作者：杜 松1 ， 张 超2 ， 吴唯民3 ， 王丹丹1 ， 耿建军1 ， 傅耀军1 ( 1． 中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039; 2． 北京国环地科深井灌注环境技术 有限公司，北京 101300; 3． 斯坦福大学 土木与环境工程系，美国)

摘 要: 随着我国对环保要求的提高，煤炭工业趋向要求废水零排放，矿井高盐废水处置是 亟待解决的难题。采用深井灌注技术处理高盐废水被美国环境保护局认为是一种安全可靠的高盐 废水终端处置技术，在美国具有丰富的技术经验和完善的管理体系。对深井灌注的技术特点、政策 要求以及国内外应用情况进行了归纳与总结，并对该技术在我国矿井水高盐废水处理中的应用前 景进行了分析。

关键词: 矿井水; 高盐废水; 深井灌注

深井灌注( Deep Well Injection) 又称地下灌注 ( Underground Injection，UI) 是指将液体( 或固体) 污 染物注入并封存在地表以下 500 ～ 3 500 m 深的地 下多孔岩石孔隙的污染物处置技术。这些被注入流体的岩层通常是砂岩或灰岩。它不是简单地向地下 排放废液，而是将废液( 固) 封存置于生物圈以外的 一种安全的地质环境学技术方法，即利用第四类环 境介质( 深层地质环境) 的封闭、降解等作用，使废 弃物不参与人类和生物的物质循环。该技术安全性 较高，且运行成本低［1］。 深井灌注最早起源于 20 世纪 30 年代的美国。 石油行业中利用深井灌注技术处理开采时产生的高 盐废水，并同时提高原油产量。从 20 世纪 50 年代 开始，美国化工企业也开始采用深井灌注的方法处 理工业废液，随着工业的发展，深井灌注方法也得到 了广泛应用。自 1980 年美国环境保护局( EPA) 出 台《地下灌注控制》法案以来，深井灌注技术成为被 美国环保局认可的最为普遍应用的废液处置方法之 一，同时这种方法也被证实是安全且低成本的工业 废弃物处置方法之一。根据 EPA 的有关规定，在申 请灌注井运行许可证之前，必须对拟灌注井进行废 液在地下岩层中运移的数值模拟，以保证 1 万年内 废液不会从垂直方向流出灌注带，也不会在水平方 向溢出指定排放区域或接触地下饮用水源［2］。 现在，全美有大概 40 万座深井正在运行，大多 数用于油田回注高盐废水。尽管深井灌注技术用于 处理高盐废水已经进行了许多年，但近些年在深井 设计、操作、监测和分析方面的一些新进展，才逐渐 使该技术进一步完善，从而能够真正实现安全处置 高盐废水。随着技术的进步和需求的增加，深井灌 注技术将在污水处理中也发挥越来越重要的作用， 以促进全球城市和工业的可持续发展［3］。

1 深井灌注的分类

美国 EPA 的地下灌注管控法案( UIC) 将深井 灌注技术分成了 6 个等级，即 6 类井，具体分类如图 1 所示 Ⅰ类井，是将有害或无害流体注入到地下含水 层以下岩层的深井，灌注层上面须有隔水层将流体 与地下饮用水源进行隔离，通常应用于工业和市政 废弃物( 废水) 处置。据统计，全美有 800 座Ⅰ类井 正在运行，海湾地区和湖区的地质更加适合采用此 类深井，应用类型包括危险废物( 水) 处置井、无害 工业废弃物( 水) 处置井、市政废水处置井、放射性 废弃物( 水) 处置井。 Ⅱ类井，用于注入高盐废水和油气开采过程中 所带来的其他废液，此类废水的含盐量高，通常应用 于石油天然气领域，包括高盐水处置井、提高油气回 收率的生产井等。 Ⅲ类井，实为生产井，注入包含过热蒸汽、水或 其他与采矿相关的流体，这些被注入的流体随后被泵抽取到地表，而在溶浸过程中的矿物质被萃取出 来，超过 50% 的盐和 80% 的铀的萃取都是利用这种 方式; 这类井不在 UIC 计划的管理范围内。 Ⅳ类井，为注入地下水含水层之上的浅层井，这 类井被美国 UIC 禁止，因为可能危害公众健康。 Ⅴ类井，是将无害的液体注入地下饮用水源地 之上的区域或直接注入饮用水源区的浅层井，包括 借助重力排水或将废水处理后注入地表水池。据统 计，此类深井在全美有 65 万座以上，应用类型包括 加油( 气) 站服务的化粪池系统、用于公寓大楼公共 厕所污水处置的化粪池系统、城市雨水收集系统、商 业场所公共厕所废物及废水处理用的化粪池系统。 Ⅵ类井，主要为 CO2 捕集贮存的封存井或试验 井［4］。

2 深井灌注技术要求

 2. 1 封存岩层的选择

研究深井灌注适宜地质条件的过程通常涉及几 个复杂的地层评价步骤。首先，需进行区域地质调 查，包括地形研究和矿苗研究，以确定该区域是否位 于沉积盆地边界内; 第二步是检查该地区勘探井和 生产井的历史记录，记录内容包括指示岩性与深度 的电测井、高盐泥浆测井以及钻井岩石切片特性等 信息，用于建立该地区的近似地质模型; 最后是钻一 个测试井，这口井最终可能被转换成注入井或监测 井。在钻井过程中对电气日志、岩芯样品进行分析， 以量化地质属性，如孔隙度和渗透率。灌注试验还 需进行吸水性能的测定( 需注入一个给定的流量压 力) 和地应力性质( 最小压力和破裂压力) 测定。 选择适合的封存区域是深部地质封存技术的必 要条件，在区域的选择上作为储存层要确保具有一 定的孔隙度及空间允许废液注入和储存; 同时为了 防止废液流散，要确保储存区域的封闭性，尽量选择 封闭性较好的相对独立空间，可以是凹陷也可以是 构造盆地; 为了确保废液能够长期保存，在可预测的 时间内不会发生泄漏和危害人类的生存环境，选择 的区域要确保深埋地下、具有一定的稳定性并远离 可用水源; 同时为了防止发生废液上下串层污染，需 要选择在储存层的顶部和底部一定范围内具有封盖 层( 渗透性差的岩层) 的区域［5 － 7］。 根据地质封存技术的要求，深井灌注层大多是 数千米以下的区域，由于此区域内温度相对较高，当 废液注入时与原有的流体存在一个温度差，产生热 量运移。此外，在有放射性元素的区域进行灌注，将 引起流场的改变［8］。因此，比较完整的深井灌注模 型是由初始条件、边界条件、热运移、盐分运移、水 流、放射性元素等相关方程以及密度、黏滞系数、孔 隙度等相关系数变化方程耦合而成的。

2. 2 深井的设计与完井工艺

图 2 为一个标准的灌注井配置图。

先钻大直径钻孔( 一般直径为 30 ～ 40 cm) ，理 想深度是延伸到淡水( 定义为 TDS ＜ 10 000 mg /L的 地下水) 区的底部以下。在一个外管套管加入可凝 固注入物，在钢管的环形空间内注入水泥。套管中 心再钻一个较小的孔，通常直通目标灌注区域。小 直径套管( 一般为 17 ～ 23 cm) 安装到这个孔并用水 泥固定。用于灌注的深井通常井深 ＞ 2 300 m。典 型的中心管直径约 10 cm，1 m 约有 24 ～ 36 个射孔。 中心管在孔中运行到穿孔上方的深度，并保持 较低的注入间隔。中心管和注入套管之间的环形空 间充满增压流体并进行监视。然后可以将废液注入 管的中心。在封隔器上方，废物流由至少两层钢、受 压和监测的环状流体以及套管外的水泥套管与地质 地层隔离。在有潜在饮用水源的近地表间隔处，有 一层附加的钢制套管和一层额外的水泥护套，共提 供 6 层保护( 中心管、受压环状流体、内套管钢及其 水泥护套、外壳钢及其水泥护套) ［8 － 9］。

2. 3 深井的监测和分析

选择合适的地质地层进行灌注，经过适当设计、 安装之后，需正确地监视、分析和管理持续注入操 作。高效运营管理的关键是连续监测和分析注入操作，并根据需要调整操作。监测和分析应包括以下 内容［9］: ①连续记录灌注相关指标( 成分、浓度、密 度等) ; ②灌注期间和封闭后，井底压力的连续记 录; ③灌注和卸压过程中评价地层性质变化的特性 分析; ④沿着套管长度连续监测温度变化以跟踪流 体在目标岩层的位移; ⑤平行监测井连续压力和温 度的监测; ⑥周期平均注入速率测试。

3 国内外深井灌注技术应用及管理现状

3. 1 国外应用历史与现状


① 美国深井灌注技术 美国的深井灌注技术起源于 20 世纪 30 年代， 最早应用于石油开采领域［4］。杜邦公司 1949 年建 设了第一座用于处理工业废弃物及废水的深井，从 而开启了深井灌注技术用于处理工业废水和废弃 物。到现在，深井灌注技术已有 90 年的应用历史， 据美国 EPA 的研究，有选择地对化学工业废液进行 深井灌注，几乎比其他所有处理方式都安全，其风险 分析设想的所有情况中，泄漏几率在 1 /( 4 × 106 ) ～ 1 /106［10］。根据 BＲS 报告［3］，深井灌注方法仍然是 当今美国使用最多的废物处置方法，数量超过其他 处理方法，例如水和有机处置、焚烧、填埋等［11］。 深井灌注技术在美国的发展史也是其相关法律 法规的完善历史，自 1960 年起美国各州逐渐采用一 定的管理制度对该项技术进行具体的管理。德州第 一个通过立法管理深井灌注技术。但由于各州环境 条件不同，所以标准很难统一起来。据统计，全美 1970 年深井灌注项目总计有 250 个，美国联邦政府 在 1972 年修订了清洁水法案( CWA) ，明确提出深 井灌注的授权许可制度［12］。1974 年 EPA 出台了安 全饮用水法案( SDWA) ，这意味着联邦政府开始统 一对深井灌注技术进行监管。直到 1980 年深井灌 注控制法案出台后，联邦政府明确了对全美境内深 井灌注技术的具体管理办法。UIC 法案颁布至今约 40 年，期间深井灌注技术飞速发展，迄今为止全美 有大概 40 万座深井在运行。在技术不断完善的同 时，UIC 法案也在不断完善。 据统计，美国每年有大概 2 200 × 104 t 的有害 废液通过深井灌注方法处置，占总有害废弃物处理 量的 49． 7% 。和过去相比，废液处置的总量有所减 少，但是深井灌注所处置的有害废液比重却在增加。 任何和油气开采相关的废水( 如高盐、重金属 和其他放射性物质废水等) 通常采用Ⅱ类井。据统 计，在美国每天有超过 20 亿加仑( 757 × 104 m3 ) 的 含盐废水通过Ⅱ类井被注入地下，这类井大多位于 德克萨斯、加利福尼亚、奥克拉荷马和堪萨斯州。 EPA 的统计表明，全美大约有 180 000 座Ⅱ类井正 在运营。此外，废水也可以在私人处理设施内进行 处理。例如，宾夕法尼亚州多家灌注井采用商业化 运营模式，每月可能需要处理 3 万桶( 200 L 标准 桶) 废液。 ② 加拿大深井灌注技术的应用 加拿大也是允许深井灌注技术应用的，并且与 美国一样，有专门的法律对此类技术进行专门管理。 加拿大国土部授权颁布的《石油与天然气钻探与生 产条例》，要求技术应用企业需根据具体项目，对灌 注地层信息、注入物质成分、防渗保护措施、监控措 施等信息进行详细备案，并通过一系列法律手续，方 可申请许可证。加拿大政府也希望利用深井灌注技 术解决工业废水及钻井废弃物原位处置的难题［12］。 ③ 欧洲深井灌注技术的发展 欧盟明令禁止将污染物排放到地层中，但唯独 可以允许按照法定程序申请深井灌注许可，因为深 井灌注技术在其他国家( 主要指北美) 应用较为广 泛，技术成熟，且有可参照的管理条例。 英国《1990 年环境保护法案》中的综合污染预 防和控制( IPPC) 部分中，明确指出深井灌注技术的 应用需要一个专门的许可证，可以处置的钻井废物 包括: 钻屑、废钻井泥浆、钻液、返排液、废气和其他 留在地下的废物等［13］。 俄罗斯开展深井灌注技术的应用及研究也相对 较早。早期大多利用深井灌注技术处置核废料，达 到降低放射性废物对地表水环境污染的目的。1966 年以来，随着前苏联“原子反应堆”项目及国家科学 中心在采矿领域的发展，深井灌注得到快速发展。 1967 年，在位于前苏联特维尔州北部的加里宁核电站 灌注场址，进行了非放射性废物深部地质封存试验［14］。

3. 2 中国应用及研究情况

王灿发［15］认为中国现阶段在深井灌注技术应 用方面几乎是空白。这不仅造成了大量资源( 废弃 深井) 浪费，同时也使环境压力加大。如果能有效 地利用这一实用技术，将大大提升对污染物的处理 与管理水平，对环境保护起到积极的作用。 我国自 20 世纪 90 年代以来开始关注并研究此 项技术，2006 年国家环境保护总局还专门成立过地下灌注环境管理法规建设研究小组。重庆索特盐化 股份有限公司已经采用深井灌注技术成功处理了 60 × 104 m3 /a 真空制盐装置的制盐废水废渣［16］。 大庆油田建设设计研究院同大庆油田勘探开发研究 院曾联合开展了含氰污水深井回注技术研究，解决 了油田聚合物工程 74 × 104 m3 /a 含氰废水的地面 纳污问题，而且最终解决 226 × 104 m3 /a 含氰污水 的排放问题［16］。2009 年邦东营钛白粉扩产项目拟 采用深井灌注技术处理有机废水及放射性污染物， 因备受争议而被中止［17］。鲁意扬［18］认为辽宁省油 田废井可作为工业污染物的处置井利用，地质条件 符合深井灌注技术要求，但是相关法律法规有待于 完善。吴唯民等［19］认为深井灌注技术可用于煤化 工高盐废水的处置。由于我国环境保护管理部门对 地下饮用水资源的保护尤为重视，因此对深井灌注 技术的引入较为谨慎，且深井灌注技术涉及地质学、 环境生态学、地球化学、流体力学、材料学、自动化科 学等多门学科，少有学者对此项技术展开研究。