肖春學(xué) (中石油川慶鉆探長(zhǎng)慶鉆井總公司50053鉆井隊(duì),陜西西安71 0018)

鄧昌松 (油氣藏地質(zhì)與開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué)),四川成都610500)

王 勇 (中石油川慶鉆探長(zhǎng)慶鉆井總公司質(zhì)量安全環(huán)保部,陜西西安710018)

地下水資源儲(chǔ)量巨大,分布廣泛,易于開采,是人類生產(chǎn)和生活最重要的水源之一。人類使用的地下水通常來自深度低于100～200m的淺含水層,而深度大于500～1000m的地下水鹽度達(dá)到或超過海水的鹽度,基本不被使用[1]。極其有限的可使用地下水正被不斷的污染,污染物沿地下水流道遷移,進(jìn)而污染溪流、沼澤、湖泊等地表水。在工業(yè)化國(guó)家,地下水污染均被認(rèn)為是當(dāng)前最重要的環(huán)境問題之一。

鉆井作業(yè)可產(chǎn)生許多的污染源,控制、處理不當(dāng)都會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。通過對(duì)地下水污染的途徑分析,可以幫助相關(guān)作業(yè)人員樹立環(huán)保意識(shí),加強(qiáng)作業(yè)廢棄物的管理,對(duì)作業(yè)每一可能引發(fā)環(huán)境污染的環(huán)節(jié)有清楚的認(rèn)識(shí),在作業(yè)源頭起控制、減少、消除作業(yè)帶來的環(huán)境污染,為石油行業(yè)HSE(健康、安全、環(huán)保)管理體系的順利實(shí)施創(chuàng)造條件。

1 鉆井作業(yè)對(duì)地下水污染的特點(diǎn)

1)難控制、難恢復(fù)性 鉆進(jìn)過程中鉆井液與井壁長(zhǎng)時(shí)間接觸,鉆井液以滲漏方式進(jìn)入地層,該過程很難得到有效控制。鉆井液中的添加劑和油類物質(zhì)與巖石顆粒發(fā)生交替的吸附-解吸附過程,僅靠地下水的自然修復(fù)需要幾十年到幾百年的時(shí)間[2]。

2)污染地層深、范圍寬 油氣井的井深一般在300～8000m之間,鉆井液接觸時(shí)間越長(zhǎng),污染的地下水越深,污染的橫向幅度越大。單一井污染輕,區(qū)塊井污染重。

3)監(jiān)控、治理困難 隨著油氣井鉆井速度的提高,建井周期的縮短,一口2000m的油氣井,平均鉆井周期只有5～7d,井隊(duì)搬家次數(shù)增多,遺留下來的廢棄物增多,污染源增加且分散給監(jiān)控和治理帶來困難。

4)污染物的遷移速率因巖性不同各異 在砂巖和礫巖中地下水的流道主要是空隙,流速為0.1～3m/d;石灰?guī)r、白云巖的流道多為裂縫,流速達(dá)到1～10m/d;粘土巖不能給地下水提供流道,但它起隔水作用且對(duì)污染物有很強(qiáng)的吸附性。有機(jī)污染物與巖石顆粒相互作用移動(dòng)速率比地下水流速慢,無機(jī)污染物移動(dòng)速率與地下水流動(dòng)速率差不多。污染物在地下水中因微生物分解和巖石的吸附作用、物理化學(xué)反應(yīng),污染物總量不斷減少。

2 污染物主要有毒有害成分

鉆井作業(yè)對(duì)地下水的污染源分直接的液相污染物和間接的固相、氣相污染物[3]。

1)液相污染物 主要是廢棄鉆井液、固井液、落地油和泄露油。廢棄鉆井液包含許多有毒有害處理劑、高分子聚合物、木質(zhì)素磺酸鹽、重金屬 (如鋇、汞、鉻、銅、鉛、砷)的離子等。廢棄固井液包含有毒的ST-800、USZ、FH-3等外加劑。油類有機(jī)物包括多種致癌、有毒物如苯、甲苯、鄰二甲苯、對(duì)二甲苯、2-甲基丁烷、COD、SS、揮發(fā)酚、氰化物等[4]。

2)固相污染物 主要是巖屑和丟棄的鉆井液原材料。巖屑包含各種鹽類和重金屬離子,如六價(jià)鉻、二價(jià)汞、二價(jià)鎘、二價(jià)鉛及不易被動(dòng)植物降解的有機(jī)物和高分子聚合物。鉆井搬家丟棄或散落的鉆井液原材料如燒堿、石灰粉、鉀鹽、尿素等,它們能對(duì)生態(tài)環(huán)境起負(fù)面影響。

3)氣體污染物 為輕烴類氣體、氮氧化物、一氧化碳、硫化氫,它們來自燃料的不充分燃燒和井噴釋放的有毒有害氣體。

3 主要污染途徑

圖1 井場(chǎng)周圍廢棄物對(duì)淺層地下水的污染

1)地面污染物對(duì)地下水的污染 地面污染物主要通過降雨、融雪對(duì)鉆井巖屑、廢棄鉆井液、井噴污物、地面散落油類的沖刷,使散發(fā)到大氣中的有害氣體、蒸發(fā)物降落到地面,泥漿池、泥漿槽、排污溝、處理池的滲漏和溢流等方式污染土壤和水體,如圖1所示。大氣降水對(duì)污染土壤的淋浴和污水的徑流,使污染水下滲進(jìn)入地下水層。污染地點(diǎn)如果發(fā)生在地下水補(bǔ)給區(qū),則對(duì)地下水的污染相當(dāng)嚴(yán)重。在易溶性巖層如石灰?guī)r、白云巖或斷裂帶地層鉆井時(shí),遇到溶洞、溶孔、較大裂縫時(shí),鉆井液大量漏失,而這些溶洞、裂縫與地下水相連,就會(huì)污染地下水甚至地表水。

2)正常鉆進(jìn)引起的地下水污染 正常鉆井過程中進(jìn)入地下水的污染物總量可以通過鉆井液的濾失量、地下水層段的大小、鉆井速度、起下鉆次數(shù)等參數(shù)來確定[5]。正常鉆進(jìn)鉆井液以濾失為主,含少量的漏失。鉆井液的濾失分瞬態(tài)濾失、動(dòng)態(tài)濾失和靜態(tài)濾失。瞬態(tài)濾失是鉆開巖石瞬時(shí)的濾失,其速度大,但作用時(shí)間短。動(dòng)態(tài)濾失速度小于瞬態(tài)濾失,作用時(shí)間較長(zhǎng)并形成動(dòng)平衡。靜濾失是停止鉆井作業(yè)后的鉆井液濾失。鉆井液與地層的壓差,井壁在鉆井液的浸泡時(shí)間,泥餅的壓實(shí)作用、滲透性、厚度,巖石的滲透性,鉆井液的粘度、固相含量等是影響鉆井液濾失量的主要因素。

3)作業(yè)事故引起的地下水污染 據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家統(tǒng)計(jì),石油勘探井的平均井噴事故率是0.5%～1%,生產(chǎn)井的平均井噴率是0.1%,高產(chǎn)井的平均事故率多達(dá)3%。井噴釋放物的45%清理干凈,35%完全沒有清理,釋放物的40%是有害的[6]。當(dāng)鉆遇地層異常高壓帶或者鉆井液液柱壓力低于地層壓力,地層中的大量流體進(jìn)入井內(nèi)發(fā)生溢流,溢流處理不及時(shí)或不當(dāng)就會(huì)誘發(fā)井噴。一旦發(fā)生井噴,井下流體噴出井口,就會(huì)污染大氣、土壤和各種水體。噴出物如不及時(shí)清理并安全處理,就會(huì)被雨水沖刷而使污染范圍擴(kuò)大程度加深。發(fā)生溢流井噴事故后的壓井作業(yè)操作不當(dāng)也會(huì)造成污染,如果加重鉆井液產(chǎn)生的液柱壓力大于地層的破裂壓力就會(huì)使地層出現(xiàn)裂縫。一般認(rèn)為深度小于500m時(shí)形成水平裂縫,深度大于500m時(shí)形成垂直裂縫[7]。鉆井液通過人為裂縫污染更大的空間范圍。在富含地下水的地層孔隙較發(fā)育、天然微裂縫多,地層破裂壓力較低易出現(xiàn)裂縫。不僅產(chǎn)生裂縫時(shí)大量鉆井液也進(jìn)入地層,如遇到地層異常低壓、鉆井液液柱壓力高于地層壓力、構(gòu)造斷裂帶發(fā)生井漏時(shí)大量鉆井液也會(huì)進(jìn)入地層污染地下水。

鉆遇高壓油氣層發(fā)現(xiàn)溢流并及時(shí)關(guān)井,由于對(duì)地層異常高壓和地層破裂壓力的估計(jì)不足引發(fā)污染。關(guān)井后井筒內(nèi)流體體積很難再發(fā)生變化,而高壓氣體的密度低就會(huì)向井口移動(dòng),在向上移動(dòng)的過程中液柱壓力不斷降低,假設(shè)氣體體積不變則其壓力等于原地層高壓,當(dāng)移動(dòng)到地層破裂壓力小于該氣體壓力時(shí),井壁就會(huì)破裂形成裂縫,大量鉆井液進(jìn)入地層中。更惡劣地是形成 “下噴上漏”,地層底部流體、鉆井液大量進(jìn)入破裂地層污染地下水。這種情況一般發(fā)生在裸眼井中,如果氣體壓力大于套管破裂壓力,也會(huì)發(fā)生在套管嚴(yán)重磨損、腐蝕以及水泥環(huán)空洞處。

4)固井作業(yè)引起的地下水污染 固井作業(yè)中,水泥漿在候凝過程中因水泥漿的硬化速度不一致,井壁和套管附近的水泥漿先硬化其重力作用在井壁與套管上形成 “失重”,從而使液柱壓力下降。當(dāng)水泥漿液柱壓力小于地層壓力時(shí),地層流體進(jìn)入到環(huán)形空間,可能會(huì)發(fā)生井噴或者水泥漿硬化后的水泥環(huán)缺陷就會(huì)形成竄槽通道。如果發(fā)生連續(xù)竄槽就會(huì)形成地下深處流體進(jìn)入淺部地層污染地下水。固井中的井眼不干凈、水泥漿性能差、地層漏失等使水泥環(huán)形成多裂縫和孔隙,為流體的流動(dòng)提供滲漏通道并加速套管的腐蝕。

5)套管腐蝕引發(fā)的地下水污染 據(jù)張鳳奎[8]等研究表明,套管外腐蝕多發(fā)生在富含地下水的地層段。該地層巖石顆粒間隙多且大,滲透性高,水的活躍性強(qiáng),鉆井液、水泥漿易漏失。固井作業(yè)在此處易形成水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量差或竄槽。套管在地層水的高礦化度、溶解二氧化碳、硫化氫等作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)以及在厭氧菌硫酸鹽還原菌、碳酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌等微生物作用下發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)。地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄使腐蝕產(chǎn)物被及時(shí)帶走,反應(yīng)不易達(dá)到平衡加劇套管的腐蝕。腐蝕沉淀FeS、FeCO3以及細(xì)菌類堵塞孔隙加劇層間矛盾。套管腐蝕損壞后,油氣井中的流體通過腐蝕孔進(jìn)入地層污染地下水。

6)油料管理不嚴(yán)對(duì)地下水的污染 鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)油罐和輸油管線的泄漏、廢油的任意排放或處理不當(dāng)以及人員的誤操作等人為因素導(dǎo)致的油料灑落或溢到地面造成對(duì)地下水污染[9]。鉆井過程中需要大量的石油產(chǎn)品,如接單根時(shí)需要大量絲扣潤(rùn)滑油;鉆井動(dòng)力系統(tǒng)柴油機(jī)每天需要消耗大量的柴油;鉆井液為了滿足某些需要,加入大量的石油產(chǎn)品;鉆井機(jī)械的保養(yǎng)、潤(rùn)滑、冷卻、維修及后勤保障都需要使用大量的油料。過去人們一直忽視灑落和泄漏油料對(duì)地下水的影響,現(xiàn)在油類污染被公認(rèn)是引起地下水污染的最重要的因素之一。

4 預(yù)防措施

1)地質(zhì)部門應(yīng)根據(jù)地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水文特征以及經(jīng)濟(jì)性合理確定井位,鉆井作業(yè)人員也要詳細(xì)了解井場(chǎng)的地理位置、周邊水流、地表坡降、地下水深度及地質(zhì)構(gòu)造等情況,避免污染水源。

2)搞好鉆井設(shè)計(jì),合理選擇井身結(jié)構(gòu)、井眼尺寸及鉆井技術(shù),并提高鉆井泥漿抑制能力和固相控制效率,防止井下事故,避免因處理井下事故而增加鉆井廢液的排放量。

3)淺層導(dǎo)管長(zhǎng)度應(yīng)足夠穿過淺表地下水層,在下入導(dǎo)管前的鉆井液用水基鉆井液且不含鉆井液添加劑,最好是清水作業(yè)。做好泥漿池、槽、處理池的防漏工作。

4)加強(qiáng)鉆井作業(yè)HSE管理,完井后根據(jù)廢棄鉆井液的數(shù)量和有害成分,對(duì)廢棄鉆井液實(shí)施 “量最小化、循環(huán)再利用、妥善處理”的處理原則,采用綠色環(huán)保的處理技術(shù)。

5)現(xiàn)代鉆井技術(shù)的新發(fā)展趨勢(shì)是 “井眼更小、設(shè)備更智能、井身垂直距離更深、水平距離更遠(yuǎn)、作業(yè)更環(huán)?！?解決鉆井作業(yè)對(duì)環(huán)境的影響問題有效的辦法是加強(qiáng)同行業(yè)之間的交流與合作,對(duì)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備不斷引進(jìn)、吸收和創(chuàng)新。

[1]John A C.Groundwater contamination by petroleum products[J].SPE22414,1986.

[2]劉榮芳,陳鴻漢 ,土延亮,等.某油田地下水污染特征分析 [J].地下水,2007,29(3):62-66.

[3]中國(guó)石油化工集團(tuán)公司安全環(huán)保局.石油石化環(huán)境保護(hù)技術(shù) [M].北京:中國(guó)石化出版社,2006.

[4]Sahar Bakhshian,Dashtian H,Duraya B.A review on impacts of drilling mud disposal on environment and underground water resources in south of Iran[J].SPE/IADC125690,2009.

[5]楊旭,劉謹(jǐn),楊世光.百重7井區(qū)鉆井液對(duì)地下水的污染特性研究[J].重慶環(huán)境科學(xué),2001,23(6):25-27.

[6]Rana S.Facts and data on environmental risks-oil and gas drilling operations[J].SPE114993,2008.

[7]劉向君,羅平亞.巖石力學(xué)與石油工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2004.

[8]張鳳奎,張林,周志平,等.隴東地區(qū)油田套管腐蝕破損與洛河組沉積相的關(guān)系研究 [J].中國(guó)地質(zhì),2007,34(3):450-453.

[9]Mohammadi M K,Tahmasbi K.Drilling waste management plants for exploration and productions in Iran[J].SPE111941,2008.