鄂尔多斯盆地东缘煤岩气井返排液的地球化学特征及排放处理建议

Geochemical Characteristics and Discharge Recommendations for Flowback Water from Coal⁃Rock Gas Wells, Eastern Ordos Basin

摘要

煤岩气是我国非常规天然气勘探开发的重要领域，其开发过程中的返排液组分复杂，对水环境存在潜在威胁，开展返排液地球化学特征与环境风险研究，对推动煤岩气绿色开发、保障区域水环境安全具有重要的理论和实践意义.选取鄂尔多斯盆地东缘的24口煤岩气井产出的80个返排液样品，系统分析阴阳离子、微量元素及氢氧同位素、锶同位素，解析返排液的地球化学特征，揭示原生地层水成因机制，评价其潜在环境风险并提出处理建议.分析结果显示，返排液具有高盐度、高矿化度的特征，以Cl^-、Na⁺、Ca²⁺、Sr²⁺为主，且富Ca、Sr，贫Mg，元素含量整体较四川盆地页岩气井返排液更富集.返排液是压裂液与原生地层水混合的产物，据此可推断研究区原生地层水为Cl-Ca型.原生地层水经历了古海水蒸发和多类型水‒岩相互作用（碳酸盐溶解、白云岩化、黏土矿物吸附和泥岩溶解），且空间分异显著.原生地层水记录的强烈水‒岩相互作用表明储层致密封闭，有利于煤岩气的产生与保存.返排液中部分有害金属元素超标，建议构建“源头回用‒中和与盐污控制‒全域管控”的处置体系，切实防控环境风险.

Abstract

The coal-rock gas represents a key domain of unconventional natural gas exploration and development in China. The flowback water generated during the coal-rock gas extraction is characterized by complex chemical compositions and poses potential risks to the aquatic environment. Therefore, investigating the geochemical characteristics and environmental risks of flowback water is of significant theoretical and practical importance for promoting the green development of the coal-rock gas and safeguarding regional water environment security. In this study,80 flowback water samples were collected from 24 coal-rock gas wells in the eastern Ordos Basin. Systematic analyses of cations, anions, trace elements, hydrogen-oxygen isotopes and strontium isotopes were conducted to decipher the geochemical properties of the flowback fluids, reveal the genetic mechanism of the original formation water, evaluate potential environmental risks, and propose targeted treatment suggestions. The results show that the flowback water is characterized by high salinity and high total dissolved solids (TDS), with Cl^-, Na⁺, Ca²⁺ and Sr²⁺ as the dominant ions. These samples are enriched in Ca and Sr but depleted in Mg, displaying higher total elemental concentrations than those of the flowback water from shale gas wells in the Sichuan Basin. It is concluded that the flowback water is a mixture of fracturing fluid and original formation water, and the original formation water in the study area is inferred to be of Cl-Ca type. The original formation water has undergone paleo-seawater evaporation and multiple types of water-rock interactions (including carbonate dissolution, dolomitization, clay mineral adsorption and mudstone dissolution), and exhibits significant spatial differentiation. The intense water-rock interactions recorded in the original formation water indicate that the reservoirs are tight and well-sealed, which is favorable for the generation and preservation of the coal-rock gas. Given that some toxic heavy metals in the flowback water exceed environmental discharge standards, we suggest establishing a disposal framework of “source-directed reuse, neutralization & salinity control, and full-domain management” to effectively mitigate environmental risks.

Graphical abstract

关键词

煤岩气 / 返排液 / 地层水演化 / 鄂尔多斯盆地 / 环境影响 / 地球化学.

Key words

coal⁃rock gas / flowback water / formation water evolution / Ordos Basin / environmental impact / geochemistry

0 引言

全球煤岩气资源分布广泛，地质资源量约为232×10¹² m³.我国煤岩气资源储量丰富，地质资源量达55.3×10¹² m³，占全球煤岩气地质资源量的24%（李国欣等，2026）.煤岩气作为深藏于煤系地层的非常规天然气，整体开发潜力可观，近年来探明储量呈现较快的增长态势，已成为我国天然气产量增长的重要组成部分（王高成等，2025；邹才能等，2025；侯雨庭等，2026）.鄂尔多斯盆地作为我国煤岩气开发的核心产区，地质资源量约为30.49×10¹² m³，近年来开发规模持续扩大，成为保障我国天然气供给的重要基地（黄道军等，2024；万永平等，2024；李国欣等，2026）.

由于煤岩气多储藏于致密煤系地层中，具有“一深十高”的特征（安琦等，2024；赵喆等，2024），必须采用水力压裂技术进行高效抽采.水力压裂通过高压注入成分复杂的压裂液，在储层中形成裂缝以提高气藏渗透率.然而，注入的压裂液约有10%~50%会随气藏产出液返回地表，形成煤岩气井返排液（Fajfer et al.， 2022；李聪等，2026）.压裂液通常会与赋存于煤岩孔隙中的原生水相互混合，致使返排液除残留压裂液添加剂外，还会呈现高矿化度、高有机物含量、放射性强等特征.若处理不当，将对周边地表水、地下水及生态系统造成严重威胁，制约煤岩气产业的可持续发展（Abualfaraj et al.， 2014；Rowan et al.， 2015；倪云燕等，2022）.此外，煤岩气井返排液的地球化学特征可以反映丰富的地质信息，本质就是压裂液‒储层‒地层流体‒环境介质相互作用的综合产物，是连接储层地质认知、压裂工程优化、环境风险防控的核心纽带，其研究意义贯穿勘探、开发和环保全过程（Huang et al.， 2020；倪云燕等，2021；Yin et al.， 2024）.因此，系统开展煤岩气返排液的地球化学特征、来源演化及环境风险研究，对于保障区域水环境安全、推动煤岩气绿色开发具有重要的理论意义与实践价值.

近年来针对返排液的研究主要集中于四川盆地海相地层的页岩气井返排液，对于鄂尔多斯盆地海陆过渡相地层的煤岩气井返排液的系统研究略显薄弱.基于此，本文以鄂尔多斯盆地东缘典型煤岩气井返排液为研究对象，系统分析其常规水化学参数、微量元素含量及氢氧同位素和锶同位素组成，旨在：（1）揭示煤岩气井返排液的地球化学特征，明晰海陆过渡相地层返排液的特点；（2）阐明地层水演化过程及主要控制机制；（3）评估返排液中特征金属元素的环境风险，为煤岩气开发过程中的水环境管理提供科学依据.

1 研究区地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北克拉通西部，是我国第二大含油气盆地，面积约37×10⁴ km²，被誉为“中国能源金三角”（周新平等，2021；蒋文琦等，2025）.气候上，鄂尔多斯盆地位于温带内陆区域，属于干旱‒半干旱区，降水补给匮乏而蒸发作用强烈，因此生态环境相对脆弱（王德潜等，2005）.根据构造发育特征，可将鄂尔多斯盆地划分为6个二级构造单元（图1）.鄂尔多斯盆地经历了多期构造运动叠加改造，始终保持相对稳定的克拉通属性，形成了完整且多样的地层序列与复杂的构造‒沉积演化历史（琚宜文等，2025）.

晚古生代是鄂尔多斯盆地构造‒沉积格局由海相向陆相转变的关键转折期，同时也是盆地最重要的成煤演化阶段（包洪平等，2022；何登发等，2025）.其中，山西组、太原组和本溪组三套地层不仅完整记录了鄂尔多斯盆地从滨海泻湖‒潮坪环境向河流‒三角洲环境的演变过程，更因适宜的聚煤条件形成了厚度稳定、分布广泛的优质煤层，共同构成了上古生界核心的含煤岩系序列，为盆地天然气资源的大规模富集奠定了核心物质基础（牛小兵等，2024；崔广智等，2026）.

研究区位于鄂尔多斯盆地东缘，是鄂尔多斯盆地的残余东部边界.该区煤岩气富集得益于4个关键条件：上古生界太原组、山西组等烃源岩生烃潜力大；深部煤储层及砂岩、灰岩储集空间充足；燕山期等构造‒热作用保障生烃聚集；构造、岩性等多因素耦合形成良好保存条件（徐凤银等，2023；杨晓利等，2025）.因此，鄂尔多斯盆地东缘蕴藏丰富的煤岩气资源，上古生界石炭 系‒二叠系煤系地层十分发育（田文广，2012），已成为勘探开发的重要层位.随着深部煤岩气勘探的持续推进，东缘区域已成为我国煤岩气规模效益开发的核心区域，具有良好的勘探开发前景.

2 样品采集及测试方法

煤岩气井返排液现场采集于鄂尔多斯盆地东缘靖边、榆阳、横山、米脂、绥德等地区的24口煤岩气井（表1）.采集的水样品均装于 500 mL PET材质塑料瓶中密封，并标记好取样时间及井号.随后送往中国地质大学（武汉）地球与行星科学学院进行pH、碱度、阴阳离子和微量元素分析测试，并在天津大学表层地球系统科学研究院进行氢氧同位素测试，在武汉上谱分析科技有限责任公司进行锶同位素测试.

取返排液和压裂液样品原液进行pH和碱度测试，测试所用仪器为T860全自动电位滴定仪（海能仪器），测试精度0.1 mV±0.003%.取样品原液，用0.45 μm一次性针式水系过滤器过滤.经梯度稀释后，使用离子色谱仪（Thermo Scientific DIONEX AQUION RFIC）测试样品中的阴离子.标样的相对标准偏差在1%以内，离子浓度分析误差优于±5%.另取部分酸化后的样品原液，使用0.45 μm一次性针式水系过滤器过滤.经梯度稀释后，使用Agilent 7700a型四级杆电感耦合等离子体质谱仪（Q⁃ICP⁃MS）测试阳离子和微量元素.测试结果的RSD<3%，结果重复性良好，精度可靠.总溶解固体（TDS）采用主要阴阳离子浓度加和法计算，并通过电中性平衡校验，确保分析结果的准确性.

用于氢氧同位素测试的样品经过0.22 μm一次性针式水系过滤器过滤后，使用水氢氧同位素分析仪（Picarro l2140⁃i）对样品的δ¹⁸O和δD值进行测试.分析精度以1σ计，δ¹⁸O优于0.03‰，δD优于0.1‰.用于锶同位素测试的样品使用0.22 μm一次性针式水系过滤器过滤酸化后的样品，离心后取上清液进行柱层析分离纯化，使用Neptune Plus型多接收电感耦合等离子体质谱仪（Thermo Fisher Scientific MC⁃ICP⁃MS）测试.标准样品实测值均与推荐值在误差范围内一致，样品测试2SE均控制在0.000 015以内，分析精度稳定，数据重复性好，测试结果真实可靠.

3 返排液测试结果

3.1　常量离子含量

分析结果显示，鄂尔多斯盆地东缘煤岩气井返排液具有高盐度、高矿化度的特点.pH范围在3.75~6.85，平均值为5.82，多偏酸性（表2）.主要离子组成为Cl^-（58.56%）、Na⁺（18.03%）、Ca²⁺（15.44%）、Sr²⁺（2.53%）、Mg²⁺（1.72%）、Ba²⁺（1.31%），而Br^-（0.85%）、HCO₃^-（0.52%）、K⁺（0.41%）、NO₃^-和SO₄^2-（0.07%）及其他微量元素（0.58%）则占比较低（图2）.Cl^-含量分布在965~139 576 mg/L，平均值为64 430 mg/L；Na⁺含量分布在585~32 131 mg/L，平均值为 18 379 mg/L；Ca²⁺含量分布在581~39 972 mg/L，平均值为17 155 mg/L；Sr²⁺含量分布在58.5~ 8 707 mg/L，平均值为2 675 mg/L；Mg²⁺含量分布在62.2~5 012 mg/L，平均值为1 864 mg/L；Ba²⁺含量分布在22.8~5 851 mg/L，平均值为 1 489 mg/L；Br含量分布在113~1 431 mg/L，平均值为725 mg/L；HCO₃^-含量分布在9.15~ 2 179 mg/L，平均值为364 mg/L，其中HT1H井返排液的HCO₃^-浓度显著高于其他井.总溶解固体（TDS）含量分布在2 945~226 352 mg/L，平均值为106 239 mg/L.

3.2　微量元素含量

通过对45种微量元素的测试分析发现，鄂尔多斯盆地东缘煤岩气井返排液的微量元素组成主要为Li、Be、Fe、Mn、Cr、Pb、Ni、Tl、Zn、Al、Cu、Co、Mo、Rb.Li含量分布在0.7~49.3 mg/L，平均值为16.4 mg/L；Be含量分布在0~0.01 mg/L，平均值为0.002 mg/L；Fe含量分布在53~934 mg/L，平均值为249 mg/L；Al含量分布在3.3~ 281 mg/L，平均值为20.2 mg/L；Mn含量分布在2.3~116 mg/L，平均值为20.0 mg/L；Cr含量分布在0.12~0.88 mg/L，平均值为0.33 mg/L；Pb含量分布在0.02~1.63 mg/L，平均值为0.08 mg/L；Ni含量分布在0.06~0.69 mg/L，平均值为0.19 mg/L；Tl含量分布在0.000 65~0.02 mg/L，平均值为0.006 mg/L；Zn含量分布在0.31~17.4 mg/L，平均值为2.4 mg/L；Cu含量分布在0.15~2.8 mg/L，平均值为0.29 mg/L；Co含量分布在0.006~ 1.4 mg/L，平均值为0.06 mg/L；Mo含量分布在0.003~0.4 mg/L，平均值为0.025 mg/L；Rb含量分布在0.05~2.3 mg/L，平均值为0.8 mg/L（图3b）.

3.3　同位素组成

氢氧同位素（δD、δ¹⁸O）分析结果显示，鄂尔多斯盆地东缘煤岩气井返排液的δD值分布在-92.90‰~-35.86‰，平均值为-55.07‰±0.38‰；δ¹⁸O值分布在-9.17‰~0.54‰，平均值为-2.59‰±0.17‰.锶同位素分析结果显示，返排液的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值分布在0.709 228~0.733 658，平均值为0.713 321±0.000 006.不同煤岩气井的值有一定差别.

4 讨论

4.1　返排液中主要离子来源

水力压裂过程中注入的压裂液通常为低盐度体系，而返排中后期则普遍出现高盐度、高矿化度特征.关于返排液主要组分的来源，目前已基本形成共识：返排液本质上是压裂液与原生地层水随采出时间以动态比例混合的产物（Rowan et al.， 2015）.Cl^-浓度与其他主要阳离子浓度之间的线性协变关系，可以有效指示样品中压裂液与地层卤水的相对贡献比例（图4）.随着返排过程的持续推进，初期占主导地位的低矿化度压裂液比例逐渐降低，高矿化度地层水的比例相应增大，这是返排后期流体盐度与总溶解固体（TDS）含量显著升高的直接原因.基于这种混合端元模型，返排液的化学组成可在一定程度上反映原生地层水的地球化学信息.原生地层水作为控制返排液整体水化学特征的关键端元，其离子组成复杂，成因多样，对其来源与演化机制的深入认识是解析返排液地球化学特征的重要前提.

样品中最主要的离子是Na⁺和Cl^-，因此探讨Na⁺和Cl^-的来源尤为重要.在沉积盆地中，地层水Na⁺、Cl^-、Br^-的关系可以用来帮助判断地层水的盐度是由石盐矿物溶解形成还是由海水蒸发浓缩形成，不同来源地层水的Na⁃Cl⁃Br组成有着显著区别（Carpenter， 1978；Kharaka and Hanor， 2014）.地层中的石盐矿物来自海水蒸发过程中的NaCl结晶，而地层卤水则由蒸发残留海水经一系列物理化学过程演化而成.在海水蒸发浓缩过程中，Na⁺和Cl^-以1：1的摩尔比析出，直到Na⁺完全耗尽时则蒸发完全.Br^-通常难以形成自生矿物，以离子形式存在于液相中，随着蒸发浓缩程度的增加，盐类矿物析出，Br^-浓度不断增加.因此，海水蒸发浓缩形成的地层水具有富Br^-和高Br/Cl特征，而石盐矿物溶解产生的地层水则显示低Br/Cl特征.返排液样品的各指标特点与演化后的蒸发海水相似，Br/Cl摩尔比最高可达7.08×10^-3，约对应蒸发海水的35倍.返排液样品偏离海水蒸发线，且几乎有着相近的线性关系，表明样品是由蒸发残留海水稀释而来（图5a、5b）.

相比于现代海水显示富Mg²⁺贫Ca²⁺的特点，鄂尔多斯盆地东缘煤岩气井返排液呈现了富Ca²⁺、Sr²⁺，贫Mg²⁺的特点，这与四川盆地威远地区页岩气井返排液的特征一致，但总体元素含量较四川盆地更为富集（图3a）.蒸发浓缩模型可以解释Na⁺和Cl^-的来源，但无法解释Ca²⁺、Sr²⁺的富集与Mg²⁺的亏损.如果仅存在压裂液的稀释作用，返排液Ca²⁺含量应该下降，整体位于海水蒸发线的下方（图5c）.结合本溪组‒山西组地层综合柱状图（图1b），山西组、太原组和本溪组煤层的顶板或底板均有不同厚度的灰岩，碳酸盐岩的溶解可导致Ca²⁺含量富集.但是，仅碳酸盐岩溶解无法导致Mg²⁺含量降低并产生高Ca低Mg的分异，因此还需要其他机制解释这种现象.原生地层水与碳酸盐岩通过水‒岩相互作用可发生白云岩化（沈安江等，2025）：

2CaCO₃ +Mg²⁺=CaMg（CO₃）₂+Ca²⁺.（1）

残余蒸发海水中存在大量Mg²⁺，通过白云岩化作用可交换出碳酸盐岩的Ca²⁺.同时，由于Sr²⁺与Ca²⁺容易发生类质同象替换，在碳酸盐岩溶解和白云岩化过程中，均会释放大量Sr²⁺进入地层水中，导致Sr²⁺含量也远高于蒸发相海水（图5e）.

此外，lgBr⁃lgK图解（图5f）显示原生地层水K⁺亏损.由于部分煤岩层顶、底板也会发育一定厚度的泥岩，而黏土矿物作为泥岩的主要组分，对K⁺离子具有吸附性.因此，原生地层水与泥岩的相互作用可以导致原生地层水中K⁺含量相对贫化.

因此，返排液中的主量离子继承了蒸发浓缩古海水的属性，并在演化过程中经碳酸盐溶解、白云岩化和黏土矿物吸附等叠加改造，最终形成富Ca、Sr，贫Mg、K的组成特征.

4.2　地层水的演化及主控机制

地层水的演化是一个受多重地质与地球化学过程共同控制的复杂过程.在不同构造背景、岩性条件与水文地质条件下，各类过程的贡献程度往往存在显著差异，致使地层水的演化呈现明显的区域性与阶段性特征.Piper三线图常用于判断水化学及水‒岩相互作用类型，并可以检验上述推测的演化机制.在Piper三线图中（图6），样品分布呈现出清晰的阶段性演化规律.阴离子三角区内，所有样品点均高度集中在Cl端元，表明Cl^-是返排液中占绝对主导的阴离子组分；在阳离子三角区内，样品整体沿Ca⁃（Na+K）边展布，其中排采后期的样品（如Q10、NL1H）相较排采中期的样品更靠近Ca端元，呈现随排采时间向Ca端元逐渐偏移的趋势；菱形区内，样品整体偏向Ca+Mg与Cl+SO₄一侧，排采后期样品同样较排采中期样品向高Ca、高Cl方向偏移，显示了压裂液与原生地层水两种水体以不同比例混合的特征（王瑞久，1983）.随排采时间延长，返排液中原生地层水的占比持续升高，是形成该趋势的核心原因.因此，可以推测原生地层水具有更高Ca含量，水化学类型为Cl⁃Ca型.此外，样品点在图中分布范围相对集中，表明其化学性质极其相似，属于同一水文地质单元或经历了相似的水‒岩相互作用.

氢氧同位素（δD、δ¹⁸O）是识别水体来源与演化过程的核心示踪工具.部分样品点紧密分布在大气降水线附近（图7a），未出现明显偏离，与鄂尔多斯盆地雨水平均值相近（杨郧城等，2005），且低Br含量（图7b）.上述特征表明，返排初期的返排液以压裂用淡水为主，水体继承了现代大气降水未经历深层地层水的演化过程，且水‒岩相互作用程度微弱的特征.而绝大部分样品值落在大气降水线右下方，呈现显著的“氧漂移”特征，表明样品中的δ¹⁸O非大气降水来源.一般来说，岩石中的¹⁸O含量极高，在深层相对封闭的还原环境中，随着径流路径延长、埋藏深度增加及地温梯度升高，地层水与富¹⁸O的围岩（如碳酸盐、泥岩、砂岩等）发生氧同位素交换反应，使水体δ¹⁸O出现不同程度富集.强烈的水‒岩相互作用也表明原生地层水处于封闭性良好的深层埋藏环境.部分样品的δD和δ¹⁸O值出现异常，为返排液中有机物对测试的干扰所致.

以上机制可以解释原生地层水的共性特征，但不同井之间仍存在差异.锶同位素（⁸⁷Sr/⁸⁶Sr）是示踪水‒岩相互作用、水源混合及地层岩性的关键地球化学工具.由于压裂液的Sr²⁺含量相对原生地层水而言很低，其混入比例的高低不会造成返排液的Sr同位素比值发生改变，因此，返排液的Sr同位素组成直接反映原生地层水的特征.大多数返排液的Sr同位素组成和海水组成0.709相当（图8），表明返排液中Sr²⁺的来源主要是海水或海相碳酸盐溶解；而部分样品的Sr同位素值介于海水和古老大陆地壳之间，表明海水/海相碳酸盐和硅铝质地壳均不同程度提供了Sr²⁺.值得注意的是，HT1H井的样品呈现低Sr²⁺含量和高⁸⁷Sr/⁸⁶Sr（高达0.730）的特征，表明Sr²⁺来源于具有极高Rb/Sr比值的物质.而HT1H井的煤层层位处于本溪组1段，其顶、底板有泥岩和泥质粉砂岩.作为泥岩的典型矿物，伊利石晶格中的K⁺极易被Rb⁺通过类质同象形式替代，从而导致伊利石具有异常高的Rb/Sr比值.这种高Rb/Sr比值的矿物相在地质历史时期持续衰变，累积了极高的⁸⁷Sr.在水‒岩相互作用过程中，放射性成因的⁸⁷Sr进入流体中，致使原生地层水具有高Sr同位素比值的特征.因此，偏高的Sr同位素比值表明，鄂尔多斯盆地东缘北部的HT1H井与其他井位地层条件差异明显，Sr同位素组成具有显著的空间分异特征.

综上所述，研究区原生地层水为Cl⁃Ca型，其形成演化受古海水蒸发浓缩与多类型水‒岩相互作用（碳酸盐溶解、白云岩化、黏土矿物吸附、泥岩溶解）共同控制，且空间上显著分异.地层水经历的强烈水‒岩相互作用，指示研究区储层致密且封闭性良好，为煤岩气的产生与富集保存提供了有利条件.

4.3　返排液的环境影响及排放处理建议

鄂尔多斯盆地东缘煤岩气井返排液整体呈偏酸性至酸性，其中pH≤5.5的样品占比达33%；同时具有高矿化度、多金属元素显著富集的特征，多项指标远超现行污染物排放标准，对区域水环境安全构成潜在威胁.测试结果显示（表3），返排液中Mn元素平均含量超过《污水综合排放标准》（GB 8979-1996）中规定限值的4倍，部分样品的Pb含量也超出该标准限值，必须经过处理达标后方可排放，否则会对土壤、水体生态环境及人体健康造成不利影响；Cr、Ni、Tl、Cu、Be、Co、Mo等元素含量均在该排放标准限值以内.

返排液中常规特征金属Fe、Mn、Ba的含量均远高于《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）及地下水V类水质限值，Cr、Pb、Ni、Tl等有毒金属含量也超出饮用水标准要求.此外，Zn、Al等元素在返排液中也存在一定富集.若返排液未经妥善处置进入地下水、地表水等环境水体，将对区域饮用水安全与地下水水质构成潜在风险.

返排液的强酸性特征（pH≤5.5）进一步加速了地层中金属元素的溶出与迁移，加剧了环境风险.Fe、Mn的超标会导致水体感官性状（如色度、浊度）升高，影响水生生态系统；Ba作为毒理学指标，过量摄入可对心血管系统造成损害；Cr、Pb、Ni等重金属具有致癌性或神经毒性，Tl作为剧毒元素，其超标对人体健康与生态环境构成严重威胁.因此，针对返排液强酸性、高矿化度、外排处理成本高的特点，优先建议推行返排液资源化回用是兼具经济性与环境效益的处置方法.返排液经沉淀、过滤预处理后直接回用于同区块后续压裂施工，可从源头减少废水外排量与新鲜水消耗，避免直接进入地表与地下水环境.对于确需外排的返排液，以中和调节pH为核心，将偏酸性至酸性的返排液调至中性.通过氢氧化物沉淀、树脂吸附或氧化吸附工艺进行深度去除Fe、Mn及有毒金属元素；同时采用膜处理或蒸发结晶工艺脱盐，实现盐污协同控制.另外，还需强化排放过程管控，严禁返排液未经处理直排、散排与渗排，完善处理设施及防渗措施；以本研究识别的Fe、Mn、Ba、Pb、Tl为特征监测指标，在井场周边浅层地下水、临近地表水体布设监测点位，长期跟踪水质动态变化.同时健全环境应急处理机制，制定泄漏、溢流等突发环境事件的处置流程，切实防控区域水环境长期风险.

总之，鄂尔多斯盆地东缘煤岩气井返排液存在排放超标与受纳水体污染双重风险，其酸性条件进一步加剧了环境危害.需构建“源头回用‒中和与盐污控制‒全域管控”的处置体系，防控水环境长期风险，为区域煤岩气绿色开发提供科学支撑.

5 结论

（1）鄂尔多斯盆地东缘煤岩气井返排液具有高盐度、高矿化度的特点，主要离子组成为Cl^-（58.56%）、Na⁺（18.03%）、Ca²⁺（15.44%）、Sr²⁺（2.53%）、Mg²⁺（1.72%）、Ba²⁺（1.31%），而Br^-（0.85%）、HCO₃^-（0.52%）、K⁺（0.41%）、NO₃^-和SO₄^2-（0.07%）及其他微量元素（0.58%）则占比较低.与现代海水相比，返排液呈现富Ca、Sr贫Mg的特点，这与四川盆地威远地区页岩气井返排液的特征相似，但元素含量整体更为富集.

（2）鄂尔多斯盆地东缘煤岩气井返排液是压裂液注入地层与原生地层水混合后返回至地表的液体，随着排采时间的增加，原生地层水的比例升高，因此返排液可以显示原生地层水的特征.

（3）鄂尔多斯盆地东缘的原生地层水为Cl⁃Ca型水，经历了古海水蒸发浓缩、多类型水‒岩相互作用（碳酸盐溶解、白云岩化、黏土矿物吸附和泥岩溶解）后，再与压裂液混合稀释，才形成现在返排液富Ca、Sr，贫Mg、K的地球化学特征.Sr同位素结果显示，不同地区有明显的空间分异特征.强烈的水‒岩相互作用也表明储层致密且封闭性良好，为煤岩气的储存提供了有利条件.

（4）鄂尔多斯盆地东缘返排液兼具偏酸性、高矿化度与多金属元素富集的多重污染属性，既存在排放超标的风险，也存在对区域生态安全与人体健康的潜在威胁.需构建“源头回用‒中和与盐污控制‒全域管控”的处置体系，优先推行资源化回用；对确需外排的废水进行中和调节pH与盐污协同去除；同时配套完善防渗管控、长期监测与应急处置机制，以切实防控水环境风险.

附表见https：//doi.org/10.3799/dqkx.2026.223.

参考文献

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基金资助

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