鉆井工程對地下水水質(zhì)的影響

1、鉆井工程對地下水水質(zhì)的影響馬芳 2011030802241 1 地下水污染來源和機(jī)理地下水污染來源和機(jī)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(jī)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(jìn)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(gè)遷移過程中, 同時(shí)進(jìn)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(dá)到凈化; 另一方面一些污染嚴(yán)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(jī)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

2、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。1 地下水污染來源和機(jī)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(diǎn)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。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,

3、 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(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)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⒑幽鲜÷糜尉值責(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。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)

4、結(jié)垢與縫隙腐蝕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(dòng)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(qiáng)度影響較大。降水強(qiáng)度大時(shí), 其污染

5、程度加?。粓D3 金屬井管或技術(shù)套管腐蝕破裂與進(jìn)水2.1 金屬并管腐蝕破裂引起的地下水污染降水強(qiáng)度弱時(shí), 污染程度降低。如鄭州新密市某紙廠400m 供水井, 井管在12 、90 m 等處腐蝕破裂, 無降水時(shí), 水井可正常使用;當(dāng)下雨或下雪時(shí), 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(shí), 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2 .2

6、 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300 500 m 一眼, 可見數(shù)量之多。其深度一般在50 150 m , 井管材料大多為水泥管, 并且在成井時(shí)不止水, 整個(gè)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(shí), 其有機(jī)物或有害有毒物質(zhì)則很容易直接進(jìn)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。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(shí)要加入許多高分子有機(jī)處理劑。特別是在地?zé)峋?、?/p>

7、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(shí), 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(shí)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 20 m ;在透水性較好的砂層中泥漿輻射滲透可達(dá)500 1000 m ;若遇裂隙發(fā)育較好的地層其輻射滲透距離會(huì)更遠(yuǎn)。如圖6 所示。許多報(bào)廢遺棄的地下水井或其它地下工程, 由 于沒有進(jìn)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3鉆井作業(yè)對地下水污染的特點(diǎn) 鉆井液滲漏入地層，地下水一旦被污染很難治理和恢復(fù)

8、，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，在沙和礫石中的橫向流速，有機(jī)物的移動(dòng)速度是0.。僅靠地下水的自然修復(fù)，需要幾十年到幾百年的時(shí)間，人工治理成本高，效果不明顯。污染機(jī)理復(fù)雜，若鉆井液、有機(jī)物的性質(zhì)與地下巖石、流體不配伍，就會(huì)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(dòng)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 之間，污染的地下水深，一般不易發(fā)覺，發(fā)覺時(shí)污染已嚴(yán)重，污染范圍已擴(kuò)大。4 地下水污染物的主要成分 鉆井工程中地下水污染

9、多是由灑落油污、鉆井液和鉆井廢棄物引起。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每口井每鉆進(jìn)，平均產(chǎn)生的廢棄物，每天產(chǎn)生的污水，其中含油，假設(shè)一口井的建井周期為，將產(chǎn)生的鉆井廢棄物，消耗鉆井液，排出的污水，含油類物質(zhì)。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(hù)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(jī)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。 總的來說，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(diǎn)是有機(jī)

10、物、重金屬污染。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(jī)物和無機(jī)化合物。重金屬污染以鉻、鉛、汞、鎳、鍺、銅、錫等元素為主，有機(jī)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(jī)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。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

11、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(jìn)入大氣中的有毒有害成分隨降水下滲也會(huì)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(jìn)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(dòng)，形成連續(xù)竄槽，給地層深部流體進(jìn)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(qiáng)、水和微生物的活躍性強(qiáng)，水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量差

12、或形成竄槽。套管在多種因素作用下腐蝕嚴(yán)重，井筒內(nèi)流體通過腐蝕孔進(jìn)入地下水層，污染地下水。6 6 污染防治措施污染防治措施 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(cái)力和物力，推出更先進(jìn)環(huán)保的工藝、更經(jīng)濟(jì)實(shí)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(bǔ)給水加大治理工作量。6.1 地下水污染的預(yù)防措施 鉆井作業(yè)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(kuò)展優(yōu)先、保護(hù)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(jià)系統(tǒng)，制定包括鉆井

13、、采油、集輸在內(nèi)的一整套環(huán)保計(jì)劃書，以及編制預(yù)防污染物擴(kuò)散的應(yīng)急預(yù)案。 井場油建公司在對井場進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮地下水污染及治理因素，做好井場地面壓實(shí)、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。6.1 地下水污染的預(yù)防措施 灑落污物加強(qiáng)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(diǎn)。鉆井事故（井噴）灑落的污物要及時(shí)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。6.

14、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(qiáng)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(jìn)行合理處置。 固井根據(jù)美國德州技術(shù)大學(xué)的研究，在級(jí)、 級(jí)油井水泥中加入膨潤土含量為的火山灰或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。偏硅酸鈉和降濾失劑配成的水泥漿，有很好的候凝時(shí)間、自由水控制和抗壓強(qiáng)度，能有效地防止地下水污染。6.1 地下水污染的預(yù)防措施 套管加強(qiáng)套管的防腐工作，防止在運(yùn)輸、下套管作業(yè)時(shí)對外表面防護(hù)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(qiáng)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(qiáng)人員操

15、作技能和培訓(xùn)，減少事故率，增強(qiáng)人員環(huán)保意識(shí)，加強(qiáng)國內(nèi)外同行的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)交流與合作對環(huán)境保護(hù)很重要。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 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(jī)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(jī)物污染；采用技術(shù)、鉆井液固化技術(shù)、 技術(shù)（ ）防止廢棄鉆井液對地下水的污染。6.2.1 氧化還原處理技術(shù) 年年，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)測到的種有機(jī)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)。

16、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(jì)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。6.2.1 氧化還原處理技術(shù) 二氧化氯有很強(qiáng)的氧化性，可使芳香烴等有毒、致癌的有機(jī)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(dá)到左右，它的投放量應(yīng)是污染物量的倍，在 值為時(shí)效果最佳。 臭氧是水處理中氧化能力最強(qiáng)的一種氧化劑，但價(jià)格昂貴、穩(wěn)定性差、時(shí)效短。它與水作用生成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基，氧化有機(jī)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，

17、使地層中的微生物得到足夠的氧氣，促進(jìn)了它們的生長和分解污染物的效率。過氧化氫是一種較強(qiáng)氧化劑，但其性質(zhì)不穩(wěn)定，易分解，且價(jià)格昂貴。在地下水治理中一般作為微生物生長的氧源。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(jìn)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(dá)到，間歇注氣遠(yuǎn)好于連續(xù)注氣。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

18、機(jī)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(diǎn)是不產(chǎn)生二次污染，且能自控，缺點(diǎn)是處理時(shí)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(dòng)和傳質(zhì)。6.2.4 SRB處理技術(shù) 硫酸鹽還原菌（）是一類以有機(jī)物為電子供體、硫酸鹽為電子受體，進(jìn)行新陳代謝、生長繁殖的厭氧菌的總稱。它們將有機(jī)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，

19、使金屬離子去除；它們將硫酸鹽還原為硫化氫，硫化氫二級(jí)電離產(chǎn)生的與金屬反應(yīng)也形成難溶的硫化物。一定程度上解決了重金屬和有機(jī)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(qiáng)烈的腐蝕，甚至可以腐蝕混凝土。因此可用于鉆屑、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(jìn)入井筒和產(chǎn)層。6.2.5 廢棄鉆井液固化技術(shù) 該技術(shù)被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)、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?jǐn)嚢杈?/p>

20、勻，放置一段時(shí)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(jià)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(jī)物作用形成穩(wěn)定的難溶于水的螯合物，降低有機(jī)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。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