頁巖氣田水基鉆屑消解技術(shù)研究進(jìn)展

高昊辰

（安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院，安徽 蕪湖 241008）

0 引言

目前，我國西南地區(qū)已探明的頁巖氣儲量超千億立方米，伴隨著我國頁巖氣的開發(fā)利用，水基鉆屑作為其開采過程中產(chǎn)生的主要固體廢棄物，如何將其安全有效地進(jìn)行處理已經(jīng)成為頁巖氣開發(fā)中的重要一環(huán)。有調(diào)查數(shù)據(jù)表明，頁巖氣田單井水基鉆屑的平均產(chǎn)量約為900～1200m3，隨著我國頁巖氣田作業(yè)面積的不斷擴(kuò)大，水基鉆屑的產(chǎn)量不容小覷[1]。根據(jù)新修訂的《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》第四十條有關(guān)規(guī)定，企業(yè)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先使用廢棄物綜合利用技術(shù)和污染物無害化處理技術(shù)，減少污染物的產(chǎn)生，為此國內(nèi)許多研究者對頁巖氣田水基鉆屑的資源化利用或無害化處理進(jìn)行一系列研究。基于此，本文針對目前已有的頁巖氣田水基鉆屑處理手段進(jìn)行綜述，以期促進(jìn)水基鉆屑的科學(xué)化處理，推進(jìn)頁巖氣田的綠色開發(fā)。

1 水基鉆屑消解的難點(diǎn)

水基鉆屑作為頁巖氣鉆井過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，其本身主要由無環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的巖屑構(gòu)成，但由于鉆井工程中對鉆井液具有較高的要求，常會在鉆井液中添加大量高分子、有機(jī)物以及其他化學(xué)物質(zhì)[2]，鉆井液的使用使得巖屑表面黏附泥漿、鉆井輔料殘?jiān)约皬U棄鉆井液，因此導(dǎo)致了水基鉆屑成分復(fù)雜。從已有的研究來看，水基鉆屑包含的污染物主要為有機(jī)鹵化物、礦物油、重金屬等。目前國內(nèi)對于水基鉆屑的無害化、資源化利用暫缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，有部分學(xué)者從干化水基鉆屑廢棄場以及鉆井平臺振動篩出口處取樣，對水基鉆屑的基本理化性質(zhì)進(jìn)行分析，通過比對、參考《綠化種植土壤》（CJ/T 340—2016）、《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（GB/T 23486—2009）等標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，水基鉆屑具有堿性強(qiáng)、鹽分高的特點(diǎn)，其中重金屬含量存在“輕度”潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[3]；陳磊等[4]通過將水基鉆屑浸出液中的污染物含量與《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）中的一級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)其中90%以上的指標(biāo)均處于超標(biāo)狀態(tài)；張思蘭等[5]通過對西南某頁巖氣田的水基鉆屑研究，認(rèn)為水基鉆屑的利用需控制其污染物的累積，降低全鹽含量。

總體來看，水基鉆屑因其鹽分含量高、堿度大、并裹挾有機(jī)鹵化物、礦物油、重金屬等污染物，主要消解難點(diǎn)在于其對生態(tài)環(huán)境的影響，尋找一條安全有效、環(huán)境友好的消解途徑，仍是亟待解決的問題。

2 水基鉆屑無害化處理技術(shù)

國內(nèi)水基鉆屑最為主要的無害化處理手段為固化填埋，這是一種將污染物固定封存、使其短時(shí)間內(nèi)不外泄的處理技術(shù)[1]，主要適用于地質(zhì)環(huán)境相對穩(wěn)定的區(qū)域，但簡單的固化填埋僅是一種暫時(shí)性的“無害化”處理手段，并未真正實(shí)現(xiàn)水基鉆屑的無害化處理，隨著時(shí)間的遷移，固化填埋后的水基鉆屑仍存在有害物質(zhì)浸出、外泄的風(fēng)險(xiǎn)，因此許多研究者開始嘗試?yán)蒙镄迯?fù)技術(shù)、物理修復(fù)技術(shù)以及化學(xué)修復(fù)技術(shù)對水基鉆屑進(jìn)行無害化處理。

2.1 生物修復(fù)技術(shù)

微生物作為生態(tài)系統(tǒng)中的分解者，在一定條件可將污染物不斷降解，最終轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水等無機(jī)物，因此許多學(xué)者通過人為投放菌群，人工調(diào)節(jié)環(huán)境變量等手段強(qiáng)化微生物的降解能力，進(jìn)而達(dá)到生物修復(fù)效果[6]，目前生物修復(fù)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水資源、土壤資源的修復(fù)中[7]?；谏镄迯?fù)的原理，將其應(yīng)用于鉆井廢棄物的無害化同樣可行。早在20 世紀(jì)70 年代，美國已有部分研究者開始嘗試使用生物修復(fù)技術(shù)解決石油污染問題，隨后這一技術(shù)也逐漸被引入鉆井泥渣的處理過程中，例如王華金等利用洋蔥伯克霍爾德氏菌、鞘氨醇單胞菌和伯克菌進(jìn)行原油試驗(yàn)，其降解達(dá)到了64.4%，實(shí)現(xiàn)了外源菌與土著菌的協(xié)同修復(fù)；劉雅雪通過對含油水基鉆屑降解菌進(jìn)行選育，發(fā)現(xiàn)在適宜條件下可有效降解水基鉆屑中的石油類物質(zhì)含量[7]；胥九兵等通過研究發(fā)現(xiàn)對于石油烴以及重金屬鎘的富集，微生物-植物聯(lián)合修復(fù)優(yōu)于單獨(dú)利用微生物菌劑，經(jīng)過兩個(gè)月的修復(fù)可實(shí)現(xiàn)石油烴降解率67.4%，PAHs 降解率達(dá)47.9%，鎘富集量達(dá)到294.3mg/kg。總體來看，常見的生物降解技術(shù)主要用于含油量較低的水基鉆屑，其具有成本低、油類物質(zhì)分解較為徹底等優(yōu)勢，但目前研究者所選育出的菌株在不同區(qū)域、不同體系的鉆屑修復(fù)過程中適應(yīng)性如何仍不得而知，同時(shí)處理周期較長、微生物管理風(fēng)險(xiǎn)等問題也需要進(jìn)一步考量。

2.2 物理修復(fù)技術(shù)

物理修復(fù)技術(shù)常見的有焚燒法、熱分解法、固化穩(wěn)定法等。其中焚燒法主要用于含油率較高的鉆屑，通過在鉆屑中加入助燃劑，對鉆屑進(jìn)行焚燒，使其含有的石油類污染物氧化分解，以達(dá)到無害化處理的目的，但其對焚化過程中的有害氣體回收要求較高，且會產(chǎn)生飛灰，造成二次污染；而熱分解法則是通過加熱、蒸餾等手段，將鉆屑混合物轉(zhuǎn)化為固、液、氣三相，使得有機(jī)污染物和鉆屑分離，進(jìn)而進(jìn)行有針對性的處理；除此之外，為實(shí)現(xiàn)水基鉆屑的資源化利用，也有研究人員嘗試使用其他物理技術(shù)手段對水基鉆屑進(jìn)行處理，例如張春等研究發(fā)現(xiàn)，利用淡水淋洗水基鉆屑能有效降低其鹽分含量，同時(shí)也能淋洗掉一定量的重金屬元素；呂廣等通過絮凝壓濾一體機(jī)的應(yīng)用，有效實(shí)現(xiàn)了固液分離，達(dá)到了鉆屑減量的目的。

2.3 化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)主要是利用化學(xué)溶劑對鉆屑進(jìn)行淋洗，使得鉆屑中的有機(jī)成分乳化、分離，從而將污染物與鉆屑進(jìn)行剝離，以達(dá)到無害化處理的目的。例如黃賢斌等利用微乳狀液除油劑對含油鉆屑進(jìn)行處理，將鉆屑含油率降至1%以下；劉宇程等通過將多種烴類萃取劑與四氯化碳、苯、石油醚進(jìn)行配比，形成了復(fù)合化學(xué)萃取劑，在降低成本的同時(shí)也提高了殘油的萃取效率?？傮w來看化學(xué)修復(fù)工藝較為簡單，但部分有機(jī)溶劑毒性大、成本高、且易產(chǎn)生大量廢液，如無法妥當(dāng)處理，容易產(chǎn)生二次污染。

3 水基鉆屑資源化利用技術(shù)

相較于無害化處理技術(shù)，資源化利用技術(shù)則是在無害化處理的基礎(chǔ)上充分利用鉆屑原有特性，使得水基鉆屑這種固體廢棄物轉(zhuǎn)化為可被利用的資源，由于水基鉆屑以巖屑為主體構(gòu)成，因此目前常見的資源化利用技術(shù)方案主要為建筑材料的制備、土壤化利用等。

3.1 建筑材料的制備

鉆井廢棄物包含有SiO4、BaSO4等無機(jī)組分，其主要成分與部分建筑材料的制備原料類似，因此水基鉆屑用于制備建筑材料一直是許多研究者關(guān)注的焦點(diǎn)，目前常見的研究方向主要包括水泥、混凝土、免燒磚等建材的制備，其中以水基鉆屑制磚最為常見。例如張忠亮等將水基鉆屑、頁巖、煤炭以30:65:5 的比例進(jìn)行配比，通過干燥、燒結(jié)等工藝，成功制備出了符合《燒結(jié)普通磚》（GB/T 5101—2017）強(qiáng)度等級MU15 黏土磚標(biāo)準(zhǔn)的燒結(jié)磚，且各項(xiàng)性能均較為優(yōu)良；譚樹成等通過改質(zhì)劑的使用，使得水基鉆屑與頁巖混合制備的燒結(jié)磚浸出液重金屬含量達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）一級標(biāo)準(zhǔn)，燒結(jié)過程中產(chǎn)生的廢氣符合《磚瓦工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 29620—2013）中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。雖然國內(nèi)對于水基鉆屑制磚相關(guān)研究已較為成熟，但將其作為制磚材料，對于現(xiàn)有地方磚廠難度較大，考慮到生產(chǎn)成本、市場接受度等因素，其在產(chǎn)業(yè)化方面仍存在不少問題。此外由于不同區(qū)域政策存在差異，我國各地對固廢制磚有著不同的態(tài)度，部分區(qū)域?qū)τ诠虖U制磚有一定限制，需要制磚廠具有廢物處理資質(zhì)，有些區(qū)域則不允許使用水基鉆屑制磚。

而水基鉆屑在其他建材的制備方面，目前仍是以理論研究、小規(guī)模應(yīng)用試點(diǎn)為主，例如Asadi S 等通過在混凝土中摻入粉煤灰與硅灰，并使用鉆屑代替20%的水泥，將混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了40%；任冉將粗加工后的水基鉆屑作為一種摻料，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，可降低固井水泥成本約35%；陳磊等將鉆屑與固化劑混合，壓制形成球形顆粒，用作鋪路基土顆粒，成功代替砂石完成270m 試驗(yàn)道路的鋪設(shè)，且其浸出液符合《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）一級標(biāo)準(zhǔn)要求；我國華北油田以及四川地區(qū)的部分油氣田都曾嘗試過利用固相處理后的鉆屑制磚、鋪路?？傮w來看，將水基鉆屑作為建材原料，目前主要存在的問題仍是其制成品能否符合相關(guān)環(huán)境要求，其產(chǎn)品性能能否等同或優(yōu)于現(xiàn)有材料，其產(chǎn)業(yè)化成本和生產(chǎn)難度能否被大多數(shù)廠商所接受，以及各區(qū)域政策法規(guī)是否允許或支持該種類型的固廢資源化利用。

3.2 土壤化利用

水基鉆屑的土壤化利用一般是指將水基鉆屑通過一定處理，使其能夠作為植物生長基質(zhì)的一種利用方法。從目前國內(nèi)已有的研究來看，以我國西南地區(qū)頁巖氣田產(chǎn)生的水基鉆屑為例，依照國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)，其質(zhì)地類似于砂質(zhì)壤土或壤質(zhì)黏土，有機(jī)質(zhì)含量較低，主要營養(yǎng)元素呈現(xiàn)出高鉀、低磷、低氮的特點(diǎn)，而較高的鹽分含量則是制約其作為植物生長基質(zhì)的主要因素，同時(shí)含有的重金屬元素也是其在土壤化利用過程中需要重點(diǎn)考量的問題，當(dāng)然由于各區(qū)域地質(zhì)條件、開采方式以及鉆井液的不同，水基鉆屑的組成也存在著差異。因此水基鉆屑的土壤化技術(shù)具有一定的區(qū)域性，需要依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改變。

目前，國內(nèi)外對鉆井廢棄物用作植物生長基質(zhì)已有一定研究積累，從水基鉆屑的主要理化性狀來看，簡單經(jīng)過無害化處理的水基鉆屑不足以滿足植物的正常生長，土壤化利用需要將水基鉆屑與其他物料進(jìn)行一定比例的組合，使其物理結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分組成等方面得到一定改善。例如Saint-FortR 與AshtaniS 研究發(fā)現(xiàn)，在一定比例范圍內(nèi)，將鉆屑廢棄物同土壤混合有助于改善土壤質(zhì)量，但水基鉆屑加入的比例過高，會導(dǎo)致植物生物量的降低；張春等將水基鉆屑、腐熟污泥與土壤按一定比例混合，通過多次淡水淋洗后形成了具有良好物理性質(zhì)的人造基質(zhì)，該基質(zhì)下金葉女貞與狗牙根的生長情況優(yōu)于純土壤以及純水基鉆屑；張思蘭等研究發(fā)現(xiàn)，在水基鉆屑中添加10%～20%的污泥發(fā)酵產(chǎn)物能夠使得基質(zhì)在滿足《綠化種植土壤》（CJ/T 340—2016）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，種植的紫穗槐具有較好的生長情況；高昊辰等研究發(fā)現(xiàn)西南某頁巖氣田的水基鉆屑重金屬含量均符合《綠化種植土壤》（CJ/T 340—2016）中的Ⅰ級或Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足作為綠化基質(zhì)的需求，同時(shí)其可能存在的重金屬現(xiàn)在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較低，其中Hg 和Cd 為主要風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)因子。從已有研究來看，水基鉆屑具有良好的礦物質(zhì)基質(zhì)，因此土壤化利用潛力較大，但由于裹挾有其他污染物，因此在土壤化利用前，如何進(jìn)行無害化處理，以降低土壤化利用后的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是目前需要面對的主要問題。

4 結(jié)語

近年來，隨著頁巖氣田開采面積的不斷擴(kuò)大，頁巖氣水基鉆屑的科學(xué)消解日益受到關(guān)注，目前我國在頁巖氣開采領(lǐng)域也嘗試著通過不斷優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、改良鉆井工藝等措施從源頭減少水基鉆屑的產(chǎn)生，但水基鉆屑的無害化處理、資源化利用仍是解決這一問題的主要途徑。然而由于不同區(qū)域地質(zhì)條件、開采方式的差異，水基鉆屑的組成成分、污染物含量也呈現(xiàn)出區(qū)域性差異，但對于水基鉆屑的污染物控制，目前國內(nèi)暫缺少相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，多是以土壤、水體的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或污水、固廢污染物控制標(biāo)準(zhǔn)作為參考，而國際上絕大多數(shù)發(fā)達(dá)國家對于油氣開采產(chǎn)生的廢棄物均有相應(yīng)控制標(biāo)準(zhǔn)，因此未來國內(nèi)可根據(jù)行業(yè)、區(qū)域特點(diǎn)，推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。總體來看，雖然目前國內(nèi)水基鉆屑仍以固化填埋為主要消解手段，但隨著水基鉆屑資源化利用技術(shù)的探索，產(chǎn)業(yè)化成本的不斷優(yōu)化，以及對可能存在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)充分認(rèn)識，建材制備、土壤化利用等消解途徑也將逐漸成熟，未來水基鉆屑的消解途徑必將變得更加綠色多樣。