油氣鉆井作業對地下水污染途徑及預防分析

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

鄧昌松 (油氣藏地質與開發國家重點實驗室(西南石油大學),四川成都610500)

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

地下水資源儲量巨大,分布廣泛,易于開采,是人類生產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,進而污染溪流、沼澤、湖泊等地表水。在工業化國家,地下水污染均被認為是當前最重要的環境問題之一。

鉆井作業可產生許多的污染源,控制、處理不當都會對環境造成影響。通過對地下水污染的途徑分析,可以幫助相關作業人員樹立環保意識,加強作業廢棄物的管理,對作業每一可能引發環境污染的環節有清楚的認識,在作業源頭起控制、減少、消除作業帶來的環境污染,為石油行業HSE(健康、安全、環保)管理體系的順利實施創造條件。

1 鉆井作業對地下水污染的特點

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

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

3)監控、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,井隊搬家次數增多,遺留下來的廢棄物增多,污染源增加且分散給監控和治理帶來困難。

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;石灰巖、白云巖的流道多為裂縫,流速達到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污染物有很強的吸附性。有機污染物與巖石顆粒相互作用移動速率比地下水流速慢,無機污染物移動速率與地下水流動速率差不多。污染物在地下水中因微生物分解和巖石的吸附作用、物理化學反應,污染物總量不斷減少。

2 污染物主要有毒有害成分

鉆井作業對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。油類有機物包括多種致癌、有毒物如苯、甲苯、鄰二甲苯、對二甲苯、2-甲基丁烷、COD、SS、揮發酚、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,如六價鉻、二價汞、二價鎘、二價鉛及不易被動植物降解的有機物和高分子聚合物。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,它們能對生態環境起負面影響。

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 井場周圍廢棄物對淺層地下水的污染

1)地面污染物對地下水的污染 地面污染物主要通過降雨、融雪對鉆井巖屑、廢棄鉆井液、井噴污物、地面散落油類的沖刷,使散發到大氣中的有害氣體、蒸發物降落到地面,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。大氣降水對污染土壤的淋浴和污水的徑流,使污染水下滲進入地下水層。污染地點如果發生在地下水補給區,則對地下水的污染相當嚴重。在易溶性巖層如石灰巖、白云巖或斷裂帶地層鉆井時,遇到溶洞、溶孔、較大裂縫時,鉆井液大量漏失,而這些溶洞、裂縫與地下水相連,就會污染地下水甚至地表水。

2)正常鉆進引起的地下水污染 正常鉆井過程中進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、起下鉆次數等參數來確定[5]。正常鉆進鉆井液以濾失為主,含少量的漏失。鉆井液的濾失分瞬態濾失、動態濾失和靜態濾失。瞬態濾失是鉆開巖石瞬時的濾失,其速度大,但作用時間短。動態濾失速度小于瞬態濾失,作用時間較長并形成動平衡。靜濾失是停止鉆井作業后的鉆井液濾失。鉆井液與地層的壓差,井壁在鉆井液的浸泡時間,泥餅的壓實作用、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)作業事故引起的地下水污染 據發達國家統計,石油勘探井的平均井噴事故率是0.5%～1%,生產井的平均井噴率是0.1%,高產井的平均事故率多達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入井內發生溢流,溢流處理不及時或不當就會誘發井噴。一旦發生井噴,井下流體噴出井口,就會污染大氣、土壤和各種水體。噴出物如不及時清理并安全處理,就會被雨水沖刷而使污染范圍擴大程度加深。發生溢流井噴事故后的壓井作業操作不當也會造成污染,如果加重鉆井液產生的液柱壓力大于地層的破裂壓力就會使地層出現裂縫。一般認為深度小于500m時形成水平裂縫,深度大于500m時形成垂直裂縫[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育、天然微裂縫多,地層破裂壓力較低易出現裂縫。不僅產生裂縫時大量鉆井液也進入地層,如遇到地層異常低壓、鉆井液液柱壓力高于地層壓力、構造斷裂帶發生井漏時大量鉆井液也會進入地層污染地下水。

鉆遇高壓油氣層發現溢流并及時關井,由于對地層異常高壓和地層破裂壓力的估計不足引發污染。關井后井筒內流體體積很難再發生變化,而高壓氣體的密度低就會向井口移動,在向上移動的過程中液柱壓力不斷降低,假設氣體體積不變則其壓力等于原地層高壓,當移動到地層破裂壓力小于該氣體壓力時,井壁就會破裂形成裂縫,大量鉆井液進入地層中。更惡劣地是形成 “下噴上漏”,地層底部流體、鉆井液大量進入破裂地層污染地下水。這種情況一般發生在裸眼井中,如果氣體壓力大于套管破裂壓力,也會發生在套管嚴重磨損、腐蝕以及水泥環空洞處。

4)固井作業引起的地下水污染 固井作業中,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。當水泥漿液柱壓力小于地層壓力時,地層流體進入到環形空間,可能會發生井噴或者水泥漿硬化后的水泥環缺陷就會形成竄槽通道。如果發生連續竄槽就會形成地下深處流體進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形成多裂縫和孔隙,為流體的流動提供滲漏通道并加速套管的腐蝕。

5)套管腐蝕引發的地下水污染 據張鳳奎[8]等研究表明,套管外腐蝕多發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,鉆井液、水泥漿易漏失。固井作業在此處易形成水泥環膠結質量差或竄槽。套管在地層水的高礦化度、溶解二氧化碳、硫化氫等作用下發生電化學反應以及在厭氧菌硫酸鹽還原菌、碳酸鹽還原菌、鐵細菌等微生物作用下發生生物化學反應。地下水的補給、徑流、排泄使腐蝕產物被及時帶走,反應不易達到平衡加劇套管的腐蝕。腐蝕沉淀FeS、FeCO3以及細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入地層污染地下水。

6)油料管理不嚴對地下水的污染 鉆井作業現場儲油罐和輸油管線的泄漏、廢油的任意排放或處理不當以及人員的誤操作等人為因素導致的油料灑落或溢到地面造成對地下水污染[9]。鉆井過程中需要大量的石油產品,如接單根時需要大量絲扣潤滑油;鉆井動力系統柴油機每天需要消耗大量的柴油;鉆井液為了滿足某些需要,加入大量的石油產品;鉆井機械的保養、潤滑、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地下水的影響,現在油類污染被公認是引起地下水污染的最重要的因素之一。

4 預防措施

1)地質部門應根據地形、地貌、地質構造、水文特征以及經濟性合理確定井位,鉆井作業人員也要詳細了解井場的地理位置、周邊水流、地表坡降、地下水深度及地質構造等情況,避免污染水源。

2)搞好鉆井設計,合理選擇井身結構、井眼尺寸及鉆井技術,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)淺層導管長度應足夠穿過淺表地下水層,在下入導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。做好泥漿池、槽、處理池的防漏工作。

4)加強鉆井作業HSE管理,完井后根據廢棄鉆井液的數量和有害成分,對廢棄鉆井液實施 “量最小化、循環再利用、妥善處理”的處理原則,采用綠色環保的處理技術。

5)現代鉆井技術的新發展趨勢是 “井眼更小、設備更智能、井身垂直距離更深、水平距離更遠、作業更環保”,解決鉆井作業對環境的影響問題有效的辦法是加強同行業之間的交流與合作,對國內外先進的技術和設備不斷引進、吸收和創新。

[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]中國石油化工集團公司安全環保局.石油石化環境保護技術 [M].北京:中國石化出版社,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,楊世光.百重7井區鉆井液對地下水的污染特性研究[J].重慶環境科學,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.巖石力學與石油工程[M].北京:石油工業出版社,2004.

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

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