頁巖氣油基巖屑處置及資源化利用方案比選

劉 莉，李詩雨，陸朝暉，田君竹，李昊宸

(1.重慶大學(xué)資源與安全學(xué)院，重慶 400044；2.頁巖氣勘探開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心，重慶 401120；3.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 401120)

0 引 言

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及“雙碳”目標(biāo)的提出，各行業(yè)對(duì)油氣資源的需求量不斷增加，常規(guī)油氣資源可開采量越來越少，頁巖氣作為一種重要的清潔能源，是當(dāng)前石油天然氣行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。重慶市是我國頁巖氣儲(chǔ)量最為豐富的地區(qū)，涪陵頁巖氣田也是我國首個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的大型頁巖氣田，圖1為2015—2020年全國與重慶市頁巖氣產(chǎn)量對(duì)比圖。由圖1可知，2020年我國頁巖氣產(chǎn)量較2019年增長近40%。

圖1 2015—2020年全國與重慶市頁巖氣產(chǎn)量對(duì)比

隨著頁巖氣開采技術(shù)的不斷發(fā)展，學(xué)者們針對(duì)開采過程中引起的環(huán)境問題進(jìn)行了大量的研究。1995年，NEUSTADT[2]首次對(duì)頁巖氣鉆井巖屑進(jìn)行毒性測試，探討其對(duì)環(huán)境的影響。21世紀(jì)初，有學(xué)者研究頁巖氣開采過程中如壓裂液等對(duì)環(huán)境的影響以及頁巖氣的環(huán)境管理[3]。隨著科技的進(jìn)步以及全球?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境的重視，研究熱點(diǎn)逐漸傾向頁巖氣開采過程中產(chǎn)生的固廢理化特性、處置及資源化利用技術(shù)[4-5]。2016年，朱冬昌等[6]第一次針對(duì)長寧威遠(yuǎn)頁巖氣田油基巖屑處置技術(shù)進(jìn)行分析。中國、美國、英國等多國學(xué)者對(duì)鉆井巖屑綜合利用進(jìn)行研究，合理選擇固化劑及其摻入量、配比、采用合適的配方，保證了鉆井巖屑資源化利用的可行性[7-11]。大量學(xué)者從技術(shù)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)中的某一方面來驗(yàn)證鉆井巖屑資源化利用的可行性和技術(shù)選擇[12-15]，但綜合考慮技術(shù)可行、環(huán)境安全、經(jīng)濟(jì)績優(yōu)3方面的頁巖氣鉆井巖屑資源化利用方案比選研究較少。

在頁巖氣開采過程中，共產(chǎn)生清水巖屑、水基巖屑、油基巖屑三種鉆井巖屑，其中油基巖屑成分復(fù)雜、難處理，包含多種有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境的危害大，2019年，SWIEDLER[16]提出頁巖氣開發(fā)產(chǎn)生的固體廢物是否應(yīng)該被規(guī)定為危險(xiǎn)廢物的問題，根據(jù)《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》的規(guī)定，我國將油基巖屑定為HW08類危險(xiǎn)廢物。2010年，陳明燕等[17]提出國內(nèi)缺乏含油污泥資源化利用的研究，這為資源化方向研究奠定基礎(chǔ)，并引入綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的思想，因此，如何使油基巖屑處置達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，又能夠回收利用，成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。

本文立足于重慶市頁巖氣開采區(qū)，梳理總結(jié)現(xiàn)有油基巖屑處置及資源化利用主流技術(shù)，從環(huán)境安全、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)績優(yōu)3個(gè)方面，構(gòu)建油基巖屑資源化利用方案比選體系，采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)重慶市頁巖氣田現(xiàn)有的油基巖屑資源化利用方案進(jìn)行比選，診斷最優(yōu)方案，研究成果可為相關(guān)企業(yè)提供科學(xué)支持。

1 油基巖屑處置和資源化利用技術(shù)分析

本文通過文獻(xiàn)分析、專家訪談和企業(yè)調(diào)研等方式，收集和梳理重慶市頁巖氣企業(yè)目前采用的油基巖屑處置和資源化利用技術(shù)。重慶市企業(yè)采用的油基巖屑處置技術(shù)共有7種，目前主流技術(shù)為熱解析和離心分離。表1為油基巖屑處置技術(shù)的對(duì)比。

表1 油基巖屑處置技術(shù)

廢棄物資源化綜合利用是當(dāng)前的發(fā)展方向和趨勢，油基巖屑雖是危險(xiǎn)廢物，但仍有一定的可回收價(jià)值。目前重慶市頁巖氣企業(yè)采用的鉆井巖屑資源化利用技術(shù)共有五種，見表2。

表2 油基巖屑資源化利用技術(shù)

2 油基巖屑處置和資源化利用方案比選體系

2.1 方案比選體系

基于系統(tǒng)性、獨(dú)立性、可操作性、指導(dǎo)性的原則，結(jié)合文獻(xiàn)及專家意見，從環(huán)境安全、經(jīng)濟(jì)績優(yōu)、技術(shù)可行3方面建立方案比選體系，如圖2所示。

圖2 方案比選體系

目標(biāo)層S為最優(yōu)方案，準(zhǔn)則層A共有3個(gè)，分別為環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)，指標(biāo)層B下分13個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

1)環(huán)境。環(huán)境指污染物排放對(duì)環(huán)境的影響，從水、氣、土、聲、生5個(gè)方面細(xì)分7個(gè)指標(biāo)：常規(guī)大氣污染物、二噁英、碳排放、重金屬排放、廢水、噪聲、人群健康。

2)經(jīng)濟(jì)。共含2個(gè)指標(biāo)：總投資、總收入。

3)技術(shù)。可靠性指系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)、一定條件下無故障地執(zhí)行指定功能的能力或可能性。成熟度指科技成果的技術(shù)水平、工藝流程、配套資源、技術(shù)生命周期等方面所具有的產(chǎn)業(yè)化實(shí)用程度。有效性是反映資源配置效率和技術(shù)利用程度的指標(biāo)。適用性指在考慮地理位置、周邊環(huán)境、風(fēng)土人文等因素的基礎(chǔ)上，因地制宜選擇適用的技術(shù)，且該技術(shù)的應(yīng)用能否顯著地節(jié)約能源或充分利用再生資源。

2.2 方案比選體系指標(biāo)權(quán)重確定

2.2.1 層次分析法

層次分析法是系統(tǒng)工程中對(duì)非定量事件進(jìn)行定量分析的方法，與本文的研究比較契合，因此本文采用層次分析法，分為4步：構(gòu)造層次分析模型、構(gòu)建判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗(yàn)、層次總排序。其中，一致性檢驗(yàn)公式見式(1)。

(1)

式中：λmax為最大特征值；n為判斷矩陣階數(shù)；RI為平均隨機(jī)一致性比率，其值見表3。

表3 一致性檢驗(yàn)RI值

2.2.2 體系指標(biāo)權(quán)重

本文指標(biāo)權(quán)重的確定采用專家打分法，共15份有效專家調(diào)查問卷，專家包含企事業(yè)單位負(fù)責(zé)人、高校教師、專業(yè)技術(shù)人員，根據(jù)專家調(diào)查問卷得各指標(biāo)權(quán)重。依據(jù)方案比選，以某位專家為例，對(duì)準(zhǔn)則層A的各指標(biāo)：環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)構(gòu)建判斷矩陣見式(2)。

(2)

將判斷矩陣代入公式，得λmax=3.038 5，CI=0.019 3，CR=0.033 2<1符合要求，準(zhǔn)則層權(quán)重見表4。由表4得權(quán)重向量：WA=(0.418 9,0.222 3,0.358 8)T。

表4 準(zhǔn)則層權(quán)重

同理可得方案比選體系各指標(biāo)的權(quán)重，最終各指標(biāo)權(quán)重結(jié)果見表5。準(zhǔn)則層A中環(huán)境指標(biāo)權(quán)重最高為0.418 9，方案選取中優(yōu)先考慮環(huán)境不僅是可持續(xù)發(fā)展理念的體現(xiàn)，同樣有利于企業(yè)的長遠(yuǎn)運(yùn)營。環(huán)境準(zhǔn)則層A1的子系統(tǒng)指標(biāo)中，二噁英權(quán)重0.197 3位列第一，其次是人群健康及常規(guī)大氣污染物。二噁英作為一種毒性嚴(yán)重的物質(zhì)，對(duì)環(huán)境影響高于其他指標(biāo)，因此其權(quán)重位列第一，殘?jiān)馁Y源化利用產(chǎn)品均用于生產(chǎn)生活中，因此人群健康的權(quán)重位列第二。經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)則層的子系統(tǒng)A2各指標(biāo)中，總投資權(quán)重0.605 6高于總收入。技術(shù)準(zhǔn)則層的子系統(tǒng)A3指標(biāo)中，權(quán)重最高的是可靠性，其權(quán)重為0.322 5，其次是權(quán)重為0.268 2的有效性。

表5 方案比選體系各指標(biāo)權(quán)重表

3 油基巖屑處置和資源化利用方案比選體系應(yīng)用

3.1 研究區(qū)概況

重慶市是我國頁巖氣儲(chǔ)量的集中地區(qū)，其中，涪陵頁巖氣田較為突出。涪陵頁巖氣田是我國首個(gè)大型頁巖氣田，同時(shí)也是全球最大的頁巖氣田之一。針對(duì)于涪陵頁巖氣田，油基巖屑脫油處置方式有熱解析和離心分離，回收油配置鉆井液再利用，殘?jiān)?種資源化利用方案。方案一：水泥窯協(xié)同處置；方案二：制磚(免燒磚、燒結(jié)磚)；方案三：制備混凝土；方案四：制備路面材料；方案五：制備陶粒。油基巖屑處置及資源化利用可選方案如圖3所示。基于構(gòu)建的方案比選體系對(duì)涪陵頁巖氣田油基巖屑處置和資源化利用方案排序推優(yōu)。

圖3 油基巖屑處置和資源化利用方案

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 油基巖屑脫油處置數(shù)據(jù)

本文采用專家打分法和灰色關(guān)聯(lián)分析法，請(qǐng)專家根據(jù)實(shí)際情況打分，整理收集打分結(jié)果，確定最終得分，分析結(jié)果并給出最優(yōu)方案，確定油基巖屑脫油處置方案比選的分析數(shù)列，得到處置方案評(píng)分表，見表6。由表6可知，油基巖屑脫油處置方案中熱解析與離心分離的灰色關(guān)聯(lián)度相同。

表6 處置方案評(píng)分

3.2.2 殘?jiān)Y源化利用數(shù)據(jù)分析

1)確定油基巖屑方案比選的分析數(shù)列。

根據(jù)表7得到油基巖屑資源化利用方案比選的分析數(shù)列，見式(3)。

表7 方案比選評(píng)分

X0=

(3)

比較數(shù)列見式(4)。

Xj=

[8 9 8 7 8 7 8 8 9 9 9 9 9]

(4)

2)無量綱化處理結(jié)果，見表8。

表8 無量綱化處理結(jié)果

根據(jù)表8結(jié)果可知，最大值為3，最小值為0。

3)灰色系數(shù)，取λ=0.5，結(jié)果見表9。

表9 資源化利用各方案灰色系數(shù)

4)灰色關(guān)聯(lián)度。圖4為資源化利用方案數(shù)據(jù)分析結(jié)果。由圖4可知，殘?jiān)Y源化利用灰色關(guān)聯(lián)度最高的方案為水泥窯協(xié)同處置，其次是制磚，制備混凝土的灰色關(guān)聯(lián)度最低。

圖4 資源化利用方案數(shù)據(jù)分析結(jié)果

3.2.3 討論

油基巖屑回收油的最優(yōu)方案可選熱解析或離心分離。回收熱解析后的油及離心分離的油配置鉆井液，不僅降低對(duì)環(huán)境的危害，而且實(shí)現(xiàn)資源化的再利用。油基巖屑處置后生成的殘?jiān)灿?種資源化利用方案，比選結(jié)果顯示：最優(yōu)方案是水泥窯協(xié)同處置，次佳方案是制磚，制備陶粒及制備路面材料較前兩種方案仍有不足，制備混凝土相較其他方案處于劣勢。水泥窯協(xié)同處置能夠?qū)堅(jiān)浞址€(wěn)定燃燒，殘?jiān)械闹亟饘匐x子實(shí)現(xiàn)無廢渣排放，二噁英等有害有機(jī)物將被分解或得到有效控制。

4 結(jié) 論

本文厘清目前重慶市企業(yè)油基巖屑處置及資源化利用的主流技術(shù)，從環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)3個(gè)方面，針對(duì)油基巖屑處置和資源化利用建立了一套相對(duì)完整的方案比選體系。

1)方案比選體系：方案比選體系共含兩級(jí)指標(biāo)，3個(gè)一級(jí)指標(biāo)、13個(gè)二級(jí)指標(biāo)。各指標(biāo)的權(quán)重通過層次分析法確定，結(jié)果表明：準(zhǔn)則層中環(huán)境指標(biāo)最為重要，環(huán)境指標(biāo)層中二噁英位列第一；經(jīng)濟(jì)指標(biāo)層中總投資高于總收入；技術(shù)指標(biāo)層中可靠性權(quán)重最高。

2)方案比選體系應(yīng)用：基于涪陵頁巖氣田油基巖屑處置和資源化利用的方案排序推優(yōu)，油基巖屑脫油技術(shù)熱解析與離心分離均為最優(yōu)方案，脫油后的殘?jiān)Y源化利用的最優(yōu)方案為水泥窯協(xié)同處置，其次是制磚。

3)本文研究結(jié)果與重慶市頁巖氣企業(yè)實(shí)際情況對(duì)比一致，表明本文方法的有效性，可為頁巖氣企業(yè)油基巖屑處置和資源化利用方案選取提供依據(jù)。