بخشی از مقاله
مقدمه
بیش از 55 نوع ماده مختلف بهعنوان افزودنی گلحفاری شناخته شدهاست که در هر حفاری بسته بهروش حفاری؛ مقاومت سنگها، میزان شکستگی، عمق، مواد گازی و ترکیب کانیشناسی سنگهای میزبان تنها 10-15 ماده مورد استفاده قرار میگیرد .(Gettleson, 1980) انجمن بینالمللی تولید کننده نفت و گاز دو نوع گلحفاری اصلی را معرفی کرد که شامل: گل پایه آبی و گل غیر آب پایه است .(OGP , 2003 ; Neff et al., 2000) در تقسیمبندی دیگری که توسط Darley and Gray (1988) صورت گرفت گلهای غیر آب پایه براساس غلظت آروماتیکها به سه گروه طبقهبندی شدند. نوع I با غلظت آروماتیکی زیاد یا گل پایه نفتی، نوع II با غلظت آروماتیکی متوسط یا گل پایه روغنی معدنی، نوع III با غلظت آروماتیکی کم یا گل پایه مصنوعی. ترکیب گل پایه آبی شامل رس، مواد وزن افزا و دیگر مواد شیمیایی در فاز آبی است در حالیکه گل پایه
روغنی و مصنوعی دارای فاز پیوسته هیدروکربنی با شورابه همراه با رس، مواد وزن افزا و دیگر افزودنیهاست.
نگرانی اصلی دفن پسماندهای حفاری در ارتباط با هدایت الکتریکی (مقدار کلرید در فاز نمکی) و حضور فلزاتسنگین درآنهاست ( Grow Cock et al., .(2002 فلزات سنگین و هیدروکربنهای ضایعات حفاری خشکی باعث آلودگی محیط زیست میشوند. از اینرو میتوانند بر روی سلامت انسان تاثیر بگذارند. اگرچه این تاثیرات بستگی به نوع، طبیعت و غلظت فلزاتسنگین و هیدروکربنها (Hastings et al., 1984) و همچنین مدت زمان قرار گرفتن در معرض این آلودگیها دارد .(API, 1978)
Patin, 1999 نیز ترکیبات گل حفاری را به سه گروه براساس تاثیرات بوم سم شناختی تقسیم بندی کرد:
100
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×پاییز 91، شماره 5
گروه اول: شامل ترکیبات اصلی گلحفاری پایه آبی مثل بنتونیت و رسهای دیگر، باریت و لیگنوسولفانات است که سمیت کم تا متوسط دارند و تاثیرات آنها با افزایش فاصله از منطقه تخلیه ضایعات حفاری سریعا کاهش مییابد.
گروه دوم: سمیت متوسط دارند اما در مقادیر خیلی کم یافت میشوند و شامل صابونها، روان کنندهها، نفت و فرآوردههای نفتی، محلولها، امولسیفایرها و تینرها هستند.
گروه سوم: شامل فلزاتسنگین، کف کنندهها، مواد استفاده شده برای جلوگیری از خوردگی، مواد کشنده و باکتریکشها هستند که این مواد خیلی سمی و در مقادیر کم وجود دارند.
باریت که به عنوان یک ماده وزن افزا در عملیات حفاری مورد استفاده قرار می-گیرد نامحلول، خنثی و غیر سمی است .(Monaghan et al., 1980) حضور مقادیر زیاد باریم در پسماندهای حفاری به دلیل استفاده باریت در گلحفاری است .(Scholten et al., 2000) فلزاتی که ممکن است در باریت وجود داشته باشد و از نظر زیست محیطی نگران کننده هستند شامل: Cd (Nelson et al.,
1984), Cr, Cu, Hg (Crecelius et al., 2007), Pb , Zn (WHO, 2001)
است که این فلزات در باریت اصولا به صورت نمکهای سولفیدی نامحلول هستند (Trefry and Smith, 2003) و غلظت آنها بستگی به منشأ باریت دارد. بنتونیت به عنوان یکی دیگر از مواد اولیه گل حفاری نیز ممکن است دارای غلظت بالایی از چندین فلز باشد که با ماتریکس آن پیوند مییابند ( National .(Research Council, 1983
با توجه به تنوع مواد بکار رفته در انواع گل حفاری، پسماندهای متفاوتی در میدانهای نفتی مختلف یافت میشوند که میبایست برای هر مورد بطور جداگانه مورد بررسی قرار میگیرند. میدان نفتی اهواز، بزرگترین میدان نفتی ایران است که درشمال و شمال شرقی شهر اهواز و بخشی از محدودهی شهر اهواز واقع شدهاست. در این میدان نفتی به دلیل شرایط خاص زمینشناسی، برای عملیات حفاری از گلحفاری با ترکیبات پیچیده استفاده میشود. ضایعات حفاری در حین عملیات و یا پس از پایان آن در محیط اطراف دکل در حوضچههای مخصوص تخلیه میشود که ممکن است منجر به آلودگی محیط زیست شود. در این تحقیق تاثیر مواد افزودنی گل حفاری و سازندهای مختلف حفاری شده در غلظت فلزات پسماندهای حفاری چاه شماره 449 میدان نفتی اهواز مورد بررسی قرار گرفته است.
مواد و روش تحقیق
باتوجه به برنامه زمانبندی حفاری چاههای نفت و هماهنگی با اداره زمین-شناسی مناطق نفتخیز (کارون)، چاه شماره 499 در میدان نفتی اهواز برای نمونه برداری انتخابگردید (شکل.(1 نمونههای پسماند از هرکدام از لیتولوژی-های اصلی سازندهای مختلف از روی الک لرزان (شکل(2 و به میزان 1Kg برداشتهشد .(Susich, 2000)
شکل .2 نمایی از الکهای لرزان و خردههای خارج شده از چاه حفاری
مواد اولیه گل که احتمال میروند منشأ فلزات در پسماندهای حفاری باشند شامل: باریت، بنتونیت، هماتیت (فروبار)، گازوئیل و آب است. نمونهبرداری از این مواد نیز در آزمایشگاه گلحفاری شرکت ملی نفت انجام شد. همچنین نمونه برداری از خاک منطقه (به عنوان نمونه شاهد) در فاصله 500 m از چاه مورد نظر انجام شد.
در عملیاتحفاری چاه شماره 449 اهواز 5 حفره وجود دارد. گلهای مورد استفاده در عملیاتحفاری این چاه و همچنین سازندهای موجود در هر حفره به همراه نمونههای برداشتهشده در ادامه توضیح داده میشود:
روش ساخت سیال حفاری اولین حفره"26 و نمونهبرداری از آن
این حفره تا عمق 60 الی 61 متری و در سازند آغاجاری است. در این حفره پیل بنتونیتی باگرانروی بالا بعنوان گلحفاری استفادهشد که روش ساخت آن بهاین شرح است: آب1-0/5 + پوند/بشکه کربنات سدیم25-20 + پوند/بشکه بنتونیت0/25-0/5 + پوند/بشکه کاستیک.
نمونهبرداری در این حفره بهدلیل اینکه سازند آغاجاری و گل بنتونیتی در حفره بعد هم وجود دارد، صورت نگرفت.
روش ساخت گلحفاری دومین حفره"17 1/2 و نمونهبرداری از آن
این حفره در سـازندهای آغاجـاری و میشـان و بخـش 7 گچسـاران اسـت. حفاری در این حفره با کاهش گرانروی گل حفره قبل آغاز و جهت تمیز نمـودن چاه از پیل بنتونیتی استفادهشد. در این حفـره نمونـههـایی از گـلبنتـونیتی 1) نمونه) قبل از ورود به چاه و همچنین از پسماندهای (خـرده حفـاری+گـل) هـر لیتولوژی اصلی سازند برداشتهشد. بدینصورت کـه در سـازند آغاجـاری نمونـه-برداری از پسماند مارنهای قرمز در اعماق مختلف و در سازند میشان از پسماند مارنهایخاکستری-قرمز و آهک در اعماق مختلف از روی الکلرزان انجـام شـد (شکل.(3 نمونـههـای بـا لیتولـوژی مشـابه بـا هـم مخلـوط و همگـن شـدند. از لیتولوژیهای مختلف سازند گچساران بهدلیل اینکه در حفره بعـدی هـم وجـود دارد، نمونه برداری صورت نگرفت.
روش ساخت گلحفاری سومین حفره 12 1/4" و نمونهبرداری از آن
این حفره در سازند گچساران است و از گل پایهآبی سنگین جهت حفـاری آن استفاده شد که روش ساخت آن بهصورت زیر است:
شکل.1 الف- موقعیت میدان نفتی اهواز در فروافتادگی دزفول (با تغییرات از (Insalaco et al., 2006، ب- موقعیت چاه شماره 449 در میدان نفتی اهواز
101
آب+ نمک در حد اشباع+ آهک+ نشاستهسبز 14-10 بشکه/ پوند+باریت تـا وزن 135 PCF و از وزن 135 PCF به بالا باریت و فروبار به نسبت 3 به 1 اسـتفاده گردید. نمونهبرداری از گل پایهآبی سنگین قبـل از ورود بـه چـاه و همچنـین از پسماند لیتولوژیهای مختلف سازند گچساران صورت گرفت.
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
در سازند گچساران از پسماندهای انیدرید، نمک، آهک، مـارنخاکسـتری، مـارن قرمز و شیلهای پوشسنگ در اعماق مختلف نمونهبرداری انجام شـد (شـکل.(3 نمونههای لیتولوژی مشابه با هم مخلوط و همگن شدند.
روش ساخت گلحفاری چهارمین حفره " 8 1/2 و نمونهبـرداری از آن
این حفره در سازندهای آسماری تا ایلام است که در ابتدا حفاری با آب-نمک و با ورود به شیلهای آسماری، گلروغنی مورد استفاده قرار گرفت. مواد مورد استفاده در گل روغنی شامل: گازوئیل، F.L.C، امولسیفایر اولیه، امولسیفایر ثانویه، آهک، آب کلرید کلسیم، ویسکازیفایر است. نمونهبرداری از گلروغنی مورد استفاده در عملیاتحفاری این حفره قبل از ورود به چاه و پسماند لیتولوژیهای مختلف سازندهای آسماری، پابده، گورپی، ایلام انجامشد.
×پاییز 91، شماره 5
در سازند آسماری از پسماندهای ماسهسنگ، مارنخاکستری، سنگآهک و در سازند پابده از پسماندهای شیلهای بیتومیندار، سنگآهک، شیل در اعماق مختلف نمونهبرداری انجام شد. در سازند گورپی از پسماندهای سنگآهک شیلی، مارنخاکستری و در سازند ایلام از پسماندهای سنگآهک در اعماق مختلف نمونه برداشتگردید (شکل.(3 نمونههای برداشتهشده از لیتولوژیهای مشابه با هم مخلوط و همگن شدند.
روش ساخت گلحفاری پنجمین حفره" 6 1/8 و نمونهبرداری از آن
این حفره در سازند سروک است و باتوجه به اینکه گل مورد استفاده تقریبا همانند مورد قبل است، بنابراین نمونهای برداشته نشد. در سازند سروک از پسماندهای سنگآهک در اعماق مختلف نمونهبرداری صورت گرفت (-شکل.(3 سپس نمونهها مخلوط و همگن شدند.
شکل.3 لاگ چاه شماره 449 اهواز و اعماق نمونه برداری که با علامت ستاره مشخص شدهاست
102
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
آماده سازی و تجزیه شیمیایی نمونهها
نمونههای پسماند با وزن 1kg پس از جمعآوری درون کیسه های پلاستیکی گذاشته و به آزمایشگاه انتقال دادهشدند. پسماندهای پایهآبی در داخل اون بهمدت 2 ساعت در دمای 50 درجه سانتیگراد در آزمایشگاه خشک-شدند. شایان ذکر است که خشککردن پسماندهای روغنی در اون به دلیل داشتن روغنهای سنگین و احتمال سوختن نمونهها میسر نبود. بههمین دلیل، نمونهها در دمای اتاق تا چندین روز نگهداشته شدند بهنحوی که قابل پودرکردن شوند. سپس نمونهها توسط آسیاب پودر شدند. نمونههای پودرشده از الک 200 مش عبور داده شدند. قبل از پودرکردن هر نمونه، دستگاه و الک با استون و پنبه تمیز شدند تا احتمال آلودگی نمونهها کمتر شود. سپس 20 گرم از هر نمونه به منظور اندازهگیری فلزاتسنگین به روش ICP-MS به آزمایشگاه A.L.S کانادا ارسالشد.
نمونههای گازوئیل، آب، گلهای پایه آبی و روغنی به حجم 120cc و درون ظروف پلی اتیلن (Eaton , et al., 1998) گذاشته شدند. نمونههای باریت، بنتونیت، فروبار نیز به وزن 20gr و در کیسههای پلاستیکی قرار دادهشدند. تجزیه نمونههای مایع توسط آزمایشگاه Labwest استرالیا و نمونههای جامد توسط آزمایشگاه A.L.S کانادا به روش ICP-MS انجام شد. تجزیه نمونههای گازوئیل و گلروغنی نیز بهروش ICP-OES توسط مرکز تحقیقات فرآوری مواد معدنی ایران انجامگرفت.
بحث و نتایج
پارامترهای آماری مربوط به دادههای خام شامل میانگین، میانه، انحراف معیار، حداقل و حداکثر برای 9 عنصر در پسماندهای مختلف چاه شماره 449 محاسبه و در (جدول (1 ارائه شدهاست.
نتایج نشان میدهد که میانگین فراوانی عناصر در نمونههای پسماند بهشرح زیر است:
Sr>Ba>Cu>Zn>Cr>Ni>V>Cd>Ag
جدول.1 پارامترهای آماری دادههای خام با تعداد نمونههای پسماند N: 20
تعیین ضریبهمبستگی
ماتریکس ضرایب همبستگی بین نتایج خام حاصل از تجزیه پسماندهای چاه شماره 449، بهروش اسپیرمن در (جدول (2 نشان داده شدهاست.
جدول.2 ماتریکس ضرایب همبستگی بین عناصر بهروش اسپیرمن
×پاییز 91، شماره 5
براساس نتایج این جدول، مقدار 0/447 به بالا معنیدار درنظر گرفتهشد. عناصر با ضریبهمبستگی بین 0/448 تا 0/567 (با علامت (* بهعنوان همبستگی متوسط و عناصر با ضریبهمبستگی 0/568 به بالا (با علامت (** بهعنوان همبستگی قوی درنظر گرفته شدند. این نتایج نشان میدهد که عنصر باریم همبستگی منفی قوی با عناصر مس، روی و استرانسیم و با عنصر نقره همبستگی منفی دارد و همچنین با کروم همبستگی مثبت دارد.
مقایسه نتایج نمونههای پسماند چاه شماره 449 اهواز با استانداردهای خاک، میانگین خاکمنطقه
مقادیر عناصر مختلف در پسماندها (جهت مطالعهی میزان آلودگی پسماندهای سازندهای حفاری شده) با استانداردهای موجود برای خاکها، میانگین عناصر در نمونههای خاکمنطقه مقایسه شدند و همچنین غنیشدگی یا تهیشدگی آنها تعیین شد.
کادمیم
مقدار متوسط کادمیم در پوستهزمین 0/2 قسمت در میلیون گزارش شده-است .(Krauskopf & Dannis, 1995) غلظت این عنصر در خاکها بین 0/06-1/1ppm با میانگین جهانی 0/53ppm (آستانهی آلودگی) است (Kabata-Pendias & Pendias, 1992) که 35 درصد نمونههای پسماند بیشتر از این محدوده هستند. مقدار کادمیم طبق استاندارد U.S EPA, 1992 در خاکها بین 0/01-0/7ppm و با میانگین 0/06 گزارش شدهاست .(Lindsay, 1979) مقدار کادمیم در 40 درصد نمونهها بیشتر از این محدوده است. حد بحرانی این فلز 8-3ppm است ( Kabata-Pendias & Pendias, (1984 که تنها 5 درصد نمونهها در محدوده بحرانی (پسماند شیلهای بیتومینه پابده) قرار میگیرند. مقدار کادمیم در 50 درصد نمونههای پسماند نیز بیشتر از میانگین آن در خاکهای منطقه مورد مطالعه (0/285ppm) است (شکل 4الف).
باریت مورد استفاده در عملیاتحفاری چاه 449 دارای 0/78 ppm کادمیم و آب مورد استفاده در عملیاتحفاری نیز دارای 0/15 ʽg/l کادمیم است که بالابودن کادمیم در نمونههای پسماند گچساران تا حدودی میتواند بهدلیل استفاده از باریت در فرمولاسیون گل پایهآبی سنگین (0/16ppm) باشد. در گزارشات U.S EPA, 1988 آمده است که کادمیم تخلیهشده به محیط در طی فعالیتهای حفاری، پتانسیل بالایی برای آلودگی زیستمحیطی در محیط دریایی و انتقال به انسان در طی مصرف غذایی دریایی آلوده را دارد. باریت منبع اصلی این فلز در پسماندهای حفاری است.
خردههای حاصل از حفاری سازندها نیز ممکن است درصد قابلتوجهی از کادمیم را دارا باشند (Candler, 1995) که شیلهای غنی از ماده آلی دارای فلزاتکمیاب بیشتری مثل Zn,Cd,V,Mo,Cu نسبت به مقدار طبیعی هستند .(Stow, 1987) در مطالعهای نیز توسط Leuterman, 1997 نشان دادهشد که غلظت کادمیم در سنگهای حفاری شده پنج برابر بیشتر از غلظت کادمیم در باریتتجاری است. در چاه مورد مطالعه، مقدار کادمیم در شیلهای بیتومینه پابده بیشترین مقدار را نسبت به سایر لیتولوژیها دارد. همچنین مقدار این عنصر در شیلهای پابده نیز بالاست. گلحفاری مورد استفاده در سازند پابده از نوع گل پایهروغنی است و مقدار کادمیم در گل پایهروغنی و گازوئیل ppm <0/1 اندازهگیری شدهاست بنابراین، میتوان نتیجهگرفت که منشأ این عنصر در پسماندهای شیلی پابده لیتوژنی است.
103
مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته
باریم
مقدار باریم در پوسته زمین 425 میلیگرم در کیلوگرم است ( Krauskopf .(& Dannis, 1995 مقدار باریم در سنگهای آهکی بین 50-200 ppm، در سنگهای رسی بین 500-800ppm و در ماسهسنگها بین 100-320ppm است .(Kabata-Pendias & Pendias, 1992) میزان باریم در خاکهای جهانی بین 84-960ppm است (Kabata-Pendias & Pendias, 1992) که 10 درصد نمونههای پسماند بیشتر از این محدوده است. غلظت باریم در خاکهای U.S.A بین 240-290ppm است (Govindaraju, 1994) که 50 درصد نمونههای پسماند بیشتر از این محدوده است. میزان باریم در 50 درصد نمونههای پسماند نیز بیشتر از میانگین آن در خاکهای منطقه مورد مطالعه (260/5ppm) است (شکل4ب).
باریت مورد استفاده در عملیاتحفاری چاه 449 دارای 2400 ppm باریم و آب مورد استفاده نیز دارای 61ʽg/l باریم است همچنین بنتونیت دارای 991 ppm باریم است. میزان باریم در گل پایهآبی سبک و سنگین بهترتیب 78/2 ppm و 3000 ppm است. غلظت باریم در پسماندهای آغاجاری، میشان و گچساران (که از گل پایهآبی سبک و سنگین برای حفر آنها استفاده میشود) بالا نیست در صورتیکه عمده مصرف باریت در گل پایهآبی سنگین است. غلظت باریم در پسماندهای مارنخاکستری آسماری، سنگآهک پابده، شیل و شیلهای بیتومینه پابده، سنگآهک ایلام و سروک بالاست که بیشترین مقدار باریم در پسماند سنگآهک پابده است. در عملیاتحفاری این سازندها از آب نمک (سازند آسماری) و گل پایهروغنی (سازندهای پابده، ایلام و سروک) استفاده میشود. میزان باریم در آب 61 ʽg/l، گازوئیل <0/1ppm و در گل پایهروغنی 76ppm است. براساس Paradis et al., 1997 سنگهای میزبان باریت شامل شیلهای سیلیکات و کربناتدار، سیلتستون، چرت، رس، ماسهسنگ، دولومیت، آهک است بنابراین، منشأ این فلز در پسماندهای آسماری، پابده، ایلام و سروک میتواند از خود سازندها باشد.
مس
مقدار میانگین مس در پوستهزمین 55 میلیگرم بر کیلوگرم است .(Krauskopf & Dannis, 1995) بالاترین مقدار مس در سنگهای مافیک (60-120ppm) و رسوباترسی (40-60ppm) و کمترین مقدار آن در سنگ آهک (2-10ppm) است .(Kabata-Pendias & Pendias, 1992) غلظت مس در خاکها خیلی متغیر است اما معمولا از 1-40ppm با میانگین 9ppm در ایالتمتحده است (Tisdale et al., 1985) مقادیر 60 درصد نمونههای پسماند مطالعه شده بیشتر از این محدوده است. مقدار مس برای خاکهای جهانی (Kabata-Pendias & Pendias, 1992) 13-24ppm است که 80 درصد نمونه های پسماند چاه 449 بیشتر از این محدوده هستند. مقدار مس طبق استاندارد U.S EPA, 1992 نیز در خاکها بین 2-100ppm و با میانگین 30 گزارش شدهاست (Lindsay, 1979) که میزان مس در 40 درصد نمونههای پسماند بیشتر از این محدوده هستند. حد بحرانی این فلز 60-125ppm است (Kabata-Pendias& Pendias, 1984) که 35 درصد نمونهها (نمونههای گچساران) بیشتر از این محدوده بحرانی میباشند. مقدار مس در 80 درصد نمونههای پسماند بیشتر از میانگین آن در خاکهای منطقه مورد مطالعه (23/95ppm) است (شکل 4پ). باریت مورد استفاده در عملیاتحفاری چاه 449 دارای 458 ppm مس و آب مورد استفاده نیز دارای 10 ʽg/l مس است. بالابودن غلظت مس در نمونههای پسماند گچساران میتواند بهدلیل استفاده از باریت در فرمولاسیون گل پایهآبی سنگین (162ppm) باشد. غلظت این عنصر در نمونههای پسماند مارنخاکستری آهکی، آهکهای شیلی گورپی و سنگ-
104
×پاییز 91، شماره 5
آهک ایلام در حد بحرانی Kabata-Pendias& Pendias, ) 60-125 ppm (1984 قرار دارند. گل مورد استفاده در عملیات حفاری این سازندها از نوع گل پایهروغنی است و غلظت مس در گازوئیل <0/1ppm و در گل پایهروغنی 10ppm است بنابراین تا حدودی منشأ مس در سازندهای ذکرشده لیتوژن است. براساس مطالعاتی که توسط Nelson et al., 1984 نیز صورتگرفت عنصر مس در پسماندهای حفاری یافت شد که منشأ این فلز هم از خرده های حفاری و هم از باریت مورد استفاده بودهاست.
کروم
مقدار متوسط کروم در پوستهزمین 100 میلیگرم بر کیلوگرم گزارش شدهاست .(Krauskopf & Dannis, 1995) میزان بالای کروم در سنگهای الترامافیک (1600-3400ppm) و مقدار کمتر آن در سنگهای فلسیک و رسوبی (5-120ppm) است .(Kabata-Pendias & Pendias, 1992) غلظت کروم در خاکهای جهانی بین 1/4-1100ppm با میانگین 54ppm است (Kabata-Pendias & Pendias, 1992) که 55 درصد نمونههای پسماند بیشتر از این میانگین هستند. مقدار کروم طبق استاندارد U.S EPA, 1992 نیز در خاکها بین 1-100ppm و با میانگین 100 گزارش شدهاست (Lindsay, 1979) که میزان کروم در 20 درصد نمونههای پسماند بیشتر از این میانگین هستند. حد بحرانی کروم 75-100ppm است Kabata-Pendias (& Pendias, 1984) که 20 درصد نمونههای پسماند (پسماندهای ماسهسنگ و مارن آسماری، شیلهای پابده) بیشتر از حد بحرانی و 15 درصد (پسماندهای آغاجاری، مارنقرمز میشان، سنگآهک آسماری) در محدوده بحرانی قرار دارند. میزان کروم در 30 درصد نمونههای پسماند نیز بیشتر از میانگین آن در خاکهای منطقه مورد مطالعه (76/5ppm) است (شکل 4ت).
