典型地区油气田水基钻井岩屑污染特征研究*

沈晓莉 杨金忠 徐天有 杨玉飞#

(1.衢州学院环境工程系，浙江 衢州 324000；2.中国环境科学研究院，北京 100012)

典型地区油气田水基钻井岩屑污染特征研究*

沈晓莉1杨金忠2徐天有1杨玉飞2#

(1.衢州学院环境工程系，浙江 衢州 324000；2.中国环境科学研究院，北京 100012)

采集西北、西南和海南地区油气田160个水基钻井岩屑(以下简称岩屑)样品，分析岩屑中污染物的含量和浸出浓度。结果表明：岩屑中特征污染物为重金属(Ba、Cr、Zn、Cu、As、Pb)和石油烃，其中Ba和石油烃质量浓度较高，均值分别为1 907.8、1 625.8mg/kg；西北地区岩屑中，Zn、As、Cr、Ba在新生界中含量最高，Cu、Pb和石油烃在上古生界中含量最高；Cu、Zn、As和Pb的浸出浓度在上古生界最高，Cr和Ba的浸出浓度在新生界中最高。

典型地区 岩屑 重金属 石油烃 污染特征

钻井岩屑是指油气田勘探开发中，钻井泥浆循环分离回用系统分离出的大颗粒岩屑、砂和泥。使用水基钻井泥浆产生的岩屑称为水基钻井岩屑(以下简称岩屑)，目前我国主要以水基钻井泥浆为主，占60%(体积分数，下同)～70%[1-2]，据估算，我国每年产生约40万m3岩屑[3-5]。岩屑中除地层中大颗粒岩屑、砂和泥外，同时含有水基钻井泥浆以及钻探过程带出的石油(或凝析油)，使得岩屑具有污染特性[6]。为此，岩屑的无害化处理处置已成为油田环保亟待解决的问题。

由于钻井泥浆体系的复杂性，钻井地区的地质条件和钻井地层的差异性，导致岩屑的污染特性也十分复杂。目前的研究主要偏重于新型或高性能水基钻井液的研发[7-8]、废弃水基钻井液污染及其固化技术[9-11]等，对于岩屑污染特性的研究较少，更鲜有针对不同地区、地层岩屑污染特性的报道。本研究针对岩屑中污染物受钻井地域和地层影响的特点，采集西北、西南和海南3个典型地区油气田钻井产生的不同地层的岩屑，分析岩屑样品中的污染物组成、含量及浸出浓度，掌握岩屑中污染物的地域和地层特性，系统研究岩屑污染特征，明确岩屑的危害属性，为其无害化处理提供依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

1.1.1 样品采集

分别在西北某气田、西南某气田和海南某油田各选取1口典型油气钻井，根据各钻井的钻探作业深度，在水基钻井泥浆循环分离回用系统(见图1)岩屑出口处分别采集岩屑样品并记录每个样品的地层和深度信息,共计160个样品，每个样品至少采集1 kg，用棕色磨口瓶封装，样品的采集和保存按《工业固体废物采样制样技术规范》(HJ/T 20—1998)中的规定进行。

图1 水基钻井泥浆循环分离回用系统Fig.1 Drilling mud circulation separation and reuse system

1.1.2 样品保存

用于有机物测定的样品和用于重金属测定的样品分别置于冰箱中冷藏保存。

1.2 实验方法

1.2.1 前处理方法

测定重金属含量和浸出浓度分别参照《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》(GB 5085.3—2007)附录S和《固体废物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》(HJ/T 299—2007)进行样品前处理；测定苯系物、苯并[a]芘含量和浸出浓度分别参照GB 5085.3—2007附录V和 HJ/T 299—2007进行样品前处理；测定石油烃含量参照《危险废物鉴别标准 毒性物质含量鉴别》(GB 5085.6—2007)附录O进行样品前处理。

1.2.2 检测方法

重金属参照GB 5085.3—2007附录B进行测定；苯并[a]芘参照GB 5085.3—2007附录K进行测定；苯系物参照 GB 5085.3—2007附录O进行测定；石油烃参照GB 5085.6—2007附录O进行测定。重金属、有机物检出限和浸出限值见表1。

1.3 检测仪器

表1 岩屑中重金属、有机物检出限和浸出限值

注：1)标准限值参考 GB 5085.3—2007。

重金属采用Agilent 7500CS型电感耦合等离子发射光谱仪测定；苯系物、苯并[a]芘采用Agilent 7890A/5975C型气相色谱质谱联用仪测定；石油烃采用IR-960型红外光谱仪测定。

2 结果与讨论

2.1 岩屑中的特征污染物分析

岩屑中的污染物主要来源于水基钻井液、地层以及油气层中的凝析油和石油，致使岩屑中含有重金属、苯系物、苯并[a]芘和石油烃。3个典型地区岩屑中的重金属、石油烃、苯系物和苯并[a]芘的质量浓度如图2所示。由图2可知，岩屑中Ba和石油烃质量浓度最高，其均值分别为1 907.8、1 625.8 mg/kg。其次为Pb、As、Zn、Cr，均值分别为243.9、114.9、51.2、44.6 mg/kg。苯系物和苯并[a]芘质量浓度较低，均值为0.1～4.7 μg/kg。因此，由污染物含量知，Ba、石油烃、Pb、As、Zn和Cr为特征污染物。

对3个典型地区岩屑中的重金属、苯系物和苯并[a]芘的浸出浓度进行了测定，结果如图3所示。苯系物和苯并[a]芘未检出，同时由于GB 5085.3—2007未对Sb限值作相关要求，本次实验未涉及Sb的浸出。岩屑污染物的浸出浓度均未超过GB 5085.3—2007中相应限值。岩屑中Zn、Ba、Cu、As、Pb的浸出质量浓度均值分别为0.34、0.23、0.04、0.02、0.01 mg/L，Zn和Ba的浸出浓度相对较高。因此，由浸出浓度知，Zn、Cu和Ba是特征污染物。

图2 3个典型地区岩屑污染物质量浓度均值Fig.2 Average concentration of pollutants in cuttings from three typical oil-gas fields

图3 3个典型地区岩屑污染物浸出质量浓度均值Fig.3 Average leaching concentration of pollutants in cuttings from three typical oil-gas fields

综上，岩屑中的特征污染物为Ba、石油烃、Pb、As、Zn、Cr、Cu。

2.2 特征污染物含量地区差异性

3个典型地区岩屑特征污染物质量浓度见图4。对重金属而言，西南地区Ba最高，达5 902.8 mg/kg，其次依次为Zn 98.2 mg/kg，Pb 24.3 mg/kg，Cr 13.5 mg/kg，Cu 13.3 mg/kg，As最低；西北地区Ba最高，为1 475.6 mg/kg，其次依次为As 81.2 mg/kg，Cr 50.9 mg/kg，Zn 41.6 mg/kg，Pb和Cu较低，分别为13.6、13.1 mg/kg；海南地区Ba最高，为1 684.0 mg/kg，其次依次为Pb 411.0 mg/kg，As 151.6 mg/kg。3个典型地区石油烃含量数量级均为103，且海南地区石油烃质量浓度最高，为2 178.8 mg/kg。

图4 3个典型地区岩屑特征污染物质量浓度Fig.4 Concentration of particular pollutants in cuttings from three typical oil-gas fields

可见，Ba和石油烃是3个典型地区岩屑中含量较高的特征污染物。其他特征污染物含量表现出一定的地区差异性。在3个典型地区岩屑中， Cr含量为西北>海南>西南；Cu含量为西北>西南>海南；Zn含量为西南>海南>西北；As含量为海南>西北>西南；Pb含量为海南>西南>西北。主要原因可能是不同地区地质构造和矿物组成不同所致。

2.3 特征污染物浸出浓度地区差异性

3个典型地区岩屑中特征污染物的浸出质量浓度见图5。由图5可知，西南地区Ba的浸出质量浓度最高，为0.22 mg/L，其次依次为Cu、Pb、Zn和As，浸出质量浓度分别为0.02、0.02、0.01、0.01 mg/L；西北地区Zn浸出质量浓度最高，为0.41 mg/L，其次为Ba、Cu，浸出质量浓度分别为0.23、0.04 mg/L；海南地区重金属浸出浓度依次为Ba、Zn、Cu、As、Pb和Cr。

图5 3个典型地区岩屑特征污染物浸出质量浓度Fig.5 Leaching concentration of particular pollutants in cuttings from three typical oil-gas fields

3个典型地区岩屑中特征污染物浸出浓度存在差异。除Pb外，其他污染物在西北地区浸出浓度相对较高，海南地区相对较低。说明西北地区岩屑中特征污染物相对易浸出，以Zn、Ba为主，海南地区特征污染物相对难浸出，可能与不同地区重金属赋存状态有关。浸出浓度均未超过GB 5085.3—2007限值，与文献[9]研究结果相似。

2.4 特征污染物地层分布特征

岩屑中特征污染物的含量和浸出浓度可能与钻井深度(地层)有关，以西北地区为例，研究了不同地层岩屑中特征污染物质量浓度及浸出质量浓度特征，结果分别见图6、图7。

图6 西北地区不同地层岩屑特征污染物质量浓度Fig.6 Concentration of particular pollutants in cuttings of different strata from northwest oil-gas field

图7 西北不同地层岩屑特征污染物浸出质量浓度Fig.7 Leaching concentration of particular pollutants in cuttings of different strata from northwest oil-gas field

由图6可知，岩屑中Ba、Cr、Zn和As 的含量在新生界中最高，Cu、Pb和石油烃的含量在上古生界中最高。上古生界是西北尤其是鄂尔多斯地区矿产能源共生或伴生的重要地层，因此可能造成Cu、Pb在该地层富集[12]。西北地区气田的含气层主要出现在上古生界，因此在该地层岩屑中石油烃含量最高。

图6显示Ba在各个地层中的含量均较高，可能是由水基钻井液中的添加剂引起，因为水基钻井液中常加入重晶石(硫酸钡)作为调节剂。图7显示岩屑中Zn和Ba的浸出浓度在各个地层中都高于其他重金属。Ba和Cr在新生界高于其他地层；Cu、As、Zn和Pb在上古生界岩屑中的浸出浓度较其他地层高。

3 结 论

(1) 油气田开采产生的岩屑中特征污染物为Ba、Cr、Zn、Cu、As、Pb和石油烃。

(2) 3个典型地区岩屑中Ba和石油烃含量较高。除Pb外，西北地区岩屑中各重金属浸出浓度高于其他地区；除Zn外，西南地区岩屑中重金属浸出浓度高于海南地区。

(3) 污染物在不同地层岩屑中的含量有明显差异，Ba、Cr、Zn和As在新生界中含量最高，Cu、Pb和石油烃在上古生界中含量最高。Cu、As、Pb和Zn的浸出浓度在上古生界最高，Cr和Ba的浸出浓度在新生界中最高。

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Researchonpollutioncharacteristicofwater-baseddrillingcuttingsoftypicaloil-gasfields

SHENXiaoli1,YANGJinzhong2,XUTianyou1,YANGYufei2.

(1.DepartmentofEnvironmentalEngineering，QuzhouUniversity,QuzhouZhejiang324000；2.ChinaResearchAcademyofScienceandTechnology,Beijing100012)

160 samples of water-based drilling cuttings were collected from typical oil-gas fields in northwest,southwest and Hainan of China. The contents and leaching concentrations of pollutants in cuttings were analyzed. The results indicated that the particular pollutants were Ba,Cr,Zn,Cu,As,Pb and petroleum hydrocarbon. The average contents of Ba and petroleum hydrocarbon were relatively higher than other pollutants，which were 1 907.8，1 625.8 g/kg，respectively. Contents of Zn,As,Cr and Ba were the highest in the Cenozoic,concents of Cu, Pb and petroleum hydrocarbon were the highest in Upper Palaeozoic in cuttings of northwest oil-gas field. Leaching concentrations of Cu, Zn, As and Pb in Upper Palaeozoic were higher than other strata,Cr and Ba were the highest in Cenozoic.

typical areas; water-based drilling cuttings; heavy metals; petroleum hydrocarbon; pollution characteristic

2016-12-16)

沈晓莉，女，1980年生，硕士，讲师，主要从事环境调查与监测方面的研究。#

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*国家环境保护公益性行业科研专项(No.201309023)；衢州学院中青年学术骨干资助项目(No.XNZQN201505)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.004