鉆井工程對地下水水質(zhì)的影響

關(guān)于鉆井工程對地下水水質(zhì)的影響1地下水污染來源和機理地下水污染主要是由于城市污水、工業(yè)廢水和農(nóng)田有機物等滲人地層后引起的水質(zhì)惡化而形成的污染。一般情況下,污染物是通過徑流和滲流進人天然水體。由于地層中存在一定的隔水層(如粘土層),所以污染過程緩慢,污染物在整個遷移過程中,同時進行轉(zhuǎn)化。在遷移轉(zhuǎn)化過程中,污染物一方面可通過水體自凈作用達到凈化;另一方面一些污染嚴重而轉(zhuǎn)化不完全的污染物隨水體徑流而遷移。污染物在地下水中的遷移轉(zhuǎn)化受對流與彌散、機械過濾、吸附與解吸、化學(xué)反應(yīng)、溶解與沉淀、降解與轉(zhuǎn)化等過程影響。通常情況下,污染物在地下遷移轉(zhuǎn)化過程緩慢,但是,地下水一旦污染后,要想恢復(fù)原狀或凈化是一件非常困難的事情。第2頁,共31頁，2024年2月25日，星期天1地下水污染來源和機理鉆井工程包括水文水井、煤礦疏水井、煤礦通風(fēng)井、石油鉆井、煤田鉆井、以及其他孔洞式的地下工程。這些工程的共同點是從地表直通地下幾十米或幾千米,并且在全國范圍內(nèi)大量分布和存在。有些是正在或繼續(xù)使用;有些是廢棄停止使用,但無論怎樣均可造成地下深層水的污染。第3頁,共31頁，2024年2月25日，星期天2鉆井工程引起地下水污染的類型2.1金屬并管腐蝕破裂引起的地下水污染

目前國內(nèi)的鉆井工程所采用的井管或技術(shù)套管都是金屬管材,主要包括:無縫鋼管、鑄鐵管、螺旋鋼管、高頻焊管等。這些金屬管材在地下水中都存在著腐蝕破裂問題,其方式以聯(lián)合腐蝕為主。主要腐蝕類型有:應(yīng)力腐蝕、溶解氧濃度差腐蝕、縫隙(垢下)腐蝕、選擇性腐蝕、磨損腐蝕、均勻腐蝕等。這些腐蝕類型同時發(fā)生和存在同一井內(nèi),所以,地下金屬井管或技術(shù)套管的腐蝕速度遠遠大于地面上其它金屬的腐蝕。一般腐蝕以局部穿孔形式出現(xiàn),一些地區(qū)的腐蝕速度在2.5~a/,如鄭州污水處理廠地?zé)峋?、鄭州柳林溫泉地?zé)峋?、河南省旅游局地?zé)峋?、河南省廣播電視廳地?zé)峋⒑幽鲜∞r(nóng)科院地?zé)峋榷际窃谑褂貌坏?年就發(fā)生了腐蝕破裂而造成地下水質(zhì)惡化與污染。圖1～3為金屬井管的腐蝕常見類型與破裂情況。第4頁,共31頁，2024年2月25日，星期天2鉆井工程引起地下水污染的類型圖1金屬井管的磨損與應(yīng)力腐蝕圖2金屬井管(濾水管)結(jié)垢與縫隙腐蝕第5頁,共31頁，2024年2月25日，星期天2.1金屬并管腐蝕破裂引起的地下水污染通過SJ-2型井下彩色電視檢查系統(tǒng)對不同地區(qū)300余眼地下水井或礦井的檢測發(fā)現(xiàn):其腐蝕破裂位置一般均在靜水位和動水位之間,也就是說,金屬井管或技術(shù)套管的腐蝕破裂位置在井的上部或淺層。當(dāng)金屬井管或技術(shù)套管腐蝕破裂后,就相當(dāng)于人為地把地表淺層與地下深層直接連通。這樣一來,地表和淺層的污染物通過井管或技術(shù)套管的破裂處直接流入地下深處,從而造成地下深層水污染,如圖4所示。此過程無需遷移轉(zhuǎn)化,不存在水體自凈作用,污染速度快。其污染物來源和類型與周邊環(huán)境(工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市排放物)有關(guān),它受降水強度影響較大。降水強度大時,其污染程度加??；圖3金屬井管或技術(shù)套管腐蝕破裂與進水第6頁,共31頁，2024年2月25日，星期天2.1金屬并管腐蝕破裂引起的地下水污染降水強度弱時,污染程度降低。如鄭州新密市某紙廠400m供水井,井管在12、90m等處腐蝕破裂,無降水時,水井可正常使用;當(dāng)下雨或下雪時,其水質(zhì)變黑方向遷移,從而導(dǎo)致區(qū)域性的地下水污染,如圖5所示。這種地下水的污染主要使天然水體富營養(yǎng)化(N、P、K含量過高),產(chǎn)生大量的藻類,藻類又消耗水體中的溶解氧,從而造成水質(zhì)惡化。另外,在施加農(nóng)藥時,其部分有毒物隨之帶入地下,致使地下水不能飲用。

圖4金屬井管腐蝕破裂引起的地下水污染圖5農(nóng)用井或廢棄井引起的地下水污染第7頁,共31頁，2024年2月25日，星期天2.2農(nóng)用井或廢棄井引起的地下水污染農(nóng)用井廣泛分布在田間,特別是黃淮海平原的農(nóng)作物灌溉井,幾乎相距300～500m一眼,可見數(shù)量之多。其深度一般在50～150m,井管材料大多為水泥管,并且在成井時不止水,整個井內(nèi)空間與地表直接連通。當(dāng)農(nóng)作物施肥或噴灑農(nóng)藥時,其有機物或有害有毒物質(zhì)則很容易直接進入地層深處。周而復(fù)始地循環(huán),使這些污染物不斷積累和順著水流做循環(huán)液,相當(dāng)于把污水或污染物直接排放到幾百米或幾千米的地層深處,從而造成地下水污染。第8頁,共31頁，2024年2月25日，星期天2.3鉆井過程中泥漿或廢水造成的地下水污染傳統(tǒng)的鉆井工程一般都使用泥漿循環(huán)液,泥漿配制時要加入許多高分子有機處理劑。特別是在地?zé)峋?、石油鉆井、煤田地質(zhì)勘探等深井(孔)施工過程中,泥漿壓力柱往往在幾百到幾千米,其壓力可想而知,當(dāng)施工周期較長時,井內(nèi)泥漿在高壓作用下逐漸向井四周輻射污染。其輻射半徑與井內(nèi)泥漿柱壓力和時間有關(guān),在一般亞粘土或亞砂土地層中泥漿可輻射滲透10～20m;在透水性較好的砂層中泥漿輻射滲透可達500～1000m;若遇裂隙發(fā)育較好的地層其輻射滲透距離會更遠。如圖6所示。許多報廢遺棄的地下水井或其它地下工程,由于沒有進行必要的封閉或處理,同樣也以這種模式直接污染地下水。圖6鉆井泥漿或污水滲透造成的地下水污染第9頁,共31頁，2024年2月25日，星期天3鉆井作業(yè)對地下水污染的特點鉆井液滲漏入地層，地下水一旦被污染很難治理和恢復(fù)，鉆井液中的添加劑和油性物質(zhì)被巖石顆粒吸附后，在水環(huán)境中發(fā)生反復(fù)交替的吸附—解吸過程。地下水流速慢，淺層地下水的流速一般是１～１０ｍ／ｄ，在沙和礫石中的橫向流速０．１～３ｍ／ｄ，有機物的移動速度是0.１～５ｍ／ｄ。僅靠地下水的自然修復(fù)，需要幾十年到幾百年的時間，人工治理成本高，效果不明顯。污染機理復(fù)雜，若鉆井液、有機物的性質(zhì)與地下巖石、流體不配伍，就會發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，出現(xiàn)酸敏、水敏、油敏、鹽堿敏等現(xiàn)象，影響地下水的流動通道———孔隙和裂縫，影響水系統(tǒng)的循環(huán)，給生態(tài)環(huán)境造成影響。單一井污染小，成片井污染大。油氣井的井深一般在３００～８０００ｍ之間，污染的地下水深，一般不易發(fā)覺，發(fā)覺時污染已嚴重，污染范圍已擴大。第10頁,共31頁，2024年2月25日，星期天4地下水污染物的主要成分鉆井工程中地下水污染多是由灑落油污、鉆井液和鉆井廢棄物引起。據(jù)統(tǒng)計，每口井每鉆進１ｍ，平均產(chǎn)生０．５ｍ３的廢棄物，每天產(chǎn)生３０ｍ３的污水，其中含油１５ｋｇ，假設(shè)一口井的建井周期為２５ｄ，將產(chǎn)生１０００～５０００ｍ３的鉆井廢棄物，消耗２００～４００ｍ３鉆井液，排出７６０ｍ３的污水，含油類物質(zhì)３００ｋｇ。第11頁,共31頁，2024年2月25日，星期天4地下水污染物的主要成分油基鉆井液是以油類為連續(xù)相的鉆井液。該鉆井液能很好地保護油氣層，但對環(huán)境有污染。主要用油為柴油、植物油、礦物油，其污染物主要是乳化劑、潤濕劑、原油膠體、聚合物材料、抑制劑、加重材料。合成基鉆井液是人工合成的有機物鉆井液，它具有油基鉆井液的性能，但生物難降解，易生物富集影響環(huán)境?？偟膩碚f，水基鉆井液的污染相對較低，合成基鉆井液次之，油基鉆井液最大、影響最深，地下水污染治理的重點是有機物、重金屬污染。第12頁,共31頁，2024年2月25日，星期天4地下水污染物的主要成分鉆井液分為水基鉆井液、油基鉆井液和合成基鉆井液。水基鉆井液的有害成分以添加劑為主，添加劑中含有一些重金屬元素、有害有機物和無機化合物。重金屬污染以鉻、鉛、汞、鎳、鍺、銅、錫等元素為主，有機物來自瀝青處理劑、起泡劑（或消泡劑）、表面活性劑、乳化劑、降濾失劑、防腐劑等，而無機化合物主要以溴化物、氯化物、硫化物、鉀鹽、氨氮、亞硝酸鹽為主。第13頁,共31頁，2024年2月25日，星期天5污染途徑分析降雨、融雪對地面灑落油污、廢棄鉆井液、鉆屑、污染土壤、井噴污物的沖刷和淋洗，這些水下滲對地下水產(chǎn)生一定影響。泥漿池、泥漿槽、處理池、排污溝的污水發(fā)生滲漏和溢流引起地下水污染。鉆遇異常低壓地層、溶洞、裂縫，造成鉆井液迅速漏失，這些地層多與地下水層相連通，引發(fā)地下水污染。井噴污物不僅污染土壤、地下水，還污染大氣。進入大氣中的有毒有害成分隨降水下滲也會污染地下水。固井質(zhì)量好壞對地下水影響很大。水泥漿固化過程將發(fā)生體積收縮，使水泥石形成裂紋或在井壁與水泥環(huán)之間形成微縫隙。若水泥漿的性能差可誘發(fā)井噴，易形成竄槽、水包和膠結(jié)不良。水泥石固化吸水使地層流體易進入裂紋和縫隙，流體尤其是氣體，在未完全凝固的水泥石中移動，形成連續(xù)竄槽，給地層深部流體進入淺部地下水層提供通道，而且加劇套管腐蝕。據(jù)張鳳奎研究表明，套管腐蝕多發(fā)生在富含地下水的地層。該地層巖石顆粒間隙多且大、滲透性強、水和微生物的活躍性強，水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量差或形成竄槽。套管在多種因素作用下腐蝕嚴重，井筒內(nèi)流體通過腐蝕孔進入地下水層，污染地下水。第14頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6污染防治措施地下水污染治理的原則是“預(yù)防為主、防治結(jié)合”。在預(yù)防上下功夫，投入更多的人力、財力和物力，推出更先進環(huán)保的工藝、更經(jīng)濟實用的治理技術(shù)、更科學(xué)的環(huán)境管理。地下水污染治理需要考慮污染區(qū)的水文地質(zhì)條件、地球化學(xué)特性、污染土壤的修復(fù)，避免交叉污染、還要考慮地表水的截流，防止補給水加大治理工作量。第15頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6.1地下水污染的預(yù)防措施鉆井作業(yè)ＨＳＥ管理體系的原則是：員工和應(yīng)急救援人員的安全優(yōu)先、防止事故擴展優(yōu)先、保護環(huán)境優(yōu)先。有必要研制一種用于地下水污染的地層敏感性測繪系統(tǒng)和評價系統(tǒng)，制定包括鉆井、采油、集輸在內(nèi)的一整套環(huán)保計劃書，以及編制預(yù)防污染物擴散的應(yīng)急預(yù)案。

井場油建公司在對井場進行設(shè)計時，應(yīng)考慮地下水污染及治理因素，做好井場地面壓實、排污溝、處理池工作，防止污水下滲和溢流。培育優(yōu)良微生物菌種，灑在井場周圍，消除地面灑落油污的污染。第16頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6.1地下水污染的預(yù)防措施灑落污物加強對設(shè)備周圍灑落油污的管理，把灑落油污的清理情況作為清潔生產(chǎn)檢查的重點。鉆井事故（井噴）灑落的污物要及時清理干凈，防止被雨水淋洗沖刷。鉆井液防止泥漿池和泥漿槽的滲漏和溢出，廢棄鉆井液可采用循環(huán)利用、固化處理和回注不滲漏地層等方式妥善處理。盡量使用低毒、無毒鉆井液處理劑，提高鉆井液造壁性，減少鉆井液的滲漏。第17頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6.1地下水污染的預(yù)防措施鉆屑鉆屑中含有鉆井液和地層深部物質(zhì)，要加強管理，防止沖刷、淋洗水下滲和溢流，要安全填埋或固化處理后再進行合理處置。固井根據(jù)美國德州技術(shù)大學(xué)的研究，在Ｃ級、Ｈ級油井水泥中加入膨潤土含量為２％的火山灰或０．５％偏硅酸鈉能有效改善固井質(zhì)量和減弱水泥漿與地下水的相互干擾。０．５％偏硅酸鈉和０．５％降濾失劑配成１６７７．６ｋｇ／ｍ３的水泥漿，有很好的候凝時間、自由水控制和抗壓強度，能有效地防止地下水污染。第18頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6.1地下水污染的預(yù)防措施套管加強套管的防腐工作，防止在運輸、下套管作業(yè)時對外表面防護層的磨損及套管與鉆柱之間的內(nèi)磨損。套管的抗內(nèi)壓強度要大于開發(fā)地層的最大壓力。套管是油氣與地下水隔離的屏障，要防止腐蝕和破損。加強人員操作技能和ＨＳＥ培訓(xùn)，減少事故率，增強人員環(huán)保意識，加強國內(nèi)外同行的技術(shù)、經(jīng)驗交流與合作對環(huán)境保護很重要。第19頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6.2污染物處理技術(shù)鉆井作業(yè)對人類有影響的區(qū)域主要在２００ｍ以上的淺部地層，主要污染物是來自廢棄鉆井液和灑落油污的有機物和重金屬。這里主要討論以水平井或者地質(zhì)導(dǎo)向井及水力壓裂技術(shù)為基礎(chǔ)，采用氧化還原法、氣體抽取法和環(huán)境生物法治理有機物污染；采用ＳＲＢ技術(shù)、鉆井液固化技術(shù)、ＭＴＣ技術(shù)（ＭｕｄｔｏＣｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅ）防止廢棄鉆井液對地下水的污染。第20頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6.2.1氧化還原處理技術(shù)１９９１年～１９９５年，原國家環(huán)保局在山東淄博地區(qū)采用混合氧化劑有效治理了地下水的石油烴污染。采用該方法后，地下水監(jiān)測到的８０種有機污染物大部分得到降解，且降解產(chǎn)物沒有發(fā)現(xiàn)誘變、致癌物質(zhì)。該混合氧化劑主要由二氧化氯和少量的氯氣、臭氧、過氧化氫組成。二氧化氯是水處理常用的一種安全、高效、經(jīng)濟的處理劑。二氧化氯呈黃綠色，有類似氯氣的氣味，能溶于水，也具有揮發(fā)性，在治理中還能起到氣體抽取的效果。第21頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6.2.1氧化還原處理技術(shù)二氧化氯有很強的氧化性，可使芳香烴等有毒、致癌的有機物降解為無毒、無致癌作用的小分子物質(zhì)。二氧化氯的去污能力達到７０％左右，它的投放量應(yīng)是污染物量的１．５倍，在ｐＨ值為６～７時效果最佳。臭氧是水處理中氧化能力最強的一種氧化劑，但價格昂貴、穩(wěn)定性差、時效短。它與水作用生成具有強氧化性的羥基自由基，氧化有機物。它容易使烯烴、炔烴類的碳碳不飽和鍵斷裂，生成小分子氧化物。臭氧分解產(chǎn)生氧氣，使地層中的微生物得到足夠的氧氣，促進了它們的生長和分解污染物的效率。過氧化氫是一種較強氧化劑，但其性質(zhì)不穩(wěn)定，易分解，且價格昂貴。在地下水治理中一般作為微生物生長的氧源。第22頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6.2.2氣體抽取處理技術(shù)氣體抽取處理技術(shù)是一種抽出技術(shù)，是治理石油污染的重要手段。通過向受污染地層水的底部連續(xù)或間歇地注入高壓空氣，高壓空氣與介質(zhì)中的吸附態(tài)和殘余液態(tài)的石油烴直接接觸，并融合在一起，利用氣體的能量將易揮發(fā)的烴類物質(zhì)帶出地層。它增加了地下水的溶解氧，促進了微生物的生長，加快了對污染物的凈化速度。研究表明氣體抽取技術(shù)的去污效率可達到６５％，間歇注氣遠好于連續(xù)注氣。第23頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6.2.3環(huán)境生物處理技術(shù)該技術(shù)是利用微生物將有機物分解為二氧化碳和水，來為自身生長提供養(yǎng)料和能量的地下水污染處理技術(shù)。優(yōu)點是不產(chǎn)生二次污染，且能自控，缺點是處理時間較長，效率低。隨著微生物的數(shù)量增加，污染物量不斷減少，最終微生物因養(yǎng)分缺乏而逐漸恢復(fù)到正常水平。微生物有好氧型、厭氧型、兼氧型，好氧型微生物需要向地下注入新陳代謝所需的氧氣、碳、氮、磷等營養(yǎng)源和能量源。其生長速度不易控制，增長過快可能堵塞孔隙，降低地層的滲透率，影響地下水的流動和傳質(zhì)。第24頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6.2.4SRB處理技術(shù)硫酸鹽還原菌（ＳＲＢ）是一類以有機物為電子供體、硫酸鹽為電子受體，進行新陳代謝、生長繁殖的厭氧菌的總稱。它們將有機物分解為二氧化碳和水，產(chǎn)生的碳酸根與金屬離子反應(yīng)生成難溶物，使金屬離子去除；它們將硫酸鹽還原為硫化氫，硫化氫二級電離產(chǎn)生的Ｓ２－與金屬反應(yīng)也形成難溶的硫化物。一定程度上ＳＲＢ解決了重金屬和有機物的污染問題，但產(chǎn)生的硫化氫、碳酸及硫化氫的氧化產(chǎn)物———硫酸對鋼鐵有強烈的腐蝕，甚至可以腐蝕混凝土。因此ＳＲＢ可用于鉆屑、廢棄鉆井液填埋、回注及淺層土壤污染治理，但在井場周圍慎用，防止進入井筒和產(chǎn)層。第25頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6.2.5廢棄鉆井液固化技術(shù)該技術(shù)被認為是一種經(jīng)濟、簡單、可靠的處理廢棄鉆井液的技術(shù)。通過在廢棄鉆井液中加入一定量的粉煤灰、無定形硅粉、高爐礦渣、硅酸鈉、磷酸鹽、硫酸鋁、硫酸鐵、氧化鈣、氧化鎂、氯化鈣、氯化鎂、氯化鐵、氯化鋁、生石灰、水泥、石膏、瀝青、水玻璃、氨明礬等固化劑，充分攪拌均勻，放置一段時間后，發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，鉆井液中的重金屬離子、高分子聚合物、油類被轉(zhuǎn)移、封閉、固定，使它們之間形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及失去遷移能力，防止環(huán)境污染。粉煤灰來源廣泛、價格低廉，主要由鋁硅玻璃體、煤炭微粒、石英、莫來石組成，鋁硅玻璃體的表面積相當(dāng)大，有類似活性炭的吸附性能。鈣鎂離子與有機物作用形成穩(wěn)定的難溶于水的螯合物，降低有機物污染的可能。硫酸鹽主要為過硫酸鈣和重過硫酸鈣，它們水解產(chǎn)生的氫離子可中和鉆井液的堿性。硫酸根與重金屬離子生成不溶于水的物質(zhì)，能有效防止重金屬離子污染。第26頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6.2.6鉆井液轉(zhuǎn)換為水泥漿（MTC）的固井技術(shù)該技術(shù)將鉆井液與固井液合二為一，利用鉆井液的失水性和懸浮性，在鉆井液中加入有潛在生物活性的高爐水淬礦渣、粉煤灰、火山灰、激活劑、分散劑和促凝劑，使之轉(zhuǎn)化為有膠凝特性的水泥漿。高爐水淬礦渣主要成分與硅酸鹽水泥相似，主要為氧化鈣、氧化鎂、二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵、氧化錳等氧化物。激活劑有石膏、硅酸鹽水泥、碳酸鈉、氫氧化鈉、氧化鈣、氫氧化鈣、硫酸鈣、硫酸鈉。第27頁