川南頁巖氣鉆井固體廢物污染防治問題及對策初探

于勁磊，蔣國斌，王紅娟，江 麗，吳 懈，雷 宇

（1.中國石油西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術監(jiān)督研究院，四川成都 610041；2.頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室，四川成都 610051）

隨著我國經濟由高速增長向高質量發(fā)展轉變，推進能源結構向綠色低碳轉型迫在眉睫。天然氣是一種綠色清潔的優(yōu)質能源，將逐步成為我國清潔能源體系的主體能源。而頁巖氣作為我國天然氣產量增長最現(xiàn)實的領域，在調整和優(yōu)化能源結構、促進經濟增長中發(fā)揮巨大作用。

根據(jù)《四川省“十三五”能源發(fā)展規(guī)劃》（2017 年），2020 年川南頁巖氣年產量將達到100×108m3。相較常規(guī)油氣開發(fā)，頁巖氣產量遞減速度快，僅能通過井間接替來實現(xiàn)頁巖氣穩(wěn)產和增長[1]，為實現(xiàn)頁巖氣產量突破規(guī)劃目標，川南地區(qū)年均新鉆頁巖氣井數(shù)將達280 口以上。

川南地區(qū)頁巖氣井大多采用“四開四完”方式進行鉆井作業(yè)。其中，上部地層采用清水或空氣流體鉆井，巖屑產生量為200～300 立方米/井；中下部地層采用水基鉆井液鉆井，水基鉆屑產生量為400～500 立方米/井；造斜段及水平段采用油基鉆井液鉆井，油基巖屑產生量為250～350 立方米/井。由此測算，川南地區(qū)每年至少將產生16.8×104m3水基巖屑和7×104m3油基巖屑，若鉆井巖屑未得到妥善貯存與處置，引發(fā)的環(huán)境影響和風險不可忽視[2]。因此，如何妥善處置頁巖氣鉆井固體廢物及精準提出風險防控措施，成為關系我國頁巖氣能否綠色可持續(xù)開發(fā)的重要問題。本文分析了川南頁巖氣鉆井固體廢物污染防治現(xiàn)狀及問題，總結了北美地區(qū)鉆井固體廢物管理要求，并據(jù)此提出了川南頁巖氣鉆井固體廢物污染防治對策，以期為我國頁巖氣鉆井固廢管理提供方向指引。

1 川南頁巖氣鉆井固體廢棄物污染防治現(xiàn)狀及問題

伴隨川南頁巖氣快速上產，鉆井固體廢棄物尤其是油基巖屑處理處置已成為國家、地方環(huán)保部門的關注焦點。而開展鉆井固體廢物處理處置之前，有效掌握其污染特性是重要保障和關鍵基礎，大量學者[3，4]表明鉆井巖屑重金屬（鎳、銅、鋅、鋇等）和石油烴為其主要污染物。鑒于此，中石油等頁巖氣開發(fā)企業(yè)，通過不斷引進吸收先進環(huán)保技術及管理理念，逐步發(fā)展形成了以“源頭化、減量化、資源化、無害化”為核心的鉆井固體廢棄物污染防治技術體系（見圖1）。鉆井作業(yè)時，采用環(huán)境友好型物料及工藝，從源頭削減污染；采用泥漿不落地收集和物理化學處理方式，對鉆井作業(yè)過程所產生的水基巖屑進行破膠脫液處理，進一步減少后續(xù)巖屑處置總量，剩余固渣交由環(huán)保手續(xù)齊全的第三方機構進行資源化利用，包括制備燒結磚、免燒磚或水泥熟料等途徑；含油巖屑經熱脫附、LRET 萃取、錘磨處理等方式，殘渣含油率低于1 %，且經權威機構檢測分析，處理后巖屑殘渣不具備危險特性[5]。另外，通過對長寧頁巖氣區(qū)塊鉆井巖屑的取樣分析，發(fā)現(xiàn)處理后的鉆井水基巖屑和油基巖屑中砷（As）、銀（Ag）、硒（Se）、汞（Hg）等重金屬含量（見表1）均低于《土壤環(huán)境質量建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB36600-2018）中第二類用地土壤污染風險篩選值；LRET 萃取后油基巖屑殘渣石油烴含量均低于0.3 %（見表2），可有效降低頁巖氣開發(fā)過程鉆井固體廢棄物對生態(tài)環(huán)境的影響。

圖1 川南頁巖氣鉆井固廢污染防治技術體系

表1 長寧頁巖氣區(qū)塊某平臺處理后鉆井巖屑重金屬含量分析

但伴隨頁巖氣鉆井數(shù)量爆發(fā)式增長，現(xiàn)仍存在以下問題亟待解決：

（1）水基巖屑處置渠道單一。目前，川南地區(qū)鉆井水基巖屑基本交由第三方建材企業(yè)進行資源化利用，可基本消納產生量。至2025 年，川南地區(qū)年均水基巖屑產生量將大于16.8×104m3，而建材行業(yè)受政策與市場調控影響很大，若供需矛盾突出，建材企業(yè)將難以消化產生的水基巖屑，因此急需拓寬水基巖屑處置渠道。

（2）區(qū)域油基巖屑處置能力不足。目前，臨近川南頁巖氣開發(fā)區(qū)域且具有油基巖屑處置資質的企業(yè)僅有兩家，其處理規(guī)模有限，無法完全接納長寧、威遠、瀘州等片區(qū)所產生的油基巖屑，導致大量無法及時處置的油基巖屑需要現(xiàn)場暫存，存在較大的環(huán)境隱患，因此，合理擴大川南頁巖氣油基巖屑處置規(guī)模勢在必行。

（3）頁巖氣環(huán)保標準支撐不足。我國尚未出臺鉆井巖屑含油率測定標準，檢測機構及科研院所大多采用《城市污水處理廠污泥檢驗方法》（CJ/T 221-2005）標準中礦物油的測定方法，但城鎮(zhèn)污泥與鉆井巖屑存在較大的理化性能差異，其適用性有待考究。此外，鉆井固廢處理處置相關標準及技術規(guī)范缺失，導致處理后油基巖屑仍歸類為危險廢物，增加了頁巖氣開發(fā)成本。

2 北美地區(qū)鉆井固體廢棄物處置管理體系分析

面對頁巖氣開發(fā)存在的上述問題，綜合分析北美地區(qū)鉆井固廢處置的管理對策，以期為川南頁巖氣鉆井固廢管理提供一定參考。美國和加拿大等北美國家均形成了較為有效的鉆井固體廢物處置管理體系。加拿大阿爾伯塔省以鉆井固體廢物毒性評估結果和地方環(huán)境容量為決策依據(jù)，明確了不同鉆井固體廢物分類處置途徑及管理要求，主要處置途徑包括混合填埋、隨鉆噴灑、林地處置、土地耕作、工業(yè)垃圾填埋場填埋等；同時也鼓勵相關工業(yè)部門制定鉆井廢棄物再利用技術方案，以減少鉆廢送交處置總量。美國環(huán)保署將美國本土、加拿大、墨西哥等北美地區(qū)勘探作業(yè)產生的不同鉆完井廢物中無機元素、有機化合物和放射性同位素的濃度和活性等進行了匯總統(tǒng)計，形成了勘探開采鉆廢成分數(shù)據(jù)庫，并對公眾和勘探開發(fā)企業(yè)披露，不僅較好的緩解了公眾的擔憂，同時也為企業(yè)制定相關廢物處置措施提供了數(shù)據(jù)支撐[6]。另外，美國各州結合本地環(huán)境特征和環(huán)境質量改善需求，針對鉆井廢棄物處置也制定了相應的規(guī)定，例如賓西法利亞州根據(jù)來源從表層套管座上方（未污染的鉆屑、上部井眼水或淡水）或表層套管座下方（污染的鉆屑和相關流體）區(qū)分鉆屑類型，對鉆井固體廢物進行精細化管理，從源頭減少了受污染的鉆井廢物總量；德克薩斯州根據(jù)有機物（總石油烴等）、鹽類（氯化物等）和放射性（鐳等）的測量水平，將勘探開采廢物進行土地利用[7]。具體處理處置途徑及管理要求（見表3）。

表2 長寧頁巖氣區(qū)塊含油巖屑處理前后石油烴含量分析

3 川南頁巖氣鉆井固廢污染防治對策

為確保川南頁巖氣綠色可持續(xù)開發(fā)，在堅持固體廢物“源頭化、減量化、資源化、無害化”處理處置原則的基礎上，同時結合國外先進經驗，提出以下污染防治對策：

3.1 開展頁巖氣環(huán)境保護標準體系研究

建議國家生態(tài)環(huán)境主管部門聯(lián)合頁巖氣勘探開發(fā)企業(yè)、國內知名科研院所共同開展頁巖氣環(huán)境保護標準體系研究，逐步完善相關頁巖氣開發(fā)環(huán)境保護標準及推薦做法。同時頁巖氣開發(fā)主要地區(qū)，可結合本地環(huán)境特征和環(huán)境質量改善需求，有針對性的制定地方環(huán)境保護標準，進一步補充完善國家頁巖氣環(huán)保標準體系。例如針對油基巖屑處理后殘渣，開展其危險屬性鑒別，分析其資源化利用過程的環(huán)境影響，制定其資源化利用的環(huán)境保護技術標準及規(guī)范，將殘渣從危險廢物中豁免，降低企業(yè)和政府管理成本。

3.2 研發(fā)適用于頁巖氣鉆井固體廢棄物源頭控制技術

研發(fā)環(huán)境友好型泥漿體系是實現(xiàn)頁巖氣綠色開發(fā)，徹底解決“先污染、后治理”問題最經濟實用的技術[12]，是實現(xiàn)頁巖氣鉆井固體廢棄物源頭控制的核心。建議頁巖氣開發(fā)企業(yè)探討開發(fā)密閉循環(huán)氣體鉆井技術替代頁巖氣直井段水基泥漿技術的可行性；探討開發(fā)頁巖氣水平段鉆井環(huán)保合成基鉆井液體系替代油基泥漿技術的可行性，從源頭消除鉆井巖屑有毒有害成分，保障環(huán)境安全[13]。

3.3 構建頁巖氣鉆井固廢“物聯(lián)網+大數(shù)據(jù)”管理平臺

建議生態(tài)環(huán)境主管部門聯(lián)合頁巖氣開發(fā)企業(yè)共同建立頁巖氣鉆井固廢“物聯(lián)網+大數(shù)據(jù)”管理平臺。該平臺可實現(xiàn)以下兩項功能，其一是對頁巖氣開發(fā)不同鉆井作業(yè)方式（垂直井、水平井），不同鉆井液流體（空氣/氮氣、水基鉆井液、油基鉆井液、合成基鉆井液）、不同區(qū)域、地層下的鉆井巖屑、鉆井泥漿中的無機元素、有機化合物和放射性同位素的濃度和活性、毒性物質含量、急性毒性等進行匯總統(tǒng)計分析，尋找其關聯(lián)性，并以此為依據(jù)，更有針對性的提出不同鉆井固廢資源化利用途徑和污染治理規(guī)范，降低頁巖氣開發(fā)生產綜合成本和環(huán)境污染風險，使頁巖氣更具有競爭力。其二是對頁巖氣開發(fā)不同區(qū)域鉆井固體廢物產生數(shù)量、廢物理化及污染特性等信息進行大數(shù)據(jù)分析，智能匹配相適宜的區(qū)域鉆廢利用方式和利用企業(yè)，結合廢物轉運路線、轉運過程污染防治措施、轉運成本等因素，綜合評估轉運過程環(huán)境風險和經濟效益。在環(huán)境風險和經濟成本可控的前提下，實現(xiàn)鉆井固體廢物多途徑資源化利用，有效提升頁巖氣開發(fā)區(qū)域廢物處置抗風險能力。

表3 北美地區(qū)頁巖氣鉆井固體廢物處置途徑及管理要求