页岩气钻井工程对区域水文地质环境的影响与防治

王巨，胡晓斌，张帆



页岩气钻井工程对区域水文地质环境的影响与防治

王巨，胡晓斌，张帆

（四川省核工业辐射测试防护院，成都 610082）

随着页岩气勘探开发力度的加大，钻井过程中对区域水文地质环境的影响分析尤为重要，文章深入分析了页岩气钻井工程对地下水可能产生影响的原因和类型，并提出了相应的地下水污染防治措施。

页岩气；水文地质环境；影响分析；防治措施

页岩气是赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气，以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源。近几年，美国页岩气勘探开发技术突破，产量快速增长，对国际天然气市场及世界能源格局产生重大影响，世界主要资源国都加大了对页岩气的勘探开发力度。[1]

页岩气作为清洁能源，开发利用将节约和替代大量煤炭和石油资源，减少二氧化碳排放量，改善生态环境。同时，页岩气开发也会产生一定的环境影响，如页岩气井场建设会对地表植被产生破坏，开发和集输过程中可能产生甲烷逸散或异常泄露，页岩气增产改造会引发地表震动，增产改造用水量大，影响地区水资源，钻井液和压裂液返排后处理不当，可能会造成污染[2]。本文主要分析页岩气钻井过程中对区域水文地质环境的影响。

1 页岩气钻井特点

页岩气钻井工程主要核心技术为水平井技术和水力压裂技术。一般页岩气水平井的水平段越长，单井产能越大，储量的控制和动用程度越高，但水平段越长钻井难度越大，同时泥页岩地层井壁稳定性差，脆性页岩垮塌和破裂等复杂问题突出。在页岩气钻井过程水平井段通过采用泥浆体系的转换来克服页岩层失稳问题。此外，页岩气藏的储层一般呈低孔、低渗透率的物性特征，气流的阻力比常规天然气大，开采难度大，通常需采用水力压裂技术进行储气层体积改造，将消耗大量水资源以及带来水环境污染问题。因此，针对页岩气钻井特点，应更加重视水平井钻井过程钻井液体系变化所带来的废弃泥浆、岩屑，以及水力压裂产生大量压裂返排液所引起的环境问题。

2 页岩气钻井工程对水文地质环境产生的影响分析

2.1 正常状况下的影响

页岩气钻井工程在正常状况下的地下水污染源主要包括钻井期间的钻井废水、洗井废水、压裂作业废液。

1）钻井废水

钻井废水主要包括机械污水、钻井泥浆污水。其中机械污水包括检修排污、钻井泵拉杆冲洗水、水刹车排出水等；钻井泥浆污水为废泥浆中的澄清液、固控系统所分离出废泥浆和钻井岩屑带出水等。钻井废水中的污染物主要来自泥浆、机具清洗、设备跑冒漏滴的油类，水中污染因子受泥浆影响较大。钻井废水主要呈现出 pH 值偏高，属碱性废水，含较高的 CODCr和色度，具有一定的腐蚀性。

2）洗井废水

页岩气钻井工程钻至目的钻后，首先是进行洗井作业，采用清水对井壁进行清洗，利用水泵将水通过钻杆内部压入井下，然后通过钻杆与井壁之间的环空返回地面。洗井废水中主要污染物指标为pH值、COD、悬浮物、阴离子表面活性剂。

3）压裂作业废液

页岩气压裂体积改造利用液体的传压作用，经地面设备将压裂液在大排量条件下注入井内，压开页岩裂缝，加入支撑剂，形成多条具有高导流能力的渗流带，沟通岩层裂缝。最后通过岩层排水-降压-解吸的过程，达到正常排气的目的。完成压裂施工后返排到地面的废液，即为压裂作业废液[3]。压裂返排液具有悬浮物多、总溶解固体含量高和成分复杂等特点，但因地质条件不同，水质指标存在较大差异，返排液中含有高浓度的总溶解固体（TDS）、氯离子、多种化学添加剂，同时还含有多种有机和无机化合物、金属元素。

2.2非正常状况下的影响

根据地下水环境影响识别结果，施工期非正常状况下对地下水环境影响较大。页岩气钻井工程非正常状况下对地下水可能产生的不利影响途径主要有以下几个方面：

1）钻井初期钻井液渗入浅层地下水；

2）因防渗不到位出现废水渗漏，或是在雨季发生泥浆池外溢情况，井场设备机油泄漏，生活污水、固废以及钻井所需化学品堆放不当，在雨季产生地面溢流等都有可能造成不同程度的地下水污染；

3）井漏是钻井过程中遇到复杂地层，钻井液或其他介质（固井水泥浆等）漏入地层孔隙、裂缝等空间的现象。若漏失地层与含水层之间存在较多的断裂或裂隙，漏失的钻井液就有可能顺着岩层断裂、裂隙进入地下水，造成地下水污染。另外，钻井过程可能破坏含水层结构，影响地下水流场，造成井场周边的取水点出现水量减少，严重情况下可导致取水点完全干涸。

4）物料跑冒滴漏，钻井过程中物料管理不严格、化学品堆放不当、柴油泄漏等物料的跑冒滴漏不同程度的污染地下水；

5）压裂液返排池、排污池主要收集压裂返排液、钻井废水、废泥浆等，因防渗不到位出现废水渗漏，有可能造成不同程度的地下水污染；

6）井喷造成钻井液、压裂返排液外溢，可能造成地下水污染；

7）压裂过程井筒破裂，压裂液进入含水层。

8）工程钻井废水、压裂返排液、水基泥浆及岩屑、油基泥浆及岩屑、废油的转运采用罐车密闭输送，一旦发生交通事故或其他原因导致废水、固废外溢，将污染土壤和水体。

9）柴油在使用、储运过程中的风险主要来自于柴油罐自身缺陷、人员误操作、老化等造成的泄漏以及外部破坏产生的事故，包括人为破坏及洪水、地震等不可抗拒因素。柴油泄漏可能污染河流、地表水和地下水。

10）盐酸在使用和储运过程中的风险主要来自于盐酸桶装运输泄漏，使用和临时贮存过程中泄漏。盐酸泄漏可能污染河流、地表水和地下水。

3 污染防治措施

3.1 正常状况下的污染防治措施

钻井废水和洗井废水和由排污池进行收集、沉淀处理后上清液回用于钻井作业，废水回用率可达90%以上。其余部分废水处理主要针对CODCr和石油类的去除，主要以无机处理剂与有机处理剂结合，同时配合石灰、纯碱等助凝剂的使用[4]。

压裂作业废液的处理技术有五步法、固化法、生物降解法和氧化降解法等方法。

1）五步法：通过混凝-次氯酸钠氧化-Fe/C微电解-H2O2/Fe催化氧化-活性炭吸附等五项步骤，将压裂液中的污染物去除，使其达标排放。五步法处理效果显著，但处理流程复杂、处理成本较高。

2）固化法：通过加投固化剂将裂化返排液固化处理，待固化块成型后，推土复耕。固化法具有固化材料易得、处理效果好、处理流程简单等优势。

3）生物降解法：采用氧化降解和微生物分解的方式降低相对分子质量，然后将降解后的压裂废液以一定比例掺入主污水处理系统。该方法的缺点是处理周期较长。

4）氧化降解法:将钻井废液和压裂废液分类集中，分别采用絮凝剂和强氧化剂进行预处理，处理后的清液可作回注水使用。该方法工艺简单，但需要高效氧化剂[5]。

3.2 非正常状况下的污染防治措施

1）页岩气钻采工程应严格参照《石油化工工程防渗技术规范》（GB/T 50934-2013）对各个建设工程单元可能泄漏污染物的地面进行分区防渗处理，防渗施工完成后，施工单位需向运营单位提供相关的材料，其中需包括隐蔽性施工的材料，同时运营单位需对防渗措施进行相应的验收。

2）在钻井作业中加强生产管理，严密监控钻井液、压裂液及压裂返排液的运行状况，发现井管破裂后应立即停止钻井或压裂作业并启动应急预案，按要求在下游设置的监控水井加密监控，采取有效措施控制污染物扩散范围，降低环境影响。

3）开钻前，施工单位应编制地下水污染监控及应急方案，在工程井口上游方向设置地下水背景（或对照）监控井，对工程周边地下水实施污染监控制度，降低地下水污染风险。

4）建设单位应建立完善的质量管理体系，实现“质量、安全、环境”三位一体的全面质量管理目标。设立地下水动态监测小组，负责对地下水环境监测和管理，或者委托专业的资质机构完成。建立有关规章制度和岗位责任制。制定风险预警方案，设立应急设施减少环境污染影响。

4 结语

在页岩气钻井工程带来的环境问题中，水文地质环境占有重要的位置。因此在环境影响评价阶段详细分析页岩气钻井工程对区域水文地质环境的影响，提出相应的措施进行地下水污染防治，可以对施工单位在施工过程中的环境保护工作进行有效的指导，减轻在钻井过程中对水文地质环境的扰动，切实做好水文地质工作。

[1] 人民网.国家能源局发布《页岩气发展规划（2011-2015年）》[EB/OL].http：//energy.people.com.cn/GB/17411285.Html.2012-03.

[2] 国家能源局.国家能源局关于印发页岩气发展规划（2016-2020年）的通知[Z].国能油气[2016]255号文件.2016-09.

[3] 何妮娟. 试论压裂技术中废液的产生与处理方法[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2014(22).

[4]袁姗姗. 钻井生产过程中的环境污染及治理[J]. 油气田环境保护, 2009, 19(1):47-50.

[5] 林仲. 油井压裂作业废液处理技术研究进展[J]. 广东化工, 2010, 37(5):34-34.

Influence and Control of Drilling Engineering on Regional Hydrogeological Environment in a Shale Gas Field

WANG Ju HU Xiao-bin ZHANG Fan

(Sichuan Radiation Detection and Protection Institute of Nuclear Industry, Chengdu 610082)

This article deals with influence and control of drilling engineering on regional hydrogeological environment in a shale gas field based on causes and type of influence of drilling engineering on underground water.

shale gas; hydrogeological environment; influence; control

P641.6

A

1006-0995（2017）02-0304-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.02.031

2017-4-25

王巨（1984-），女，湖北省宜昌人，工程师，主要从事环境影响评价工作