综述：中国各大能源基地深钻作业中的重金属污染与治理

《iScience》：Heavy metal contamination and remediation in deep drilling across Chinese energy basins

　　摘要
在中国能源盆地进行的深井和超深井钻探会产生钻井液、岩屑和产出水，这些物质可能会将潜在有毒元素释放到土壤、沉积物和含水层中。本文总结了来自塔里木盆地（新疆）、四川盆地和渤海地区的证据，探讨了污染物的来源、释放和传输路径、生态和人类暴露情况以及管理措施。镉（Cd）、砷（As）、铅（Pb）、铬（Cr）、镍（Ni）、钒（V）、锌（Zn）和钡（Ba）是钻井相关废物和受影响介质中常见的污染物，但其迁移性取决于其存在形态、pH值、氧化还原条件、土壤性质和水文地质情况。应优先采取使用低毒性的钻井液、封闭式废物处理、维护井筒完整性以及控制污染源等措施。对于稳定污染物、土壤清洗、膜处理、电化学处理、植物修复和生物修复等方法，则需要根据具体地点进行选择。为了实现更安全的钻探和基于证据的监管，还需要建立标准化的监测体系、获取详细的元素形态数据、进行现场验证，并明确工程控制措施与风险降低之间的直接关联。

引言
深井钻探是中国开发国内能源资源、满足快速工业化、城市化和生活水平提高所带来的巨大能源需求的关键组成部分。中国在确保全球自然资源安全方面表现突出，例如与巴西和安哥拉等国家签订的采购合同，以确保持续获得支撑经济增长所需的原材料供应。中国特别关注非常规天然气资源（如煤层气、致密气和页岩气），以实现从煤炭向清洁能源的转型，同时推动经济发展并应对能源转型挑战。然而，这些活动不仅带来严重的环境风险，还伴随着重金属污染和甲烷泄漏等问题。页岩气的水力压裂技术增加了土壤和地下水受到重金属污染的风险。由于环境政策执行不严，导致污染行为持续存在，罚款力度不足，进一步加剧了环境影响。此外，页岩气的地质特性和技术难度增加了开采和处理的复杂性，因此需要采取严格和全面的政策措施及技术进步。在这种深井环境中，需应用特定的技术方案，如触变钻井液以提高岩石破碎效率和高密度钻井液来应对复杂地质条件。研究表明，由于高温和所用钻井液类型，钻井工具和套管可能会受到侵蚀；基于油的钻井泥浆是导致表面污染的主要因素，而聚磺化钾钻井泥浆则因其腐蚀性而受到关注。还有证据表明，钻井液的使用可能引发微生物污染，从深海岩心中鉴定出的特定细菌菌群便是污染物的来源，这强调了在深井钻探过程中进行有效监测和减缓污染的必要性。尽管面临上述挑战，由于经济增长通常会导致原材料使用增加，中国的材料需求预计仍将持续增长。为应对这些环境压力，需要综合性的应对措施，包括加强监管、提升技术研发能力和开展国际合作，以推广可持续的资源开采和环境保护方法。

毫无疑问，石油、天然气和矿产勘探对环境有极大的负面影响，例如钻探过程中释放的铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）和铬（Cr）等金属会造成长期且难以消除的污染。这些金属可通过降水进入土壤，并在灰烬填埋场周围沉积。钻井废物（如岩屑和泥浆）中富含重金属，这主要归因于钻井液中添加的物质及所钻地层的岩性。研究表明，钻井液添加剂和地层岩性是重金属污染的主要来源。在某些地层（如伊朗的Gachsaran蒸发岩层）中，镍（Ni）、铬（Cr）和钒（V）的含量较高。尼日利亚的研究证实，未经预处理的钻井岩屑中含有大量重金属，若直接处置会对环境造成危害。印度安得拉邦的案例表明，这些重金属可能进入食物链，导致土壤中某些元素的含量超出安全限值，尤其是对儿童的健康构成威胁。目前钻井技术的技术限制进一步加剧了污染问题，因此必须开发适合深井和超深井条件的新技术。一种有前景的解决方案是开发和使用由核热驱动的自主热钻机，这种创新方法有助于实现深层矿产开采。深入了解地下环境并合理管理钻井作业是减少深井钻探环境影响的必要条件。

重金属严重污染了中国环境，尤其是在新疆、四川和渤海盆地等资源开采密集的区域。由于城市化的快速推进和环境保护法规不足，地质脆弱性加剧了土壤和地下水污染。国有企业和私营企业的大规模作业加剧了这一问题，其中镉（Cd）、铬（Cr）和镍（Ni）等重金属尤为突出。镉因其高迁移性、生物可利用性和在土壤和作物中的积累潜力而危害最大。据美国石油学会报告，每英尺钻进深度会产生1.21桶废物；另一项研究指出，钻井废物量可能会增加或保持不变。世界银行（2018年数据）显示，全球约43%的固体废物通过焚烧、非法垃圾倾倒和露天焚烧等方式被不当处理，预计到2050年废物产生量将从20.1亿吨增加到34亿吨。尽管已有减少塑料废物的努力，但预计到2030年每年仍有约5300万吨塑料垃圾进入水体。塑料的生命周期对环境有深远影响，尤其是在气候变化方面。这种污染对土壤造成严重损害，并可能引发健康问题（如肾结石和发育障碍）。近年来，中国的快速工业化和经济发展导致了大规模的重金属污染，给环境带来了严重危害。

中国正在开展深井钻探，虽然这对经济发展至关重要，但也对环境安全产生了负面影响，尤其是土壤和地下水中的重金属污染问题。地质调查表明，中国的地质结构包含五大岩性单元，这些单元对重金属的滞留和传输有影响。图1展示了CCSD钻孔的岩性柱状图，有助于理解钻井场的地质背景。其中，深井定义为深度超过4500米的钻孔，超深井定义为深度超过6000米的钻孔。研究表明，土壤质地和吸附能力是控制重金属迁移的关键因素，沙质土壤比富含粘土的土壤更有利于金属渗透。不同岩性的重金属（如镉和铬）吸附能力不同，例如石灰岩的吸附能力高于花岗岩。邻近地区（如东江湖和东洞庭湖）的生态风险评估表明，镉和砷等金属是这些地区生态系统的主要污染源。考虑到这些相互作用对于评估东海地区持续钻探活动的长期生态后果至关重要。

中国正处于深井钻探热潮中，这虽然推动了经济发展，但也给环境带来了负面影响。钻探活动会释放铅（Pb）、镉（Cd）和汞（Hg）等重金属，进而污染周围环境和地下水。例如，在某些区域（如硫化物富集区），铅含量显著升高，引发环境和健康问题。镉对农业土壤和作物构成严重威胁，特别是在地质背景复杂且食物污染严重的地区。长期采矿活动导致植物基因受损，大气传播途径在其中起着重要作用。因此，迫切需要实施全面的污染控制和清除措施来缓解这些问题。在这些提案中，应包括对污染严重程度进行分类的计划、促进农业方法变革的计划，以及开发环保钻探技术的计划，以支持可持续的经济发展。这些见解可以为政策制定者、研究人员和行业利益相关者提供基于证据的方法，引导他们采取更加平衡的策略来发现资源，同时维护环境保护，确保中国钻探活动的可持续发展。在这项研究中，综述了中国能源丰富地区（如新疆、四川和渤海湾）土壤和地下水中的重金属污染问题，这是深层钻探作业的环境后果。这不仅仅是提出缓解策略，还包括利用技术和法规，以更积极地应对由资源开采需求驱动的污染，从而在促进经济增长的同时保护生态环境。

研究范围和方法
本叙述性综述综合了与深层和超深层钻探相关的重金属污染的已发表证据。通过Web of Science、Scopus、ScienceDirect、Google Scholar和中国国家知识基础设施（CNKI）检索了截至2026年3月的相关文献。用于识别相关研究的关键词包括“深层钻探”、“超深层钻探”、“钻井液”、“钻屑”、“产出水”和“井完整性”，以及与重金属、土壤和地下水污染、环境迁移、暴露、风险评估、修复和中国相关的术语。综述主要关注同行评审的期刊文章、实地调查、环境监测研究、修复研究及相关监管文件，特别关注三个具有代表性的中国能源区域：新疆塔里木盆地、四川盆地和渤海湾-渤海地区。所选文献从污染源、释放机制、在土壤和地下水中的迁移、生态和人类暴露、修复技术、工程控制以及监管管理等方面进行了分析。

由于现有研究在地质环境、环境介质、采样设计、分析方法、监测 duration 和报告格式上存在显著差异，因此采用叙述性比较方法而不是正式的系统性综述或元分析来整合证据。没有应用任何定量证据分级系统或统计汇总方法，而是比较了重复出现的发现，指出了主要不确定性，并强调了未来研究的重点。

钻探与重金属污染的简要概述
根据历史记录，早期文明可能已经认识到并利用了水净化技术。早在公元前1500年，埃及人就使用明矾作为混凝剂，希腊和梵文文献也记载了基本的水过滤方法。海水和废水长期以来一直被视为淡水的潜在来源。尽管近年来创造了多种技术和方法来再利用和回收这些资源，但处理这两种水源可能会产生不利后果。水资源的可用性在很大程度上决定了最早居住城镇的位置，而公共供水系统的发展与城市区域的扩张密切相关。钻探浅井可以说是首次重要的发明，它使得人们能够利用河流、湖泊和泉水之外的水资源。随着需求的增加，人们开始挖掘更深层的井。印度河流域的城市早在公元前2500年就已经开始建造砖砌井，而中国古代文化中也已知使用过深达500米以上的井。近年来，全球社区对建筑行业中的环境影响给予了特别关注，因为对各行各业可持续实践的担忧日益加剧。建筑行业面临的一个重大障碍是淡水资源的日益稀缺。世界各地都在积极探索利用回收废水作为额外的水源来缓解水资源短缺问题。近年来，基于反渗透（RO）的先进技术越来越多地应用于市政废水回收，从而产生了高质量的可回收水，可用于住宅、商业和农业等多个领域。由于只有大约15%-20%的家庭和日常生活用水被排放，因此城市供水量的增加也会导致废水产量的增加。提高用水效率和需求管理有助于满足当前和未来的淡水需求。

钻探和重金属污染的发展历程
根据历史记录，古代文明可能已经认识到并利用了水净化技术。埃及人在公元前1500年就使用明矾作为混凝剂，希腊和梵文文献中也记载了基本的水过滤方法。海水和废水长期以来一直被视为淡水的潜在来源。尽管近年来创造了多种技术和方法来再利用和回收这些资源，但处理这两种水源可能会产生不利后果。水资源的可用性在很大程度上决定了最早居住城镇的位置，而公共供水系统的发展与城市区域的扩张密切相关。钻探浅井可以说是首次重要的发明，它使得人们能够利用河流、湖泊和泉水之外的水资源。随着需求的增加，人们开始挖掘更深层的井。印度河流域的城市早在公元前2500年就已经开始建造砖砌井，而中国古代文化中也已知使用过深达500米以上的井。近年来，建筑行业中的环境影响受到了全球社区的特别关注，因为对各个行业可持续实践的担忧日益加剧。建筑行业面临的一个重大障碍是淡水资源的日益稀缺。在全球范围内，人们正在积极探索利用回收废水作为额外的水源来缓解水资源短缺问题。近年来，基于反渗透（RO）的先进技术越来越多地应用于市政废水回收，从而产生了高质量的可回收水，可用于住宅、商业和农业等多个领域。由于只有大约15%-20%的家庭和日常生活用水被排放，因此城市供水量的增加也会导致废水产量的增加。提高用水效率和需求管理有助于满足当前和未来的淡水需求。

中国资源丰富的地区，如大宝山矿区和黄河三角洲，由于广泛使用深层钻探技术，经历了严重的环境问题，这些问题与土壤和地下水的重金属污染有关。矿产资源的开采和加工会破坏含有重金属（如铅、镉、砷和汞）的地下层。这些金属是土壤生态系统的直接污染物，危及耕地，并可能对水资源造成危害。例如，大宝山地区的土壤受到铅、镉和铬的污染，导致大豆中这些金属的累积量超过安全限量，可能对居民健康造成威胁。此外，在伊朗的阿瓦兹油田，石油开采过程中也报告了较高的镉、砷和钒含量，其中镉的迁移性较强，这表明镉可能是广泛环境污染的潜在来源。石油和天然气行业是环境污染的主要来源之一，因为其产生的废钻井液和钻屑中含有持久性的有毒污染物。尽管该地区的可吸入颗粒物（PM10）浓度极高且重金属浓度也可能较高，但最主要的暴露途径是摄入；砷对健康风险的贡献更大。此外，缺乏监管和控制措施导致钻探废物的无控制排放，以及土壤和水质的监测不足，这在中国的一些地区尤为明显。这些挑战可以通过改进减排方法和更严格的污染控制政策来解决，以减少污染物排放。同时，可持续的采矿实践可以防止污染进入生态系统，从而保护陆地生态系统免受有毒重金属的危害。即使在可接受的浓度下，由于暴露途径（如摄入或吸入）、暴露时间和频率、金属形态以及生物利用度等因素的不同，人们因钻探作业而面临的重金属健康风险也会有所不同。近年来，越来越多地强调对钻探相关污染的综合多风险评估框架。在这些方法中，石油钻探代表了人类活动引起的一种辐射和重金属共同暴露的来源。这类综合性方法在当前的深层和超深层钻探文献中仍然较为缺乏，因此应将其纳入未来的监测、修复和风险评估框架中。

重金属的来源和释放机制
深层钻探对土壤和地下水的污染是一个严重的环境问题，因为铅、镉、砷和汞等重金属会被释放并扩散。这些金属通常被锁定在地质构造中，当钻探穿透这些构造以获取能源沉积物时，含金属的岩石会被带到地表。金属可以通过钻井液、化学物质和废物副产品渗入周围环境，这些物质还可以通过土壤和含水层向下渗透，进一步加剧污染。在土壤中，重金属可以附着在土壤颗粒上，使其难以清除，并在环境中长期存在。这些金属会溶解到地下水中，通过水道流动，污染远处的农田和饮用水源，对人类健康构成严重威胁。重金属污染是一种严重的健康风险，即使在低浓度下也可能导致神经障碍、儿童发育疾病、肾脏损害和癌症。由于其持久性，这些金属可以在土壤和地下水中长期存在，并通过农作物转移到人类食物链中，造成长期损害。其中，地下水污染最为严重，因为它可以在广阔区域内扩散，并在源头远处传播很长时间，往往在造成明显损害之前不易被发现。了解和控制这些污染机制是钻探作业周边生态系统和社区健康的关键。虽然一些策略（如植物修复和渗透性反应屏障（PRBs）在特定试点研究中成功修复了重金属污染，但它们在大规模应用方面的效果仍有限。加强监测和监管对于负责任地管理深层钻探作业的环境后果至关重要。

深层钻探过程中重金属的释放受到一系列物理化学和水文因素的影响，非常复杂。这些金属包括在形成过程中由于细菌、真菌、昆虫、植物和海洋生物等自然过程释放的物质，以及来自钻井泥浆添加剂（如重晶石、膨润土和其他金属基加重剂）的物质。环境影响不容忽视，因为钻屑和泥浆可能导致严重的重金属污染（如砷、镉、铅和钡）。脱附、氧化还原转化和pH值依赖的溶解度控制着这些金属的迁移。在酸性条件下，镉和铅的迁移性增加，而在还原性环境中，铁锰氧化物的溶解会促进砷的释放。迁移机制包括在渗透性层中的对流流动、扩散到孔隙空间，以及通过裂缝和井完整性失效的移动。地质异质性对金属羽流的迁移具有重要影响，因为沙质土壤可以促进快速的垂直迁移，而富含粘土的层则可能在地球化学条件变化时临时捕获金属。重晶石在钻井泥浆中的稳定性尤其令人担忧，因为在低pH值和高离子强度条件下，重晶石会释放出大量的钡（Ba），这在水力压裂系统中尤为常见。此外，重金属在不同岩性中的吸附和迁移行为各不相同，不同类型的岩石具有不同的能力。为了有效管理重金属污染，需要全面了解和控制这些过程，并采用过滤屏障和排水井等技术。钻井液中的重金属在整个过程中都可能被释放和迁移；然而，其释放和迁移速率受到化学、地质和水文条件复杂相互作用的影响，这些因素需要在地下水污染风险的综合环境评估中加以考虑（例如，通过概念建模）。目前，钻井工程选择与重金属风险之间的关联主要基于过程数据和特定地点的数据。定量分析表明，虽然套管失效、泄漏位置、体积、水力传导性和地下非均质性等参数可能对污染物进入含水层的通量和迁移时间产生重大影响，但直接基于现场或模型的研究却很少，这些研究能够跟踪特定的钻井工程指标，如重晶石含量、钻井作业中使用的流体成分、套管/水泥特性以及废物处理设计，并测量土壤或地下水中的重金属浓度，尤其是在中国的深水区和超深水区。这一局限性表明研究存在重要空白。未来的工作应该将工程-水文-风险模型与现场监测数据相结合，以检验诸如封闭式钻井系统、改进的套管完整性、更环保的钻井液和更好的废物控制等措施是否能够显著减少地下水污染、作物吸收、生态毒性以及人类健康风险。

深水/超深水钻探活动 → 钻井液成分（钻井液、岩屑、产出水和废物储存）→ 重金属释放 → 土壤和地下水迁移 → 作物吸收/饮用水暴露/生态系统暴露 → 低于阈值的健康风险/生态系统风险（通过干预点：源头控制、封存、监测和修复），如图3所示。

图3：概念框架展示了深水及超深水钻探、重金属释放、金属的环境迁移路径、暴露途径及其风险评估的终点，以及潜在的修复方案。

对环境的影响：从勘探到污染
深水钻探的环境成本，包括重金属污染，是一个全球性问题，涉及从勘探到其在各种生态系统中的最终生态影响。在勘探过程中，大规模的土地改造可能导致栖息地和生物多样性的丧失，例如俄克拉荷马州石油开采的影响，那里不恰当的盐水处理和碳氢化合物处置方式严重破坏了当地生态系统。在整个钻探过程中，用于维持井压的钻井液（通常是合成油基液体）会释放出Cu、As和Pb等污染物。含有重晶石的钻井废物具有高度毒性，这些金属会渗入土壤和地下水中，从而造成生态危害。这种污染还因废物移动方式和事故风险而加剧，特别是在深海采矿中，沉积物羽流和有毒物质会对水生生态系统产生严重且持久的影响。这对依赖地下水作为主要饮用水和灌溉源的地区构成了严重威胁，地下水中的有毒金属会进入食物链，影响人类健康。如图4所示，随着资源勘探活动的加剧，重金属污染问题更加突出，因此迫切需要开展相关研究以应对这些健康和环境风险。除了作为有毒和持久性污染物外，海上石油和天然气开发还带来了长期的环境后果，凸显了其作为污染物的隐蔽性质，对人类健康和生态系统完整性造成多年影响。此外，通过水力压裂产生碳氢化合物还会增加空气和水中温室气体的排放，污染健康的河流。鉴于资源需求的增加，迫切需要在矿业公司和政府之间引入严格的环境保护措施和可持续解决方案，以防止这些影响发展到破坏所有资源勘探的程度。否则，勘探将变得不那么可持续且更具污染性。

综合新的研究表明，钻探产生的重金属污染可能比预期更广泛地扩散，通过区域地下水系统和食物链污染大面积区域。然而，靠近钻井地点生长的作物中Cd和As的生物累积系数往往超过干旱地区的安全限值。此外，金属之间的协同效应（例如Cd和Pb）也可能增加毒性风险。从生态学角度来看，土壤中的重金属污染会损害微生物群落，降低土壤酶活性，并扰乱养分循环，从而可能对长期土壤生产力和生态系统恢复力产生负面影响。长期接触这些金属还可能导致严重的健康问题，如神经毒性，并可能引发致癌机制，因此需要仔细监测和修复受污染的地点。

中国的深水及超深水钻探区域比较
中国加速了深水及超深水钻探以满足能源安全和资源开发的需求，同时也增加了对与钻探活动相关的重金属污染、产出水管理、地下水保护及长期可持续性风险的关注。由于地质、水文地质、运营实践、监测系统和监管执行方面的差异，各地区的环境影响和管理效果存在明显差异。凭借丰富的原油、天然气和矿产资源，这些地区对中国实现高经济增长和确保能源安全至关重要。然而，尤其是土壤和地下水中的重金属污染带来的环境成本很高。表S1展示了此前研究发现的钻探和采矿活动造成的金属污染程度。根据先前研究，图5A显示了该地区的深水钻探范围，图5B突出了主要的历史煤矿区及其相关的土壤和地下水重金属污染，为评估短期环境影响提供了依据。新疆塔里木盆地的石油和天然气勘探活动已将Cd、Pb和As释放到水系统中，污染了供应农村社区饮用水的地下水。四川省的页岩气钻探将重金属释放到土壤中，通过生物累积对农作物构成威胁。由于海上钻探，渤海湾也容易受到重金属污染。环境后果凸显了需要更有效的管理和监管力度，尽管政府已采取措施加强法规。在像四川这样的资源型城市中，协调社会经济增长与生态可持续性的发展变得更加迫切，目前这种协调程度需要进一步提升。需要更严格的监管框架和方法来控制土壤、地下水和生态系统中的重金属污染。如果没有这些监管措施，中国深水钻探作业相关的环境风险将恶化，人类健康与生态可持续性的关系将受到严重威胁。这强调了迫切需要改革治理体系，以转向可持续的发展路径。

表1总结了新疆/塔里木盆地、四川盆地和渤海湾/渤海地区的代表性钻探深度、地层特征、主要重金属污染物、报告的浓度范围、环境介质及主要环境发现。比较还显示，适用于直接比较的流域规模数据仍然稀少，尤其是在将特定钻探作业与土壤、地下水、产出水、沉积物和作物中的重金属浓度联系起来方面。

（A和B）黑色点表示图A中显示的深水钻探位置，而图B显示了全球范围内的煤矿区，以说明资源开采活动引起的人为重金属污染。这些煤矿区的纳入是为了展示地下资源开发及其伴随的重金属污染的普遍压力，而不是表明石油/天然气钻探和煤矿的污染机制相同。数据来源于Liu等人及Jing和Jiang的研究。

**流域/地区** | **代表性钻探深度** | **地层/资源特征** | **主要金属污染物** | **报告的浓度范围** | **环境介质** | **主要发现**
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| 新疆/塔里木盆地** | 通常为深水至超深水；多口井超过8,000米，最近的科学钻探已超过10,000米 | 超深水石油和天然气系统；干旱至极度干旱的水文地质环境 | Cd、Pb、As、Cr、Ni、Zn、Cu和Hg | Cd：0.04–0.69 mg/kg；Pb：0.99–88.44 mg/kg（塔里木土壤研究）；其他金属因地点而异 | 土壤、地下水、农业土壤、地表灰尘 | 干燥条件和地下水依赖性增加了污染风险。北部塔里木土壤中报告了Cd和Pb的富集，Karamay等油田相关区域也显示出多种金属的富集 |
| 四川盆地** | 页岩气深度通常在3,500–4,500米；超深水页岩气和碳酸盐气系统可能超过4,500米 | Wufeng-Longmaxi页岩气和深水/超深水碳酸盐气系统 | As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb、Zn、Ba和Sr | 报告的值因页岩气平台和土壤类型而异；一些研究显示As超过农业土壤的筛选值，所有金属除Hg外均超过当地背景值 | 土壤、地下水、页岩气平台附近的农业用地 | 页岩气开发可能导致As、Cd、Ba和Sr的富集。土壤性质、距离井场的距离、作业状态和农业活动会影响空间分布和风险 |
| 渤海湾/渤海** | 最近的渤海湾开发中，海上深水/超深水井约5,900–6,100米 | 海上埋藏山丘油和气藏；浅海沉积环境 | Cu、Pb、Cd、Cr、Ni、Zn、As、Hg和V | 例如沉积物范围：Cu：1.38–25.78 mg/kg；Pb：11.13–21.96 mg/kg；Cd：0.12–0.54 mg/kg；Cr：15.44–120.60 mg/kg；Ni：0.48–57.11 mg/kg；Zn：44.21–156.38 mg/kg | 海洋沉积物、海水、孔隙水 | 海上钻探和区域工业活动可能影响沉积物质量。重金属风险受沉积物粒度、有机物、水动力和累积沿海压力的影响 |

**图5：中国深水及超深水钻探地区的位置和主要产煤区**

**备注**：表格和图表由作者根据Liu等人及Jing和Jiang的研究数据制作。植物修复利用植物去除重金属，而生物修复则依赖微生物降解污染物，因此它是一种环保的污染控制方法。必须加强环境保护和监管框架，包括要求进行更严格的环境影响评估（EIA）以及在钻探期间和之后进行更频繁的监测。对于中国这样的国家来说，由于合规性问题一直存在，人们对更健全的监测和执法机制的需求日益增加；这意味着在违规情况下要施加更严厉的处罚，并鼓励举报行为。此外，使用更环保的能源，如风能，不仅可以减少深层钻探的总体需求，还可能降低污染风险。政府机构、行业合作伙伴和保护组织之间的合作对于发展减少环境影响和改善公共健康的可持续钻探实践至关重要。图6总结了化学修复、生物修复和物理修复方法及其作用机制。

许多清洁策略在应对深层钻探产生的污染方面非常有效。土壤清洗是一种挖掘受污染土壤并使用清洗溶液去除污染物的方法，适用于去除重金属和有机污染物。生物修复利用微生物分解和去除土壤和水中的污染物，特别关注碳氢化合物等有机污染物。植物修复则利用植物吸收和解毒污染物，尤其是重金属和某些有机农药。人工湿地利用植物、土壤和微生物活动之间的自然过程来净化受污染的水，这种方法既适用于去除有机污染物也适用于去除重金属。这包括化学氧化过程，通过添加氧化剂将有害污染物转化为危害较小的成分，从而能够修复多种污染物。热脱附常用于挥发性有机化合物（VOCs）和半挥发性有机化合物（SVOCs），因为热量会导致这些化合物蒸发。空气喷射技术是在受污染的地下水中引入空气（无论是加压还是自然流动），以去除气态形式的污染物，随后通过烟雾提取设备回收这些气体。这种方法对挥发性污染物特别有效。土壤蒸汽提取（SVE）利用真空将土壤中的挥发性污染物转化为蒸汽，然后将其去除。被动修复屏障（PRBs）是垂直于地下水流动方向设置的水平结构，其中含有能够转化或固定污染物的被动处理介质，特别是重金属和有机化合物。电动力学修复利用电流来移动土壤和地下水中的污染物，在处理重金属、有机污染物和放射性核素时最为有效。这些技术可以根据具体污染物和场地条件进行定制，从而有效修复深层钻探带来的污染。

图7展示了减少深层钻探活动生态足迹的主要组成部分，包括不同的修复方法（生物修复、植物修复、土壤清洗、电动力学修复、湿地浮动修复和热修复）。需要采取综合措施来减轻深层钻探污染的影响，采用多种针对不同场地条件的污染物清理方法。从受污染土壤中去除重金属和有机污染物最有效的原位技术之一是土壤清洗。对于碳氢化合物等有机污染物，最有效的生物修复方法是微生物降解，这在使用生物堵塞技术后显著降低了钻井泥浆中的总石油烃含量。植物修复通过一种称为植物提取的技术去除并中和有毒化合物，尤其是重金属和某些有机污染物。人工湿地利用植物、土壤和微生物的自然机制高效净化受污染的水，针对有机污染物和重金属。化学氧化利用氧化剂将有害污染物转化为毒性较低的物质，适用于多种污染物。热脱附是利用热能将受污染土壤中的污染物蒸发，特别适用于VOCs和SVOCs。空气喷射修复方法将空气注入受污染的地下水中，将污染物转化为气态形式，然后通过烟雾提取设备捕获这些气体。这种方法对高蒸气压的毒素特别有效。SVE利用真空将土壤中的挥发性污染物转化为蒸汽并去除。PRBs是在地下水流动路径上放置的固相结构，含有能够转化或固定污染物的被动处理介质，特别是重金属和有机化合物。电动力学修复利用电流在土壤和地下水中移动污染物，对于处理重金属、有机污染物和放射性核素最为有效。这些技术可以根据特定污染物和场地条件进行定制，有效修复深层钻探释放的污染。

最近在重金属修复方面的进展强调了源头控制策略和尖端处理技术，摆脱了传统的末端处理方法。闭环钻探系统和低毒性的钻井泥浆可以减少整个生命周期内井筒产生的废物。新兴的重金属修复技术，如膜过滤、电化学方法和基于纳米材料的系统，在优化条件下提供了高效的水处理解决方案，但可扩展性和成本仍然是挑战。一种有前景的可持续修复策略是将工程解决方案与基于自然的方法（如植物修复结合土壤改良）结合起来。此外，纳米技术在去除重金属方面具有更高的选择性和效率，而人工智能可能会改善处理过程。面对重金属污染，要实现有前景且高效的修复效果，需要将传统的物理去除技术与新的生化方法结合起来。表S2列出了评估的修复方法比较。然而，可扩展性、高成本、能源需求、膜污染以及次级废物的产生等障碍阻碍了实际应用。例如，尽管氧化石墨烯和碳纳米管提高了选择性和效率，但其在扩大规模方面仍存在问题。人工智能辅助的处理优化可以提高运营效率并实现实时监测；将这些先进技术引入现有系统时，需要关注经济可行性和环境影响。因此，尽管这些技术提供了创新的解决方案，但仍需进一步研究以克服每种技术的局限性，并测试其在现场条件下的长期效率。

监管和治理框架在采用深层和超深层钻探技术进行重金属污染修复的成功中起着重要作用。其他研究表明，执法不力、处罚较轻以及废物管理实践不一会导致污染物在土壤-地下水系统中持续存在。强调社区参与和决策透明度的治理模式是减轻重金属环境和公共卫生风险的重要措施。此外，来自钻井井的回流水需要通过全面的建模和风险评估以及长期监测措施来进行严格的监管，以确保其在石油和天然气行业之外的安全利用。制定可执行的规范、严格的EIA以及涉及不同利益相关者的多方治理可以提高修复效果或抵消钻探活动的潜在不利影响。

中国的针对钻探作业引起的重金属污染的监管机制落后于国际标准。中国已有相关法规，如GB 5085.3-2007关于危险废物和GB 8978-1996关于废水排放的规定；然而，这些法规的实施通常是零散的，尤其是在页岩气开采过程中产生的水基钻屑（WBDCs）方面。因此，国际公认的毒性测试（如美国EPA的TCLP测试或欧盟的填埋场标准）可以提供广泛的风险评估水平。表S3展示了中国、美国、欧盟和WHO guideline水平的选定重金属限值。尽管有相关指南，但由于缺乏从合规性测试到降低环境风险的长期跟踪和科学支持，中国的治理体系仍存在不足。基于渗滤液的报告危险废物识别标准（中国GB 5085.3-2007和美国EPA 40 CFR §261.24）以及以L/S = 10表示的填埋场废物接受标准（欧盟理事会决定2003/33/EC）表明，这些数值存在差异，但它们确实提供了有用的监管严格性和环境保护终点的衡量标准。这突显了需要改进治理机制，包括网络治理和自愿治理的结合，以提高监管和公共卫生的有效性。

表S3中总结的监管框架涵盖了源途径和受体连续体的不同阶段。中国和美国的标准主要是为了确定废物是否具有危险的渗滤特性，而欧盟的标准则规定了特定填埋场类别中废物的接受情况。WHO的指南值针对人类饮用水受体中的浓度，而不是废物分类阈值。因此，直接比较这些框架是不合适的，因为它们的目的、测试程序和报告基础各不相同。相反，比较表明钻井废物特性应与地下水、土壤、沉积物和其他暴露介质的环境监测联系起来，以确定监管合规性是否对应于实际的风险降低。欧盟的惰性填埋场标准非常严格，因为它们侧重于废物的接受而不是识别其危险性。WHO的饮用水标准更低，反映了人类暴露的阈值，而不是渗滤液标准。这意味着中国的治理挑战在于实施：常规测试钻井废物的可浸出性、监测地下水和土壤以及提高公众透明度。此外，需要建立监管合规性与实际风险降低之间的关联，确保能够强制执行。

在解读这项综述的结论时，必须记住几个限制。首先，关于深层和超深层钻探相关重金属污染的文献在地质环境、钻探深度、水文地质、环境基质、采样方法、分析方法和报告格式方面差异很大，这限制了研究和地区之间的直接定量比较。其次，针对中国的特定数据集数量有限，特别是在长期地下水监测、产出水化学、超深层条件下的污染物传输以及金属形态/生物利用度等方面。文献存在严重偏向，许多研究仅报告了总金属浓度，这导致环境和健康风险评估的不确定性，因为关于可移动或生物可利用部分的知识不足。第三，一些区域结论部分基于比较性国际研究和二次综述文献，因为缺乏来自中国许多深层和超深层钻探地区的直接现场证据。此外，由于仅纳入了英文发表的公开文献，这项研究也受到发表和证据选择偏倚的影响。第四，在应用技术之间的修复性能比较中存在不确定性，这些技术大多在实验室或试点条件下进行评估，缺乏关于长期现场应用中复杂驱动因素的信息。最后，工程控制与环境监测、暴露评估和验证的风险降低之间的整合在整个现有文献中仍然是一个重大限制。因此，未来的研究必须强调标准化的区域监测；关于金属迁移和运输的长期数据集；金属形态的分析；结合工程与水文地质的模型；以及在现场尺度上验证修复和预防策略的标准。评估工程控制或修复技术在深钻过程中减轻重金属污染的有效性通常使用技术性能指标；然而，这些评估可能忽略了影响生态资源-污染物相互作用和潜在暴露途径的重要环境风险因素。进一步的研究应该关注生物可利用性和金属形态的长期监测和评估，这些因素对重金属对环境生物的生态毒性风险及其对人类健康的影响具有重大影响。例如，已有研究表明，受污染土壤中的大量重金属具有生物可利用性，并与增加的人类健康风险（尤其是对儿童）相关。此外，土壤中重金属的行为受土壤特性和人为活动的影响；因此，需要更全面地研究这些相互作用，以评估诸如闭环钻井系统和环保钻井液等修复方法。将这些方面纳入风险评估将有助于更全面地了解钻井操作对环境的影响并评估其有效性。未来的研究需要超越一般性的污染源识别，而是开发可测试的、基于风险的范式，将钻井作业、金属释放、环境迁移和暴露途径与修复效果联系起来。当前的综述指出了三个需要特别考虑的优先领域。

**长期环境监测**
最关键的问题是在深钻和超深钻井作业之前、期间和之后的长期监测。大多数先前的研究只报告了短期的或一次性的污染测量结果，因此无法回答钻井和废弃物处置后污染是否增加、稳定、迁移或减少的问题。未来的研究需要在钻井前建立基准条件，并在整个钻井、生产、废物储存、场地关闭和关闭后的期间进行监测。具体的研究问题包括：
- 深钻和超深钻井作业后1到10年内，地下水和土壤中Cd、As、Pb、Cr、Ni、Zn、Ba和V的浓度如何变化？
- 相对于传统的废物管理方法，闭环钻井系统和改进的废物控制措施是否降低了附近地下水中重金属的浓度？
- 从水文地质条件来看，重金属羽流在不同环境（如干旱盆地、裂隙地层、富粘土的土壤与浅层含水层）中能迁移多远？
- 在多个生长季节内，使用地下水灌溉是否增加了农业土壤和作物中Cd、As、Pb和Cr的积累？

这个问题的紧迫性在于，可靠的长期数据集是评估暴露持续时间、验证修复措施效果以及为可执行的标准提供基础的必要条件。

**金属形态和生物可利用性**
第二个优先领域是关于金属形态和生物可利用性的知识空白。许多研究仅报告了总金属浓度，但这些数据并不能反映金属的迁移性、毒性或生态风险以及人类暴露情况。铬的毒性高度依赖于其氧化态（Cr(III)或Cr(VI)），而砷的迁移性则受氧化还原条件、pH值、对Fe-Mn氧化物的吸附以及有机物含量的影响。因此，未来的研究应检测产出水、钻井液、钻屑、受污染土壤、地下水和作物中的金属形态。具体的研究问题包括：
- 在更深（6,000米）的井中，产出水和钻井废物中的Cr、As、Cd、Pb、Ba、Ni和V的主要存在形态是什么？
- 深井和超深水库条件（如高温、高压、高盐度、pH值和氧化还原状态）对金属释放和形态有何影响？
- 受钻井废物污染的土壤中有多少总重金属是生物可利用的，能够被植物吸收并通过食物链传递？
- 重晶石基泥浆、膨润土、加重剂和钻井液添加剂如何影响Ba、Cd、Pb、Cr和As的可浸出和生物可利用部分？

关于钻屑和产出水残余物在储存、风化、稳定和/或修复过程中的金属形态变化或持久性的研究仍然较少。考虑到现有的分析工具（如顺序萃取法（SE）、薄膜扩散梯度（DGT）、电感耦合等离子体质谱（ICPMS）、X射线吸收光谱（XAS）和地球化学建模）可以区分总金属及其可迁移、可浸出和生物可利用的部分，这一空白被认为是可以解决的。

**将工程控制与环境和健康风险联系起来**
第三步是直接测量工程控制措施是否对减少环境和健康危害有积极影响。现有证据支持工程实践与污染风险之间的概念联系；但目前直接的现场证据较少。地壳套管或井完整性失效导致的地下水污染已经通过数值和概率方法进行了评估；然而，这些评估很少与中国深钻和超深钻井区域的重金属浓度、作物吸收、生态毒性和/或人类健康影响相结合。具体的研究问题包括：
- 与安全性较差的时期相比，更严格的套管和水泥完整性是否可以降低井周特定范围内的重金属浓度？
- 使用闭环钻井系统是否减少了Cd、As、Pb、Cr、Ni、Zn和V等金属向周围土壤和地下水的释放？
- 鉴于钻井液类型、重晶石含量、废物储存设计和产出水处理的影响，是什么驱动了重金属从钻井地点向含水层的迁移？
- 结合工程与水文地质风险的模型能否预测钻井设计、污染物释放、地下水迁移、作物吸收和人类暴露？
- 哪些工程控制措施能够显著降低生态风险指数、危害系数、致癌风险和食物链中的转移？

最后一个领域是最具综合性和方法论复杂性的，因为它需要钻井工程师、水文地质学家、地球化学家、生态毒理学家、公共卫生专家和政策制定者的合作。尽管如此，必须克服这一障碍，将工程干预转化为实际的环境风险缓解措施。

**研究路线图**
未来的研究应遵循“源-途径-受体-控制（SPRC）”框架。在钻井前，基线监测应描述土壤和地下水条件。应在钻井废物、产出水和钻屑或附近的环境介质中测定总金属浓度和金属形态。最终，应在实际现场条件下使用水文地质和地球化学模型模拟污染物迁移。生态和人类健康风险评估应与测量的暴露途径（特别是地下水使用、作物吸收和食物链传递）相结合。然而，工程控制和修复技术的有效性验证应基于长期监测数据。这样的研究路径将使后续研究不仅能够确定是否发生重金属污染，还能确定哪些钻井作业造成的风险最大，控制措施如何有效减少暴露和疾病负担，以及修复如何在暴露-疾病路径上产生可测量的变化。

**结论**
中国在资源丰富地区的深钻作业促进了经济增长并增强了能源安全；然而，由于土壤和地下水的重金属污染，也导致了严重的环境和健康问题。Cd、Pb和As等重金属渗入环境，威胁了饮用水、农业和公共健康，并引发了神经和发育障碍。生物修复和植物修复等技术有潜力减轻污染；然而，无效的监管控制仍然是一个主要挑战。研究表明，需要向可持续钻井转变，以减少环境影响的同时仍能产生收入。需要更严格的规则和更好的执行，以及使用环保钻井液和先进的废物处理系统等“绿色”技术来规范这些作业的影响。需要建立多方利益相关者模型，确保政府、行业和当地社区合作，确保资源开采不会长期损害环境和公共健康。中国必须学习成功的监测和控制技术，以确保未来的钻井及其他人为活动能够可持续进行，并树立领先榜样。

**致谢**
本工作得到了山西省哲学和社会科学项目（2022YD123）、大同市重点研发计划项目（2023037）以及中国国家自然科学基金青年项目（81501032）的支持。

**作者贡献**
Y.L.：概念化、方法论设计、初稿撰写、监督、项目管理和资金募集；
Wenqiang Guo：数据收集、数据整理、正式分析及初稿撰写；
Y.W.：数据整理、可视化及审稿编辑；
Wenfei Guo：数据收集、验证及审稿编辑。所有作者均审核并批准了最终手稿。

**利益声明**
作者声明没有利益冲突。

**关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明**
在准备本手稿的过程中，作者仅使用OpenAI ChatGPT来辅助英语编辑和提高清晰度。作者随后对文本进行了审阅和编辑，并对内容负全责。

**补充信息**
文档S1（PDF格式，234.56 KB）：表格S1–S3