天然氣開采鉆井固體廢物處理處置及資源化技術的應用現狀與展望

韓桂梅,周長波*,方剛，趙傳銘，黨春閣，李子秀，郭亞靜，林雨琛

1.環境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環境科學研究院 2.國家環境保護生態工業重點實驗室，中國環境科學研究院 3.鄂爾多斯市昊鑫綠科環境工程有限公司

天然氣是一種優質、高效、清潔的低碳能源，素有“綠色能源”之稱，可與核能及可再生能源等其他低排放能源形成良性互補，是能源供應清潔化的最現實選擇[1]。天然氣作為潔凈環保的優質能源應用較為廣泛，根據國家統計局發布的2018年天然氣消耗數據，其37%用于工業化工，30%用于居民燃氣，15%用于發電，對國家民生發揮著重要的支撐作用。按照《能源發展戰略行動計劃(2014—2020年)》[2]，到2020年，累計新增常規天然氣探明地質儲量為5.5×1012m3，年產常規天然氣量為1 850×108m3；到2030年，天然氣在一次能源中的占比由2020年的10%提升到15%，未來我國將進入天然氣開采量快速增長的階段。隨著天然氣開采量的增大，伴隨產生大量的鉆井固體廢物，據統計[3-4]，典型單井共產生鉆屑和廢棄鉆井液量約為1 000 m3，根據鉆井部署估算，全國每年油氣田開采產生的鉆井固體廢物約為1 000×104m3，再加上歷史遺留堆存，鉆井固體廢物量極為龐大。

鉆井固體廢物是天然氣開采鉆井過程中經振動篩分離出的鉆井巖屑和鉆井、完井及清罐階段產生的廢棄鉆井液經固液分離后得到的固體廢物。鉆井過程中使用的添加劑種類(主要包括膨潤土、純堿、燒堿、有機聚磺類泥漿材料、油基潤滑劑、乳化劑等)影響鉆井固體廢物的污染特性，導致其浸出液中石油烴、無機鹽及難降解有機物超標[5]。石油烴、無機鹽會改變土壤的理化性質和微生物群落結構[6]，而難降解有機物不易被生物降解，會在土壤、水體中不斷積累，然后通過食物鏈進入生物體，并逐漸富集[7]，對生態系統造成較大的威脅。目前，鉆井固體廢物以堆存為主，但隨著《“無廢城市”建設試點工作方案》[8]的印發、《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》的修訂及氣田重點區域DB 65/T 3997—2017《油氣田鉆井固體廢物綜合利用污染控制要求》的實施，對鉆井固體廢物的處理處置提出了更高的要求，鉆井固體廢物的處理處置成為研究的熱點。

目前，國內外研究較多且較為典型的鉆井固體廢物處理處置技術包括固化穩定化、生物降解、化學淋洗技術、井下回注等，資源化途徑包括制磚、井場回填、用作土壤改良劑及路基土填料等。筆者對蘇里格氣田(鄂爾多斯市區域)某區塊典型鉆井現場鉆井液體系組成、鉆井固體廢物及濃度[9]進行分析，解析鉆井固體廢物的污染特征，在此基礎上，總結鉆井固體廢物處理處置技術及資源化利用途徑的優缺點、處理效果、應用現狀，并提出鉆井固體廢物處理處置技術的發展方向，以期為鉆井固體廢物的資源化利用技術應用與發展提供支撐。

1 鉆井固體廢物及其污染特征

1.1 鉆井液成分

天然氣開采鉆井過程中為滿足不同功能，需要用多種化學藥劑配制鉆井液，鉆井液添加劑導致鉆井固體廢物中含有多種污染環境的成分。如鄂爾多斯市蘇里格氣田單口井中，直井鉆井液體系共使用15種添加劑，占比最大的為清水(87.40%)，其他14種添加劑占比均較小，多在1%以下；低毒物質重晶石和無毒物質膨潤土占比超過2%，微毒物質磺化瀝青類防塌劑和磺化褐煤占比非常低(均為0.62%)，其余為無毒物質。水平井鉆井液體系共有24種添加劑，占比最大的為清水(73.98%)，其他添加劑占比多在1%以下；無毒物質氯化鈉和低毒物質重晶石占比在5%以上，低毒物質磺化瀝青類防塌劑、磺化褐煤和磺化褐煤樹脂的占比分別為0.86%、0.86%和0.69%(表1)。重晶石可能導致固體廢物中鋇濃度較高，低毒難降解的磺化瀝青類防塌劑、磺化褐煤、磺化褐煤樹脂可能導致難降解有機物及石油烴濃度升高。直井與水平井固體廢物的產生量比例約為4∶6，且水平井鉆井液成分較直井復雜，污染性也高于直井。

表1 蘇里格氣田單口井添加劑使用情況Table 1 Summary of additive usage in horizontal well (single well) of Sulige Gas Field

1.2 鉆井固體廢物中污染物濃度

按照GB 5085.3—2007《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》對蘇里格氣田某井鉆井固體廢物樣品中重金屬、無機物及有機物濃度進行檢測，結果如表2、表3所示。由表2、表3可知，各鉆井固體廢物樣品的pH均在9.0以上，超出GB 8978—1996《污水綜合排放標準》、GB/T 14848—2017《地下水質量標準》中的標準限值，該固體廢物進入土壤后會使土壤板結、理化性狀發生改變。各鉆井固體廢物樣品中石油烴濃度均高于GB 36600—2018《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》中第二類用地(城市建設用地中的工業用地)土壤污染風險篩選值(4 500 mg/kg)，即在特定土地利用方式下，其對人體健康可能存在風險。各鉆井固體廢物樣品中重金屬元素鋇濃度分別為3.48和3.45 mg/L，接近但未超過GB/T 36600—2018中第二類建設用地土壤污染風險篩選值，分析其原因，重晶石為粉末狀，在鉆屑表面的附著力較小，固液分離過程中，大部分鋇隨著水分進入污水處理系統，只有小部分黏附于固相中。各鉆井固體廢物樣品中揮發性有機物及非揮發性有機物濃度均符合GB 5085.3—2007、GB 8978—1996、GB/T 14848—2017中的標準限值，分析其原因，有機物在鉆井液中的添加量極低，均在2%以下，聚丙烯酰胺鉀鹽、乳化劑、抗溫抗鹽降濾失劑在水中的溶解性較好，在壓濾過程隨著水分進入污水處理系統，所以在固相中的濃度非常低。但因不同地域、不同氣田使用的鉆井液不同，從而導致污染物種類和濃度也不相同，如四川、重慶、新疆等部分氣田由于地形復雜使用油基鉆井液，可能會導致重金屬、多環芳烴(PAHs)及石油烴濃度超標。

表2 蘇里格氣田某井鉆井固體廢物石油烴濃度Table 2 Petroleum hydrocarbon concentrations of drilling solid waste in a single well drilled in Sulige Gas Field

表3 蘇里格氣田某井鉆井固體廢物污染物檢測結果Table 3 Detection results of drilling solid waste pollutants from a single well drilled in Sulige Gas Field mg/L

1.3 鉆井固體廢物的組分

分析鉆井固體廢物的組分可為其資源化利用提供重要支撐。運用JY/T 009—1996《轉靶多晶體X射線衍射方法通則》，對蘇里格氣田某區塊鉆井的固體廢物進行多晶材料物相組成的定性、定量分析，結果如表4所示。由表4可知，鉆井固體廢物中共含有27種化合物，物相組成復雜，涉及化合物種類繁多，其主要由SiO2、CaO、Al2O3等氧化物組成，三者占比可達72%，還含有微量的稀有元素(如鈦、鎵、鈷、鉻)，基本無可回收價值。根據物性特征可知，鉆井固體廢物中包含了制備建筑材料必要的化學組成，并且相對穩定，與典型大宗工業固體廢物(如粉煤灰、赤泥、礦渣、煤矸石材料)的主要化學成分極為相似，基本具備生產建筑材料的潛能，適宜作為混凝土制品、磚體、陶瓷和路基土等的建材。

表4 蘇里格氣田某井鉆井固體廢物組分Table 4 Composition list of drilling solid waste from a single well drilled in Sulige Gas Field

2 處理處置技術及應用

2.1 固化穩定化技術

固化穩定化技術是指將污染物囊封入惰性基材或在污染物外面加上低滲透性材料，通過減少污染物暴露的淋濾面積達到限制污染物遷移的目的[10-12]。固化劑的種類是決定固化穩定化效果的關鍵因素。如劉俊等[13]在大牛地氣田采用固化法對鉆井廢棄泥漿進行了無害化處理，結果表明，主凝劑、復合助凝劑、吸附劑、調節劑的最佳比例為4%、1.7%、3.5%和1%，處理后的固化體浸出液中的污染物濃度達到GB 8978—1996中一級標準，固化劑的種類和比例對固化效果影響較大。李維斌等[14]在大牛地氣田廢棄的泥漿中分批次加入適量的脫穩劑、促凝劑、分散劑和吸附劑等無害化處理劑，在藥劑的協同作用下，固體廢物表面黏附的有機污染物被脫離，然后進一步被吸附和固化；處理后的鉆井泥漿經過30 d的自然干化后，用以鋪設井場道路，同時在泥漿池下的土地上種植植被，使固體廢物得到有效的處理處置，但其對生態環境的影響還需要長期跟蹤。張現斌等[15]在大港油田十二井采用改性氯氧鎂水泥作固化劑，經過混拌、壓實、脫模和養護工藝，30 d后固化體的抗壓強度達到40 MPa，且固化體具有較好的環境相容性。

固化穩定化技術與其他技術聯合使用，可以取得更好的協同效果[16]。如Kogbara等[17]研究指出，將固化穩定化技術與植物修復法聯合應用，可以進一步加大固化穩定化技術的可持續性，不僅消納固體廢物，降低土壤酸度，并且可以促使植物生長；楊金榮等[18]在生態環境極其敏感的厄瓜多爾油氣田(亞馬孫雨林地區奧連特盆地)鉆井現場采用固化穩定化-掩埋封存的工藝路線，固體廢物與固化劑作用后形成的晶格結構可有效束縛固體廢物內的有機物，并與重金屬離子形成螯合物和共沉淀等穩定結構，避免有機物和重金屬浸出造成環境污染，固化穩定化后的巖屑均達到厄瓜多爾RAOH的巖屑浸出液標準，處理后水質均達到當地油田公司回注水標準。

固化穩定化技術對鉆井固體廢物中的重金屬削減具有較好的效果[19-20]。如Serrano等[21]研究了用固化技術控制重金屬的修復劑，結果表明，采用含磷修復劑，通過離子交換和高溫型礦物的固化作用可以顯著降低鉛、汞的遷移率；Kumpiene等[22]將鉆井固體廢物與磷石膏黏結劑同時用于石膏混凝土建筑材料中，可以達到固定鉆井固體廢物中重金屬的目的，重金屬削減率達90%以上，所得石膏混凝土具有良好的環境性能；Iryna等[23]在鉆井固體廢物中同時加入吸附劑和水泥，重金屬離子與吸附劑的陰離子結合，形成不溶性化合物，在水泥的凝結作用下，重金屬被固定在固化體中，從而實現固體廢物無害化。

鉆井固體廢物處理技術中，對固化穩定化技術的研究較多，探索較為廣泛，尤其是固化劑種類開發，有較多案例應用于示范工程中。該技術對于處理含有重金屬的鉆井固體廢物效果較好，但其對鉆井固體廢物中種類較多的難降解有機物僅起到包裹作用，且對生態環境的影響缺乏長時間的跟蹤監測，后續的資源化利用中可能面臨二次浸出的風險，因此該方法的效果還需要進一步探索和驗證。

2.2 生物降解技術

生物降解技術具有可操作性強，節省能源，不破壞土壤理化性質，不引起二次污染的特點，因此受到較多學者的關注。我國對生物降解技術的研究起步較晚，2008年3月，陜西省科學院酶工程研究所開始改建年產3 000 t鉆井廢棄液無害化處理專用復合微生物菌劑生產線，并指出生物降解技術的關鍵是在泥漿配制過程中避免添加高毒性和生物不能降解的成分，從源頭上創造生物降解需要的最佳條件[24]。陳立榮等[25]采用生物降解技術處理中國石油川慶鉆探工程公司的15口井產生的近1萬m3水基固體廢物，結果表明，鉆井固體廢物中的有機污染物被有效降解，處理后固體廢物浸出液的主要指標化學需氧量(COD)、石油類濃度可達GB 8978—1996一級標準。Chen等[26-28]在鉆井污泥中根據干濕程度添加0.3%～0.5%的生物修復劑，再添加1.5～2.0倍的無污染土壤進行混合，然后覆蓋5～15 cm厚的土壤并種植植物，以達到處理固體廢物的目的，該技術在丹前001-8井、蓮花000-X8井進行了示范，3個月后鉆井固體廢物浸出液中的COD削減率和石油降解率均超過90%，達到GB 8978—1996一級標準。研究表明，除長鏈烷烴、多環芳烴等難降解物質外，鉆井巖屑中的大部分污染物能夠被石油降解菌降解，在石油降解菌(C-1、C-2)投加量為10%、鹽濃度為0.5%、pH為7、溫度為35 ℃、氮磷物質的量比為12∶1、降解時間為18 d時，石油類物質的降解率最高達48.94%[29]。

已有較多學者對生物降解技術進行探索和研究，但是因為不同地域鉆井泥漿的成分差異巨大，細菌始終無法具備普遍適用性，加之該技術修復周期長，條件控制較為苛刻，尤其是對濕度和溫度要求較嚴格，菌群適應難度大，成本較高，所以難以廣泛推廣應用。

2.3 化學淋洗技術

化學淋洗技術是通過淋洗將污染物轉移到液體流中去除污染物的方式，是一個動態的物理處理過程。該技術在發達國家已有30多年的成熟使用經驗，可用于多種污染土壤[30-32]的處理，尤其可有效去除石油污染土壤中的有機物，對鉆井固體廢物中的石油烴及難降解有機物的處理具有較好的借鑒。如許德剛等[33-34]研究指出，將吸附了污染物、含有黏土和粉砂等較小顆粒的土壤與清洗液(通常是水和溶劑等)充分混合，將土壤中的污染物轉移到液相，處理后的土壤回填，該方法對去除土壤中的(半)揮發性有機物(VOCs)、原油、多氯聯苯(PCBs)、PAHs均適用，效果較好，但由于黏土與污染物之間的吸附作用較強，該技術一般適用于修復黏土含量在30%以下的土壤。Santos等[35]使用熱水及添加乙氧基酯的表面活性劑沖洗鉆井廢物，經過離心機處理后，含油固體廢物可以達到低毒狀態。

土壤清洗方式和設備類別是去除污染物效果的關鍵影響因素。Feng等[36]在實驗室對射流反應器、磨損和超聲清洗3種機械清洗方法效果進行了評價，結果表明，對于粒徑為0.1 mm左右、初始柴油濃度為5%的砂粒聯合使用3種洗滌技術，可使柴油濃度降至1 000 mg/L以下；美國新澤西州Winslow鎮在污染土壤修復工程中建立了1整套土壤清洗系統用于處理重金屬污染鉆井固體廢物，處理前場地內鎳、鉻和銅的濃度均超過10 000 mg/kg，經異位土壤淋洗處理后的清潔土壤中，鎳、鉻、銅的平均濃度分別為25、73和110 mg/kg[37]。

針對土壤中的多種污染物，淋洗技術與固化穩定化技術聯合使用可起到協同的效果。如徐磊[38]對某化工廠有機物污染的土壤采用乙醇淋洗工藝，對重金屬污染土壤采用固化穩定化工藝，結果表明，經過2種方法的聯合處理，土壤中有機物去除率最高達到97.54%，重金屬Cd的去除率為98.86%，效果較好。

化學淋洗技術環境敏感性較低，具有較好的環境友好性，但單一化學淋洗技術對于大量鉆井固體廢物的處理還存在較多的問題，如該方法需要的占地面積較大，洗滌后的污水還需要進一步處理，洗滌后的固相也需要晾曬或烘干，設備及后續工藝配套投入較高等。后續可加大對洗滌藥劑類型、降低廢水量和成本等方面的研究和實踐，也可考慮與固化穩定化技術聯合使用，以加強對難降解有機物和重金屬的去除效果。

2.4 其他處理技術

井下回注技術是將廢棄鉆井液和鉆屑經過地面過濾系統處理后，再通過特定的設備注入凍土層，將其永久地冷凍在凍土層中，廢物不會發生遷移造成環境的二次污染，該技術適用于氣候較為寒冷的地域。如在美國阿拉斯加州的北斜坡地區(白令海沿岸和島嶼北極海洋性氣候，冬季氣溫為-23～-7 ℃)，研究人員通過廢物處理設備已成功將190×104m3鉆井廢物注入到深度為609.6 m的地下冷凍層，并跟蹤了潛在的污染情況，發現效果非常理想。井下回注技術在美國已得到了廣泛應用，據統計，在鉆井廢物處理技術中，井下回注技術占比為38%[39]。加拿大某石油公司也研究并實踐了鉆井廢物井下回注方法，以廢棄的油井或專用井作為注入井，選擇壓裂梯度較低、封閉性較好、不會引起產層或地下水層污染的地層作為注入層，并跟蹤了污染情況，發現效果較好[40]。但井下回注技術對地層及深度有嚴格的要求，用于回注的地層孔隙度要大，回注容量也較大，且深度必須大于600 m，以免廢物污染地下水源，該方法主要受到地層注入能力和回注過程中的地層堵塞等不確定因素的影響，還涉及回注期間地層壓裂增注和酸化解堵作業等。

具有毒性小、生物降解性好的“雙保”鉆井液體系，既可保護環境又可保護油層[41]，配套強化固相控制技術，可從源頭削減污染物的產生，最大限度地減少含有毒有害污染物鉆井廢物的產生量，屬于源頭減量化技術中的一種。檀大冰[42]提出在塔里木油田中優選無毒環保型的鉆井液體系，以減少對環境造成的污染：表層鉆井時，盡可能不使用化學藥劑，防止對地表水造成污染；鉆井施工結束后，將固體廢物分類處理，對泥漿、重晶石粉等進行回收利用。源頭減量化技術既可以通過循環使用鉆井液減少有害固體廢物的產生量，同時使用綠色環保型鉆井液也會降低后續的固體廢物處理難度。目前環境友好型鉆井液基本全部需要進口，成本過高，在國內難以推廣應用，因此建議加大鉆井液材料的研發力度，降低環保型鉆井液的成本并盡早國產化，旨在從源頭上降低鉆井固體廢物的毒性及產生量。

3 資源化利用技術及應用

目前處理后的鉆井固體廢物仍以堆存為主，利用率較低，鉆井固體廢物資源化利用尚處于示范階段，利用途徑主要包括制備建筑材料(制成砌磚、免燒磚、鋪路基土、生產水泥)[43-46]，作為土壤改良劑及種植植物。

國內有學者將處理后的鉆井固體廢物作為建筑材料使用，并開展了較多的示范工程，國外也有學者[47-49]對鉆井固體廢物添加比例、替代建筑材料的可行性進行了研究。如中石油西南油氣公司已經開展了廢物處理回用及資源化利用試點工程，用成型設備對鉆屑和廢泥漿分別進行固態化處理，制成砌(磚)等建材產品，部分用于鋪路基土，可滿足當地的井場及公路基土匱乏的需求[50]；勝利樂安油田將污泥、河沙、水泥和固化劑按照一定的比例制造花磚基體，同時在4種物料基礎上添加粉煤灰，制備免燒磚[51]。冀忠倫[52]認為，鉆井固體廢物可以作為沙質土壤的改良劑，用以種植植物；Zhang等[53]以蘇里格氣田所在的毛烏素沙漠為研究對象，將廢棄鉆井液作為改良劑用于土壤，結果表明，鉆井固體廢物可以提高土壤保水、保肥和增肥能力；邸鯤等[54]在經處理的鉆井固體廢物上分2年種植植物，結果表明，在土壤中添加不同比例的鉆井廢物對植物的成活率、株高和冠幅影響不大，多種植物在鉆井廢物上均有一定的成活率。

近年來，鉆井固體廢物的資源化途徑呈現多元化，其綜合利用具有較好的發展前景。但由于天然氣開采鉆井一般處于地廣人稀的地域，對砌磚、免燒磚、水泥等資源化產品需求量較小，運輸成本也較高，其推廣應用受到阻礙。此外，鉆井固體廢物作為改良劑及種植植物使用時，還需進一步跟蹤評價其對生態環境的影響；對于鉆井固體廢物用于路基填料，由于成本低，在天然開采的地域，地處偏遠，公路比較匱乏，對路基填料需求量較大，因此具有較好的應用前景。

4 展望

由于不同區域氣田的井型不同，使用的鉆井液不同，建議從源頭上開展分類收集處理技術，以及綠色環保鉆井液的替代研發。在過程中，可針對鉆井固體廢物的污染特征進一步開展2種或多種處理技術的聯合研究，形成系統技術，發揮協同作用，以有效降低鉆井固體廢物中的石油烴、難降解有機物及重金屬的濃度。鉆井固體廢物作為路基材料使用，具有消耗量大、成本低等優點，因此在末端上，可加大對鉆井固體廢物作為路基材料資源化技術的研究力度，有效消納鉆井固體廢物的貯存量。