CN111610303A - 一种页岩气开发区地下水环境检测方法 - Google Patents

Abstract

本方案涉及一种页岩气开发区地下水环境检测方法，以实现对页岩气开采地的地下水质量在线预警与检测。该方法包括：步骤S1，钻井、套管与过滤管设置；步骤S2，将步骤S1中的钻井选取为监测井，进行在线离子色谱仪、便携式溶解甲烷含量检测装置安装及通信建立，并进行含量检测与预警；步骤S3，进行地下水组分含量检测；步骤S4，中心检测平台进行地下水污染等级确定；步骤S5，中心检测平台进行污染因子的权重占比计算与污染源识别。

Description

一种页岩气开发区地下水环境检测方法

技术领域

本发明属于页岩气开发环境检测领域，具体涉及一种页岩气开发区地下水环境检测方法。

背景技术

页岩气开发是世界能源革命和我国重大能源战略，当前在四川盆地已经实现大规模商业开发。但是，钻井和压裂等工艺及其物料的使用导致大量人工和来自地层的物质随岩屑和返排液/采出水返回地表形成潜在污染风险。来自美国的报告显示，出于减阻、杀菌、防腐、阻垢等需要，有约750种化学物质出现在不同公司的压裂液配方中，其中包括表面活性剂、高盐分废水、重金属及芳烃类潜在高风险物质。钻井液、压裂液、返排液、回注液和深层咸卤水等对浅层地下水和地表水的影响主要体现在四个方面，一是压裂对当地水资源的消耗量巨大；二是气田水通过油气井套管进入浅层地下水；三是气田水或深部咸卤水通过通道泄漏后进入浅层地下水，并进入地表水；四是钻井液、返排液等泄漏于地表，然后渗入地下水层，或由降雨形成的地表径流将受污染的土壤一起带入水体。

目前在页岩气工厂化开采过程中，开发区块内井位密集，对浅层地下水、深层地下水的潜在影响呈区域性特征，需特别重视区域性地下水的潜在影响与保护。现有的针对页岩气开采区地下水质量的检测通常采用人工手动到现场进行测量采集数据，工作周期长，且以离线方式为主。目前还未形成一种以页岩气开采地下水质量在线检测预警为基础，结合全方位环境指标检测和页岩气地下水环境风险评估与控制的综合检测体系与方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种页岩气开发区地下水环境检测方法，以实现对页岩气开采地的地下水质量在线预警与检测。

本发明的技术方案为：

本发明实施例提供了一种页岩气开发区地下水环境检测方法，包括：

步骤S1，钻井、套管与过滤管设置：根据页岩气开发区的地下水埋深，确定钻井深度，选取合适的钻井开孔口径，进行钻井；完成钻井后，设置套管和过滤管；

步骤S2，将步骤S1中的钻井选取为监测井，进行在线离子色谱仪、便携式溶解甲烷含量检测装置安装及通信建立，并进行含量检测与预警：针对监测井配套安装对监测井内的地下水中的几种阴离子和几种阳离子进行含量检测的在线离子色谱仪和对监测井内的地下水中的溶解甲烷进行含量检测的便携式溶解甲烷含量检测装置；建立在线离子色谱仪、便携式溶解甲烷含量检测装置与中心检测平台之间的通信；在线离子色谱仪、便携式溶解甲烷含量检测装置将检测结果实时反馈给中心检测平台；中心检测平台基于在线离子色谱仪和便携式溶解甲烷含量检测装置的检测结果，在确认存在部分或全部检测项目的含量超标时输出预警信息；

步骤S3，进行地下水成分含量检测：当中心检测平台输出预警信息时，从监测井内进行地下水取样，按照既定检测方式对地下水取样中的重金属元素、放射性元素及同位素以及常见中量组分中的高锰酸钾指数、石油类、悬浮物及硬度进行含量检测，并将检测结果输入中心检测平台；同时，控制在线离子色谱仪对地下水中的常见中量组分中的阳离子和阴离子进行含量检测，并将含量检测结果输入中心检测平台；

步骤S4，中心检测平台进行地下水污染等级确定：中心检测平台根据步骤S2中的溶解甲烷的含量检测结果和步骤S3的含量检测结果，按照预先设定的划分标准，确定地下水污染等级；

步骤S5，中心检测平台进行污染因子的权重占比计算与污染源识别：中心检测平台根据步骤S2中的溶解甲烷的含量检测结果和步骤S3的含量检测结果，确定存在含量检测结果超标的全部污染因子；进一步计算引起地下水污染的各污染因子所占的权重占比，且各污染因子的权重占比和为1；并根据各污染因子的含量检测结果，识别引起监测井内的地下水污染的污染源。

优选地，步骤S2中：

在线离子色谱仪安装在监测井附近的控制室内，在线离子色谱仪的进样口依次安装有过滤器、水泵以及水管，通过水泵将监测井内的地下水泵出，再经由过滤器过滤后进入在线离子色谱仪中，使在线离子色谱仪对监测井内的地下水中的几种特定阴离子和几种特定阳离子进行含量检测；便携式溶解甲烷含量检测装置搭载在水下机器人上，并随水下机器人一同进入监测井内的地下水中，进行溶解甲烷的含量检测；

在线离子色谱仪和便携式溶解甲烷含量检测装置各自通过无线网络将检测结果输出给控制室内的无线通信与信息上传装置，并由无线通信与信息上传装置上传至中心检测平台；

当在线离子色谱仪和便携式溶解甲烷含量检测装置的检测结果显示存在部分或多种检测项目超标时，中心检测平台输出预警信息。

优选地，步骤S2中：几种特定阳离子为：K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Sr²⁺；几种特定阴离子为：Cl^-、Br^-；

步骤S3中：常见中量组分中的阴离子和阳离子至少包括：K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Ba²⁺、Sr²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-、F^-、NO₃ ^-、NH₄ ⁺、NO₂ ^-、Br^-、I^-；重金属元素至少包括：Hg、Cr、Pb、Cd、As；放射性元素及同位素至少包括：总α放射性、总β放射性、δ²H、δ¹⁸O、³H、δ¹³C、¹⁴C、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、δ¹¹B、δ¹³C-CH₄、δ¹³C-CO₂、³He/⁴He、⁴He/²⁰Ne。

优选地，步骤S4中，所设定的划分标准具体为：

当一半及以上检测项目的含量检测结果均为零且含量达标倍数＜0.5，确定地下水污染等级为Ⅰ级，表示监测井内的地下水未污染；

当所有检测项目的含量检测结果均在设定标准内且含量达标倍数＞0.5，确定地下水污染等级为Ⅱ级，表示监测井内的地下水存在微污染；

当仅存在1个检测项目的含量检测结果超标且含量超标倍数＜1.5，确定地下水污染等级为Ⅲ级，表示监测井内的地下水存在轻污染；

当存在2到3个检测项目的含量检测结果超标且含量超标倍数＜2，确定地下水污染等级为Ⅳ级，表示监测井内的地下水存在中污染；

当存在3个以上检测项目的含量检测结果超标且含量超标倍数＜3，确定地下水污染等级为Ⅴ级，表示监测井内的地下水存在重污染；

当存在3个以上检测项目的含量检测结果超标且含量超标倍数＞3，确定地下水污染等级为Ⅵ级，表示监测井内的地下水存在严重污染。

优选地，步骤S4中：引起监测井中的地下水污染的污染源包括：甲烷泄露、压裂液泄露、返排液泄露和钻井液泄露中的一种或多种。

优选地，步骤S5中：

通过将各污染因子的含量检测结果与预存的各类液体组分含量表进行比对，进而确定对应的污染源。

本发明的有益效果为：能实时、动态的收集和分析页岩气开采区地下水污染风险趋势，对地下水的污染情况做出预警，通过分析预警结果对地下水体进行全方位检测，并进一步开展页岩气地下水环境风险评估与控制。本发明能解决现有页岩气开采区地下水检测体系单一的技术缺陷，能较好的达到检测预警和管理保护地下水的效果。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供了一种页岩气开发区地下水环境检测方法，包括：

步骤S1，钻井、套管与过滤管设置：根据页岩气开发区的地下水埋深，确定钻井深度，选取合适的钻井开孔口径，进行钻井；完成钻井后，设置套管和过滤管。

首先，根据区域岩土工程勘察报告、区域地质灾害详查报告、区域水文地质情况，确定页岩气开发区域地层类型、地层岩性，区域地下水层位、含水层类型及特点，确定地下水主要富集地层。

基于水文地质调查、水文地质物探的基础上进行钻探工作，首先根据页岩气开发区地下水埋深，确定钻井深度30m～150m。若钻井深度太浅，不能有效地揭露含水层，从而影响钻井出水量；若钻井过大，钻探成本会增大，且深井一般水位埋深较大，抽水成本及后期维护成本也相应增大；其次，钻井开孔口径应保证大于200mm；最后，准确设置套管、过滤管。

步骤S2，将步骤S1中的钻井选取为监测井，进行在线离子色谱仪、便携式溶解甲烷含量检测装置安装及通信建立，并进行含量检测与预警：针对监测井配套安装对监测井内的地下水中的几种阴离子和几种阳离子进行含量检测的在线离子色谱仪和对监测井内的地下水中的溶解甲烷进行含量检测的便携式溶解甲烷含量检测装置；建立在线离子色谱仪、便携式溶解甲烷含量检测装置与中心检测平台之间的通信；在线离子色谱仪、便携式溶解甲烷含量检测装置将检测结果实时反馈给中心检测平台；中心检测平台基于在线离子色谱仪和便携式溶解甲烷含量检测装置的检测结果，在确认存在部分或全部检测项目的含量超标时输出预警信息。

具体地，步骤S2进行之前，首先需要确定页岩气开采区地下水中关键化学指标，包括甲烷含量，K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Cl^-、Br^-的含量。溶解甲烷含量的测定目的是判断页岩气开采过程中是否有甲烷泄露而导致地下水污染。K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Cl^-、Br^-的含量测定目的是判断页岩气开采过程中是否有压裂液或返排液、钻井液泄露或渗露而导致地下水污染。其中，K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Sr²⁺作为步骤S2中的几种特定阳离子，Cl^-、Br^-作为步骤S2中的几种特定阴离子。

在线离子色谱仪为EP-7000在线离子色谱仪。在监测井附近建造有控制室，该控制室内安装有无线通信与信息上传装置，无线通信与信息上传通过无线通讯技术实现在线离子色谱仪、便携式溶解甲烷含量检测装置与中心检测平台的数据传输和远程控制。对于在线离子色谱仪、无线通信与信息上传装置和便携式溶解甲烷含量检测装置的供电方式为太阳能供电方式。

具体地，步骤S2中：

在线离子色谱仪安装在监测井附近的控制室内，在线离子色谱仪的进样口依次安装有过滤器、水泵以及水管，通过水泵将监测井内的地下水泵出，再经由过滤器过滤后进入在线离子色谱仪中，使在线离子色谱仪对监测井内的地下水中的几种特定阴离子和几种特定阳离子进行含量检测；便携式溶解甲烷含量检测装置搭载在水下机器人上，并随水下机器人一同进入监测井内的地下水中，进行溶解甲烷的含量检测；

在线离子色谱仪和便携式溶解甲烷含量检测装置各自通过无线网络将检测结果输出给控制室内的无线通信与信息上传装置，并由无线通信与信息上传装置上传至中心检测平台；

当在线离子色谱仪和便携式溶解甲烷含量检测装置的检测结果显示存在部分或多种检测项目超标时，中心检测平台输出预警信息。

其中，每对一种成分(离子和甲烷含量)进行一次含量检测即表示对一个检测项目进行一次含量检测。

步骤S3，进行地下水组分含量检测：当中心检测平台输出预警信息时，从监测井内进行地下水取样，按照既定检测方式对地下水取样中的重金属元素、放射性元素及同位素以及常见中量组分中的高锰酸钾指数、石油类、悬浮物及硬度进行含量检测，并将检测结果输入中心检测平台；同时，控制在线离子色谱仪对地下水中的常见中量组分中的阳离子和阴离子进行含量检测，并将含量检测结果输入中心检测平台。

步骤S3中，进行地下水采样来进行重金属元素、放射性元素及同位素以及常见中量组分中的高锰酸钾指数、石油类、悬浮物及硬度进行含量检测的具体手段，按照现有技术的检测方式对这些成分在地下水中的含量进行检测。

其中，步骤S3中：常见中量组分中的阴离子和阳离子至少包括：K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Ba²⁺、Sr²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-、F^-、NO₃ ^-、NH₄ ⁺、NO₂ ^-、Br^-、I^-；重金属元素至少包括：Hg、Cr、Pb、Cd、As；放射性元素及同位素至少包括：总α放射性、总β放射性、δ²H、δ¹⁸O、³H、δ¹³C、¹⁴C、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、δ¹¹B、δ¹³C-CH₄、δ¹³C-CO₂、³He/⁴He、⁴He/²⁰Ne。

步骤S4，中心检测平台进行地下水污染等级确定：中心检测平台根据步骤S2中的溶解甲烷成分含量检测结果和步骤S3的含量检测结果，按照预先设定的划分标准，确定地下水污染等级。

中心检测平台结合页岩气开发情况和区域水文地质条件进行地下水污染趋势的动态分析，参照相关标准规范，对潜在污染程度进行分级评价。

其中，所设定的划分标准具体为：

当一半及以上的检测项目的含量检测结果均为零且含量达标倍数＜0.5，确定地下水污染等级为Ⅰ级，表示监测井内的地下水未污染；

当所有检测项目的含量检测结果均在设定标准内且含量达标倍数＞0.5，确定地下水污染等级为Ⅱ级，表示监测井内的地下水存在微污染；

当仅存在1个检测项目的含量检测结果超标且含量超标倍数＜1.5，确定地下水污染等级为Ⅲ级，表示监测井内的地下水存在轻污染；

当存在2到3个检测项目的含量检测结果超标且含量超标倍数＜2，确定地下水污染等级为Ⅳ级，表示监测井内的地下水存在中污染；

当存在3个以上检测项目的含量检测结果超标且含量超标倍数＜3，确定地下水污染等级为Ⅴ级，表示监测井内的地下水存在重污染；

当存在3个以上检测项目的含量检测结果超标且含量超标倍数＞3，确定地下水污染等级为VI级，表示监测井内的地下水存在严重污染。

基于所确定的地下水污染等级，可以直观的确认出该地下水污染的严重程度。

步骤S5，中心检测平台进行污染因子的权重占比计算与污染源识别：中心检测平台根据步骤S2中的溶解甲烷的含量检测结果和步骤S3的含量检测结果，确定存在含量检测结果超标的全部污染因子；进一步计算引起地下水污染的各污染因子所占的权重占比，且各污染因子的权重占比和为1；并根据各污染因子的含量检测结果，识别引起监测井内的地下水污染的污染源。

其中，步骤S5中：引起监测井中的地下水污染的污染源包括：甲烷泄露、压裂液泄露、返排液泄露和钻井液泄露中的一种或多种。

当某一检测项目(组分)的含量检测结果显示含量超过标准时，即将该组分确认为一个污染因子。然后，通过利用现有技术中各种计算方法()，可以计算出各污染因子的权重占比(这些计算方法均为现有技术中的相关计算方法，只需要将确定出的各污染因子的含量值输入到相关算法中，便可以计算得到各污染因子的权重占比)，例如，最终确定K⁺、NO₂ ^-和As这几个组分的含量超标，即将这三个组分确定为污染因子，然后，将这三个组分的含量值输入到算法中，经过算法计算，即可获得这三个污染因子各自所占的权重比值，依靠这些权重比值，既可以确定到底哪一种组分的污染情况最严重。

表1

同时，本实施例中，还可以根据这些污染因子的含量值，来确定到底是哪一种或几种液体出现泄漏。实现方式是通过，从各类液体的组分含量表中，提取各污染因子对应的含量值，然后，经过含量比对，来识别到底是该页岩气开发区内的污染是由于该页岩气开发区内的地下水环境本身导致还是由于页岩气开发过程中所使用到的各类化学制剂出现泄漏所导致的。

本发明上述方法能实时、动态的收集和分析页岩气开采区地下水污染风险趋势，对地下水的污染情况做出预警，通过分析预警结果对地下水体进行全方位检测，并进一步开展页岩气地下水环境风险评估与控制。本发明能解决现有页岩气开采区地下水检测体系单一的技术缺陷，能较好的达到检测预警和管理保护地下水的效果。

Claims (6)

1.一种页岩气开发区地下水环境检测方法，其特征在于，包括：

步骤S1，钻井、套管与过滤管设置：根据页岩气开发区的地下水埋深，确定钻井深度，选取合适的钻井开孔口径，进行钻井；完成钻井后，设置套管和过滤管；

步骤S2，将步骤S1中的钻井选取为监测井，进行在线离子色谱仪、便携式溶解甲烷含量检测装置安装及通信建立，并进行含量检测与预警：针对监测井配套安装对监测井内的地下水中的几种阴离子和几种阳离子进行含量检测的在线离子色谱仪和对监测井内的地下水中的溶解甲烷进行含量检测的便携式溶解甲烷含量检测装置；建立在线离子色谱仪、便携式溶解甲烷含量检测装置与中心检测平台之间的通信；在线离子色谱仪、便携式溶解甲烷含量检测装置将检测结果实时反馈给中心检测平台；中心检测平台基于在线离子色谱仪和便携式溶解甲烷含量检测装置的检测结果，在确认存在部分或全部检测项目的含量超标时输出预警信息；

步骤S3，进行地下水组分含量检测：当中心检测平台输出预警信息时，从监测井内进行地下水取样，按照既定检测方式对地下水取样中的重金属元素、放射性元素及同位素以及常见中量组分中的高锰酸钾指数、石油类、悬浮物及硬度进行含量检测，并将检测结果输入中心检测平台；同时，控制在线离子色谱仪对地下水中的常见中量组分中的阳离子和阴离子进行含量检测，并将含量检测结果输入中心检测平台；

步骤S4，中心检测平台进行地下水污染等级确定：中心检测平台根据步骤S2中的溶解甲烷的含量检测结果和步骤S3的含量检测结果，按照预先设定的划分标准，确定地下水污染等级；

步骤S5，中心检测平台进行污染因子的权重占比计算与污染源识别：中心检测平台根据步骤S2中的溶解甲烷的含量检测结果和步骤S3的含量检测结果，确定存在含量检测结果超标的全部污染因子；进一步计算引起地下水污染的各污染因子所占的权重占比，且各污染因子的权重占比和为1；并根据各污染因子的含量检测结果，识别引起监测井内的地下水污染的污染源。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中：

在线离子色谱仪安装在监测井附近的控制室内，在线离子色谱仪的进样口依次安装有过滤器、水泵以及水管，通过水泵将监测井内的地下水泵出，再经由过滤器过滤后进入在线离子色谱仪中，使在线离子色谱仪对监测井内的地下水中的几种特定阴离子和几种特定阳离子进行含量检测；便携式溶解甲烷含量检测装置搭载在水下机器人上，并随水下机器人一同进入监测井内的地下水中，进行溶解甲烷的含量检测；

在线离子色谱仪和便携式溶解甲烷含量检测装置各自通过无线网络将检测结果输出给控制室内的无线通信与信息上传装置，并由无线通信与信息上传装置上传至中心检测平台；

当在线离子色谱仪和便携式溶解甲烷含量检测装置的检测结果显示存在部分或多种检测项目超标时，中心检测平台输出预警信息。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

步骤S2中：几种特定阳离子为：K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Sr²⁺；几种特定阴离子为：Cl^-、Br^-；

步骤S3中：常见中量组分中的阴离子和阳离子至少包括：K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Ba²⁺、Sr²⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-、F^-、NO₃ ^-、NH₄ ⁺、NO₂ ^-、Br^-、I^-；重金属元素至少包括：Hg、Cr、Pb、Cd、As；放射性元素及同位素至少包括：总α放射性、总β放射性、δ²H、δ¹⁸O、³H、δ¹³C、¹⁴C、⁸⁷Sr/⁸⁶Sr、δ¹¹B、δ¹³C-CH₄、δ¹³C-CO₂、³He/⁴He、⁴He/²⁰Ne。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所设定的划分标准具体为：

当一半及以上检测项目的含量检测结果均为零且含量达标倍数＜0.5，确定地下水污染等级为Ⅰ级，表示监测井内的地下水未污染；

当所有检测项目的含量检测结果均在设定标准内且含量达标倍数＞0.5，确定地下水污染等级为Ⅱ级，表示监测井内的地下水存在微污染；

当仅存在1个检测项目的含量检测结果超标且含量超标倍数＜1.5，确定地下水污染等级为Ⅲ级，表示监测井内的地下水存在轻污染；

当存在2到3个检测项目的含量检测结果超标且含量超标倍数＜2，确定地下水污染等级为Ⅳ级，表示监测井内的地下水存在中污染；

当存在3个以上检测项目的含量检测结果超标且含量超标倍数＜3，确定地下水污染等级为Ⅴ级，表示监测井内的地下水存在重污染；

当存在3个以上检测项目的含量检测结果超标且含量超标倍数＞3，确定地下水污染等级为Ⅵ级，表示监测井内的地下水存在严重污染。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中：引起监测井中的地下水污染的污染源为：甲烷泄露、压裂液泄露、返排液泄露和/或钻井液泄露中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中：

通过将各污染因子的含量检测结果与预存的各类液体组分含量表进行比对，进而确定对应的污染源。

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