頁巖氣田水基鉆屑消解技術研究進展

高昊辰

（安徽師范大學皖江學院，安徽 蕪湖 241008）

0 引言

目前，我國西南地區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利用，水基鉆屑作為其開采過程中產生的主要固體廢棄物，如何將其安全有效地進行處理已經成為頁巖氣開發中的重要一環。有調查數據表明，頁巖氣田單井水基鉆屑的平均產量約為900～1200m3，隨著我國頁巖氣田作業面積的不斷擴大，水基鉆屑的產量不容小覷[1]。根據新修訂的《中華人民共和國環境保護法》第四十條有關規定，企業應當優先使用廢棄物綜合利用技術和污染物無害化處理技術，減少污染物的產生，為此國內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行綜述，以期促進水基鉆屑的科學化處理，推進頁巖氣田的綠色開發。

1 水基鉆屑消解的難點

水基鉆屑作為頁巖氣鉆井過程中產生的固體廢棄物，其本身主要由無環境風險的巖屑構成，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、有機物以及其他化學物質[2]，鉆井液的使用使得巖屑表面黏附泥漿、鉆井輔料殘渣以及廢棄鉆井液，因此導致了水基鉆屑成分復雜。從已有的研究來看，水基鉆屑包含的污染物主要為有機鹵化物、礦物油、重金屬等。目前國內對于水基鉆屑的無害化、資源化利用暫缺乏相應的標準，有部分學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進行分析，通過比對、參考《綠化種植土壤》（CJ/T 340—2016）、《城鎮污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》（GB/T 23486—2009）等標準發現，水基鉆屑具有堿性強、鹽分高的特點，其中重金屬含量存在“輕度”潛在環境風險[3]；陳磊等[4]通過將水基鉆屑浸出液中的污染物含量與《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）中的一級標準進行比對，發現其中90%以上的指標均處于超標狀態；張思蘭等[5]通過對西南某頁巖氣田的水基鉆屑研究，認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、并裹挾有機鹵化物、礦物油、重金屬等污染物，主要消解難點在于其對生態環境的影響，尋找一條安全有效、環境友好的消解途徑，仍是亟待解決的問題。

2 水基鉆屑無害化處理技術

國內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、使其短時間內不外泄的處理技術[1]，主要適用于地質環境相對穩定的區域，但簡單的固化填埋僅是一種暫時性的“無害化”處理手段，并未真正實現水基鉆屑的無害化處理，隨著時間的遷移，固化填埋后的水基鉆屑仍存在有害物質浸出、外泄的風險，因此許多研究者開始嘗試利用生物修復技術、物理修復技術以及化學修復技術對水基鉆屑進行無害化處理。

2.1 生物修復技術

微生物作為生態系統中的分解者，在一定條件可將污染物不斷降解，最終轉化為二氧化碳、水等無機物，因此許多學者通過人為投放菌群，人工調節環境變量等手段強化微生物的降解能力，進而達到生物修復效果[6]，目前生物修復技術已廣泛應用于水資源、土壤資源的修復中[7]。基于生物修復的原理，將其應用于鉆井廢棄物的無害化同樣可行。早在20 世紀70 年代，美國已有部分研究者開始嘗試使用生物修復技術解決石油污染問題，隨后這一技術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行原油試驗，其降解達到了64.4%，實現了外源菌與土著菌的協同修復；劉雅雪通過對含油水基鉆屑降解菌進行選育，發現在適宜條件下可有效降解水基鉆屑中的石油類物質含量[7]；胥九兵等通過研究發現對于石油烴以及重金屬鎘的富集，微生物-植物聯合修復優于單獨利用微生物菌劑，經過兩個月的修復可實現石油烴降解率67.4%，PAHs 降解率達47.9%，鎘富集量達到294.3mg/kg。總體來看，常見的生物降解技術主要用于含油量較低的水基鉆屑，其具有成本低、油類物質分解較為徹底等優勢，但目前研究者所選育出的菌株在不同區域、不同體系的鉆屑修復過程中適應性如何仍不得而知，同時處理周期較長、微生物管理風險等問題也需要進一步考量。

2.2 物理修復技術

物理修復技術常見的有焚燒法、熱分解法、固化穩定法等。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，對鉆屑進行焚燒，使其含有的石油類污染物氧化分解，以達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，將鉆屑混合物轉化為固、液、氣三相，使得有機污染物和鉆屑分離，進而進行有針對性的處理；除此之外，為實現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手段對水基鉆屑進行處理，例如張春等研究發現，利用淡水淋洗水基鉆屑能有效降低其鹽分含量，同時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的應用，有效實現了固液分離，達到了鉆屑減量的目的。

2.3 化學修復

化學修復主要是利用化學溶劑對鉆屑進行淋洗，使得鉆屑中的有機成分乳化、分離，從而將污染物與鉆屑進行剝離，以達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、石油醚進行配比，形成了復合化學萃取劑，在降低成本的同時也提高了殘油的萃取效率。總體來看化學修復工藝較為簡單，但部分有機溶劑毒性大、成本高、且易產生大量廢液，如無法妥當處理，容易產生二次污染。

3 水基鉆屑資源化利用技術

相較于無害化處理技術，資源化利用技術則是在無害化處理的基礎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化為可被利用的資源，由于水基鉆屑以巖屑為主體構成，因此目前常見的資源化利用技術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注的焦點，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 的比例進行配比，通過干燥、燒結等工藝，成功制備出了符合《燒結普通磚》（GB/T 5101—2017）強度等級MU15 黏土磚標準的燒結磚，且各項性能均較為優良；譚樹成等通過改質劑的使用，使得水基鉆屑與頁巖混合制備的燒結磚浸出液重金屬含量達到《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）一級標準，燒結過程中產生的廢氣符合《磚瓦工業大氣污染物排放標準》（GB 29620—2013）中的相關標準。雖然國內對于水基鉆屑制磚相關研究已較為成熟，但將其作為制磚材料，對于現有地方磚廠難度較大，考慮到生產成本、市場接受度等因素，其在產業化方面仍存在不少問題。此外由于不同區域政策存在差異，我國各地對固廢制磚有著不同的態度，部分區域對于固廢制磚有一定限制，需要制磚廠具有廢物處理資質，有些區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、小規模應用試點為主，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，在滿足結構強度的同時，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 試驗道路的鋪設，且其浸出液符合《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）一級標準要求；我國華北油田以及四川地區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。總體來看，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環境要求，其產品性能能否等同或優于現有材料，其產業化成本和生產難度能否被大多數廠商所接受，以及各區域政策法規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的一種利用方法。從目前國內已有的研究來看，以我國西南地區頁巖氣田產生的水基鉆屑為例，依照國際制土壤質地分級標準，其質地類似于砂質壤土或壤質黏土，有機質含量較低，主要營養元素呈現出高鉀、低磷、低氮的特點，而較高的鹽分含量則是制約其作為植物生長基質的主要因素，同時含有的重金屬元素也是其在土壤化利用過程中需要重點考量的問題，當然由于各區域地質條件、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具有一定的區域性，需要依據實際情況進行改變。

目前，國內外對鉆井廢棄物用作植物生長基質已有一定研究積累，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行一定比例的組合，使其物理結構、養分組成等方面得到一定改善。例如Saint-FortR 與AshtaniS 研究發現，在一定比例范圍內，將鉆屑廢棄物同土壤混合有助于改善土壤質量，但水基鉆屑加入的比例過高，會導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的人造基質，該基質下金葉女貞與狗牙根的生長情況優于純土壤以及純水基鉆屑；張思蘭等研究發現，在水基鉆屑中添加10%～20%的污泥發酵產物能夠使得基質在滿足《綠化種植土壤》（CJ/T 340—2016）相關標準的同時，種植的紫穗槐具有較好的生長情況；高昊辰等研究發現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級標準，能夠滿足作為綠化基質的需求，同時其可能存在的重金屬現在生態風險較低，其中Hg 和Cd 為主要風險貢獻因子。從已有研究來看，水基鉆屑具有良好的礦物質基質，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，如何進行無害化處理，以降低土壤化利用后的環境風險是目前需要面對的主要問題。

4 結語

近年來，隨著頁巖氣田開采面積的不斷擴大，頁巖氣水基鉆屑的科學消解日益受到關注，目前我國在頁巖氣開采領域也嘗試著通過不斷優化井身結構、改良鉆井工藝等措施從源頭減少水基鉆屑的產生，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。然而由于不同區域地質條件、開采方式的差異，水基鉆屑的組成成分、污染物含量也呈現出區域性差異，但對于水基鉆屑的污染物控制，目前國內暫缺少相關行業標準，多是以土壤、水體的質量標準或污水、固廢污染物控制標準作為參考，而國際上絕大多數發達國家對于油氣開采產生的廢棄物均有相應控制標準，因此未來國內可根據行業、區域特點，推進相關標準的制定。總體來看，雖然目前國內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的探索，產業化成本的不斷優化，以及對可能存在的環境風險充分認識，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。