頁巖氣鉆井工程對區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境的影響與防治

王巨，胡曉斌，張帆

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頁巖氣鉆井工程對區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境的影響與防治

王巨，胡曉斌，張帆

（四川省核工業(yè)輻射測試防護(hù)院，成都 610082）

隨著頁巖氣勘探開發(fā)力度的加大，鉆井過程中對區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境的影響分析尤為重要，文章深入分析了頁巖氣鉆井工程對地下水可能產(chǎn)生影響的原因和類型，并提出了相應(yīng)的地下水污染防治措施。

頁巖氣；水文地質(zhì)環(huán)境；影響分析；防治措施

頁巖氣是賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁巖及其夾層中，以吸附或游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣，以甲烷為主，是一種清潔、高效的能源資源。近幾年，美國頁巖氣勘探開發(fā)技術(shù)突破，產(chǎn)量快速增長，對國際天然氣市場及世界能源格局產(chǎn)生重大影響，世界主要資源國都加大了對頁巖氣的勘探開發(fā)力度。[1]

頁巖氣作為清潔能源，開發(fā)利用將節(jié)約和替代大量煤炭和石油資源，減少二氧化碳排放量，改善生態(tài)環(huán)境。同時(shí)，頁巖氣開發(fā)也會產(chǎn)生一定的環(huán)境影響，如頁巖氣井場建設(shè)會對地表植被產(chǎn)生破壞，開發(fā)和集輸過程中可能產(chǎn)生甲烷逸散或異常泄露，頁巖氣增產(chǎn)改造會引發(fā)地表震動，增產(chǎn)改造用水量大，影響地區(qū)水資源，鉆井液和壓裂液返排后處理不當(dāng)，可能會造成污染[2]。本文主要分析頁巖氣鉆井過程中對區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境的影響。

1 頁巖氣鉆井特點(diǎn)

頁巖氣鉆井工程主要核心技術(shù)為水平井技術(shù)和水力壓裂技術(shù)。一般頁巖氣水平井的水平段越長，單井產(chǎn)能越大，儲量的控制和動用程度越高，但水平段越長鉆井難度越大，同時(shí)泥頁巖地層井壁穩(wěn)定性差，脆性頁巖垮塌和破裂等復(fù)雜問題突出。在頁巖氣鉆井過程水平井段通過采用泥漿體系的轉(zhuǎn)換來克服頁巖層失穩(wěn)問題。此外，頁巖氣藏的儲層一般呈低孔、低滲透率的物性特征，氣流的阻力比常規(guī)天然氣大，開采難度大，通常需采用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行儲氣層體積改造，將消耗大量水資源以及帶來水環(huán)境污染問題。因此，針對頁巖氣鉆井特點(diǎn)，應(yīng)更加重視水平井鉆井過程鉆井液體系變化所帶來的廢棄泥漿、巖屑，以及水力壓裂產(chǎn)生大量壓裂返排液所引起的環(huán)境問題。

2 頁巖氣鉆井工程對水文地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生的影響分析

2.1 正常狀況下的影響

頁巖氣鉆井工程在正常狀況下的地下水污染源主要包括鉆井期間的鉆井廢水、洗井廢水、壓裂作業(yè)廢液。

1）鉆井廢水

鉆井廢水主要包括機(jī)械污水、鉆井泥漿污水。其中機(jī)械污水包括檢修排污、鉆井泵拉桿沖洗水、水剎車排出水等；鉆井泥漿污水為廢泥漿中的澄清液、固控系統(tǒng)所分離出廢泥漿和鉆井巖屑帶出水等。鉆井廢水中的污染物主要來自泥漿、機(jī)具清洗、設(shè)備跑冒漏滴的油類，水中污染因子受泥漿影響較大。鉆井廢水主要呈現(xiàn)出 pH 值偏高，屬堿性廢水，含較高的 CODCr和色度，具有一定的腐蝕性。

2）洗井廢水

頁巖氣鉆井工程鉆至目的鉆后，首先是進(jìn)行洗井作業(yè)，采用清水對井壁進(jìn)行清洗，利用水泵將水通過鉆桿內(nèi)部壓入井下，然后通過鉆桿與井壁之間的環(huán)空返回地面。洗井廢水中主要污染物指標(biāo)為pH值、COD、懸浮物、陰離子表面活性劑。

3）壓裂作業(yè)廢液

頁巖氣壓裂體積改造利用液體的傳壓作用，經(jīng)地面設(shè)備將壓裂液在大排量條件下注入井內(nèi)，壓開頁巖裂縫，加入支撐劑，形成多條具有高導(dǎo)流能力的滲流帶，溝通巖層裂縫。最后通過巖層排水-降壓-解吸的過程，達(dá)到正常排氣的目的。完成壓裂施工后返排到地面的廢液，即為壓裂作業(yè)廢液[3]。壓裂返排液具有懸浮物多、總?cè)芙夤腆w含量高和成分復(fù)雜等特點(diǎn)，但因地質(zhì)條件不同，水質(zhì)指標(biāo)存在較大差異，返排液中含有高濃度的總?cè)芙夤腆w（TDS）、氯離子、多種化學(xué)添加劑，同時(shí)還含有多種有機(jī)和無機(jī)化合物、金屬元素。

2.2非正常狀況下的影響

根據(jù)地下水環(huán)境影響識別結(jié)果，施工期非正常狀況下對地下水環(huán)境影響較大。頁巖氣鉆井工程非正常狀況下對地下水可能產(chǎn)生的不利影響途徑主要有以下幾個方面：

1）鉆井初期鉆井液滲入淺層地下水；

2）因防滲不到位出現(xiàn)廢水滲漏，或是在雨季發(fā)生泥漿池外溢情況，井場設(shè)備機(jī)油泄漏，生活污水、固廢以及鉆井所需化學(xué)品堆放不當(dāng)，在雨季產(chǎn)生地面溢流等都有可能造成不同程度的地下水污染；

3）井漏是鉆井過程中遇到復(fù)雜地層，鉆井液或其他介質(zhì)（固井水泥漿等）漏入地層孔隙、裂縫等空間的現(xiàn)象。若漏失地層與含水層之間存在較多的斷裂或裂隙，漏失的鉆井液就有可能順著巖層斷裂、裂隙進(jìn)入地下水，造成地下水污染。另外，鉆井過程可能破壞含水層結(jié)構(gòu)，影響地下水流場，造成井場周邊的取水點(diǎn)出現(xiàn)水量減少，嚴(yán)重情況下可導(dǎo)致取水點(diǎn)完全干涸。

4）物料跑冒滴漏，鉆井過程中物料管理不嚴(yán)格、化學(xué)品堆放不當(dāng)、柴油泄漏等物料的跑冒滴漏不同程度的污染地下水；

5）壓裂液返排池、排污池主要收集壓裂返排液、鉆井廢水、廢泥漿等，因防滲不到位出現(xiàn)廢水滲漏，有可能造成不同程度的地下水污染；

6）井噴造成鉆井液、壓裂返排液外溢，可能造成地下水污染；

7）壓裂過程井筒破裂，壓裂液進(jìn)入含水層。

8）工程鉆井廢水、壓裂返排液、水基泥漿及巖屑、油基泥漿及巖屑、廢油的轉(zhuǎn)運(yùn)采用罐車密閉輸送，一旦發(fā)生交通事故或其他原因?qū)е聫U水、固廢外溢，將污染土壤和水體。

9）柴油在使用、儲運(yùn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)主要來自于柴油罐自身缺陷、人員誤操作、老化等造成的泄漏以及外部破壞產(chǎn)生的事故，包括人為破壞及洪水、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）鹽酸在使用和儲運(yùn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)主要來自于鹽酸桶裝運(yùn)輸泄漏，使用和臨時(shí)貯存過程中泄漏。鹽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 正常狀況下的污染防治措施

鉆井廢水和洗井廢水和由排污池進(jìn)行收集、沉淀處理后上清液回用于鉆井作業(yè)，廢水回用率可達(dá)90%以上。其余部分廢水處理主要針對CODCr和石油類的去除，主要以無機(jī)處理劑與有機(jī)處理劑結(jié)合，同時(shí)配合石灰、純堿等助凝劑的使用[4]。

壓裂作業(yè)廢液的處理技術(shù)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：通過混凝-次氯酸鈉氧化-Fe/C微電解-H2O2/Fe催化氧化-活性炭吸附等五項(xiàng)步驟，將壓裂液中的污染物去除，使其達(dá)標(biāo)排放。五步法處理效果顯著，但處理流程復(fù)雜、處理成本較高。

2）固化法：通過加投固化劑將裂化返排液固化處理，待固化塊成型后，推土復(fù)耕。固化法具有固化材料易得、處理效果好、處理流程簡單等優(yōu)勢。

3）生物降解法：采用氧化降解和微生物分解的方式降低相對分子質(zhì)量，然后將降解后的壓裂廢液以一定比例摻入主污水處理系統(tǒng)。該方法的缺點(diǎn)是處理周期較長。

4）氧化降解法:將鉆井廢液和壓裂廢液分類集中，分別采用絮凝劑和強(qiáng)氧化劑進(jìn)行預(yù)處理，處理后的清液可作回注水使用。該方法工藝簡單，但需要高效氧化劑[5]。

3.2 非正常狀況下的污染防治措施

1）頁巖氣鉆采工程應(yīng)嚴(yán)格參照《石油化工工程防滲技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50934-2013）對各個建設(shè)工程單元可能泄漏污染物的地面進(jìn)行分區(qū)防滲處理，防滲施工完成后，施工單位需向運(yùn)營單位提供相關(guān)的材料，其中需包括隱蔽性施工的材料，同時(shí)運(yùn)營單位需對防滲措施進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)收。

2）在鉆井作業(yè)中加強(qiáng)生產(chǎn)管理，嚴(yán)密監(jiān)控鉆井液、壓裂液及壓裂返排液的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)井管破裂后應(yīng)立即停止鉆井或壓裂作業(yè)并啟動應(yīng)急預(yù)案，按要求在下游設(shè)置的監(jiān)控水井加密監(jiān)控，采取有效措施控制污染物擴(kuò)散范圍，降低環(huán)境影響。

3）開鉆前，施工單位應(yīng)編制地下水污染監(jiān)控及應(yīng)急方案，在工程井口上游方向設(shè)置地下水背景（或?qū)φ眨┍O(jiān)控井，對工程周邊地下水實(shí)施污染監(jiān)控制度，降低地下水污染風(fēng)險(xiǎn)。

4）建設(shè)單位應(yīng)建立完善的質(zhì)量管理體系，實(shí)現(xiàn)“質(zhì)量、安全、環(huán)境”三位一體的全面質(zhì)量管理目標(biāo)。設(shè)立地下水動態(tài)監(jiān)測小組，負(fù)責(zé)對地下水環(huán)境監(jiān)測和管理，或者委托專業(yè)的資質(zhì)機(jī)構(gòu)完成。建立有關(guān)規(guī)章制度和崗位責(zé)任制。制定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方案，設(shè)立應(yīng)急設(shè)施減少環(huán)境污染影響。

4 結(jié)語

在頁巖氣鉆井工程帶來的環(huán)境問題中，水文地質(zhì)環(huán)境占有重要的位置。因此在環(huán)境影響評價(jià)階段詳細(xì)分析頁巖氣鉆井工程對區(qū)域水文地質(zhì)環(huán)境的影響，提出相應(yīng)的措施進(jìn)行地下水污染防治，可以對施工單位在施工過程中的環(huán)境保護(hù)工作進(jìn)行有效的指導(dǎo)，減輕在鉆井過程中對水文地質(zhì)環(huán)境的擾動，切實(shí)做好水文地質(zhì)工作。

[1] 人民網(wǎng).國家能源局發(fā)布《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011-2015年）》[EB/OL].http：//energy.people.com.cn/GB/17411285.Html.2012-03.

[2] 國家能源局.國家能源局關(guān)于印發(fā)頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）的通知[Z].國能油氣[2016]255號文件.2016-09.

[3] 何妮娟. 試論壓裂技術(shù)中廢液的產(chǎn)生與處理方法[J]. 中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量, 2014(22).

[4]袁姍姍. 鉆井生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染及治理[J]. 油氣田環(huán)境保護(hù), 2009, 19(1):47-50.

[5] 林仲. 油井壓裂作業(yè)廢液處理技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 廣東化工, 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，工程師，主要從事環(huán)境影響評價(jià)工作