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.重慶大學資源與安全學院，重慶 400044；2.頁巖氣勘探開發國家地方聯合工程研究中心，重慶 401120；3.重慶地質礦產研究院，重慶 401120)

0 引 言

隨著我國工業化進程和經濟社會發展及“雙碳”目標的提出，各行業對油氣資源的需求量不斷增加，常規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，是當前石油天然氣行業關注的熱點[1]。重慶市是我國頁巖氣儲量最為豐富的地區，涪陵頁巖氣田也是我國首個實現商業開發的大型頁巖氣田，圖1為2015—2020年全國與重慶市頁巖氣產量對比圖。由圖1可知，2020年我國頁巖氣產量較2019年增長近40%。

圖1 2015—2020年全國與重慶市頁巖氣產量對比

隨著頁巖氣開采技術的不斷發展，學者們針對開采過程中引起的環境問題進行了大量的研究。1995年，NEUSTADT[2]首次對頁巖氣鉆井巖屑進行毒性測試，探討其對環境的影響。21世紀初，有學者研究頁巖氣開采過程中如壓裂液等對環境的影響以及頁巖氣的環境管理[3]。隨著科技的進步以及全球對生態環境的重視，研究熱點逐漸傾向頁巖氣開采過程中產生的固廢理化特性、處置及資源化利用技術[4-5]。2016年，朱冬昌等[6]第一次針對長寧威遠頁巖氣田油基巖屑處置技術進行分析。中國、美國、英國等多國學者對鉆井巖屑綜合利用進行研究，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]。大量學者從技術、環境、經濟中的某一方面來驗證鉆井巖屑資源化利用的可行性和技術選擇[12-15]，但綜合考慮技術可行、環境安全、經濟績優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雜、難處理，包含多種有害物質，對環境的危害大，2019年，SWIEDLER[16]提出頁巖氣開發產生的固體廢物是否應該被規定為危險廢物的問題，根據《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》的規定，我國將油基巖屑定為HW08類危險廢物。2010年，陳明燕等[17]提出國內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，并引入綜合考慮環境、經濟、技術的思想，因此，如何使油基巖屑處置達到排放標準，又能夠回收利用，成為學者們研究的熱點。

本文立足于重慶市頁巖氣開采區，梳理總結現有油基巖屑處置及資源化利用主流技術，從環境安全、技術可行、經濟績優3個方面，構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權重，運用灰色關聯分析法對重慶市頁巖氣田現有的油基巖屑資源化利用方案進行比選，診斷最優方案，研究成果可為相關企業提供科學支持。

1 油基巖屑處置和資源化利用技術分析

本文通過文獻分析、專家訪談和企業調研等方式，收集和梳理重慶市頁巖氣企業目前采用的油基巖屑處置和資源化利用技術。重慶市企業采用的油基巖屑處置技術共有7種，目前主流技術為熱解析和離心分離。表1為油基巖屑處置技術的對比。

表1 油基巖屑處置技術

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

表2 油基巖屑資源化利用技術

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

基于系統性、獨立性、可操作性、指導性的原則，結合文獻及專家意見，從環境安全、經濟績優、技術可行3方面建立方案比選體系，如圖2所示。

圖2 方案比選體系

目標層S為最優方案，準則層A共有3個，分別為環境、經濟和技術，指標層B下分13個二級指標。

1)環境。環境指污染物排放對環境的影響，從水、氣、土、聲、生5個方面細分7個指標：常規大氣污染物、二噁英、碳排放、重金屬排放、廢水、噪聲、人群健康。

2)經濟。共含2個指標：總投資、總收入。

3)技術。可靠性指系統在一定時間內、一定條件下無故障地執行指定功能的能力或可能性。成熟度指科技成果的技術水平、工藝流程、配套資源、技術生命周期等方面所具有的產業化實用程度。有效性是反映資源配置效率和技術利用程度的指標。適用性指在考慮地理位置、周邊環境、風土人文等因素的基礎上，因地制宜選擇適用的技術，且該技術的應用能否顯著地節約能源或充分利用再生資源。

2.2 方案比選體系指標權重確定

2.2.1 層次分析法

層次分析法是系統工程中對非定量事件進行定量分析的方法，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：構造層次分析模型、構建判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗、層次總排序。其中，一致性檢驗公式見式(1)。

(1)

式中：λmax為最大特征值；n為判斷矩陣階數；RI為平均隨機一致性比率，其值見表3。

表3 一致性檢驗RI值

2.2.2 體系指標權重

本文指標權重的確定采用專家打分法，共15份有效專家調查問卷，專家包含企事業單位負責人、高校教師、專業技術人員，根據專家調查問卷得各指標權重。依據方案比選，以某位專家為例，對準則層A的各指標：環境、經濟、技術構建判斷矩陣見式(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，準則層權重見表4。由表4得權重向量：WA=(0.418 9,0.222 3,0.358 8)T。

表4 準則層權重

同理可得方案比選體系各指標的權重，最終各指標權重結果見表5。準則層A中環境指標權重最高為0.418 9，方案選取中優先考慮環境不僅是可持續發展理念的體現，同樣有利于企業的長遠運營。環境準則層A1的子系統指標中，二噁英權重0.197 3位列第一，其次是人群健康及常規大氣污染物。二噁英作為一種毒性嚴重的物質，對環境影響高于其他指標，因此其權重位列第一，殘渣的資源化利用產品均用于生產生活中，因此人群健康的權重位列第二。經濟準則層的子系統A2各指標中，總投資權重0.605 6高于總收入。技術準則層的子系統A3指標中，權重最高的是可靠性，其權重為0.322 5，其次是權重為0.268 2的有效性。

表5 方案比選體系各指標權重表

3 油基巖屑處置和資源化利用方案比選體系應用

3.1 研究區概況

重慶市是我國頁巖氣儲量的集中地區，其中，涪陵頁巖氣田較為突出。涪陵頁巖氣田是我國首個大型頁巖氣田，同時也是全球最大的頁巖氣田之一。針對于涪陵頁巖氣田，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，殘渣有5種資源化利用方案。方案一：水泥窯協同處置；方案二：制磚(免燒磚、燒結磚)；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?；跇嫿ǖ姆桨副冗x體系對涪陵頁巖氣田油基巖屑處置和資源化利用方案排序推優。

圖3 油基巖屑處置和資源化利用方案

3.2 數據分析

3.2.1 油基巖屑脫油處置數據

本文采用專家打分法和灰色關聯分析法，請專家根據實際情況打分，整理收集打分結果，確定最終得分，分析結果并給出最優方案，確定油基巖屑脫油處置方案比選的分析數列，得到處置方案評分表，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聯度相同。

表6 處置方案評分

3.2.2 殘渣資源化利用數據分析

1)確定油基巖屑方案比選的分析數列。

根據表7得到油基巖屑資源化利用方案比選的分析數列，見式(3)。

表7 方案比選評分

X0=

(3)

比較數列見式(4)。

Xj=

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

(4)

2)無量綱化處理結果，見表8。

表8 無量綱化處理結果

根據表8結果可知，最大值為3，最小值為0。

3)灰色系數，取λ=0.5，結果見表9。

表9 資源化利用各方案灰色系數

4)灰色關聯度。圖4為資源化利用方案數據分析結果。由圖4可知，殘渣資源化利用灰色關聯度最高的方案為水泥窯協同處置，其次是制磚，制備混凝土的灰色關聯度最低。

圖4 資源化利用方案數據分析結果

3.2.3 討論

油基巖屑回收油的最優方案可選熱解析或離心分離?；厥諢峤馕龊蟮挠图半x心分離的油配置鉆井液，不僅降低對環境的危害，而且實現資源化的再利用。油基巖屑處置后生成的殘渣，共有5種資源化利用方案，比選結果顯示：最優方案是水泥窯協同處置，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。水泥窯協同處置能夠將殘渣充分穩定燃燒，殘渣中的重金屬離子實現無廢渣排放，二噁英等有害有機物將被分解或得到有效控制。

4 結 論

本文厘清目前重慶市企業油基巖屑處置及資源化利用的主流技術，從環境、經濟、技術3個方面，針對油基巖屑處置和資源化利用建立了一套相對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指標，3個一級指標、13個二級指標。各指標的權重通過層次分析法確定，結果表明：準則層中環境指標最為重要，環境指標層中二噁英位列第一；經濟指標層中總投資高于總收入；技術指標層中可靠性權重最高。

2)方案比選體系應用：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，油基巖屑脫油技術熱解析與離心分離均為最優方案，脫油后的殘渣資源化利用的最優方案為水泥窯協同處置，其次是制磚。

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