中国西南地区页岩气田水基钻屑理化性状与污染物分析①

高昊辰，张 春，张思兰，刘广明，周泽军，陈科平，何 勇，陈金林

中国西南地区页岩气田水基钻屑理化性状与污染物分析①

高昊辰1,4，张 春2，张思兰2，刘广明1*，周泽军3，陈科平2，何 勇3，陈金林4

(1 中国科学院南京土壤研究所，南京 210008；2 重庆市涪陵页岩气环保研发与技术服务中心，重庆 408000；3 中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司，湖北潜江 433124；4 南京林业大学南方现代林业协同创新中心，南京 210037)

从重庆市涪陵页岩气田采集水基钻屑样品，对其理化性质与主要可能污染物共24项指标进行检测分析，结果表明：水基钻屑具有碱性强、盐分高的特征；速效钾含量较高(805 ~ 7 650 mg/kg)，有效磷和碱解氮含量较低；可吸附有机卤化物(AOX)、矿物油、苯并[a]芘、粪大肠菌群值这4项主要有机污染物指标均符合GB/T23486—2009《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》要求；重金属含量均满足CJ/T 340—2016《绿化种植土壤》中的I级或II级标准，满足道路绿化带、工厂附属绿地土壤对重金属含量的控制要求。Hakanson潜在生态风险指数法定量评估揭示，该页岩气田水基钻屑中重金属存在“轻度”潜在生态风险，其中Hg和Cd为主要贡献因子。因此，该页岩气田水基钻屑存在绿地土壤化利用的可能。

水基钻屑；页岩气田；重金属；有机污染物

页岩气是赋存于富有机质泥页岩及其夹层中、以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主[1]。我国有着丰富的页岩气资源，已探明的页岩气可开采资源量与美国相当[2]。但目前我国页岩气的勘探开发还处于起步阶段，对页岩气开发的环境问题尚不能完全认清。随着我国页岩气开发规模的逐渐扩大，由其导致的一系列环境问题也受到社会的广泛关注[3-5]。水基钻屑作为页岩气钻井过程中产生的主要固体废物，由于其表面黏附泥浆及钻井辅料残液，因此其成分相对复杂，对其处理不当可能会导致一定的环境风险[6-7]。由于各国页岩气田的地质情况、开采方式与技术条件均有较大差异，导致了页岩气钻井产生的水基钻屑理化性质、污染物组分亦存在较大差别，国外对钻屑的处理方法难以照搬，而目前国内对于页岩气田水基钻屑的理化性质与污染物含量研究相对较少，尚无相应的统一标准。因此本研究以重庆市涪陵页岩气田水基钻屑为研究对象，调查分析其理化性状与主要可能污染物特征，为页岩气田水基钻屑的资源化利用和规范化管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

重庆市涪陵页岩气田位于四川盆地川东高陡褶皱带包鸾-焦石坝背斜构造区，西侧以华蓥山深大断裂为界与川中构造区相接，东侧以齐西深大断裂为界与鄂西断褶带相邻，北侧与秦岭褶皱带相接，是中国首个进行商业化开发的大型页岩气田，也是目前除北美外最大的页岩气田[8]。该区域主要土壤类型为紫色土和黄壤[9-11]，其地层岩性以泥岩和砂岩为主，部分区域以石灰岩为主[12]。

1.2 样品采集与分析

水基钻屑产生于二开钻井阶段，其主要来自于地下600 ~ 1 500 m的岩层。试验所用水基钻屑样品于2017年2月采自西南某页岩气田，共采集混合样品5个，样品A、B、C分别采自3个不同的钻井平台的干化水基钻屑堆弃场，样品D、E分别采自钻井平台振动筛出口处。采集的水基钻屑经自然风干后研磨过筛，对其主要理化性质、有机污染物、重金属含量等24项指标进行测定，具体指标及测定方法见表1。由于页岩气田与农田相邻，所处区域生态环境相对敏感，且国内缺少有关水基钻屑资源化利用的相应标准，因而本文参考了CJ/T 340—2016《绿化种植土壤》[13]与GB/T23486—2009《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》[14]对水基钻屑的主要可能污染物及其理化性质进行分析。

2 结果与讨论

2.1 水基钻屑的理化性质

按照CJ/T 340—2016《绿化种植土壤》检测水基钻屑的pH、容重、电导率等12项物理化学指标，结果见表2。

表1 检测项目及方法

表2 水基钻屑理化性质

水基钻屑从外观上看为灰白色固体，其有着碱性强、盐分高的特征，pH范围为8.6 ~ 10.0，各样品盐分含量均大于6 g/kg，在土壤盐渍化分级标准中属于盐土。根据国际制土壤质地分级标准对水基钻屑进行分级，样品A、C、D为砂质壤土，样品B、E为壤质黏土；除样品E的有机质含量低于CJ/T 340—2016《绿化种植土壤》中20 ~ 80 g/kg的技术要求外，其余样品均符合标准要求。从养分来看，水基钻屑的各项指标不完全满足CJ/T 340—2016《绿化种植土壤》中的技术要求，总体呈现出高钾、低磷、低氮的特点，其速效钾含量为805 ~ 7 650 mg/kg，各样品均高于标准中60 ~ 300 mg/kg的技术要求；有效磷含量为1.21 ~ 4.05 mg/kg，各样品均低于标准中5 ~ 60 mg/kg的技术要求；碱解氮含量为25.40 ~ 144.10 mg/kg，除样品B、D的碱解氮符合标准中40 ~ 200 mg/kg的技术要求外，其余样品均低于技术要求。

2.2 水基钻屑的有机污染物含量

水基钻屑中的有机污染物主要来自于钻屑表面附着的钻井液，而钻井液作为一种需要满足不同开采需求的循环流体其成分混杂，并含有多种高分子有机化合物与石油类物质，这些物质会同钻屑一并从地层带裹挟至地表。

本试验对于各样品的AOX、矿物油、苯并[a]芘、粪大肠菌群值4项主要有机污染物的含量进行了测定，结果见表3。水基钻屑有机污染物检测结果与GB/T 23486—2009《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》比对，各样品各指标均符合标准要求。总体来看，取自钻井平台振动筛出口的样品D、E其AOX与矿物油两项指标显著高于干化水基钻屑样品A、B、C，这可能与样品A、B、C进行了除振动筛外额外的固液再分离程序，降低了钻屑表面附着的泥浆量有关。

表3 水基钻屑主要有机污染物含量

2.3 水基钻屑的重金属含量与潜在生态风险评估

2.3.1 水基钻屑的重金属含量 水基钻屑中的重金属一方面来自于地层本身，另一方面则来自于钻井液添加剂(如重晶石)，其重金属含量会受开采地点地层特点与钻井液成分等多方面的影响。

本研究水基钻屑的重金属含量测定结果见表4。各重金属含量范围分别为：Hg为0.15 ~ 0.63 mg/kg，As为2.12 ~ 10.70 mg/kg，Pb为0.63 ~ 4.42 mg/kg，Cr为39.4 ~ 89.7 mg/kg，Cu为4.6 ~ 23.4 mg/kg，Zn为56.0 ~ 219.0 mg/kg，Ni为5.0 ~ 26.6 mg/kg，Cd为0.134 ~ 0.406 mg/kg。参考并比对CJ/T 340—2016 《绿化种植土壤》中的重金属含量技术要求，样品A的Hg、Zn达到II级标准，其余指标均符合I级标准；样品B、C、D、E的各项重金属指标均符合I级标准，即适用于水源涵养林等属于自然保育的绿(林)地。

表4 水基钻屑重金属含量(mg/kg)

2.3.2 水基钻屑重金属潜在生态风险评估 瑞典科学家Hakanson[15]于1980年根据重金属的生态效益、环境行为，建立了一套评估重金属污染潜在生态风险的方法，该方法能更好地反映重金属元素的潜在生态危害[16]。其计算公式为：

表5 重金属潜在生态危害分级标准[15]

本次评价共包含Zn、Cr、Cu、Pb、Ni、As、Cd、Hg共8种元素，其中除去Hakanson[15]已给出的7种元素的毒性响应系数外，根据徐争启等[17]的研究结果增加了Ni的毒性响应系数，同时将GB 15618—1995《土壤环境质量标准》[18]中的一级标准值作为为参比值进行水基钻屑中重金属潜在生态风险评估。各评价因子的毒性响应系数及参比值见表6。

表6 评价因子的毒性响应系数及参比值

从表7中可以看出，水基钻屑中重金属元素的潜在生态风险等级为“轻度”，单项潜在风险中除Hg达到“较重”水平外，其余各重金属元素的风险等级均为“轻度”，8种重金属潜在风险系数大小排序为Hg>Cd>As>Cu>Ni>Cr>Zn>Pb，其中Hg和Cd是水基钻屑中重金属污染风险的主要贡献因子，分别占总潜在生态风险指数的66.20% 与25.95%，其余重金属元素对污染风险的贡献较小，只占潜在生态风险指数的0.77% ~ 2.76%。

表7 水基钻屑中重金属的潜在污染评价

3 结论

1) 水基钻屑具有碱性强、盐分高、高钾、低磷、低氮的特点，如将水基钻屑进行绿地土壤化利用需对其进行盐分淋洗，并增施氮磷养分。

2) 水基钻屑中可吸收有机卤化物(AOX)、矿物油、苯并[a]芘、粪大肠菌群值4项主要有机污染物指标均符合GB/T23486—2009《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》要求。水基钻屑进行的固液分离工序可能对于降低其AOX、矿物油等污染物的含量有一定作用。

3) 水基钻屑中重金属含量均符合CJ/T 340—2016《绿化种植土壤》中的I级或II级标准，满足道路绿化带、工厂附属绿地土壤对重金属含量的控制要求。

4) Hakanson潜在生态风险指数法定量评估揭示，该页岩气田水基钻屑中重金属存在“轻度”潜在生态风险，其中Hg和Cd为主要贡献因子。

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Analysis of Physiochemical Properties and Pollutants of Water-Based Drilling Cuttings in Shale Gas Field near Southwest China

GAO Haochen1, 4, ZHANG Chun2, ZHANG Silan2, LIU Guangming1*, ZHOU Zejun3, CHEN Keping2, HE Yong3, CHEN Jinlin4

(1 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 Chongqing Environmental Protection Center for Shale Gas Technology & Development, Chongqing 408000, China; 3 Jianghan Oil-field Branch Company, SINOPEC, Qianjiang, Hubei 433124, China; 4 Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

The samples of water-based drilling cuttings were collected from shale gas fields of Fuling in Chonging, and their physiochemical properties and the main possible pollutants (24 items) were tested and analyzed. Results indicated that water-based drilling cuttings had the features of strong alkalinity and highly salinity; the content of potassium was relatively high (805-7 650 mg/kg), and the contents of phosphorus and nitrogen were relatively low; absorbable organic haloid, mineral oil, benzo-a-pyrene and fecal coliforms all met the requirements of Mud Used in Landscape of Urban Sewage Treatment Factory GB/T23486—2009; the contents of heavy metals all met the requirements of Green Planting Soil CJ/T 340—2016 Level I or Level II, and they met the control requirements of heavy metal contents for green belts on street and soil in the factory. Hakanson potential ecological risk index revealed that there was a “mild” potential ecological risk of heavy metals in water-based drilling cuttings in shale gas fields near Southwest China. Hg and Cd were the main contributors. Water-based drilling cuttings in shale gas fields of Fuling in Chongqing have the potential to be used for soil utilization in the green area.

Water-based drill cuttings; Shale gas fields; Heavy metals; Organic pollutants

重庆市科委–社会事业与民生保障科技创新专项重点研发项目(cstc2017shms-zdyfx0033)和江苏省重点研发计划项目(BE2017389, BE2018759)资助。

gmliu@issas.ac.cn)

高昊辰(1994—)，男，安徽芜湖人，硕士研究生，主要从事盐渍土改良、绿化方面的研究。E-mail: ghcnfu@foxmail.com

X741；S15

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.06.017