中國西南地區(qū)頁巖氣田水基鉆屑理化性狀與污染物分析①

高昊辰，張 春，張思蘭，劉廣明，周澤軍，陳科平，何 勇，陳金林

中國西南地區(qū)頁巖氣田水基鉆屑理化性狀與污染物分析①

高昊辰1,4，張 春2，張思蘭2，劉廣明1*，周澤軍3，陳科平2，何 勇3，陳金林4

(1 中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008；2 重慶市涪陵頁巖氣環(huán)保研發(fā)與技術(shù)服務(wù)中心，重慶 408000；3 中國石油化工股份有限公司江漢油田分公司，湖北潛江 433124；4 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037)

從重慶市涪陵頁巖氣田采集水基鉆屑樣品，對其理化性質(zhì)與主要可能污染物共24項指標進行檢測分析，結(jié)果表明：水基鉆屑具有堿性強、鹽分高的特征；速效鉀含量較高(805 ~ 7 650 mg/kg)，有效磷和堿解氮含量較低；可吸附有機鹵化物(AOX)、礦物油、苯并[a]芘、糞大腸菌群值這4項主要有機污染物指標均符合GB/T23486—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》要求；重金屬含量均滿足CJ/T 340—2016《綠化種植土壤》中的I級或II級標準，滿足道路綠化帶、工廠附屬綠地土壤對重金屬含量的控制要求。Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法定量評估揭示，該頁巖氣田水基鉆屑中重金屬存在“輕度”潛在生態(tài)風(fēng)險，其中Hg和Cd為主要貢獻因子。因此，該頁巖氣田水基鉆屑存在綠地土壤化利用的可能。

水基鉆屑；頁巖氣田；重金屬；有機污染物

頁巖氣是賦存于富有機質(zhì)泥頁巖及其夾層中、以吸附和游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣，成分以甲烷為主[1]。我國有著豐富的頁巖氣資源，已探明的頁巖氣可開采資源量與美國相當(dāng)[2]。但目前我國頁巖氣的勘探開發(fā)還處于起步階段，對頁巖氣開發(fā)的環(huán)境問題尚不能完全認清。隨著我國頁巖氣開發(fā)規(guī)模的逐漸擴大，由其導(dǎo)致的一系列環(huán)境問題也受到社會的廣泛關(guān)注[3-5]。水基鉆屑作為頁巖氣鉆井過程中產(chǎn)生的主要固體廢物，由于其表面黏附泥漿及鉆井輔料殘液，因此其成分相對復(fù)雜，對其處理不當(dāng)可能會導(dǎo)致一定的環(huán)境風(fēng)險[6-7]。由于各國頁巖氣田的地質(zhì)情況、開采方式與技術(shù)條件均有較大差異，導(dǎo)致了頁巖氣鉆井產(chǎn)生的水基鉆屑理化性質(zhì)、污染物組分亦存在較大差別，國外對鉆屑的處理方法難以照搬，而目前國內(nèi)對于頁巖氣田水基鉆屑的理化性質(zhì)與污染物含量研究相對較少，尚無相應(yīng)的統(tǒng)一標準。因此本研究以重慶市涪陵頁巖氣田水基鉆屑為研究對象，調(diào)查分析其理化性狀與主要可能污染物特征，為頁巖氣田水基鉆屑的資源化利用和規(guī)范化管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

重慶市涪陵頁巖氣田位于四川盆地川東高陡褶皺帶包鸞-焦石壩背斜構(gòu)造區(qū)，西側(cè)以華鎣山深大斷裂為界與川中構(gòu)造區(qū)相接，東側(cè)以齊西深大斷裂為界與鄂西斷褶帶相鄰，北側(cè)與秦嶺褶皺帶相接，是中國首個進行商業(yè)化開發(fā)的大型頁巖氣田，也是目前除北美外最大的頁巖氣田[8]。該區(qū)域主要土壤類型為紫色土和黃壤[9-11]，其地層巖性以泥巖和砂巖為主，部分區(qū)域以石灰?guī)r為主[12]。

1.2 樣品采集與分析

水基鉆屑產(chǎn)生于二開鉆井階段，其主要來自于地下600 ~ 1 500 m的巖層。試驗所用水基鉆屑樣品于2017年2月采自西南某頁巖氣田，共采集混合樣品5個，樣品A、B、C分別采自3個不同的鉆井平臺的干化水基鉆屑堆棄場，樣品D、E分別采自鉆井平臺振動篩出口處。采集的水基鉆屑經(jīng)自然風(fēng)干后研磨過篩，對其主要理化性質(zhì)、有機污染物、重金屬含量等24項指標進行測定，具體指標及測定方法見表1。由于頁巖氣田與農(nóng)田相鄰，所處區(qū)域生態(tài)環(huán)境相對敏感，且國內(nèi)缺少有關(guān)水基鉆屑資源化利用的相應(yīng)標準，因而本文參考了CJ/T 340—2016《綠化種植土壤》[13]與GB/T23486—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》[14]對水基鉆屑的主要可能污染物及其理化性質(zhì)進行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 水基鉆屑的理化性質(zhì)

按照CJ/T 340—2016《綠化種植土壤》檢測水基鉆屑的pH、容重、電導(dǎo)率等12項物理化學(xué)指標，結(jié)果見表2。

表1 檢測項目及方法

表2 水基鉆屑理化性質(zhì)

水基鉆屑從外觀上看為灰白色固體，其有著堿性強、鹽分高的特征，pH范圍為8.6 ~ 10.0，各樣品鹽分含量均大于6 g/kg，在土壤鹽漬化分級標準中屬于鹽土。根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標準對水基鉆屑進行分級，樣品A、C、D為砂質(zhì)壤土，樣品B、E為壤質(zhì)黏土；除樣品E的有機質(zhì)含量低于CJ/T 340—2016《綠化種植土壤》中20 ~ 80 g/kg的技術(shù)要求外，其余樣品均符合標準要求。從養(yǎng)分來看，水基鉆屑的各項指標不完全滿足CJ/T 340—2016《綠化種植土壤》中的技術(shù)要求，總體呈現(xiàn)出高鉀、低磷、低氮的特點，其速效鉀含量為805 ~ 7 650 mg/kg，各樣品均高于標準中60 ~ 300 mg/kg的技術(shù)要求；有效磷含量為1.21 ~ 4.05 mg/kg，各樣品均低于標準中5 ~ 60 mg/kg的技術(shù)要求；堿解氮含量為25.40 ~ 144.10 mg/kg，除樣品B、D的堿解氮符合標準中40 ~ 200 mg/kg的技術(shù)要求外，其余樣品均低于技術(shù)要求。

2.2 水基鉆屑的有機污染物含量

水基鉆屑中的有機污染物主要來自于鉆屑表面附著的鉆井液，而鉆井液作為一種需要滿足不同開采需求的循環(huán)流體其成分混雜，并含有多種高分子有機化合物與石油類物質(zhì)，這些物質(zhì)會同鉆屑一并從地層帶裹挾至地表。

本試驗對于各樣品的AOX、礦物油、苯并[a]芘、糞大腸菌群值4項主要有機污染物的含量進行了測定，結(jié)果見表3。水基鉆屑有機污染物檢測結(jié)果與GB/T 23486—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》比對，各樣品各指標均符合標準要求?？傮w來看，取自鉆井平臺振動篩出口的樣品D、E其AOX與礦物油兩項指標顯著高于干化水基鉆屑樣品A、B、C，這可能與樣品A、B、C進行了除振動篩外額外的固液再分離程序，降低了鉆屑表面附著的泥漿量有關(guān)。

表3 水基鉆屑主要有機污染物含量

2.3 水基鉆屑的重金屬含量與潛在生態(tài)風(fēng)險評估

2.3.1 水基鉆屑的重金屬含量 水基鉆屑中的重金屬一方面來自于地層本身，另一方面則來自于鉆井液添加劑(如重晶石)，其重金屬含量會受開采地點地層特點與鉆井液成分等多方面的影響。

本研究水基鉆屑的重金屬含量測定結(jié)果見表4。各重金屬含量范圍分別為：Hg為0.15 ~ 0.63 mg/kg，As為2.12 ~ 10.70 mg/kg，Pb為0.63 ~ 4.42 mg/kg，Cr為39.4 ~ 89.7 mg/kg，Cu為4.6 ~ 23.4 mg/kg，Zn為56.0 ~ 219.0 mg/kg，Ni為5.0 ~ 26.6 mg/kg，Cd為0.134 ~ 0.406 mg/kg。參考并比對CJ/T 340—2016 《綠化種植土壤》中的重金屬含量技術(shù)要求，樣品A的Hg、Zn達到II級標準，其余指標均符合I級標準；樣品B、C、D、E的各項重金屬指標均符合I級標準，即適用于水源涵養(yǎng)林等屬于自然保育的綠(林)地。

表4 水基鉆屑重金屬含量(mg/kg)

2.3.2 水基鉆屑重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評估 瑞典科學(xué)家Hakanson[15]于1980年根據(jù)重金屬的生態(tài)效益、環(huán)境行為，建立了一套評估重金屬污染潛在生態(tài)風(fēng)險的方法，該方法能更好地反映重金屬元素的潛在生態(tài)危害[16]。其計算公式為：

表5 重金屬潛在生態(tài)危害分級標準[15]

本次評價共包含Zn、Cr、Cu、Pb、Ni、As、Cd、Hg共8種元素，其中除去Hakanson[15]已給出的7種元素的毒性響應(yīng)系數(shù)外，根據(jù)徐爭啟等[17]的研究結(jié)果增加了Ni的毒性響應(yīng)系數(shù)，同時將GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》[18]中的一級標準值作為為參比值進行水基鉆屑中重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險評估。各評價因子的毒性響應(yīng)系數(shù)及參比值見表6。

表6 評價因子的毒性響應(yīng)系數(shù)及參比值

從表7中可以看出，水基鉆屑中重金屬元素的潛在生態(tài)風(fēng)險等級為“輕度”，單項潛在風(fēng)險中除Hg達到“較重”水平外，其余各重金屬元素的風(fēng)險等級均為“輕度”，8種重金屬潛在風(fēng)險系數(shù)大小排序為Hg>Cd>As>Cu>Ni>Cr>Zn>Pb，其中Hg和Cd是水基鉆屑中重金屬污染風(fēng)險的主要貢獻因子，分別占總潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的66.20% 與25.95%，其余重金屬元素對污染風(fēng)險的貢獻較小，只占潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的0.77% ~ 2.76%。

表7 水基鉆屑中重金屬的潛在污染評價

3 結(jié)論

1) 水基鉆屑具有堿性強、鹽分高、高鉀、低磷、低氮的特點，如將水基鉆屑進行綠地土壤化利用需對其進行鹽分淋洗，并增施氮磷養(yǎng)分。

2) 水基鉆屑中可吸收有機鹵化物(AOX)、礦物油、苯并[a]芘、糞大腸菌群值4項主要有機污染物指標均符合GB/T23486—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》要求。水基鉆屑進行的固液分離工序可能對于降低其AOX、礦物油等污染物的含量有一定作用。

3) 水基鉆屑中重金屬含量均符合CJ/T 340—2016《綠化種植土壤》中的I級或II級標準，滿足道路綠化帶、工廠附屬綠地土壤對重金屬含量的控制要求。

4) Hakanson潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法定量評估揭示，該頁巖氣田水基鉆屑中重金屬存在“輕度”潛在生態(tài)風(fēng)險，其中Hg和Cd為主要貢獻因子。

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Analysis of Physiochemical Properties and Pollutants of Water-Based Drilling Cuttings in Shale Gas Field near Southwest China

GAO Haochen1, 4, ZHANG Chun2, ZHANG Silan2, LIU Guangming1*, ZHOU Zejun3, CHEN Keping2, HE Yong3, CHEN Jinlin4

(1 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 Chongqing Environmental Protection Center for Shale Gas Technology & Development, Chongqing 408000, China; 3 Jianghan Oil-field Branch Company, SINOPEC, Qianjiang, Hubei 433124, China; 4 Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

The samples of water-based drilling cuttings were collected from shale gas fields of Fuling in Chonging, and their physiochemical properties and the main possible pollutants (24 items) were tested and analyzed. Results indicated that water-based drilling cuttings had the features of strong alkalinity and highly salinity; the content of potassium was relatively high (805-7 650 mg/kg), and the contents of phosphorus and nitrogen were relatively low; absorbable organic haloid, mineral oil, benzo-a-pyrene and fecal coliforms all met the requirements of Mud Used in Landscape of Urban Sewage Treatment Factory GB/T23486—2009; the contents of heavy metals all met the requirements of Green Planting Soil CJ/T 340—2016 Level I or Level II, and they met the control requirements of heavy metal contents for green belts on street and soil in the factory. Hakanson potential ecological risk index revealed that there was a “mild” potential ecological risk of heavy metals in water-based drilling cuttings in shale gas fields near Southwest China. Hg and Cd were the main contributors. Water-based drilling cuttings in shale gas fields of Fuling in Chongqing have the potential to be used for soil utilization in the green area.

Water-based drill cuttings; Shale gas fields; Heavy metals; Organic pollutants

重慶市科委–社會事業(yè)與民生保障科技創(chuàng)新專項重點研發(fā)項目(cstc2017shms-zdyfx0033)和江蘇省重點研發(fā)計劃項目(BE2017389, BE2018759)資助。

gmliu@issas.ac.cn)

高昊辰(1994—)，男，安徽蕪湖人，碩士研究生，主要從事鹽漬土改良、綠化方面的研究。E-mail: ghcnfu@foxmail.com

X741；S15

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.06.017