涪陵頁巖氣田平橋南區(qū)塊鉆井巖屑綜合利用技術

夏海幫， 包 凱， 王玉海， 周成香， 楊玉坤

（中國石化華東油氣分公司南川頁巖氣項目部，江蘇南京 210019）

涪陵頁巖氣田平橋南區(qū)塊是涪陵頁巖氣田二期產能建設的重要組成部分，“十三五”期間計劃新建產能20.6×108m3[1-2]。該區(qū)塊位于武陵山系的崇山峻嶺之間，山體植被豐富，屬于喀斯特地貌，地表溝壑縱橫，地面建設條件差；區(qū)域內水文地質條件復雜，淺層溶巖發(fā)育；開發(fā)區(qū)域人口密集，生態(tài)環(huán)境約束明顯。頁巖氣勘探開發(fā)過程中會產生大量的清水巖屑、水基巖屑和油基巖屑等固體廢物，特別是油基巖屑因含有柴油、有機物和重金屬等有害物質，對環(huán)境危害較大。盡管國內外公司和學者對鉆井巖屑的合理處置做了大量工作，但目前主要處理方式依然是預處理后對其固化填埋，存在經濟成本高、長期占用土地和影響環(huán)境等問題。因此，鉆井巖屑的安全有效處理成為頁巖氣田開發(fā)中亟待解決的問題。為此，筆者針對目前鉆井巖屑處理方式存在的問題，結合涪陵頁巖氣田平橋南區(qū)塊的實際情況，進行了技術研究，提出了水基巖屑隨鉆固化制磚和水泥窯協(xié)同處置油基巖屑等關鍵技術，形成了成本低、效果好、可推廣應用的頁巖氣田鉆井巖屑綜合利用技術。

1 鉆井巖屑的危害及常規(guī)處理技術

1.1 鉆井巖屑的危害

平橋南區(qū)塊已開鉆頁巖氣水平開發(fā)井近30 口，水平段長1 400.00～2 000.00 m。其中，直井段采用清水和水基鉆井液鉆進，水平段采用油基鉆井液鉆進，分別產生清水巖屑、水基巖屑和油基巖屑。統(tǒng)計分析該區(qū)塊已完鉆的28 口井的相關情況發(fā)現：單井產生清水巖屑約202 m3，主要為淺層巖屑，對環(huán)境基本無危害，現場可通過墊溝、鋪路等方式就地全部利用；單井產生水基巖屑約655 m3，含水率約20%，主要成分為膨潤土、潤滑劑、KCl、純堿和聚合醇等物質，檢測分析該類巖屑發(fā)現，其中含有氨氮、氯化物和以鋁、硅為主的礦物成分，較難處理；單井產生油基巖屑約306 m3，含油率約80%，主要成分為柴油、有機物和重金屬等有害物質，處理困難[1-2]。

鉆井巖屑的危害主要體現在以下方面：1）鉆井巖屑難以自然降解，若隨意傾倒，不僅會造成周邊土壤破壞、土地鹽堿化程度加深，還會造成植被大量破壞；2）存放會占用大片土地，浪費大量的土地資源；3）長期存放會通過滲漏污染地下水，或隨雨水流入河流湖泊造成水污染。

1.2 常用巖屑處理技術的不足

目前，處理水基巖屑最常用的是壓濾工藝[3]。該工藝適應性強，但設備多、占地面積大，壓濾處理后產生廢水和水基巖屑干渣，廢水統(tǒng)一收集后處理成達到排放標準的污水。常用的油基巖屑處理技術有篩選流化—調質—離心工藝、生物處理技術、溶劑萃取法和熱解析法。其中，現場應用最廣泛的是熱解析法[4]。該方法具有油基巖屑完全無機化、烴類可回收利用、處理速度快、對巖屑處理徹底和二次污染較少等優(yōu)點；但該方法能耗高，熱解析處理后將產生燃燒廢氣、廢水和熱解廢渣，其中燃燒廢氣可導入燃燒室內作為輔助燃料，廢水作為冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水繼續(xù)使用。

目前，對于鉆井巖屑處理后產生的水基巖屑干渣和油基巖屑熱解廢渣，主要參考《四川油氣田鉆井廢棄物無害化處理技術規(guī)范》（Q/SY XN0276—2007）和北美地區(qū)頁巖氣井鉆井固體廢物處理方法，按照Ⅱ類固體廢物進行固化填埋處置。固化填埋池的設計和防滲，均參照《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標準》（GB 18599—2001），池體采用鋼筋混凝土結構，用1∶2 水泥防滲砂漿對池內壁抹面，抹面厚度為20.0 mm，并采取防滲措施，滲漏系數小于1.0×10-7cm/s。在池內添加水泥、粉煤灰等藥劑，并和鉆井巖屑充分攪拌均勻、固化，使水泥與鉆井巖屑中的水分發(fā)生水化反應生成凝膠，將有害污染微粒包裹，并逐步硬化形成水泥固化體。候凝固化5～10 d 后，在其表面澆筑一層20 cm 厚的混凝土隔斷層；最后在混凝土隔斷層表面覆蓋40 cm 厚的土層再進行綠化[5]。實際應用中發(fā)現，雖然處理后采取固化填埋方式可短時間內將預處理后的鉆井巖屑封存，但仍存在以下問題：

1）產生附屬廢物。水基巖屑壓濾處理后產生的廢水還需要收集處理；油基巖屑熱解析處理后的熱解廢渣依據《危險廢物鑒別標準通則》（GB 50857—2007）仍屬危險廢物，仍需要進行無害化處理。

2）存在潛在環(huán)境風險。由于鉆井巖屑中含有多種有機高分子聚合物、重金屬離子等污染物，處理后的殘渣難免有殘留，且固化填埋池體存在滲漏風險，如果發(fā)生了污染物滲漏，會對周圍環(huán)境造成危害[6]。

3）占用土地。目前每個頁巖氣井平臺基本都需要建設2 000～3 000 m3的固化填埋池，數量眾多，占地面積大。重慶山區(qū)土地資源緊張，使得這一問題尤為突出。

4）處理成本高。固化填埋池采用鋼筋混凝土構筑，填埋鉆井巖屑要經過轉運、攪拌、固化、封蓋、覆土和綠化，耗費大量的人力和物力，成本高，平均固化成本達900 元/t。

綜上所述，亟需對頁巖氣井鉆井巖屑進行安全環(huán)保化處理和資源化高效利用。因此，研究鉆井巖屑資源綜合利用技術，具有現實意義。

2 鉆井巖屑綜合利用技術

為滿足頁巖氣綠色開發(fā)及資源綜合利用需求，針對常用巖屑處理技術的不足，進行了涪陵頁巖氣田平橋南區(qū)塊鉆井巖屑綜合利用技術研究，形成了符合《中國資源綜合利用技術政策大綱》要求的、低成本環(huán)境友好型的水基巖屑隨鉆固化制磚和水泥窯協(xié)同處置油基巖屑技術[7-8]。

2.1 水基巖屑隨鉆固化制磚技術

2.1.1 關鍵技術

根據廢棄水基鉆井液固化原理和試驗評價結果，對水基巖屑采取復合固化方式進行無害化處理，將廢棄水基鉆井液中的有害成分固定在惰性復合固化體產物中。為此，優(yōu)選了主固化劑、促凝劑和吸附劑：主固化劑為水泥，加量為185 kg/m3，作用為水化膠凝后與廢棄物形成固化體，嵌閉水基巖屑中的有害成分；促凝劑為石灰，加量為85 kg/m3，可促使主固化劑快速形成晶型結構，縮短固化周期；吸附劑為粉煤灰，加量為605 kg/m3，能夠吸附、嵌閉有害成分，增加固相含量，增大固化物的強度。

2.1.2 施工工藝

現場應用時，在1 個約40 m3的敞口罐中進行復合固化；按一定比例加入藥劑，使用機械設備在罐內進行攪拌、加料和固化，固化劑要少量多次緩慢加入，禁止一次性加入大量的固化劑，攪拌時要注意均勻程度，每加入一次固化劑，攪拌混合時間應超過20 min。固化處理結束后候凝2～3 h，巖屑不出現滴撒、散落后，使用裝載機將接收罐中的巖屑存放在巖屑臨時堆放場所，分批次運至磚廠制磚。

將現場制好的復合固化體運至磚廠后，以不少于15%的加量添加至制磚原材料中，由傳送帶輸送至制模機制模，然后進行制坯，再經傳送帶和軌道車轉送至磚窯進行燒制，最后將成品磚出窯。具體工藝流程如圖1 所示。

2.2 水泥窯協(xié)同處置油基巖屑技術

2.2.1 關鍵技術

首先在實驗室分析檢測油基巖屑的熱值、pH值、水分、灰分、元素和黏度等指標，然后根據分析檢測結果，將油基巖屑與合適的半固態(tài)物料按一定比例進行混合調質，制得半固體均質預處理產品。預處理工藝如圖2 所示。

圖 1 水基巖屑隨鉆固化制磚工藝流程Fig.1 Process flow of curing brick making of water-based cuttings while drilling

圖 2 水泥窯協(xié)同處置油基巖屑預處理工藝流程Fig.2 Process flow of co-processing of oil-based cuttings by cement kiln

水泥窯協(xié)同處置油基巖屑預處理的關鍵技術是混合調質，與熱解析法需要將固相與液相分離不同，油基巖屑輸送進入攪拌池后即可與半固態(tài)廢物（如污泥、廢油、乳化液等）進行篩分去除大顆粒物質，然后進行混合調質，調節(jié)廢物pH 值（7～9）、黏度（（1.0～8.0）×107mPa·s）、化學成分（保證調質過程中不發(fā)生劇烈化學反應）、含水率（75%～90%）和干基熱值（4 185～18 836 kJ）等指標。經過調質后的廢物進入篩分工序再次除雜，成為半固態(tài)均質預處理產品，達到入窯質量標準后即可進入水泥窯進行安全處理。入窯質量標準依照協(xié)同處置的水泥廠限值和《水泥生料成分分析標準樣品》（GSB 08-1353—2017）的要求而定，具體為：1）重金屬元素質量指標，鉈的含量≤10 mg/kg，鎘的含量≤40 mg/kg，汞的含量≤1.5 mg/kg，銅的含量≤3 000 mg/kg，鉻的含量≤1 000 mg/kg，砷+鎳+鈷+錳+鋅+鉛+銻+釩+鈹的含量≤10 000 mg/kg；2）堿金屬元素質量指標，鈉+鉀的含量≤5 000 mg/kg；3）非金屬元素質量指標，硫的含量≤5 000 mg/kg，氯的含量≤2 000 mg/kg，氟的含量≤200 mg/kg；4）pH 值7～9，固體顆粒粒徑≤

80.0 mm。

2.2.2 施工工藝

預處理好的半固態(tài)均質產品由專用密閉式灌裝車運輸進廠，然后用螺旋卸料機送至液壓污泥泵，在污泥泵的作用下，通過管道被送至新型干法熟料生產線窯尾，從窯尾煙室處投入回轉窯與水泥生料一同進行煅燒，完成協(xié)同處置。

3 現場試驗

涪陵頁巖氣田平橋南區(qū)塊鉆井巖屑綜合利用技術在JY205-1HF 井、JY199-4HF 井和JY199-5HF 井進行了現場試驗，解決了常規(guī)巖屑處理技術對巖屑處理不夠徹底或不能處理的問題，取得了良好的綜合效果。

3.1 水基巖屑處理試驗

涪陵頁巖氣田平橋南區(qū)塊的JY205-1HF 井二開井段產生水基巖屑233 m3，應用水基巖屑隨鉆固化制磚技術制成了磚，并對制成的磚進行了性能檢測：1）物理性能、放射性檢測，內照射指數Ira為0.3，外照射指數Ir為0.6，均符合《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566—2010）A 類裝飾裝修材料限量要求；2）浸出液檢測，各項指標均符合《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）中的一級標準；3）抗壓強度檢測，符合《燒結普通磚》（GB/T 5101—2003）的技術指標。檢測結果與標準要求的技術指標的對比情況見表1。

表 1 檢測結果與標準值對比Table 1 Comparison between the test results and standard values

3.2 油基巖屑處理試驗

涪陵頁巖氣田平橋南區(qū)塊的JY199-4HF 井和JY199-5HF 井三開井段采用油基鉆井液鉆進，鉆進過程中產生464 m3油基巖屑，應用水泥窯協(xié)同處置油基巖屑技術進行了處理。處理后，對出窯熟料成分進行了抽樣檢測，檢測結果見表2。

表 2 處理后出窯熟料成分抽樣檢測結果Table 2 Sampling test results of kiln clinker components after treatment

對比《硅酸鹽水泥熟料》（GB/T21372—2008）給出的基本化學性能指標，表2 中的各項檢測結果均滿足要求。

3.3 經濟性分析

水基巖屑和油基巖屑處理技術的經濟性分析結果表明：與壓濾工藝相比，采用隨鉆固化制磚工藝處理水基巖屑，成本由900 元/t 降至600 元/t；與熱解析法相比，采用水泥窯協(xié)同處置油基巖屑技術處理油基巖屑，成本由2 400 元/t 降至2 200 元/t。與常規(guī)處理方法相比，采用水基巖屑隨鉆固化制磚技術處理水基巖屑和采用水泥窯協(xié)同處置油基巖屑技術處理油基巖屑，不但成本都有一定程度的降低，還消除了潛在的環(huán)境危害風險，實現了資源的綜合利用。同時，涪陵頁巖氣田平橋南區(qū)塊鉆井巖屑綜合利用技術也符合《中國資源綜合利用技術政策大綱》的要求，可提高資源利用率和利用效率，增強社會可持續(xù)發(fā)展能力。

4 結 論

1）水基巖屑隨鉆固化制磚技術將制磚過程與鉆井作業(yè)過程同步，解決了壓濾工藝需同步處理污水的問題，并縮短了鉆井固體廢物存放在鉆井液池內的時間，使鉆井固體廢物達到日產日清的目的，有利于時間和空間的最優(yōu)化。

2）水泥窯協(xié)同處置油基巖屑技術首先對油基巖屑進行預處理，得到半固態(tài)均質產品，然后在水泥窯進行安全處理，可以徹底、無污染地合規(guī)處理油基巖屑。因此，該技術是一種十分有效、應用前景良好的技術。

3）水基巖屑隨鉆固化制磚技術和水泥窯協(xié)同處置油基巖屑技術組成的涪陵頁巖氣田平橋南區(qū)塊鉆井巖屑綜合利用技術，可降低鉆井巖屑的處理成本，消除潛在的環(huán)境危害風險，變廢為寶，并提高資源的利用率和利用效率，具有良好的環(huán)境效益、經濟效益和社會效益，應用前景良好。