油气钻井作业对地下水污染途径及预防分析

[收稿日期]2011-05-28 [作者简介]肖春学,男,助理工程师,主要从事钻井理论与实践的研究工作。

doi:1013969/j 1issn 11673-1409120111081020

油气钻井作业对地下水污染途径及预防分析

肖春学

(中石油川庆钻探长庆钻井总公司50053钻井队,陕西西安710018) 邓昌松

(油气藏地质与开发国家重点实验室(西南石油大学),四川成都610500) 王 勇 (中石油川庆钻探长庆钻井总公司质量安全环保部,陕西西安710018)

[摘要]钻井作业是在地下深处进行的,它引起的污染短时间内不易被察觉。钻井作业的环境污染主要是

由钻井液引起,钻井液废液、钻井岩屑、洒落油料的处理不当会引起地下水的污染,对钻井废弃物的管

理每一步都要做到减少排放量、循环利用、妥善处理、加强管理。分析了正常钻进的滤失、作业事故的

井喷、井漏、固井作业的泥浆失重、窜槽引起的地下水污染途径以及油料的管理不当引起的地下水污染

问题,并对预防措施进行了探讨,旨在为钻井作业人员和油气田环境保护工作者提供一些参考。

[关键词]钻井作业;地下水;污染;途径

[中图分类号]T E99112

[文献标识码]A [文章编号]1673-1409(2011)08-0063-03

地下水资源储量巨大,分布广泛,易于开采,是人类生产和生活最重要的水源之一。人类使用的地下水通常来自深度低于100~200m 的浅含水层,而深度大于500~1000m 的地下水盐度达到或超过海水的盐度,基本不被使用[1]。极其有限的可使用地下水正被不断的污染,污染物沿地下水流道迁移,进而污染溪流、沼泽、湖泊等地表水。在工业化国家,地下水污染均被认为是当前最重要的环境问题之一。

钻井作业可产生许多的污染源,控制、处理不当都会对环境造成影响。通过对地下水污染的途径分析,可以帮助相关作业人员树立环保意识,加强作业废弃物的管理,对作业每一可能引发环境污染的环节有清楚的认识,在作业源头起控制、减少、消除作业带来的环境污染,为石油行业H SE (健康、安全、环保)管理体系的顺利实施创造条件。

1 钻井作业对地下水污染的特点

1)难控制、难恢复性 钻进过程中钻井液与井壁长时间接触,钻井液以渗漏方式进入地层,该过程很难得到有效控制。钻井液中的添加剂和油类物质与岩石颗粒发生交替的吸附-解吸附过程,仅靠地下水的自然修复需要几十年到几百年的时间[2]。

2)污染地层深、范围宽 油气井的井深一般在300~8000m 之间,钻井液接触时间越长,污染的地下水越深,污染的横向幅度越大。单一井污染轻,区块井污染重。

3)监控、治理困难 随着油气井钻井速度的提高,建井周期的缩短,一口2000m 的油气井,平均钻井周期只有5~7d,井队搬家次数增多,遗留下来的废弃物增多,污染源增加且分散给监控和治理带来困难。

4)污染物的迁移速率因岩性不同各异 在砂岩和砾岩中地下水的流道主要是空隙,流速为011~3m/d;石灰岩、白云岩的流道多为裂缝,流速达到1~10m /d;粘土岩不能给地下水提供流道,但它起隔水作用且对污染物有很强的吸附性。有机污染物与岩石颗粒相互作用移动速率比地下水流速慢,无机污染物移动速率与地下水流动速率差不多。污染物在地下水中因微生物分解和岩石的吸附作用、物理化学反应,污染物总量不断减少。

#63#长江大学学报(自然科学版) 2011年8月第8卷第8期

Journal of Y angtze University (Nat Sci Edit) Aug 12011,Vo l 18N o 18

2 污染物主要有毒有害成分

钻井作业对地下水的污染源分直接的液相污染物和间接的固相、气相污染物[3]。

1)液相污染物 主要是废弃钻井液、固井液、落地油和泄露油。废弃钻井液包含许多有毒有害处理剂、高分子聚合物、木质素磺酸盐、重金属(如钡、汞、铬、铜、铅、砷)的离子等。废弃固井液包含有毒的ST -800、U SZ 、FH -3等外加剂。油类有机物包括多种致癌、有毒物如苯、甲苯、邻二甲苯、对二甲苯、2-甲基丁烷、COD 、SS 、挥发酚、氰化物等[4]。

2)固相污染物 主要是岩屑和丢弃的钻井液原材料。岩屑包含各种盐类和重金属离子,如六价铬、二价汞、二价镉、二价铅及不易被动植物降解的有机物和高分子聚合物。钻井搬家丢弃或散落的钻井液原材料如烧碱、石灰粉、钾盐、尿素等,它们能对生态环境起负面影响。

3)气体污染物 为轻烃类气体、氮氧化物、一氧化碳、硫化氢,它们来自燃料的不充分燃烧和井

喷释放的有毒有害气体。

图1 井场周围废弃物对浅层地下水的污染3 主要污染途径

1)地面污染物对地下水的污染 地面污

染物主要通过降雨、融雪对钻井岩屑、废弃

钻井液、井喷污物、地面散落油类的冲刷,

使散发到大气中的有害气体、蒸发物降落到

地面,泥浆池、泥浆槽、排污沟、处理池的

渗漏和溢流等方式污染土壤和水体,如图1

所示。大气降水对污染土壤的淋浴和污水的

径流,使污染水下渗进入地下水层。污染地

点如果发生在地下水补给区,则对地下水的

污染相当严重。在易溶性岩层如石灰岩、白

云岩或断裂带地层钻井时,遇到溶洞、溶孔、较大裂缝时,钻井液大量漏失,而这些溶洞、裂缝与地下水相连,就会污染地下水甚至地表水。

2)正常钻进引起的地下水污染 正常钻井过程中进入地下水的污染物总量可以通过钻井液的滤失量、地下水层段的大小、钻井速度、起下钻次数等参数来确定[5]。正常钻进钻井液以滤失为主,含少量的漏失。钻井液的滤失分瞬态滤失、动态滤失和静态滤失。瞬态滤失是钻开岩石瞬时的滤失,其速度大,但作用时间短。动态滤失速度小于瞬态滤失,作用时间较长并形成动平衡。静滤失是停止钻井作业后的钻井液滤失。钻井液与地层的压差,井壁在钻井液的浸泡时间,泥饼的压实作用、渗透性、厚度,岩石的渗透性,钻井液的粘度、固相含量等是影响钻井液滤失量的主要因素。

3)作业事故引起的地下水污染 据发达国家统计,石油勘探井的平均井喷事故率是015%~1%,生产井的平均井喷率是011%,高产井的平均事故率多达3%。井喷释放物的45%清理干净,35%完全没有清理,释放物的40%是有害的[6]。当钻遇地层异常高压带或者钻井液液柱压力低于地层压力,地层中的大量流体进入井内发生溢流,溢流处理不及时或不当就会诱发井喷。一旦发生井喷,井下流体喷出井口,就会污染大气、土壤和各种水体。喷出物如不及时清理并安全处理,就会被雨水冲刷而使污染范围扩大程度加深。发生溢流井喷事故后的压井作业操作不当也会造成污染,如果加重钻井液产生的液柱压力大于地层的破裂压力就会使地层出现裂缝。一般认为深度小于500m 时形成水平裂缝,深度大于500m 时形成垂直裂缝[7]。钻井液通过人为裂缝污染更大的空间范围。在富含地下水的地层孔隙较发育、天然微裂缝多,地层破裂压力较低易出现裂缝。不仅产生裂缝时大量钻井液也进入地层,如遇到地层异常低压、钻井液液柱压力高于地层压力、构造断裂带发生井漏时大量钻井液也会进入地层污染地下水。

钻遇高压油气层发现溢流并及时关井,由于对地层异常高压和地层破裂压力的估计不足引发污染。关井后井筒内流体体积很难再发生变化,而高压气体的密度低就会向井口移动,在向上移动的过程中液#64# 长江大学学报(自然科学版)2011年8月