劉漢軍 羅祝濤 張 薇 陳 雷 陳 強(qiáng) 陳立榮 李 輝 蔣學(xué)彬 張 敏 鄧良基
(1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院;2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院;3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院)
石油和天然氣作為國家工業(yè)發(fā)展的血液,對我國國民經(jīng)濟(jì)起著重要的推動作用。但油氣鉆井會產(chǎn)生大量鉆井巖屑,據(jù)統(tǒng)計,我國每年累計產(chǎn)生鉆井巖屑2.50×106m3[1],其中川渝地區(qū)水基鉆井巖屑的年產(chǎn)量約為3.0×104~3.0×105m3[2],因此鉆井巖屑處置成為油氣鉆井行業(yè)的難題。早期的水基鉆井巖屑處置方式為無害化固化填埋[3-5],因此水基鉆井巖屑被定義為鉆井固廢。隨著鉆井清潔生產(chǎn)及生態(tài)文明建設(shè)的不斷推廣,鉆井巖屑處置由無害處置向資源化利用方向發(fā)展,其中以制備燒結(jié)磚和轉(zhuǎn)化為土壤兩種方式研究較多[6-8],且制磚處置已廣泛推廣,土壤化利用也在逐步推廣。目前已有的研究主要關(guān)注單一巖屑資源化利用途徑對巖屑污染物的去除效果和經(jīng)濟(jì)效益,未從環(huán)境影響的角度評價各資源化利用方式的環(huán)境效益。
生命周期評價(LCA)法是一種基于生命周期的思想,定量和定性評價研究對象能源消耗及環(huán)境影響的環(huán)境評價工具[9-10]。1995年,F(xiàn)innveden等[11]最先將LCA法引入固廢管理系統(tǒng)評價,此后,LCA法在固廢管理被廣泛研究和應(yīng)用,其中研究較多的是對城市生活垃圾處理系統(tǒng)的LCA[12-14]。2004年,于紅艷[15]將LCA法引入廢物資源化中,介紹了固廢資源化LCA的必要性、內(nèi)容和步驟,為固廢資源化利用模式的評價研究提供了新思路。此后該法應(yīng)用于固廢資源利用模式的環(huán)境影響評估、模式優(yōu)選和工藝優(yōu)化。張蕓等[16]利用LCA法評價了4種貝殼處置方式的環(huán)境影響,并確定貝殼制備水泥具備最佳環(huán)境效益。李志明等[17]利用LCA法評估了破碎重鋪與水泥混凝土再生利用過程的節(jié)能減排效益,確定水泥混凝土再生利用具有更好的節(jié)能減排效益。王地春等[18]用LCA理論評價了廢舊黏土磚的幾種典型治理方式的環(huán)境影響及差異。
本文選取西南油氣田目前應(yīng)用較多的兩種資源化利用方式(制備燒結(jié)磚和土壤化利用)及填埋法分別構(gòu)建LCA模型,評估不同資源化利用方法的環(huán)境效益,為西南地區(qū)選擇環(huán)境友好的水基鉆井巖屑資源化利用模式提供科學(xué)依據(jù),并提出改進(jìn)措施和建議。
本文以水基鉆井巖屑處置方式為研究對象,采用LCA法對三種處置方式的環(huán)境影響進(jìn)行分析。①填埋處置,將水基鉆井巖屑固化后填埋;②以水基鉆井巖屑代替部分頁巖制備燒結(jié)磚,水基鉆井巖屑添加量為8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù));③通過生物處理轉(zhuǎn)化為土壤后用于復(fù)墾。
本文以1 m3水基鉆井巖屑為功能單位,所有數(shù)據(jù)以該單位為準(zhǔn)進(jìn)行換算,壓濾機(jī)壓濾后的水基鉆井巖屑密度約2.6 g/cm3。因三種處置方式在水基鉆井巖屑產(chǎn)出前過程相同,因此不考慮巖屑產(chǎn)出前的環(huán)境影響,填埋處置以填埋為終點;資源化利用系統(tǒng)以資源化利用為終點,只考慮資源化利用過程中對水基鉆井巖屑加工過程的環(huán)境影響,不考慮資源化利用后生產(chǎn)產(chǎn)品的運輸、存儲、使用、廢棄等過程的環(huán)境影響。三種處置方式的LCA系統(tǒng)邊界的確定見圖1。
圖1 系統(tǒng)邊界的確定
本文涉及的水基鉆井巖屑填埋場地一般與鉆井井場在同一區(qū)域,平均運輸距離約0.5 km,主要以裝載機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)運,裝載機(jī)車斗容量5 m3,平均柴油耗為0.030 L/km。水基鉆井巖屑填埋階段需添加30%(質(zhì)量比)的水泥進(jìn)行固化,同時使用挖掘機(jī)攪拌混勻,挖掘機(jī)平均柴油耗為0.23 L/m3(發(fā)動機(jī)功率90 kW,耗油140 g/(kW·h),每天工作8 h,使用效率0.65,日處理量300 m3)[19];還需使用混泥土振動器,其功率為1.5 kW,處理1 m3水基鉆井固廢平均耗時0.2 h。由此推算得到填埋過程的能耗為每處理1 m3巖屑消耗柴油0.003 kg、電力0.30 kW·h、水泥780 kg,見表1。
西南地區(qū)天然氣/頁巖氣鉆井產(chǎn)生的水基鉆井巖屑通常采用18 t重型貨車(柴油)轉(zhuǎn)運至當(dāng)?shù)卮u廠的暫存場,平均轉(zhuǎn)運距離約25 km,水基鉆井巖屑不向空氣逸散氣體,因此運輸過程中除汽車尾氣外,不存在其它污染物排放。制備燒結(jié)磚時巖屑的添加約8%(質(zhì)量比),即處理1 m3水基鉆井巖屑,可減少208 kg頁巖。經(jīng)過調(diào)研,頁巖開采地距離磚廠約1 km,開采的頁巖被運往磚廠進(jìn)行粉碎處理,粉碎1 kg頁巖耗電量為0.001 71 kW·h,此處置方式避免了頁巖開采、運輸及粉碎處理的過程;制磚時,暫存場地的水基鉆井巖屑采用裝載機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)運,轉(zhuǎn)運距離0.5 km;制備磚塊時每1 m3原料添加9.6%的煤和7.7%的自來水、耗電55 kW·h。由此推算得到水基鉆井巖屑制磚處置過程的能耗為每處理1 m3水基鉆井巖屑,重型柴油貨車(18 t)運輸2 600 kg/km,消耗柴油0.15 kg、電力55 kW·h、水138 kg、煤172 kg,見表1。
表1 三種處置方式的生命周期清單
水基鉆井巖屑土壤化利用方式的生物處理階段在井場清潔生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行,不存在轉(zhuǎn)運。生物處理階段需添加5%的秸稈和0.5倍的自然土。自然土一般采集自5 km范圍內(nèi)地區(qū),用10 t重型貨車(柴油)轉(zhuǎn)運至處理場地;處理過程使用挖掘機(jī)進(jìn)行混合攪拌,同時用通氣設(shè)備進(jìn)行供氧,通氣設(shè)備功率3 kW,按單次處理1 000 m3,周期90 d,每3 d通氣1 h計算;生物處理過程在防滲池中進(jìn)行,不存在浸出液對土壤和地下水的污染。無害化處理后形成的土壤浸出液滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量》V標(biāo)準(zhǔn),直接用于井場復(fù)墾,不存在向土壤和地下水排放污染物,還可減少1 m3自然土的開采和運輸。由此推算得到水基鉆井巖屑土壤化利用過程的物質(zhì)和能耗為每處理1 m3水基鉆井固廢消耗電力0.09 kW·h、柴油0.22 kg、水18 kg、秸稈130 kg,同時重型柴油貨車(10 t)運輸1 300 kg/km,見表1。
eBalance是國內(nèi)專業(yè)的LCA軟件,廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域節(jié)能減排及生態(tài)設(shè)計、研究等工作。本文基于LCA的原理及理論框架,選取eBalance分析軟件進(jìn)行生命周期建模、清單數(shù)據(jù)輸入和生命周期環(huán)境影響評價(LCIA)分析,LCIA分析選取的數(shù)據(jù)庫為中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(CLCD)。將三種水基鉆井巖屑處置方式的輸入輸出數(shù)據(jù)導(dǎo)入eBalance,獲得處理1 m3水基鉆井巖屑的環(huán)境排放清單,見表2。
表2 三種水基鉆井巖屑處置方式的環(huán)境排放清單 kg
本文采用eBalance軟件進(jìn)行西南地區(qū)水基鉆井巖屑三種處置方式的LCIA分析。選取的與巖屑處置利用關(guān)系密切的環(huán)境影響評價指標(biāo)包括:中國資源消耗潛值(CADP)、全球變暖潛值(GWP)、可吸入無機(jī)物(RI)、酸化潛值(AP)、富營養(yǎng)化(EP)、固體廢物(WS)、化學(xué)需氧量(COD)、淡水消耗量(WU)、氨氮(NH3—N)和氮氧化物(NOX)。
表3 三種處置方式生命周期環(huán)境影響特征化指標(biāo)
從表3可看出,填埋處置方式對10種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響均為正值,其中對CADP、GWP、WS和WU的影響較大,這是因為填埋處置需要使用較大量的水泥,而水泥生產(chǎn)過程消耗煤和電力資源較多,因此對資源消耗、全球變暖、WS和WU的影響較大。制磚處置方式除COD、NOX和WS的影響為負(fù)值外,對其余7種指標(biāo)的環(huán)境影響為正值,主要的環(huán)境影響為CADP、GWP和WU,原因為制磚處置的運輸消耗柴油,且生產(chǎn)過程消耗一定量的煤和電力;但制磚過程中避免了頁巖開采和粉碎等過程,從而減少了固廢產(chǎn)生,因此WS較小。土壤化利用處置方式除EP、NH3—N和WU為正值外,其余7種指標(biāo)的環(huán)境影響均為負(fù)值,其中對WU的影響較大,這是因為土壤化利用處置使用一定量的秸稈,在秸稈生產(chǎn)過程中水消耗較多。相比于填埋和制磚處置方式,土壤化利用對所有10種指標(biāo)的影響均較小,主要是因為土壤化利用的運輸距離短,電力消耗少,且避免自然土開采和運輸?shù)冗^程。
利用eBalance軟件進(jìn)行三種處置方式的環(huán)境影響值計算,結(jié)果顯示(圖2)三種處置方式中填埋處置的環(huán)境影響值最大,為3.58×103,高于制磚處置方式的1.19×103;土壤化利用處置的環(huán)境影響值為3.54×103,高于制磚處置,且與填埋處置相當(dāng),但可避免復(fù)墾過程中的自然土開采和運輸?shù)冗^程,避免階段的環(huán)境影響值為3.74×103,因此土壤化利用處置的加權(quán)綜合環(huán)境影響值為-1.99×102,說明土壤化利用處置方式會帶來環(huán)境效益。
圖2 三種處置方式不同階段的環(huán)境影響值
利用eBalance軟件分析獲得各環(huán)節(jié)環(huán)境影響值,導(dǎo)出三種處置方式運輸和處置階段的過程貢獻(xiàn)率如表4所示,填埋處置運輸階段對環(huán)境影響貢獻(xiàn)率較低,僅為0.11%,而填埋階段對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)大,貢獻(xiàn)率為99.89%,表明填埋階段對環(huán)境造成的影響大;制磚處置運輸階段對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)率為0.06%,制磚階段的貢獻(xiàn)率為99.94%,說明制磚階段對環(huán)境的影響最大;土壤化利用方式不存在固廢運輸,所有對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)均出自生物處理階段。
表4 處置過程各環(huán)節(jié)對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)
為進(jìn)一步找出對LCA結(jié)果影響最大的關(guān)鍵清單數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù),采用eBalance軟件自帶的敏感度計算功能,利用最初建立的生命周期模型計算水基鉆井巖屑填埋、制磚和土壤化利用過程中各清單數(shù)據(jù)的敏感度,結(jié)果如表5所示,填埋階段水泥對加權(quán)綜合指標(biāo)的敏感度大,達(dá)到99.40%。制磚階段的SO2和煤對加權(quán)綜合指標(biāo)的敏感度較大,因煤添加量由制磚工藝確定,因此可通過工藝調(diào)整減少煤添加量,同時對排放氣體進(jìn)行脫硫,以減少SO2排放;另外還可調(diào)整巖屑制磚工藝,加大巖屑添加量,進(jìn)一步避免頁巖開采,降低加權(quán)環(huán)境影響潛值。生物處理階段秸稈對加權(quán)綜合指標(biāo)的敏感度大,接近100%,因此可改進(jìn)鉆井巖屑土壤化處置利用工藝,進(jìn)一步減少秸稈添加量,從而減少CO2、SO2和NOX排放。
表5 各清單數(shù)據(jù)對加權(quán)綜合指標(biāo)的敏感度分析 %
1)運用LCA模型計算分析西南地區(qū)水基鉆井巖屑三種處置方式的環(huán)境影響,結(jié)果表明填埋、制磚和土壤化利用的環(huán)境影響值分別為3.58×103,1.19×103和-1.99×102,制磚和土壤化利用均能有效減少鉆井巖屑填埋對環(huán)境的影響,其中土壤化利用有更好的環(huán)境效益。
2)環(huán)境影響特征化指標(biāo)計算結(jié)果表明,制磚和土壤化利用方式對CADP、GWP、NOX、WS和WU具有很大優(yōu)勢;相比于制磚,土壤化利用對CADP、GWP、NOX和WU的優(yōu)勢更明顯。
3)填埋處置對環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的是填埋階段;兩種資源化利用則分別是制磚階段和生物處理階段對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)大。制磚階段可通過工藝調(diào)整減少煤添加量、處置尾氣和增加巖屑添加量來降低環(huán)境影響值;生物處理階段可通過改進(jìn)處置工藝來減少秸稈添加量。
4)水基鉆井巖屑制磚目前已廣泛推廣應(yīng)用,而土壤化利用還處于應(yīng)用的起步階段。本文通過清單對比分析,得到土壤化利用比制磚具備更好的環(huán)境效益,為西南地區(qū)水基鉆井巖屑土壤化利用技術(shù)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。