需要在运营维护过程中配置监控监测设施及建立完善的运行管理体系以及应急控制方法。

5 结论

深井灌注技术在美国等国已经得到广泛的应用，并且被证实是一种最为安全的废水处置技术；我国对于深井灌注技术的研究还比较少，针对该技术的管理政策及方法几乎没有，有待于结合中国的特色，进行研究开发；矿井水是煤炭工业地区的重要水资源，矿井水高盐废水有别于其他废水，虽然盐浓度非常高，但是有机污染物及氨氮等对环境危害较大的污染物质非常低，可以优先考虑采用深井灌注技术对该类废水进行处理处置；深井灌注技术处理矿井水高盐废水的建设成本和运行成本都较现行技术低，有望用深井灌注技术解决中国矿井水高盐废水处理的难题。

中国煤炭地质总局勘查研究总院地质封存技术研究所（以下简称“封存所”）成立于2022年，隶属于国资委一级央企中国煤炭地质总局，是国内第一家以地质封存技术为核心研究方向的科学研究所，也是相关领域高层次人才的创新培养中心。在国资委、中国煤炭地质总局及总院的大力支持下，封存所从酝酿孵化到成功落地，逐渐发展成为地质封存技术领域的先锋军。

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