徐瑩瑩，張 莎，陳葉萍，潘佳敏，陳世林，張愛平

(四川師范大學化學與材料科學學院，成都 610068)

天然氣是一種重要的清潔優(yōu)質能源，隨著全球經濟電氣化程度的提高和環(huán)保要求的不斷提升，工業(yè)和發(fā)電的天然氣消費將持續(xù)快速增長，21世紀將是“天然氣的時代”已開始成為一個不爭的事實[1-2]。天然氣開發(fā)工程項目涵蓋勘探、開采、油氣集輸全過程，并具有區(qū)域開發(fā)的一些特點，影響范圍大，影響環(huán)境因素多，難免會對地下水造成一定的影響[3]。在天然氣的開發(fā)過程中，回注時會產生礦化度高并含有大量的氯化物、油、硫化物和Cd、Pb、Zn、As等有害元素的氣田水[3-4]，其次鉆井作業(yè)中往往會產生許多廢水，廢泥漿，若這些廢棄污染物處理不當則會經過包氣帶滲入淺層含水層，污染地下水，對當?shù)鼐用竦纳钣盟约稗r作物用水造成極大的影響。同時地下水環(huán)境影響具有隱蔽性、長期性和難恢復性[3]。目前，我國氣田的地下水環(huán)境保護工作尚處于起步階段，理論研究和實踐操作均顯不足。怎樣保證中國天然氣工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，保持地下水資源開發(fā)與環(huán)境保護之間的一種和諧，是21世紀我國能源工業(yè)必須解決的一項艱巨的任務[5]。針對某特大型氣田的特點，通過對該氣田區(qū)地下水環(huán)境影響的分析，考慮氣田的施工期和運營期，設計了相應的地下水環(huán)境保護方案，并提出了污染的擴散與防治以及突發(fā)污染事故應急預案，使地下水環(huán)境得到有效保護。

1 氣田區(qū)地下水環(huán)境

根據(jù)《四川省水文地質區(qū)劃》，該氣田區(qū)屬于四川盆地及盆周山地濕潤氣候水文地質區(qū)，區(qū)內地表出露的地層屬典型的陸相沉積地層，主要包括白堊系下統(tǒng)倉溪組、侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、中統(tǒng)上沙溪廟組、下沙溪廟組和中統(tǒng)千佛崖巖組等地層。按地下水賦存介質主要類型及其成因，氣田區(qū)內地下水分為構造裂隙水和風化帶網狀裂隙水兩大類，以構造裂隙水為主，約占地下水類型的85%以上。構造裂隙水按水量豐富程度可分為水量豐富、水量中等和水量貧乏三個區(qū)類，其中水量豐富區(qū)有較豐富的層間承壓水，中等區(qū)和貧乏區(qū)主要分布于東部、東南部和北部大部分地區(qū)；風化裂隙水主要分布于西部及西南部地區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場調查可知，區(qū)內另有少量松散堆積層孔隙水在河谷周邊和山間低洼處零星分布。

根據(jù)各地層中的鉆孔涌水量、泉流量和地下徑流模數(shù)，可將該氣田區(qū)不同類型地下水的富水性歸納于表1。

根據(jù)氣田區(qū)地下水在剖面上的分布位置并考慮到通常情況下裂隙發(fā)育程度是隨深度逐漸減弱的特點，可將裂隙地下水分為上部地下水(地面以下200 m內)和下部地下水(>200 m)兩類。據(jù)區(qū)域水文地質資料，該氣田所在的地區(qū)地下水淡水帶下限深度一般為100～200 m。由此可知，該區(qū)上部地下水應為礦化度小于1 000 mg/L的淡水，是當?shù)厝诵笥盟闹饕獙ο蟆?/p>

表1 氣田區(qū)地下水主要類型及其富水性Tab.1 The major types of groundwater and water abundance in gas field area

2 氣田區(qū)地下水環(huán)境影響分析

2.1 地下水污染源分析

根據(jù)污染物的來源劃分，該氣田區(qū)地下水污染源可分為外部污染源(地方的污染源)和內部污染源(現(xiàn)階段項目建設過程中的污染源)，外部污染源指氣田區(qū)的村鎮(zhèn)生活污染源、畜禽養(yǎng)殖污染源、農田徑流污染源、工業(yè)污染源等污染源，內部污染源指氣田區(qū)的隧道工程、鉆井作業(yè)、完井作業(yè)、堆渣場、內部生活污染源等現(xiàn)有或潛在的地下水污染源。根據(jù)該氣田區(qū)外部和內部污染源現(xiàn)狀調查結果，匯總分析其污染情況見表2。

表2 氣田區(qū)外部和內部污染源情況分析Tab.2 The analysis of the external and internal pollution situation in gas field area (t/a)

從表2可以看出，農田徑流污染源是氣田區(qū)外部的主要污染源，以CODCr計，其排放量分別約占外部污染源排放總量的67%。而鉆井作業(yè)是氣田區(qū)內部的主要污染源，其CODCr排放量約占內部污染源CODCr排放總量的62%，因而鉆井作業(yè)的污染防治應是該氣田區(qū)內部地下水污染防治工作的重點。

2.2 鉆井作業(yè)污染現(xiàn)狀分析

鉆井作業(yè)主要從鉆井液漏失、天然氣竄層、鉆井廢水排放3方面分析其對上部地下水潛在的污染。

2.2.1 鉆井液漏失

該氣田區(qū)地質構造呈塊狀分層結構，各地層巖性、孔隙度不同，對于孔隙度大的地層，在鉆井過程中會發(fā)生鉆井液漏失的現(xiàn)象，若漏失地層與含水層之間存在較多的斷裂或裂隙發(fā)育，漏失的鉆井液就有可能順著巖層斷裂、裂隙進入地下水，從而污染地下水。鉆井液漏失進入淺部含水層污染地下水為徑流型污染，范圍不大，發(fā)生在局部且持續(xù)時間較短，但不能因此而忽視這類污染。由于業(yè)主強化了鉆井過程的管理，嚴格按照施工工藝進行氣井的開發(fā)，迄今為止尚未發(fā)生鉆井液泄漏造成的地下水污染事故。

2.2.2 天然氣竄層

一般由于表層套管和氣層套管的固井失誤導致在運營階段發(fā)生氣體竄層使地下水受污染。運營期氣體竄層污染地下水的主要原因是下入的表層套管未封住含水層，固井質量差以及工藝措施不合理或未實施。在該氣田井場施工區(qū)，井身結構設計遠遠超過某氣田規(guī)劃區(qū)域可開采地下水下限深度200m；技術套管設計下深暫定3 500m左右，防止在鉆進過程中該層天然氣發(fā)生竄層；表套、技術套管均采用泥漿返高至地面的固井方式，表套外水泥環(huán)厚度為170mm。二開技術套管下入較長，采用變密度雙凝一次固井，對于二開地層漏失嚴重的采用雙級固井和低密度水泥漿固井，分級箍位置適當下移，減少了一級固井的封固井段長度，在嚴格按照設計進行施工的前提下，天然氣竄層導致地下水污染事故的發(fā)生概率極小。根據(jù)環(huán)境監(jiān)測站監(jiān)測結果顯示，目前尚未發(fā)現(xiàn)天然氣竄層對上部地下水的污染。

2.2.3 鉆井廢水

鉆井廢水主要包括泥漿池中廢泥漿產生的析出水和雨水淋濾產生的井場污水等，泥漿池、廢水池的防滲施工不嚴格，運行中出現(xiàn)滲漏或是在雨季發(fā)生泥漿池外溢情況，井場設備機油泄漏，生活污水、固廢以及鉆井所需化學品堆放不當，在雨季產生地面溢流就都有可能造成不同程度的地下水污染。根據(jù)單座鉆井平臺的集水面積(約2 500 m2)、當?shù)亟涤炅抠Y料和泥漿重力沉淀脫水的比例(10%)，估算可得每座鉆井平臺污水產生量約8.2 m3/d。本工程鉆井廢水有85%回用，剩余部分暫存于井場防滲廢水池，井場的泥漿池、廢水池的防滲設計足以滿足鉆井期間污染物存量和防滲要求。

2.3 地下水環(huán)境質量現(xiàn)狀分析

考慮地下水的總體徑流方向、項目建設的影響、環(huán)境敏感點的分布等諸多因素，在氣田區(qū)布設了地下水監(jiān)測點，監(jiān)測項目包括pH值、CODCr、硫酸鹽、總硬度、石油類、氨氮、硝酸鹽、氯化物等。根據(jù)當?shù)丨h(huán)境保護部門的要求，氣田區(qū)地下水執(zhí)行《地下水質量標準》(GB/T14848-93)Ⅲ類標準。該氣田監(jiān)測報告顯示監(jiān)測點位各項指數(shù)達標率均為100%，不存在超標因子，表明氣田的建設尚未對區(qū)域上部地下水的環(huán)境質量造成明顯影響，地下水水質狀況良好。據(jù)監(jiān)測報告顯示，氣田區(qū)地下水體中特征污染物指標為CODCr、氨氮、氯化物、硝酸鹽氮。根據(jù)單項指數(shù)法計算監(jiān)測點主要污染物指數(shù)，通過計算監(jiān)測點主要污染物污染指數(shù)分擔率，對水體污染物構成進行分析可知，CODCr污染影響點位數(shù)占總監(jiān)測點位數(shù)的50%，其次是氨氮、氯化物和硝酸鹽氮，污染影響點位數(shù)分別占總監(jiān)測點位數(shù)的25%、12.5%和12.5%，所以將CODCr作為氣田區(qū)上部地下水的主要污染物指標。

2.4 地下水環(huán)境變化趨勢分析

根據(jù)該氣田項目的建設進度，在此分別對后續(xù)的施工期和運營期氣田區(qū)污染源的產污情況進行分析，結果見表3。

表3 氣田區(qū)污染源產污趨勢Tab.3 The trend of pollution discharge from pollution source in gas field area (t/a)

由表3可知，不管是在后續(xù)的施工期，還是在運營期，外部污染源將是地下水污染物的主要來源。值得關注的是，內部污染源的污水排放量將明顯增大，將由施工期的104 057 t/a增加至運營期的570 608 t/a，增大了4倍多，在保證處理且達標排放的基礎上，其CODCr排放量反倒由施工期的112 t/a減少至運營期的43 t/a，減小了60%以上。因此，考慮氣田區(qū)運營期明顯增大的污水排放量，一定要從技術和管理角度保證排放廢水處理的達標率，盡量從源頭上控制地下水污染。

根據(jù)區(qū)域地下水環(huán)境的變化趨勢分析，結合氣田區(qū)污染源預測分析可知：后續(xù)施工期，氣田內局部作業(yè)區(qū)地下水水質可能有下降的趨勢，尤以凈化廠最為明顯，但總體上不會造成地下水環(huán)境質量的明顯惡化；待進入運營期后，施工隊從鉆井平臺和凈化廠等施工區(qū)全部撤出，同時加強對回注區(qū)地下水環(huán)境的保護措施，氣田區(qū)地下水環(huán)境可望得到明顯改善。

3 氣田區(qū)地下水環(huán)境保護方案設計

由于外部污染源與氣田的開發(fā)無關，是地方社會經濟發(fā)展過程中所產生，牽涉的因素眾多，而其控制又是一項綜合的系統(tǒng)工程，故應納入地方的區(qū)域環(huán)境規(guī)劃統(tǒng)籌考慮予以解決。建議以本規(guī)劃為基礎，在市級水環(huán)境保護規(guī)劃中提出明確的地方源污染控制方案，并制定階段目標，進而逐步削減其污染負荷。由于內部污染源的相對集中性和高污染性，所以加強該氣田內部污染的防治也是規(guī)劃區(qū)地下水污染防治工作的一項重要內容。在此分階段制定該氣田規(guī)劃區(qū)內部地下水環(huán)境保護方案。

3.1 施工期地下水環(huán)境保護方案

3.1.1 施工期清潔生產措施

3.1.1.1 推行能耗、水耗、原材料消耗低的生產工藝，控制各種資源的使用量，實現(xiàn)清潔生產，進而從源頭上削減地下水環(huán)境的“三廢”污染負荷。此外，采用能提高鉆井機械速度、穩(wěn)定井壁、低密度的綠色清潔鉆井液，在提高鉆井效率的同時減小對地下水的污染。

3.1.1.2 鉆井過程中優(yōu)先使用無毒無害或毒害較小的化學添加劑，逐步淘汰有毒有害的化學添加劑，如含鉻的鉆井液添加劑，從源頭上削減廢有毒有害材料的產生數(shù)量和毒性。

3.1.1.3 地層孔隙大產生鉆井液漏失通道，可采用抗高溫鉆井液聚合物增粘劑[6]、自膠結化學堵漏劑[7]等對孔隙和裂縫產生有效封堵，防止油氣層泄露。鉆井液使用不當也會產生較大壓差以及壓力激動，可采用自適應防漏堵漏鉆井液，提高地層承壓力[7]。此外鉆井措施不當使鉆桿的管套受到很大的破壞性，可采用多層的抗高溫抗高壓抗腐蝕的管套隔離含水層，提高管套的耐受能力。提高鉆井施工質量，特別應提高各井身質量，鉆井時可選用能有效降低鉆井液表面張力、增加鉆井液與頁巖接觸角的表面活性劑,改變鉆井液的潤濕性能，降低鉆井液侵入頁巖的程度從而增強頁巖井壁的穩(wěn)定性[8]。

3.1.2 井場的污染防治

現(xiàn)場調查結果顯示，鉆井液、水泥漿、完井液等含多種添加劑的流體潛入地下水層，其中大量的氯化物、油、硫化物和Cd、Pb、Zn、As等有害元素部分被周邊植物吸收、富集，通過食物鏈對人體的健康產生影響，存放于廢水池中的氣田水儲存不當發(fā)生外溢、泄露或在回注過層中發(fā)生竄層從而潛入淺水層，發(fā)生離子交換作用，導致地下水的永久硬度升高，不利于開采。因此，對井場的廢水儲存池、泥漿池均加強防滲設施，建設防滲圍堰，對回注情況進行實時監(jiān)測與分析，減小對地下水的污染。此外，可采用好養(yǎng)生物法、厭氧生物法、生物絮凝法和自然生物處理法對泥漿廢水進行無害化處理[9]，建議在氣田區(qū)各鉆井平臺安裝拼裝式污水處理一體化成套設備，單套處理量為10 m3/d，所需的工程投資為15萬/套。該設備主要用于鉆井廢水的處理，同時統(tǒng)籌考慮完井酸壓廢水、管道試壓廢水和井場生活污水的處理。

3.1.3 內部生活污染源的污染防治

由于氣田區(qū)生活污水無法納入當?shù)毓芫W，必須對其進行單獨處理，推薦采用就地處理的方式對其進行處理，處理裝置可采用地埋式的一體化小型生活污水生物處理裝置(A/O工藝)，所需的工程投資為50萬，處理量為50 m3/d，用于凈化廠施工人員和氣田開發(fā)區(qū)管理人員生活污水的處理。對于鉆井平臺的生活污水，由于產量較小，應當考慮將其收集后存入污水池，與鉆井廢水一并處理。

3.1.4 固體廢棄物防治措施

施工期的主要固體廢棄物主要有廢巖屑演巖漿、施工棄土、生活垃圾，應根據(jù)當?shù)氐沫h(huán)保法律法規(guī)的要求，采取相應的防治措施?？刹捎枚逊侍幚矸ê臀⑸?土壤聯(lián)合處理技術對泥渣進行無害化處理[9]，或將鉆井廢物固化后用于制磚，此方法運行費用低、資源化程度高，既滿足國家非金屬建材標準要求，也不存在安全隱患，制磚技術工藝流程圖見圖1。

圖1 制磚技術工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of brick-making techniques

3.2 運營期地下水環(huán)境保護方案

3.2.1 運營期清潔生產措施

3.2.1.1 在詳細地質勘察的基礎上，選擇地下水環(huán)境污染風險小的區(qū)域進行回注作業(yè)，按照相關標準嚴格控制回注水質，從源頭上控制主要污染物的種類和數(shù)量。

3.2.1.2 盡量將凈化廠檢修污水及其他設備檢修污水處理達標后循環(huán)利用，這樣既有利用于緩解企業(yè)內部水資源供給的壓力，也從源頭上減少了回注作業(yè)的污染負荷。

3.2.1.3 加強回注作業(yè)的過程控制，發(fā)現(xiàn)運行參數(shù)有異常時，停注檢查、應急監(jiān)測、查清原因并采取一定的應對措施，及時防止回注過程對地下水環(huán)境的污染。

3.2.2 回注井的污染防治

目前對氣田水的處置方法主要有回注、處理后達標外排和綜合利用3種。由于氣田地處低山淺丘地帶，開發(fā)的氣井遠離大江大河，不具備大量污水直接外排的條件，且目前綜合利用技術普遍存在成本高的問題，故針對氣田區(qū)的檢修廢水和氣田凝析水，回注是因地制宜的、最佳的處理方法。地下水環(huán)境保護方案即以預防措施為主，從回注工藝的設計、井身結構的設計、前期的地質勘察、試注試驗等方面，避免回注污水竄層對地下水的污染。污水管線可選用CPVC管材[10]或者熱塑性塑料復合管代替原來的玻璃鋼管[11]，降低管線運行費用的同時提高安全性，減少因污水管線泄露帶來的環(huán)境污染問題，污水回注水管線可選用高壓柔性復合軟管[10]。為掌握回注區(qū)地下水環(huán)境的變化情況，應在確認地下水總體流向的前提下，在回注區(qū)設置監(jiān)測井，分別對回注區(qū)地下水流向的上游處、下游處，以及橫向擴散區(qū)進行實時監(jiān)測，并估算所需的工程投資。

3.2.3 凈化廠的污染防治

凈化廠污染防治包括對檢修污水、生產污水、生活污水等的治理。應將污水收集后，統(tǒng)一在集中污水站進行處理后回注。

3.2.4 井下作業(yè)的污染防治

井下作業(yè)產生的酸化污水、壓裂污水及其它類型的污水，具有間歇排放、一次性排放量大的特點，建議現(xiàn)場收集后，運往集中污水站進行處理后回注。

3.2.5 內部生活污染源的污染防治

根據(jù)運營期該氣田員工約1 218人、用水量(50 L/人.d)、污水排放系數(shù)(0.8)，估算可得生活污水排放量約17 783 t/a，而運營期廢水產生量大可達570 608t/a，生活污水量小僅占總排放量的3%略高，且接入市政管網難度大，建議納入施工期建設的地埋式一體化污水處理系統(tǒng)，節(jié)省成本。

4 突發(fā)污染事故應急預案

油田開采項目存在一定的事故風險，因此應當做好風險防范的分析和相應的措施。主要的事故類型見圖2。

圖2 油氣田安全事故源Fig.2 The source of security incident of gas field

引起事故災難事件的主要原因有氣田生產范圍廣、泄漏事故風險大，腐蝕環(huán)境、監(jiān)測難度大、氣田周圍居民分布零散，不利于逃生等。事故安全災難中主要討論管線泄漏與井噴事故，對于管線泄漏，可能導致大量的原油外泄，對周邊的環(huán)境、地表水等造成一定的污染，甚至可能產生重大的火災；而井噴事故會對周邊一定范圍內的施工人員造成傷害，同時井噴可能殃及周邊的儲油罐和建筑物等。發(fā)生安全事故的應急響應程序圖見圖3。

圖3 應急響應程序圖Fig.3 Emergency response diagram

此外，無關人員不得出現(xiàn)在500m現(xiàn)場以內，并對2 000m范圍內重點區(qū)域的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、學校、醫(yī)院、居民住處進行清查，配備專職的救援隊伍，監(jiān)控預警系統(tǒng)，緊急關斷系統(tǒng)，緊急疏散救援系統(tǒng)，事故狀態(tài)下能及時通知周邊村民快速撤離，保證周圍居民的生命安全。

5 結 論

5.1 地下水污染源分析結果表明，外部污染源是影響當?shù)氐叵滤h(huán)境的主要因素，且農田徑流污染源是氣田區(qū)主要的外部污染源，而鉆井作業(yè)過程中的鉆井液漏失、天然氣竄層、鉆井廢水排放等是氣田區(qū)內部的主要污染源。

5.2 地下水環(huán)境影響分析可知，雖然氣田的建設尚未對區(qū)域上部地下水的環(huán)境質量造成明顯影響，地下水水質狀況良好，但由于工程的建設，氣田區(qū)地下水水質已受到一定程度的影響，特征污染物表現(xiàn)為CODCr、硝酸鹽氮和氯化物。

5.3 針對氣田開發(fā)進度和地下水主要污染源，分別設計了施工期和運營期的地下水環(huán)境保護方案，從源頭控制的清潔生產，至末端控制的污染治理，并提出了突發(fā)污染事故應預案，為氣田區(qū)地下水環(huán)境保護提供全過程的保障。

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