海南水基钻屑中典型元素分布及其铺垫井场后对地下水的影响
2023-11-30包为磊罗飚姚光远舒辉秀周奇孙英杰黄启飞
包为磊,罗飚,姚光远,舒辉秀,周奇*,孙英杰,黄启飞
1.青岛理工大学环境与市政工程学院
2.国家环境保护危险废物鉴别与风险控制重点实验室, 中国环境科学研究院
3.中国石油大港油田分公司第三采油厂
水基钻屑是油气开采过程中由废水基钻井液携带泥沙及岩石碎片返排至地面而形成的[1],单井产量可达800~1 000 m3[2],是油气开采行业产量最大的废物,其污染特性随地层特性[3]、预处理方式[4]、钻井液药剂种类及用量[5]不同而有所不同,通常携带有重金属、石油烃及无机盐类等污染物。生态环境部于2021 年12 月发布公告,将水基钻屑列入《危险废物排除管理清单(2021 年版)》。目前,水基钻屑按照一般工业固体废物进行管理。海南省地理位置特殊,四面环海,不利于水基钻屑外运处理,而传统处理处置方式如堆存或填埋等会占用海南省宝贵的土地资源。因此,为了减缓海南岛内固体废物处置压力,亟须对水基钻屑进行资源化利用[6]。
已有诸多学者对水基钻屑的资源化利用开展了研究。例如,Liu 等[7]将水基钻屑用作补充胶凝材料以代替10%的水泥原料,在830~870 ℃下煅烧28~32 min,成品28 d 抗压强度可达47 MPa。Yang等[8]将经过盐酸改性的水基钻屑用于制备轻质陶粒支撑剂,当盐酸浓度为1.5 mol/L 时,添加30%改性水基钻屑所得产品符合SY/T 5108—2014《水力压裂和砾石充填作业用支撑剂性能测试方法》。Liu 等[9]掺入50%水基钻屑制备免烧砖,其强度符合GB/T 2542—2012《砌墙砖试验方法》M10 标准的要求。然而,水基钻屑资源化的实际应用还需要进一步研究。
水基钻屑用于铺垫井场,工艺简单,可替代部分用土及节约运输费用,是能有效消纳水基钻屑的重要利用途径[10]。但与此同时,水基钻屑中存在一定量的有害元素[11],铺垫井场后由于老化、淋溶、浸泡等外部作用,这些元素可重新释放到环境中[12-14]。已有学者对我国西南、西北等地区水基钻屑的污染特性进行了报道[3,5,15-17]。海南地区地质结构特殊,浅层(2 000 m)以上以砂岩为主,钻井时难以胶结,钻井液易滤失,深层(2 000 m)以下则以泥岩为主,极不稳定,易发生水化膨胀导致坍塌[18]。为确保钻井顺利进行,针对地层特点,海南地区油气田常配制专用聚合物体系及聚磺体系钻井液用于钻井[19],这导致海南地区水基钻屑所含有害元素与其他地区可能存在差异。因此,为确保水基钻屑铺垫井场的环境安全性,需要准确了解其元素分布及铺垫井场的环境影响。笔者采集海南福山油田水基钻屑,分析其元素浓度及浸出毒性,并通过Texas 模型及现场地下水检测验证其直接用于铺垫井场的环境风险,以期为水基钻屑的资源化利用提供理论支撑和参考。
1 材料与方法
1.1 样品采集
选取海南福山油田5 口典型钻井,根据各钻井平台的钻探深度进行采样,确保每个地层至少采集1 个样品。对大于200 m 的地层,每200 m 再增设1 个采样点,采样范围为5~3 520 m。由于各钻井钻探深度不同,分别在福山油田花107-94、永5-5X、朝15X、永8-25X 和花140X 井采集17、17、16、16和19 个样品。本研究中所有钻井水基钻屑不落地处理方式参照周奇等[1]的研究。花107-94 及朝15X 井样品采集于板框压滤机处,样品呈黑色块状,其他钻井采集自二级振动筛处,样品呈黑色泥沙状。同时按照HJ/T 20—1998《工业固体废物采样制样技术规范》的规定对水基钻屑进行采集和保存。
1.2 样品分析
对水基钻屑毒性物质浓度进行测定时,将水基钻屑在100 ℃下烘干,再经破碎、研磨,过100 目筛制得粉末状样品。按照HJ 803—2016《土壤和沉积物 12 种金属元素的测定 王水提取-电感耦合等离子体质谱法》制备消解液用于分析Ni、Sb、Pb、Mo 和Ba 浓度,称取0.100 g 样品并加入6 mL 盐酸-硝酸混合溶液(HCl∶HNO3=3∶1),用电热板加热至微沸状态保持2 h,消解液冷却后过滤并定容至50 mL,用电感耦合等离子体质谱仪(NexION 1000,珀金埃尔默,美国)进行测定。按照HJ 1080—2019《土壤和沉积物铊的测定 石墨炉原子吸收分光光度法》制备消解液分析Tl 浓度,称取0.200 g 样品于聚四氟乙烯坩埚中,用2~3 滴水润湿后加入10 mL 硝酸及3 mL 氢氟酸,加盖于180 ℃下消解至无明显黑色物质,然后开盖赶酸,待液体蒸至近干时取下坩埚,稍微冷却后加入0.5 mL 硝酸溶解可溶性物质,待冷却至室温,将消解液转移并定容至50 mL,用原子吸收光谱仪(ICE3500,赛默飞,英国)进行测定。按照HJ 680—2013《土壤和沉积物 汞、砷、硒、铋、锑的测定 微波消解/原子荧光法》制备消解液用于分析Hg、As、Se 浓度,称取0.200 g 样品并用2~3 滴水润湿后加入6 mL 盐酸及2 mL 硝酸,将样品移入消解罐后放入微波消解仪,设置升温程序(100 ℃保温2 min,150 ℃保温3 min,180 ℃保温25 min,每次升温间隔为5 min),消解完成后待提取液冷却,过滤并定容至50 mL,采用原子荧光光度计(AFS-8220,北京吉天仪器)进行测定。
对水基钻屑浸出毒性及地下水进行测定时,水基钻屑浸出液按照HJ/T 299—2007《固体废物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》进行制备,先用浓硫酸-浓硝酸混合溶液(浓硫酸∶浓硝酸为2∶1)配置pH 为3.20 的浸提剂,再称取200 g 未干燥水基钻屑,按液固比10∶1 加入适量浸提剂,于翻转振荡器上以30 r/min 的速度常温振荡18 h,用压力过滤器过滤并收集浸出液。按照HJ 700—2014《水质 65 种元素的测定 电感耦合等离子体质谱法》采用电感耦合等离子体质谱仪(NexION 1000,珀金埃尔默,美国)分析样品Ni、Sb、Pb、Tl、Mo 和Ba 浓度,按照HJ 694—2014《水质 汞、砷、硒、铋和锑的测定 原子荧光法》采用原子荧光光度计(AFS-933,北京吉天仪器)分析样品As、Se 和Hg 浓度。所有元素检出限如表1 所示,采用空白样、平行样、准确度的测定等方法进行质量控制或质量保证。消解液样品准确度的测定中Hg、As、Se、Tl 采用标准物质GSS-24 进行测定,Ni、Sb、Pb、Mo、Ba 采用标准物质GSS-7 进行测定,所有目标元素的相对偏差均小于10.0%。浸出液和地下水样品准确度的测定中,Hg、As、Se、Sb、Mo 分别采用标准物质B2101088、20452、B203720、Sb204909、Mo2103326 进行测定,Ni、Pb、Tl、Ba 采用标准物质21D2691 进行测定,所有目标元素的相对偏差均小于10.0%。所有样品进行2 组平行测定,其相对偏差小于20.0%。空白样检测结果均低于检出限。
表1 水基钻屑消解液、浸出液及地下水样品中典型元素检出限Table 1 Detection limit of typical elements in waterbased drilling cuttings digestion solution,leaching solution and groundwater samples mg/L
1.3 井场铺设
考虑到水基钻屑运输、铺垫及潜在环境风险等问题,本研究选择花131X 井场为铺垫井场研究对象,其位于海南省澄迈县,周边地势开阔,现场方正,适合水基钻屑运输、铺垫及跟踪监测验证。且其邻近海边,地下水水位较高(约为10 m),理论上具有更高的潜在环境风险。
水基钻屑运往试验井场后均匀铺垫于试验井场地面,通常铺垫层厚度约为50 cm,后于铺垫层上覆盖约20 cm 厚的表土用于井场绿化,铺设面积约为11 200 m2,水基钻屑正常不会通过皮肤接触和吸入扬尘等形式危害人体健康,故本次研究主要考虑水基钻屑垫层经降雨淋溶后污染物迁移至地下水的影响。
沿试验井场地下水流向,分别于铺垫试验井场上游50 m、厂区内、井场下游50 m 处各设置1 个地下水检查井。参照GB 18599—2020《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》,封场后地下水监测频次至少每半年1 次,试验井场地下水潜水层位于第四系,深度约为10 m,包气带岩性以红壤及砂质土为主[20-21],渗透系数为0.204 m/d[22],计算可知渗滤液需约2 个月时间进入地下水。此外,水基钻屑中重金属的释放与液固比及浸出时间息息相关[23],铺垫井场工作结束于7 月,海南降水主要集中于5—10 月,月均降水量可达200~350 mm,总降水量达全年的76.6%[24]。故选择于10 月采集地下水样品。样品用棕色塑料瓶采集至地下水潜水面下0.5 m 处,按照HJ 164—2020《地下水环境监测技术规范》的规定进行采集和保存。
1.4 环境影响评价方法
选用美国德克萨斯州立大学水资源研究中心建立的有害物质迁移模型(Texas 模型)[25]计算水基钻屑铺垫井场所存在的潜在环境影响。通过下式计算污染物在取水井中的浓度:
式中:Cwell为污染物到达取水井的浓度,mg/L;Csource为污染物在污染源处的浓度,mg/kg;DAF为污染物从污染源到达取水井的自然稀释衰减系数,kg/L。
在Texas 模型中,污染物从污染源到取水井的自然衰减过程被简化为2 个阶段:1)污染物经淋溶后,从污染源经过包气带渗透到含水层中,期间污染物通过扩散、土壤吸附等作用发生稀释;2)污染物进入地下水并迁移至取水井,期间通过扩散、降解等作用,污染物发生稀释衰减。整个过程的DAF可按照下式计算:
式中:DF为稀释因子,kg/L,代表第一阶段污染源至地下水混合带过程中污染物的稀释;AF为衰减因子,无量纲,代表第二阶段地下水混合带至取水井过程污染物的稀释衰减。其中按照风险最大化原则考虑,假定取水井位于井场附近,忽略污染物从地下水混合带到取水井的稀释衰减作用,则可认为AF的取值为1,DAF=DF。
此外,考虑风险最大化原则,假设污染物从污染源垂直迁移至地下水混合带,不考虑污染物在土壤之中的横向迁移,则可以通过下式计算DF:
式中:Ugw为地下水达西速率,cm/a;If为土壤中水的渗透速率,cm/a;δgw为地下水混合区厚度,m;H'为亨利常数,无量纲;ρb为土壤容重,kg/dm3;θws为毛细管孔隙水体积比,无量纲;θas为毛细管层孔隙空气体积比,无量纲。以上参数参照HJ 25.3—2019《建设用地土壤污染风险评估技术导则》,取值分别为2 500 cm/a、30 cm/a、2 m、0、1.5 kg/dm3、0.342和0.038。L1为水基钻屑铺垫厚度,m,经现场实测约为0.5 m;L2为地下水深度,m,经现场实测约为10 m;Ws为混合区横向距离,m,根据现场地下水流速及井场形状近似取值为150 m;Kd为固液分配系数,cm3/g。
2 结果与讨论
2.1 水基钻屑中典型元素的浓度
水基钻屑中典型元素测定结果如表2 所示。所有检测项目中位值均未超过GB 36600—2018《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》第二类用地筛选值,但Ba、Pb、Tl、As 浓度相对较高,可作为水基钻屑的特征污染物。其中Ba 浓度最高,可达47 900 mg/kg,这是由于钻井液为了保持一定的密度而添加了一定的重晶石(BaSO4)作为加重剂[26]。不同钻井之间Ba 浓度差异较大,可能是不同钻井钻探深度具有差异性,深度不同导致地层压力不同,添加了不同量的重晶石粉以调节钻井液密度[16]。花107-94 与朝15X 井元素浓度高于其他钻井,可能是由于其他钻井水基钻屑经过淋滤冲洗+振动筛去除了部分固相和钻井液,导致元素浓度降低,也有研究表明压滤脱水的处理方式将导致元素在水基钻屑中累积[27]。此外,Ni、As 浓度与海南省土壤背景值相差不大,Hg 浓度低于海南省土壤背景值,表明这3 种元素主要来源于地层[28];而花107-94 及永5-5X 井分别有56.3%和62.5%的样品Se 浓度超过海南省土壤背景值,这可能是由于钻井当地地层母质中含有丰富的Se 元素[29]。Pb 浓度处于较高水平(最高可达533 mg/kg),这可能是由于钻井液所使用的润滑剂中含有一定量的含Pb 添加剂[30]。
表2 各钻井平台水基钻屑中典型元素浓度Table 2 Concentrations of typical elements in water-based drilling cuttings from each drilling platform mg/kg
本研究中,各元素浓度随采样深度不同而变化明显(图1)。采用Spearman 相关系数分析各元素与采样深度的相关性,并将相关显著性和极显著性水平分别设置为P<0.05 和P<0.01。其中,花107-94 及永5-5X 井的Ba 浓度与采样深度呈极显著正相关,Pb 浓度与采样深度分别呈极显著和显著正相关;朝15X、永8-25X、花140X 井的As、Se、Sb、Pb、Hg、Mo 和Ba 浓度分别与采样深度呈显著或极显著正相关,这表明该区域不同地层中元素的浓度差异较大;Ni 浓度随着采样深度增加而下降,其中永8-25X 井中Ni 浓度与采样深度的负相关性显著。这些结果表明,不同钻井中地层对各元素浓度的影响较为复杂[32]。
图1 各元素浓度随深度的变化规律Fig.1 Variation of the contyent of each element with depth
比较了本研究水基钻屑中各元素浓度与国内外其他区域的差异性(表3)。结果表明,与国内其他地区相比,本研究中Ni 浓度仅明显低于大牛地气田,而与其他地区类似;As 和Pb 浓度相比其他地区则处于较高水平;相比大牛地气田,本研究中Se 和Tl 浓度较高,Sb 浓度较低。而与国外不同地区相比较,本研究中Ba 浓度低于波兰及北海油田地区而高于美国加州南部地区,其中北海油田Mo 浓度与本研究结果相近,而波兰及美国加州南部地区Pb 和Hg 浓度与本研究类似;沙特阿拉伯和意大利近海地区所测得的元素浓度均低于本研究。综上,由于不同地区地层结构及钻井工艺的差别,可能导致了不同区域钻井的水基钻屑重金属浓度的差别。
表3 不同地区水基钻屑中典型元素浓度Table 3 Typical element content of water-based drilling cuttings in different regions mg/kg
2.2 水基钻屑中典型元素的浸出特征
考虑最不利条件,参照HJ/T 299—2007《固体废物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》模拟酸雨淋溶状态下水基钻屑典型元素的释放,结果如表4 和表5所示。与GB/T 14848—2017《地下水质量标准》Ⅲ类限值相比,Pb、Tl 和As 的超标率较高,分别为36.5%、17.5%和17.5%。整体上,各元素的浸出率处于较低水平,大部分样品中典型元素的浸出浓度低于相应的检出限,这可能是由于钻屑中元素受到了钻井液中油类润滑剂和渗漏的凝析油的包覆和缓释作用的强烈影响[41]。As 的浸出率较高,这可能是由于其在水基钻屑中部分以铁锰氧化物的形式存在,酸性条件下形成可溶性As[36]。Pb 的浸出率较低,这与Wang 等[2]研究结果相似,可能是浸提剂中含有的SO42-与Pb 形成难溶的PbSO4,导致浸出受阻。Ba 虽浓度最高,但浸出率却极低,这可能是由于Ba 主要以BaSO4的形式存在,而BaSO4溶度积(Ksp)为10-10,几乎不溶于水[42]。各钻井水基钻屑中典型元素的浸出特征表明,典型元素的总浓度难以表征其有效释放。
表4 各钻井平台水基钻屑中典型元素的浸出浓度Table 4 Leaching concentrations of typical elements in water-based drilling cuttings at each drilling platform mg/L
表5 水基钻屑中典型元素的浸出率及超标率Table 5 Leaching rate and excess rate of typical elements in water-based drilling cuttings %
比较了本研究结果与国内外不同区域水基钻屑中典型元素的浸出浓度的差异性(表6)。结果表明,相比国内其他地区,本研究中Ni、As、Ba 浸出浓度与渤海地区相似,Se 浸出浓度低于大牛地地区,但高于其他地区;Pb 浸出浓度低于新疆地区而高于涪陵、川南、长宁、渤海及大牛地地区;Hg 浸出浓度高于涪陵、渤海地区,但低于新疆和大牛地地区。与国外地区相比,本研究中Sb 和Tl 与北海油田类似,大部分处于未检出状态,而Tl 的最高浸出浓度略小于北海油田;对比其他地区,本研究中Ni 和Pb 浸出浓度相对巴西较低,同时Ba 和Pb 的浸出浓度远小于伊朗南部地区。整体上,海南水基钻屑中典型元素的浸出浓度处于中等水平。
表6 不同地区水基钻屑中典型元素的浸出浓度Table 6 Leaching concentrations of typical elements in water-based drilling cuttings in different regions mg/L
2.3 铺垫井场后对地下水的环境影响
2.3.1 基于模型的评估
参照相关文献[51],本研究Ni、As、Se、Sb、Pb、Hg、Tl、Mo 和Ba 的Kd分别取值为15.8、25.1、2.2、44.7、10.0、52.0、43.7、20.0、11.0 cm3/g,将其代入式(3),计算得出各元素的DF为679、1 070、103、1 896、432、2 205、1 853、852 和473。将计算结果代入式(1)和式(2),Csource根据风险最大化原则取所有组分的最大有效浸出浓度,则各井场Cwell计算结果如表7 所示。所有计算结果均低于GB/T 14848—2017 Ⅲ类限值,表明使用水基钻屑进行铺垫井场过程中重金属对环境的影响较小。然而,本研究模型参数大多参考国内外相关文献进行取值,这可能与现场实际情况有所差异。另外,水基钻屑的浸出毒性受地层情况及钻井工艺的影响较大,这导致实际情况有所偏差。
表7 各井场Cwell 计算结果Table 7 Calculation results of Cwell values of each drilling site mg/L
2.3.2 基于现场监测的评估
表8 为铺垫试验井场地下水监测结果。各元素均未超过GB/T 14848—2017 Ⅲ类限值,大部分元素的浓度低于检出限。这进一步表明,使用水基钻屑铺垫井场对地下水的环境风险较小。然而需要注意的是,各元素的释放是个缓慢的过程,仍需对铺设后的地下水进行长期监测。
表8 试验井场地下水监测结果Table 8 Groundwater monitoring results of the experimental drilling sites mg/L
3 结论
(1)海南省不同钻井的水基钻屑中典型元素的浓度差异较大,受到采样深度的较大影响。水基钻屑中Ni、As、Sb、Pb 和Hg 的浓度均未超过GB 36600—2018 第二类用地规定的风险筛选值,但Pb 和As 的浸出浓度存在超出GB/T 14848—2017Ⅲ类限值的现象。由于受钻井过程中人为添加的影响,水基钻屑中Ba 浓度较高,但其浸出浓度较低,未超出GB/T 14848—2017 Ⅲ类限值。
(2)基于Texas 模型及现场监测的评估结果表明,海南水基钻屑用于铺垫井场对地下水的环境风险较小,均可接受。但仍需对铺垫井场后的地下水开展长期监测。