油气田废弃钻井液对生态环境的影响评价研究.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9 年4 月第 3 1 卷第2 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I A p r ． 2 0 0 9 V o l 3 1 N o 2 油气 田废 弃钻井液对 生态环境 的 影响评价研究 王 蓉 沙 ， 三 苎 ， 谢 水 祥 中 国 石 油 集 团 安 全 环 保 技 术 研 究 院 ， 北 京2h- 4 丌 u ／ x ， 刘 晓辉 ‘ ⋯ ⋯⋯ ～⋯1 0 0 0 8 3 [ 摘 要] 针对废弃钻井液带来的环境 问题 ，提 出了废弃钻 井液 的环保性能评价指标及评价方 法，同时指 出 钻井液添加剂是废 弃钻 井液的主要污染源 ，认 为使 用新型钻 井液添加 剂及 钻井液体 系的研 究仍是我 国石 油行 业需要探 索和 解决的一个难题。 [ 关键词]废 弃钻井液 ；生态环境 ；影响；评价指标 ；污染源 [ 中图分 类号 ]TE 9 9 1 ． 3 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 0 9 0 2 0 1 5 2 0 5 根据中国石油天然气集团公司的调查，全国油气田每年产生废弃钻井液约 1 0 0 1 0 t ，其 中大部分没 有进行有效处理。近年来，随着油田开采程度的不断深入，对具有特殊功能的钻井液的需求越来越多，其 化学添加剂的种类和数量呈大幅度增加 ，使得废弃钻井液的成分越来越复杂。因此，对废弃钻井液给周围 的土壤环境 、地下水、地表水等产生的影响进行分析和评价，对保护油田生态环境有重要的指导作用。 1 废弃钻井液的环保性能评价指标与评价方法 废弃钻井液在 生态环境 中的最 终存在状 态为 固态 。这类 固态物质 以粘土矿物 和岩屑为 主 ，在形成时这 些物质 已经 吸附了相 当数量 的钻井液添加剂成分 ， 而钻井 液添加 剂中相 当一 部分属于 自然 界 中不 存在 的物 质 ，是在非 自然条件下形 成的 ，因此 ，进入环境 时肯定 会影 响到 物质的 自然循 环过程 。在 潮湿多水 的环境 下 ，废钻井液 长期 保持流体 状态或膏状物 ，在干旱缺水环 境下 ，废弃 钻井液表层 固结 ，内部松 软 。然而无 论流体状还是固体状，粘土矿物颗粒所吸附的有害物都将 以水体或固体的污染途径影响环境 。根据文献 [ 1 ]和文献 E 2 3提出的钻井液及其添加剂环保性能评价指标和分析方法，对常见废弃钻井液及其添加剂 的环保性能开展监测 分析 ，从 而评 价其对 生态环境 的影响 。评价指标与分析方法见表 1 。 表 1 钻井液添加剂和体 系的环保性 能评价指标与分析方法 [ 收稿日期]2 0 0 81 2 1 0 [ 基金项 目]中国石油天然气集团公司重大科技项目 2 0 0 8 D - 4 7 0 2 1 。 [ 作者简介]王蓉沙 1 9 6 0一 女 ，l 9 8 2年大学毕业 ，硕士 ，副教授 ，现 主要从事油气田环境保护技术研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1 卷第 2期 王蓉沙等 油气 田废 弃钻 井液对生态环境 的影响评 价研究 2 废弃钻井液的主要污染源 钻井液添加剂是废弃钻井液的主要污染源。笔者对油 田使用频率较 高的 1 9种钻井液添加剂进行 了 重金属含量 、生物毒性和生物降解性分析。采用 G B 1 5 6 1 8 1 9 9 5 土壤环境质量标准 规定 的指标和分 析方法 ，对重金属含量 总镉 、总汞、总铅 、总铬 、总砷进行了分析 ；采用发光细菌法对其生物毒性 进行评价 ，认为当 E C 。 值大于 3 0 0 0 0 mg ／ L为无毒 ；采用 B OD ／ C OD 的比值法评价其生物降解性 ，当 B OD ／ C OD c 的比值大 于 1 O ％为可生物降解，小于 1 O 则难降解 。评价结果见表 2 。 表 2 常用钻井液添加剂 的环保 性能综合 评价结果 从 表 2可知 ，1 9种 常用 钻井 液 添加 剂 中 ，只 有 4种 是 环 境 可接 受 的 ，仅 占 2 1 。由此 可 见废 弃 钻 井 液污 染生 态环 境 的一个 主要 原 因是 由于加 人 了对 环境 有 影 响 的添加 剂 。 3 废弃钻井液对 生态环境 的影响 分析 3 ． 1 无机 盐类 废弃 钻 井液 导致 土壤 盐 渍化 钻井作业中由于钻进工艺的需要常常要使用盐水基钻井液 ，这类废弃物 由于有严格的处理规定 ，要进 行专 门的脱盐 处理方 可排入环 境 ，一 般不会 引发环境 问题 。而 钻进 中大 量使用 的淡水 基钻 井液所 引起 的潜 在盐 污染则常 常被忽视【 3 ] 。事 实上 ，以淡水作为基 础连续 相 的钻 井 液 由于各 种添加 剂的 影响 ，常常会 导致 体系的总矿化度升高 ，钻井液在循环使用过程中亦会溶解部分地层中所含有的无机盐类，造成钻井液水相 部分 的矿化度 升高 。对 某油 田的废弃 钻井液 总盐量 、硫酸盐 和氯化 物进行 分析 ，结果见 表 3 。 表 3废 弃钻 井液中污染物浓 度分析 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9年 4月 氯化物测定结果显示，现场使用的淡水基钻井液滤液中氯化物含量一般4 0 O mg ／ L，多数井的氯化 物含量 1 0 。 mg ／ I 。在 GB 5 0 8 4 ～ 9 2规定 中，明确 限定了农灌水的 C l 一应≤2 5 0 mg ／ L，长期采用高含盐 C I 一 5 0 0 rag ／ L 水灌溉农 田，将使土壤溶液的渗透压增大，土体通气性 、透水性变差， 土壤变硬进而 板结 、龟裂，养分有效性降低 ， 植物难以从土壤 中吸收水分导致不能正常生长，严重时致使土壤无法返 耕，最终加速土壤的盐碱化程度，造成土壤的浪费，生态环境破坏。特别是对于一个具有一定规模 、井 位比较集中的油 田，由于钻井液使用总量巨大，这种影响更不可低估 ，当油 田进行相当一段时间的开发 后，会将数千吨当量的盐类分散至地面 。油 田所在地域常见的局部盐碱化土壤带与此不无关系[ 1 ] 。根据 水 文统 计 资料 ，世 界河流 的平 均 含 盐量 为 1 0 0 mg ／ L左 右 ，我 国一般 为 1 0 0 ～ 2 0 0 mg ／ L，显 然 ，钻 井 废 液的含盐背景值要高出环境背景值数倍 ，具有引发潜在污染的可能。同时通过开展的废弃钻井液污染影 响的土柱淋滤实验研究表明石油勘探开发区土壤的可溶性盐分容易随废弃钻井液一起下渗迁移；石油 勘探开发区的土壤对废弃钻井液中的盐分有一定的吸附截留能力，但这种吸附截留能力很有限，使得盐 分 可随 水分一起 下渗迁 移而进 入深层 土壤 或地下 水 中；含盐废 弃钻井 液 的外排 和下 渗 ，既是 土壤淋洗脱 盐 的过程 ，又是 盐分不 断输入 土壤 的过程 ，对土 壤剖面 和地下水 的盐 分含 量有 较大影 响 。 3 ． 2 废 弃钻 井液 中重金属 污染 导致土壤 中重金属 富集 重金属是伴随钻井液添加剂 、基础添加材料 如低品质的重晶石进人体系的，也可能是随钻屑由 地 层 中携 带出来 的 ，重金属 主要 包括汞 、铬 、镉 、铅 、砷 等几种 。表 4列 出不 同地 区不 同井位废 弃钻井 液 中重 金 属含量 。 表 4 废弃钻井液 中重金属含量检测结果 m g ／ k g 样品号 C d Hg P b C r As 超标金属 液 1 液 2 液 3 液 4 液 5 液 6 液 7 液 8 O ． 2 5 0 ．1 2 O ．1 3 0 ． 0 8 0 ．1 3 O ．1 3 0 ． 8 2 1 ． 3 5 0 ． 6 0 ． 35 2 6 ． 91 3 ． 04 0 ． 21 5 0 ． 2 8 5 0 ． 2 2 5 0 ． 3 7 0 ． 0 3 5 1 ． O Cr Cr Cd Cd Pb 土壤环境质量标准 GB 1 5 6 1 8 - 1 9 9 5 二级 通 过对全 国 不 同地 区 油 田废 弃 钻 井 液 分 析 可 知 ， 汞 、铬 、镉 、 铅 及 砷 存 在 不 同 程 度 地 超 出 GB 1 5 6 1 8 1 9 9 5 土壤环境质量标准二级 p H值7 ． 5 中重金属的指标要求 。废弃钻井液中重金属 多 以 吸附态 、络合态 、碳酸盐 态和 残渣态 存在 ，它 的最 终归 宿是 土壤 ，因此 土壤 成 了所 有污染物 的最终 承载体 。对于重金属而言，由于它在土壤 中一般不易因水的作用而迁移 ，亦不可微生物降解，而且不断 积 累 ，并 有可 能转化 为毒性更 大 的甲基类 化合物 ，因此 重金属 污染 是一 种终 结污染 。土壤 中重金 属积 累 到一定程度就会对土壤一 植物系统产生毒害，不仅导致土壤 的退化 ，农作物产量和品质 的降低，而且通 过径流和淋洗作用污染地表水和地下水，恶化水文环境 ，通过直接接触食物链等途径危及人类的生命和 健康。尤为严重的是重金属在土壤系统中的污染过程具有隐蔽性、长期性和不可逆性的特点 。同时还有 明显的累积性，可使污染的影响持久和扩大 。据有关资料报道，全国每年就 因重金属污染而减产粮食 1 0 0 0多万吨 ，另外被重金属污染的粮食每年也多达 1 2 0 0万吨 ，合计经济损失至少 2 0 0亿元L 4 ] 。 土壤 中汞 的存 在形态 有无 机态 与有机 态 ，并 在一定 条件下 相互转 化 。无机 汞虽 然溶解 度低 ，但在 土 壤 微生 物作 用下 ，汞可 以向 甲基 化 方 向转 化 。在 富 氧 条件 下 主要 形 成 脂 溶 性 的 甲基 汞 ，可被 微 生 物 吸 收 、积 累 ，进而转 入 食物链 造 成对人 体 的危 害 ；在 厌氧 条件 下 ，主要 形 成二 甲基 汞 ，在 微 酸性 环境 下 ， 二 甲基 汞可转 化为 甲基汞 。汞对 植物 的危 害因作物 的种类 而不 同 。汞在一 定浓度 下使 作物 减产 ，在较高 浓度 下甚 至使 作物死 亡 。 土 壤 中镉 的存在 形态 分为水 溶性 镉和非 水溶性镉 。水 溶性 镉能被 作 物吸 收 ，对 生物危 害大 。而非水 魄 № 0 6 1 9 O 9 7 1 5 6 8 9 5 Z 3 1 2 2 7 2 5 6 8 0 7 3 4 2 2 1 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 l卷第 2 期 王蓉沙等 油气田废弃钻 井液对生态环境的 影响评价研究 溶性镉在土壤偏酸性时或氧化条件下 ，也变成可溶性 ，在土壤 中易于迁移 ，被植物吸收后镉进人人体会 使人患上骨痛病 ，另外镉还会损伤肾小管 ，出现糖尿病，镉还能引起血压升高 、出现心血管 、癌症、致 畸等疾 病 。 铅在土壤 中易于与有机物结合 ，铅对植物的危害表现为叶绿素下降 ，阻碍植物呼吸及光合作用 。铅 对动物的危害则是 累积中毒。人体中铅能与多种酶结合从而干扰有机体多方面的生理活动，导致全身器 官 衰竭 。 铬 被植 物 吸 收后 ，会 阻碍水 分 和营养 向上部 输 送 ，并 破坏植 物 的代谢 作 用 。人 体 中铬 含 量严重 超标 时 ，会使人发生 口角糜烂、腹泻 、消化紊乱等症状 。 土壤中砷大部分为胶体吸收或和有机物络合 ，形成难溶化合物。砷对植物的危害最初症状是叶片卷 曲枯萎 ，进一步是根系发育受阻，最后是植物根 、茎、叶全部枯死。砷对人体危害很大 ，它能使红血球 溶解 ，破坏 人体 正 常 生理 功能 ，甚 至 导致 癌 症等 L 3 “ ] 。 3 ． 3废 弃钻 井液 中石 油类 物质 导致 土壤 、水 体 污染 石 油类 物质 是 钻井 液 中不可避 免 的组 分 ，任 何施 工 现场 产生 的废 弃钻 井 液 中都 含 有石 油类 物质 ，石 油类 来 源主 要有 2个方 面 首先是 为 改善 钻井 液 的润滑 性 能而人 为添 加 的油基 润 滑剂 ；其 次是 钻进 油层 时原 油进 入 到钻 井 液 中 。在定 向井 的施 工 中 ，润 滑剂 的加量 通常 可达 到 2 以上 ，当井 下 情况 比较复 杂 时 ，可 能达 到 8 ～ 1 O ，而且 由于钻 井 液 的 循 环 ，这 些 油 类 物质 被 高 度乳 化 ，成 为 连续 相 的一 部 分 。 因此 钻 井液 的矿 物 油污染 只是程度 轻 重而 已 ，在 评价 其 环境 的影 响行 为时 ，必 须将 石 油类 物质 的污染 作 为 主要 因素 加 以考 虑 。事实 证 明 ，水 体 中只要 含 有有 机 烃类 物质 ，便 会通 过水 的循 环 对水 生动 物和人 造 成危害 ，危害程度的大小与烃含量成正比。由矿物油引起的污染应当作为重点治理指标加以对待 。废弃 钻井液含油类 、生物毒性 、生物降解性测定见表 5 。由表 5可知，分析的 8种废弃钻井液石油类超标现 象均很严重 。有毒和难降解的废弃钻井液 占 7 5 。 表 5 废 弃钻 井液 石油类物质 、生物毒性 、生物降解性检测结 果 废 弃钻 井 液对 土壤 的影 响 在初 期开 发 过程 中 ，废 弃钻 井 液 中含 有 的石 油类 物质 对周 边表 层土 壤有 一 定 影 响 ；但 随着 时 间的推 移 ，含量 在逐 渐 降低 。研究 发 现 ，石 油类 物 质 主要 集 中分 布 在 土壤 表层 O ～ l O c m 的有 限深 度 内 ，池 底 的土壤 主 要 是 上层 土 壤 受影 响 ，监 测 结 果见 表 6 。石 油 类 含有 多环 芳 烃 ，多 环 芳烃 由于其 毒性 、致 癌 性和致 畸 性成 为环 境 中一 类 重要 的污染 物 ，它 不仅 降低 环 境质量 还 会危 害人体 健 康 ，它 可经水 生 生 物富 集后危 害 人体健 康 ，也 可进 入 哺乳动 物细 胞后 经代 谢 活化 而成 为高 毒性 的代谢 产 物 ，还 能不 可逆 地 损伤 生物 大分 子 D NA j 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 9 年 4月 表 6 不 同深度土壤石油类物质含量测定结果 监测点 土壤 ／ c 深 m 度 ／m 含 g 油 ． 量 L-1 监测点 土壤 ／ e 深 ra 度 ，m 含 g 油 ． 量 L-1 废弃钻井液池 1 可观察油层0 ～s 3 0 7 8 废弃钻井液池 2 可观察油层 0 ～5 2 5 9 0 分布深度为 5 ． O c m 5 ～1 0 1 8 1 分布深度为 3 ． O c m 5 ～1 0 1 9 ． 6 1 0 ～ 2 O 1 ． O 8 1 0～ 2 0 2 ． 4 6 2 0 ～ 3 0 1 ． 8 8 2 O ～ 3 0 2 ． 9 2 3 0 ～ 4 0 1 ． 3 8 3 O ～ 4 0 1 ． 6 1 4 0～ 6 0 1 ． 2 9 4 0 ～ 6 0 1 ． 4 9 6 0～ 8 0 1 ． 6 7 6 0 ～ 8 0 1 ． 5 2 ．8 O ～ 1 O 0 1 ． 4 8 8 0 ～ 1 O 0 2 ． 23 4 结 论 1 废弃的钻井液随意排放 ，会对周围环境造成污染。其污染程度的大小取决于废钻井液中有害物 质的含量，并与井位所在地的自然环境的质量相关。 2 钻井废弃物所引起的污染是多方面的，既有重金属 污染 ，也有有机物污染，这主要取决于所使 用 的钻 井液体 系和添加 剂种 类 。 3 所有的钻井液体系都必然会引起环境的矿物油污染 ，尤以水体的污染最为敏感 ，影响面亦较大。 4 新型钻井液添加剂和钻井液体系的研究仍然是我 国石油行业需要不断探索和解决的一个难题 ， 成本低 、钻 井性 能和环 保性 能优 良是其 必备 的重要 条件 。 [ 参考文献] [ 1 ]李永智 ，单风翔 ．土壤盐渍化危 害及治理途径浅析 [ J ]．西部探矿工程 ，2 0 0 8 ， 8 8 5 8 8 ． [ 2 ]许毓 ，邓皓，盂国维 ，等 ．钻井液环保性能评价指标与分析方法研究 [ J ]．油气 田环境保护，2 0 0 7 ，1 7 1 ；4 3 ～4 6 ． [ 3 ]姚杏安，臧波 ，吴大伟 ．土壤含盐量对土壤某些物理性质及棉花产量影响[ J ]．江汉石油科技，2 0 0 7 ，1 7 4 ；5 8 6 2 [ 4 ]周以富，董亚英 ．几种重金属土壤 污染及其 防治的研究进展r J ]．环境科学动态 ，2 0 0 3 ， 1 ；1 5 ～1 6 ． [ 5 3王向健 ．郑玉峰，赫冬青 ．重金属污染土壤修复技术现状 与展望 [ J ] 环境保护科学 ，2 0 0 4 ，3 0 z 4 8 4 9 ． [ 6 ]蔡利山 ．石油钻井废弃物环境污染特征分析与评价 [ J ]．西部探 矿工程 ，2 0 0 3 ， 2 5 4 5 7 ． [ 7 3刘涛 ，佟泰禄 ，王卫彬 ．浅谈钻井生产过程 中的环境污染及其控制 [ J ]．山东 环境 ，2 0 0 0 ， 增 刊 2 5 2 7 ． [ 8 ]邓皓，刘光全 ，王蓉沙 ，等 ．钻井 环境污染 源头控制技术综述 [ J ]．油气 田环境保护 ，2 0 0 7 ，1 7 1 ；4 1 ～4 2 ． [ 9 3谢水祥。邓皓 ，王蓉沙 ，等 ．钻井环境污染过程控制技术综述 r J ]．油气 田环境保护 ，2 0 0 8 ，1 8 2 3 8 4 o ． [ 编辑] 苏开科 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m