鉆井巖屑處理技術及研究趨勢

李夢莉，張玉國，羅海梅，何江濤，于 妍

（中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院，北京 100000）

我國的頁巖氣儲量豐富，開發潛力大，可開采資源量為25萬億m3，具有資源潛力大、開采壽命長和生產周期長等特點，商業前景廣闊，發展前景較好。2009年，中國頁巖氣資源勘查項目在重慶市啟動，標志著我國開始了以頁巖氣資源作為新型能源的重要戰略[1]。隨著頁巖氣開發規模逐漸擴大，由其導致的環境問題受到廣泛關注，鉆井泥漿、壓裂產生的液體的回收利用和鉆井巖屑的處理都是急需重視的內容。頁巖氣開采中單井產生的水基鉆井巖屑600～800m3、油基巖屑約為200～300m3，產量較大，較難處理[2]。我國預計到 2030 年實現頁巖氣產量 800～1 000 億 m3。

2015年我國正式實施新環保法，對油基鉆屑這類危險廢棄物的管控和安全處理處置提出了更高的要求，具體實施細則規定：在生產、儲存、運輸和處理的整個過程中，含油污泥均不得落地。我國頁巖氣開發仍處起步階段，處理好頁巖氣資源開發與生態環境保護之間的關系是當務之急，開采作業中的廢棄物處置具有環境風險性，要想處理好污染問題，必須對鉆井廢物進行處理。了解鉆井巖屑處理技術及研究趨勢，探討該領域國內外研究差異和研究熱點，以期為鉆井巖屑今后的研究方向提供參考。

1 鉆井巖屑污染特征

鉆井巖屑主要包括：清水基鉆屑、水基鉆屑、油基鉆屑。清水基鉆屑對環境不具有危害性；水基鉆屑中主要包含鉆井液中的添加劑的成分，包括潤滑劑、氯化鉀、純堿、聚合醇等物質，還包含地層中的石油類和重金屬等物質，含油率在2%～5%[3]。頁巖氣的開采主要集中在南方地區，南方地區多為復雜構造地區，地域條件復雜，造成了頁巖氣資源開采艱難，因此，在鉆井過程中添加的油基鉆井液，油基鉆井液減少了井壁坍塌剝落、頻繁憋泵、卡鉆等問題。油基鉆屑由70%～85%的灰分、15%～27%的有機物和1%～15%的水分組成，有機物來源于調制鉆井液的基礎油和各類有機添加劑，主要成分為烷烴、多環芳烴、苯系物和烯烴，有機物中油類的比例最大[4]，油基巖屑具有廢物和資源的雙重屬性。

2 鉆井巖屑處理處置技術

2.1 資源化利用技術

資源化利用技術是鉆井巖屑經物化處理后加入其他凝膠材料、添加劑制成建材資源的一種處理方式。目前，鉆井巖屑制備的陶粒、免燒磚、燒結磚、混凝土、水泥在浸出液和抗壓強度上能滿足建材行業的相關標準，該技術產生了新的建材資源。在較低的溫度下，加入 0%～6%油基巖屑制備水泥，配制的水泥具有良好的水化性能，抗壓強度也符合相關標準，用少量油基巖屑制備水泥熟料可有效降低油基巖屑的毒性，當油基巖屑添加量小于3%時，浸出液的重金屬離子符合EPA 標準，重金屬離子的浸出濃度遠低于原油基巖屑廢物[5-6]。以不同比例油基巖屑與煤矸石混合煅燒，冷卻后得到的陶粒具有較好的物理性能，密度低，吸水率低，抗壓強度高，鉆屑中大部分重金屬都得到了有效的固化，有機有毒物質被完全燃燒，有害元素的浸出量達到國家標準要求。資源化利用可以實現廢棄物的資源化利用，具有良好的應用前景，但相應的處理成本會增加。

2.2 熱脫附技術

熱脫附技術又稱為熱解析技術，以物理反應為主，是當前發展較為成熟的含油鉆屑處理技術，用熱處理可以有效地降解有機污染物，減少廢物的總體積，并降低金屬和鹽的流動性。熱脫附技術是采用熱處理使有機物從固相中分離出來，分為低溫熱脫附和高溫熱脫附。傳統熱脫附設備有回轉窯、螺旋式熱脫附、滾筒式熱脫附，近年來又誕生流化床式、遠紅外加熱脫附、微波加熱脫附和太陽能加熱[7]。長寧、威遠頁巖氣開發國家示范區采用熱脫附技術，日處理量達到40t，處理后的油含量小于1%（w），油回收率達到95%以上[8]。電磁加熱熱脫附處理白油基巖屑，熱脫附后含油率小于1%。熱脫附處理后殘渣含油率可小于0.3%、油回收率高于75%，已應用于四川、重慶、新疆等地區[9]。熱脫附的周期短，加熱速度快，可回收大部分石油烴，但能耗較高。

2.3 穩定化/固化技術

穩定化/固化技術是將廢物封裝在具有高度完整性固體結構中，將污染物與環境隔開，通過大量減少暴露于淋洗的表面積或將廢物隔離在不透水的封裝物內，限制污染物的遷移。泥和火山灰的組合是當今固化/穩定工業的選擇方法，常用的添加劑是水泥、粉煤灰、石灰、氧化鈣。以10%水泥，30%粉煤灰，2%氧化鈣，2%XC-I，3%XC-II 固化劑對鉆井巖屑進行固化處理，COD、pH、石油類指標達到固體廢物排放標準[10]。以水泥作為固化劑，添加高爐渣固化15d后固體強度可達到10MPa 以上，浸出液滿足地表水環境質量V 級要求[11]。穩定化/固化的研究主要是對固化劑和固化工藝條件優化研究，穩定固化的成本低，操作簡單，但固化法不能根除污染物。

2.4 萃取技術

萃取技術是根據“相似相溶”原理，通過有機溶劑將鉆屑中的油類物質提取出來，通過減壓蒸餾回收萃取劑和有機物。超臨界流體萃取是近年來研究較多的一項新萃取技術，超臨界流體具有在特定溫度和壓力組合下使用特定溶劑提取特定化合物的能力，提取出來的碳氫化合物可以用于煉油廠，可以作為新的鉆井泥漿配方。采用超臨界CO2萃取方式處理含油鉆屑，在恒溫45℃，加入2%的非極性挾帶劑石油醚，萃取2h 后，鉆屑含油量降至0.2%，超臨界CO2萃取后巖屑含油率低，回收后的基礎油相與添加油成分接近，萃取出的基礎油滿足二次配制鉆井液的要求[12]。Ma等采用超臨界二氧化碳萃取，在溫度為35℃、壓力為20MPa、萃取時間為60min 的條件下，萃取效率可達98%，回收的碳氫化合物的性質在提取過程中不會改變。萃取技術除油效率較高，萃取劑可回收，但會造成二次污染，對設備的要求較高。

2.5 生物修復技術

碳氫化合物的生物降解是一種成本效益高的技術，是石油烴的一種有效的修復方法，會引起石油化合物性質和濃度的變化。生物降解被歸類為最重要的工具，以消除毒性和去除不同環境中的碳氫化合物。生物修復技術去除鉆井巖屑中的污染物，分為生物刺激和生物強化兩種方式。高效石油烴降解菌的篩選和降解優化研究較多，堆肥是常見的鉆屑生物處理技術，鉆井巖屑與疏松劑、膨松劑按一定比例混合，再投加外源營養元素提高原油降解率。膨松劑可提高好氧微生物降解石油類污染物的有效性，營養因素是油基巖屑生物堆肥過程中最重要的影響因素，油基巖屑與鋸末混合后加入外源營養物質，在微生物的作用下，堆肥處理90d，石油類降解率達到87%。假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、不動桿菌屬等微生物能夠將碳氫化合物轉化為能源和生物質以及生物廢料副產品，許多微生物都有這種能力來清理和修復被碳氫化合物污染的地方，在許多文獻中均有報道。生物修復技術成本低、可徹底降解污染物，但處理周期較長，受污染物的濃度和污染物類型限制。

3 鉆井巖屑研究趨勢

3.1 數據來源

依據知網CNKI 和Web of science 核心合集的數據庫，開展鉆井巖屑相關研究內容的檢索，檢索時間段 為2000 年1 月1 日—2020 年12 月31 日，檢 索 完 成后文章進行挑選整理，共得到英文文章386篇，中文文章和專利811篇。

3.2 關鍵詞分析

對CNKI 文獻進行關鍵詞共現分析，建立關鍵詞知識圖譜。通過圖1可以看到，關于鉆井巖屑資源化、無害化、減量化研究分為8個聚類，鉆井巖屑聯系較多的關鍵詞包括“熱解析”“熱脫附”“微波”“化學清洗”“萃取”“超臨界CO2”“生物降解”等，可以看出國內的研究中主要集中在這幾種處理技術的研究，對鉆井巖屑的處理主要是通過熱處理化學清洗等兩種處理技術的研究。鉆井巖屑處理設備的研究主要包括振動篩、離心機、固液分離設備。同時“重金屬”“石油烴”“含油率”等關鍵詞的出現，表明鉆井巖屑處理技術研究主要是重金屬去除和油類的去除和回收，油類污染物研究較多的是化學清洗等萃取技術，國內對鉆井巖屑的物化處理研究較多，生物降解的研究相比物化處理研究較少，生物降解是近年的研究熱點。

圖1 CNKI文獻關鍵詞共現

對Web of science 的文獻進行關鍵詞共現分析，建立關鍵詞知識圖譜。從圖2可以看出，當前國際上對鉆井巖屑處理處置研究較多的主要是生物修復的方式，熱脫附技術、萃取技術在物化方法中研究較多。多環芳烴、原油、柴油、總石油烴、碳氫化合物、不同種類重金屬是研究較多的污染物。有機類污染物的去除主要是通過細菌降解、熱解、微波加熱等方式，重金屬的研究主要是針對鉛、鎘等污染物浸出毒性的研究，高效石油烴降解菌降解效果研究、表面活性劑降解菌研究和堆肥處理也較多。國際上關于生物修復研究了細菌降解、真菌降解、植物修復、堆肥等處理方式，說明油基巖屑生物修復方式具有良好的應用前景。

圖2 web of science核心合集關鍵詞共現

4 結束語

巖屑的處理技術主要有資源化利用、熱脫附、萃取和穩定化/固化等物理化學和生物技術。基于CNKI 和Web of science 核心數據庫對2000—2020年鉆井巖屑無害化、減量化、資源化研究文獻進行關鍵詞共現分析。國內對于鉆井巖屑資源化、無害化、減量化的研究主要是物理化學方法，生物修復的研究較少，國際上研究主要是生物修復方式較多，物理化學修復中采用熱處理和化學淋洗研究較多，鉆井巖屑研究的熱點是生物修復，表明了生物修復技術對鉆井巖屑的修復更加適用和經濟，成本效益相對較高。