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71 0018)

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)

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HSE(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0.1～3m/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。

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、USZ、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。

3 主要污染途径

图1 井场周围废弃物对浅层地下水的污染

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0.5%～1%,生产井的平均井喷率是0.1%,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柱压力不断降低,假设气体体积不变则其压力等于原地层高压,当移动到地层破裂压力小于该气体压力时,井壁就会破裂形成裂缝,大量钻井液进入地层中。更恶劣地是形成 “下喷上漏”,地层底部流体、钻井液大量进入破裂地层污染地下水。这种情况一般发生在裸眼井中,如果气体压力大于套管破裂压力,也会发生在套管严重磨损、腐蚀以及水泥环空洞处。

4)固井作业引起的地下水污染 固井作业中,水泥浆在候凝过程中因水泥浆的硬化速度不一致,井壁和套管附近的水泥浆先硬化其重力作用在井壁与套管上形成 “失重”,从而使液柱压力下降。当水泥浆液柱压力小于地层压力时,地层流体进入到环形空间,可能会发生井喷或者水泥浆硬化后的水泥环缺陷就会形成窜槽通道。如果发生连续窜槽就会形成地下深处流体进入浅部地层污染地下水。固井中的井眼不干净、水泥浆性能差、地层漏失等使水泥环形成多裂缝和孔隙,为流体的流动提供渗漏通道并加速套管的腐蚀。

5)套管腐蚀引发的地下水污染 据张凤奎[8]等研究表明,套管外腐蚀多发生在富含地下水的地层段。该地层岩石颗粒间隙多且大,渗透性高,水的活跃性强,钻井液、水泥浆易漏失。固井作业在此处易形成水泥环胶结质量差或窜槽。套管在地层水的高矿化度、溶解二氧化碳、硫化氢等作用下发生电化学反应以及在厌氧菌硫酸盐还原菌、碳酸盐还原菌、铁细菌等微生物作用下发生生物化学反应。地下水的补给、径流、排泄使腐蚀产物被及时带走,反应不易达到平衡加剧套管的腐蚀。腐蚀沉淀FeS、FeCO3以及细菌类堵塞孔隙加剧层间矛盾。套管腐蚀损坏后,油气井中的流体通过腐蚀孔进入地层污染地下水。

6)油料管理不严对地下水的污染 钻井作业现场储油罐和输油管线的泄漏、废油的任意排放或处理不当以及人员的误操作等人为因素导致的油料洒落或溢到地面造成对地下水污染[9]。钻井过程中需要大量的石油产品,如接单根时需要大量丝扣润滑油;钻井动力系统柴油机每天需要消耗大量的柴油;钻井液为了满足某些需要,加入大量的石油产品;钻井机械的保养、润滑、冷却、维修及后勤保障都需要使用大量的油料。过去人们一直忽视洒落和泄漏油料对地下水的影响,现在油类污染被公认是引起地下水污染的最重要的因素之一。

4 预防措施

1)地质部门应根据地形、地貌、地质构造、水文特征以及经济性合理确定井位,钻井作业人员也要详细了解井场的地理位置、周边水流、地表坡降、地下水深度及地质构造等情况,避免污染水源。

2)搞好钻井设计,合理选择井身结构、井眼尺寸及钻井技术,并提高钻井泥浆抑制能力和固相控制效率,防止井下事故,避免因处理井下事故而增加钻井废液的排放量。

3)浅层导管长度应足够穿过浅表地下水层,在下入导管前的钻井液用水基钻井液且不含钻井液添加剂,最好是清水作业。做好泥浆池、槽、处理池的防漏工作。

4)加强钻井作业HSE管理,完井后根据废弃钻井液的数量和有害成分,对废弃钻井液实施 “量最小化、循环再利用、妥善处理”的处理原则,采用绿色环保的处理技术。

5)现代钻井技术的新发展趋势是 “井眼更小、设备更智能、井身垂直距离更深、水平距离更远、作业更环保”,解决钻井作业对环境的影响问题有效的办法是加强同行业之间的交流与合作,对国内外先进的技术和设备不断引进、吸收和创新。

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

[2]刘荣芳,陈鸿汉 ,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]中国石油化工集团公司安全环保局.石油石化环境保护技术 [M].北京:中国石化出版社,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]杨旭,刘谨,杨世光.百重7井区钻井液对地下水的污染特性研究[J].重庆环境科学,2001,23(6):25-27.

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

[7]刘向君,罗平亚.岩石力学与石油工程[M].北京:石油工业出版社,2004.

[8]张凤奎,张林,周志平,等.陇东地区油田套管腐蚀破损与洛河组沉积相的关系研究 [J].中国地质,2007,34(3):450-453.

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