沈曉莉 楊金忠 徐天有 楊玉飛#

(1.衢州學(xué)院環(huán)境工程系，浙江 衢州 324000；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

典型地區(qū)油氣田水基鉆井巖屑污染特征研究*

沈曉莉1楊金忠2徐天有1楊玉飛2#

(1.衢州學(xué)院環(huán)境工程系，浙江 衢州 324000；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

采集西北、西南和海南地區(qū)油氣田160個水基鉆井巖屑(以下簡稱巖屑)樣品，分析巖屑中污染物的含量和浸出濃度。結(jié)果表明：巖屑中特征污染物為重金屬(Ba、Cr、Zn、Cu、As、Pb)和石油烴，其中Ba和石油烴質(zhì)量濃度較高，均值分別為1 907.8、1 625.8mg/kg；西北地區(qū)巖屑中，Zn、As、Cr、Ba在新生界中含量最高，Cu、Pb和石油烴在上古生界中含量最高；Cu、Zn、As和Pb的浸出濃度在上古生界最高，Cr和Ba的浸出濃度在新生界中最高。

典型地區(qū) 巖屑 重金屬 石油烴 污染特征

鉆井巖屑是指油氣田勘探開發(fā)中，鉆井泥漿循環(huán)分離回用系統(tǒng)分離出的大顆粒巖屑、砂和泥。使用水基鉆井泥漿產(chǎn)生的巖屑稱為水基鉆井巖屑(以下簡稱巖屑)，目前我國主要以水基鉆井泥漿為主，占60%(體積分?jǐn)?shù)，下同)～70%[1-2]，據(jù)估算，我國每年產(chǎn)生約40萬m3巖屑[3-5]。巖屑中除地層中大顆粒巖屑、砂和泥外，同時含有水基鉆井泥漿以及鉆探過程帶出的石油(或凝析油)，使得巖屑具有污染特性[6]。為此，巖屑的無害化處理處置已成為油田環(huán)保亟待解決的問題。

由于鉆井泥漿體系的復(fù)雜性，鉆井地區(qū)的地質(zhì)條件和鉆井地層的差異性，導(dǎo)致巖屑的污染特性也十分復(fù)雜。目前的研究主要偏重于新型或高性能水基鉆井液的研發(fā)[7-8]、廢棄水基鉆井液污染及其固化技術(shù)[9-11]等，對于巖屑污染特性的研究較少，更鮮有針對不同地區(qū)、地層巖屑污染特性的報道。本研究針對巖屑中污染物受鉆井地域和地層影響的特點，采集西北、西南和海南3個典型地區(qū)油氣田鉆井產(chǎn)生的不同地層的巖屑，分析巖屑樣品中的污染物組成、含量及浸出濃度，掌握巖屑中污染物的地域和地層特性，系統(tǒng)研究巖屑污染特征，明確巖屑的危害屬性，為其無害化處理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

1.1.1 樣品采集

分別在西北某氣田、西南某氣田和海南某油田各選取1口典型油氣鉆井，根據(jù)各鉆井的鉆探作業(yè)深度，在水基鉆井泥漿循環(huán)分離回用系統(tǒng)(見圖1)巖屑出口處分別采集巖屑樣品并記錄每個樣品的地層和深度信息,共計160個樣品，每個樣品至少采集1 kg，用棕色磨口瓶封裝，樣品的采集和保存按《工業(yè)固體廢物采樣制樣技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 20—1998)中的規(guī)定進(jìn)行。

圖1 水基鉆井泥漿循環(huán)分離回用系統(tǒng)Fig.1 Drilling mud circulation separation and reuse system

1.1.2 樣品保存

用于有機物測定的樣品和用于重金屬測定的樣品分別置于冰箱中冷藏保存。

1.2 實驗方法

1.2.1 前處理方法

測定重金屬含量和浸出濃度分別參照《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)附錄S和《固體廢物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》(HJ/T 299—2007)進(jìn)行樣品前處理；測定苯系物、苯并[a]芘含量和浸出濃度分別參照GB 5085.3—2007附錄V和 HJ/T 299—2007進(jìn)行樣品前處理；測定石油烴含量參照《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 毒性物質(zhì)含量鑒別》(GB 5085.6—2007)附錄O進(jìn)行樣品前處理。

1.2.2 檢測方法

重金屬參照GB 5085.3—2007附錄B進(jìn)行測定；苯并[a]芘參照GB 5085.3—2007附錄K進(jìn)行測定；苯系物參照 GB 5085.3—2007附錄O進(jìn)行測定；石油烴參照GB 5085.6—2007附錄O進(jìn)行測定。重金屬、有機物檢出限和浸出限值見表1。

1.3 檢測儀器

表1 巖屑中重金屬、有機物檢出限和浸出限值

注：1)標(biāo)準(zhǔn)限值參考 GB 5085.3—2007。

重金屬采用Agilent 7500CS型電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測定；苯系物、苯并[a]芘采用Agilent 7890A/5975C型氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀測定；石油烴采用IR-960型紅外光譜儀測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 巖屑中的特征污染物分析

巖屑中的污染物主要來源于水基鉆井液、地層以及油氣層中的凝析油和石油，致使巖屑中含有重金屬、苯系物、苯并[a]芘和石油烴。3個典型地區(qū)巖屑中的重金屬、石油烴、苯系物和苯并[a]芘的質(zhì)量濃度如圖2所示。由圖2可知，巖屑中Ba和石油烴質(zhì)量濃度最高，其均值分別為1 907.8、1 625.8 mg/kg。其次為Pb、As、Zn、Cr，均值分別為243.9、114.9、51.2、44.6 mg/kg。苯系物和苯并[a]芘質(zhì)量濃度較低，均值為0.1～4.7 μg/kg。因此，由污染物含量知，Ba、石油烴、Pb、As、Zn和Cr為特征污染物。

對3個典型地區(qū)巖屑中的重金屬、苯系物和苯并[a]芘的浸出濃度進(jìn)行了測定，結(jié)果如圖3所示。苯系物和苯并[a]芘未檢出，同時由于GB 5085.3—2007未對Sb限值作相關(guān)要求，本次實驗未涉及Sb的浸出。巖屑污染物的浸出濃度均未超過GB 5085.3—2007中相應(yīng)限值。巖屑中Zn、Ba、Cu、As、Pb的浸出質(zhì)量濃度均值分別為0.34、0.23、0.04、0.02、0.01 mg/L，Zn和Ba的浸出濃度相對較高。因此，由浸出濃度知，Zn、Cu和Ba是特征污染物。

圖2 3個典型地區(qū)巖屑污染物質(zhì)量濃度均值Fig.2 Average concentration of pollutants in cuttings from three typical oil-gas fields

圖3 3個典型地區(qū)巖屑污染物浸出質(zhì)量濃度均值Fig.3 Average leaching concentration of pollutants in cuttings from three typical oil-gas fields

綜上，巖屑中的特征污染物為Ba、石油烴、Pb、As、Zn、Cr、Cu。

2.2 特征污染物含量地區(qū)差異性

3個典型地區(qū)巖屑特征污染物質(zhì)量濃度見圖4。對重金屬而言，西南地區(qū)Ba最高，達(dá)5 902.8 mg/kg，其次依次為Zn 98.2 mg/kg，Pb 24.3 mg/kg，Cr 13.5 mg/kg，Cu 13.3 mg/kg，As最低；西北地區(qū)Ba最高，為1 475.6 mg/kg，其次依次為As 81.2 mg/kg，Cr 50.9 mg/kg，Zn 41.6 mg/kg，Pb和Cu較低，分別為13.6、13.1 mg/kg；海南地區(qū)Ba最高，為1 684.0 mg/kg，其次依次為Pb 411.0 mg/kg，As 151.6 mg/kg。3個典型地區(qū)石油烴含量數(shù)量級均為103，且海南地區(qū)石油烴質(zhì)量濃度最高，為2 178.8 mg/kg。

圖4 3個典型地區(qū)巖屑特征污染物質(zhì)量濃度Fig.4 Concentration of particular pollutants in cuttings from three typical oil-gas fields

可見，Ba和石油烴是3個典型地區(qū)巖屑中含量較高的特征污染物。其他特征污染物含量表現(xiàn)出一定的地區(qū)差異性。在3個典型地區(qū)巖屑中， Cr含量為西北>海南>西南；Cu含量為西北>西南>海南；Zn含量為西南>海南>西北；As含量為海南>西北>西南；Pb含量為海南>西南>西北。主要原因可能是不同地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和礦物組成不同所致。

2.3 特征污染物浸出濃度地區(qū)差異性

3個典型地區(qū)巖屑中特征污染物的浸出質(zhì)量濃度見圖5。由圖5可知，西南地區(qū)Ba的浸出質(zhì)量濃度最高，為0.22 mg/L，其次依次為Cu、Pb、Zn和As，浸出質(zhì)量濃度分別為0.02、0.02、0.01、0.01 mg/L；西北地區(qū)Zn浸出質(zhì)量濃度最高，為0.41 mg/L，其次為Ba、Cu，浸出質(zhì)量濃度分別為0.23、0.04 mg/L；海南地區(qū)重金屬浸出濃度依次為Ba、Zn、Cu、As、Pb和Cr。

圖5 3個典型地區(qū)巖屑特征污染物浸出質(zhì)量濃度Fig.5 Leaching concentration of particular pollutants in cuttings from three typical oil-gas fields

3個典型地區(qū)巖屑中特征污染物浸出濃度存在差異。除Pb外，其他污染物在西北地區(qū)浸出濃度相對較高，海南地區(qū)相對較低。說明西北地區(qū)巖屑中特征污染物相對易浸出，以Zn、Ba為主，海南地區(qū)特征污染物相對難浸出，可能與不同地區(qū)重金屬賦存狀態(tài)有關(guān)。浸出濃度均未超過GB 5085.3—2007限值，與文獻(xiàn)[9]研究結(jié)果相似。

2.4 特征污染物地層分布特征

巖屑中特征污染物的含量和浸出濃度可能與鉆井深度(地層)有關(guān)，以西北地區(qū)為例，研究了不同地層巖屑中特征污染物質(zhì)量濃度及浸出質(zhì)量濃度特征，結(jié)果分別見圖6、圖7。

圖6 西北地區(qū)不同地層巖屑特征污染物質(zhì)量濃度Fig.6 Concentration of particular pollutants in cuttings of different strata from northwest oil-gas field

圖7 西北不同地層巖屑特征污染物浸出質(zhì)量濃度Fig.7 Leaching concentration of particular pollutants in cuttings of different strata from northwest oil-gas field

由圖6可知，巖屑中Ba、Cr、Zn和As 的含量在新生界中最高，Cu、Pb和石油烴的含量在上古生界中最高。上古生界是西北尤其是鄂爾多斯地區(qū)礦產(chǎn)能源共生或伴生的重要地層，因此可能造成Cu、Pb在該地層富集[12]。西北地區(qū)氣田的含氣層主要出現(xiàn)在上古生界，因此在該地層巖屑中石油烴含量最高。

圖6顯示Ba在各個地層中的含量均較高，可能是由水基鉆井液中的添加劑引起，因為水基鉆井液中常加入重晶石(硫酸鋇)作為調(diào)節(jié)劑。圖7顯示巖屑中Zn和Ba的浸出濃度在各個地層中都高于其他重金屬。Ba和Cr在新生界高于其他地層；Cu、As、Zn和Pb在上古生界巖屑中的浸出濃度較其他地層高。

3 結(jié) 論

(1) 油氣田開采產(chǎn)生的巖屑中特征污染物為Ba、Cr、Zn、Cu、As、Pb和石油烴。

(2) 3個典型地區(qū)巖屑中Ba和石油烴含量較高。除Pb外，西北地區(qū)巖屑中各重金屬浸出濃度高于其他地區(qū)；除Zn外，西南地區(qū)巖屑中重金屬浸出濃度高于海南地區(qū)。

(3) 污染物在不同地層巖屑中的含量有明顯差異，Ba、Cr、Zn和As在新生界中含量最高，Cu、Pb和石油烴在上古生界中含量最高。Cu、As、Pb和Zn的浸出濃度在上古生界最高，Cr和Ba的浸出濃度在新生界中最高。

[1] 何瑞兵．水基廢棄鉆井液無害化處理研究[D]．成都：西南石油學(xué)院，2002．

[2] 馬生居．國外鉆井液技術(shù)研究綜述[J]．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011(5)：148．

[3] 杜豐才．廢棄鉆屑風(fēng)險控制技術(shù)及研究[D]．青島：中國石油大學(xué)(華東)，2011．

[4] 宋延博．勝利油田鉆井廢棄泥漿固化處理技術(shù)研究[D]．濟南：山東大學(xué)，2007．

[5] 董婭瑋．廢棄鉆井泥漿固化處理技術(shù)研究[D]．西安：長安大學(xué)，2009．

[6] 馮京海，張克勤．水基鉆井液配方組合的回顧與展望[J]．油田化學(xué)，2005，22(3)：269-275.

[7] 朱寬亮，王富華，徐同臺，等．抗高溫水基鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(Ⅱ)[J]．鉆井液與完井液，2009，26(6)：56-64．

[8] 王建華，鄢捷年，丁彤偉．高性能水基鉆井液研究進(jìn)展[J]．鉆井液與完井液，2007，24(1)：71-75．

[9] 黃海，屈展，周立輝，等．廢棄鉆井液重金屬檢測及其污染性評價[J]．陜西師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，40(5)：52-55．

[10] 周禮．廢棄水基鉆井液環(huán)境影響及固化處理技術(shù)研究[D]．成都：西南石油大學(xué)，2014．

[11] 吳明霞．廢棄水基鉆井液環(huán)境影響及固化處理技術(shù)研究[D]．大慶：東北石油大學(xué)，2012．

[12] 李增學(xué)，余繼峰，李江濤，等．鄂爾多斯盆地多種能源共享富集的組合形式及上古生界沉積控制機制分析[J]．地球?qū)W報，2007，8(1)：32-38．

Researchonpollutioncharacteristicofwater-baseddrillingcuttingsoftypicaloil-gasfields

SHENXiaoli1,YANGJinzhong2,XUTianyou1,YANGYufei2.

(1.DepartmentofEnvironmentalEngineering，QuzhouUniversity,QuzhouZhejiang324000；2.ChinaResearchAcademyofScienceandTechnology,Beijing100012)

160 samples of water-based drilling cuttings were collected from typical oil-gas fields in northwest,southwest and Hainan of China. The contents and leaching concentrations of pollutants in cuttings were analyzed. The results indicated that the particular pollutants were Ba,Cr,Zn,Cu,As,Pb and petroleum hydrocarbon. The average contents of Ba and petroleum hydrocarbon were relatively higher than other pollutants，which were 1 907.8，1 625.8 g/kg，respectively. Contents of Zn,As,Cr and Ba were the highest in the Cenozoic,concents of Cu, Pb and petroleum hydrocarbon were the highest in Upper Palaeozoic in cuttings of northwest oil-gas field. Leaching concentrations of Cu, Zn, As and Pb in Upper Palaeozoic were higher than other strata,Cr and Ba were the highest in Cenozoic.

typical areas; water-based drilling cuttings; heavy metals; petroleum hydrocarbon; pollution characteristic

2016-12-16)

沈曉莉，女，1980年生，碩士，講師，主要從事環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測方面的研究。#

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*國家環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(No.201309023)；衢州學(xué)院中青年學(xué)術(shù)骨干資助項目(No.XNZQN201505)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.004