涪陵頁巖氣田鉆井巖屑資源化利用實踐＊

梅緒東 王朝強 徐烽淋 王 丹 張 春 張思蘭 熊德明 劉 璞

(1.重慶市涪陵頁巖氣環(huán)保研發(fā)與技術(shù)服務(wù)中心；2.重慶市頁巖氣開發(fā)環(huán)境保護工程技術(shù)研究中心)

0 引 言

近年來，我國頁巖氣勘探開發(fā)行業(yè)發(fā)展迅猛，建成了涪陵、長寧-威遠和昭通等國家級頁巖氣示范區(qū)，實現(xiàn)了儲量和產(chǎn)量的突飛猛進，頁巖氣已成為我國天然氣產(chǎn)量的重要組成部分。隨著頁巖氣開采行業(yè)的快速發(fā)展，也產(chǎn)生了諸多環(huán)境問題，如對地下水和地表水、大氣、噪聲、土壤的環(huán)境影響及鉆井固廢和廢水的處理處置問題[1-2]。其中，鉆井巖屑的處理處置問題是頁巖氣開采行業(yè)環(huán)境保護的重點和難點。國內(nèi)外研究學(xué)者對油氣田鉆井巖屑的處理處置開展了大量的研究，各油氣田企業(yè)因地制宜地開展了探索，逐步從傳統(tǒng)的固化填埋處置向資源化綜合利用方向發(fā)展[3]。

涪陵頁巖氣田位于四川盆地，近表地質(zhì)條件復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境敏感、區(qū)域人口密集、土地資源緊張，生態(tài)環(huán)境約束明顯。與常規(guī)天然氣相比，頁巖氣鉆井?dāng)?shù)量多，產(chǎn)生大量的鉆井巖屑，包括水基巖屑、油基巖屑，若處理處置不當(dāng)，將對當(dāng)?shù)丨h(huán)境產(chǎn)生不良影響。本文系統(tǒng)總結(jié)分析了涪陵頁巖氣田開發(fā)建設(shè)至今鉆井固廢的處置方式，針對開發(fā)初期固化填埋處置存在的問題，開展資源化利用的探索和實踐，分析在資源化利用實踐過程中取得的成效和經(jīng)驗，以期為其他區(qū)塊鉆井巖屑的資源化利用提供有益借鑒。

1 頁巖氣鉆井巖屑概況及開發(fā)初期處置方式

1.1 頁巖氣鉆井巖屑分類及特點

相比于常規(guī)天然氣開發(fā)，頁巖氣單井產(chǎn)量低、產(chǎn)量遞減快，需不斷打井來補充產(chǎn)量，從而產(chǎn)生大量的鉆井巖屑。據(jù)統(tǒng)計，涪陵頁巖氣田累計鉆井371口，平均完鉆井深4 896 m，平均垂深3 022 m，平均水平段長1 537 m。其中，直井段采用清水和水基鉆井液，斜井和水平段采用油基鉆井液，分別產(chǎn)生清水巖屑、水基巖屑和油基巖屑，單井清水巖屑產(chǎn)生量約為300～400 m3、水基巖屑產(chǎn)生量約為600～800 m3、油基巖屑產(chǎn)生量約為200～300 m3。

清水巖屑為淺表巖石碎屑，未添加任何化學(xué)試劑，對環(huán)境基本無害。采用HJ 557—2010《固體廢物 浸出毒性浸出方法 水平振蕩法》對涪陵頁巖氣田典型平臺清水巖屑檢測分析可知：清水巖屑浸出液中各項指標(biāo)均滿足GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場通過鋪路、墊溝等方式可全部就地利用。水基巖屑主要成分為膨潤土、潤滑劑、KCl、純堿和聚合醇等物質(zhì)，采用HJ 557—2010《固體廢物 浸出毒性浸出方法 水平振蕩法》對涪陵頁巖氣田水基巖屑的測試分析可知：水基巖屑浸出液的COD、SS(懸浮物)、pH值等超過了GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)，氯化物超過了GB 5084—2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》。油基巖屑礦物油含量在15%～20%，具有廢物和資源的雙重屬性，主要成分是柴油、堿性鹽和重金屬等有害物質(zhì)，若未得到有效處理處置，有機物、重金屬和堿性鹽可能對環(huán)境造成污染。

1.2 開發(fā)初期鉆井巖屑處置方式

1.2.1 處置方式及要求

涪陵頁巖氣田勘探開發(fā)歷程可分為4個階段，即2012年的勘探發(fā)現(xiàn)階段，2013年的開發(fā)試驗階段，2014—2015年的一期產(chǎn)能建設(shè)階段，2016年之后的二期產(chǎn)能及后續(xù)開發(fā)建設(shè)階段。2015年之前，涪陵頁巖氣田對水基巖屑和油基巖屑熱脫附后的灰渣采取在巖屑池中固化填埋的方式處置，主要參考Q/SY XN0276—2007《四川油氣田鉆井廢棄物無害化處理技術(shù)規(guī)范》，按照GB 18599—2001《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類固體廢物進行填埋處置。每個平臺都配套建有巖屑池，巖屑池參照GB 18599—2001《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》進行設(shè)計和防滲，池體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，用1∶2水泥防滲砂漿對池內(nèi)壁抹面，抹面厚度為20.0 mm，并采取防滲措施，滲漏系數(shù)小于1.0×10-7cm/s。完鉆后，通過在池內(nèi)添加水泥、粉煤灰等，并和鉆井巖屑充分?jǐn)嚢杈鶆?、固化，使水泥與鉆井巖屑中的水分發(fā)生水化反應(yīng)生成凝膠，將有害物質(zhì)微粒包裹，并逐步硬化形成水泥固化體。待固化5～10 d后，檢測其抗壓強度和浸出液；其中，抗壓強度要求不小于150 kPa，浸出液的pH值、COD、SS、石油類等指標(biāo)符合GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)為達標(biāo)。最后，在其表面澆筑一層20 cm厚的混凝土隔斷層，并在其表面覆蓋40 cm厚的土層復(fù)綠。

1.2.2 存在的問題

現(xiàn)場實踐發(fā)現(xiàn)，短時間內(nèi)固化填埋處置可將鉆井巖屑封存，但從長期來看存在以下問題。

一是存在二次污染隱患。通過對涪陵頁巖氣田鉆井巖屑填埋池的跟蹤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在固化填埋施工過程中，采用挖掘機對鉆井固廢和固化劑進行攪拌，攪拌不均勻，同時易破壞巖屑填埋池的防滲層，隨著固化填埋時間的推移，巖屑填埋池地基不均勻沉降、局部破壞、長期降雨沖蝕及浸泡，巖屑填埋池開裂，巖屑有害物質(zhì)滲出，對周圍環(huán)境造成污染。

二是占地面積大。以涪陵頁巖氣田一期工程為例，單口井的鉆井固廢填埋量1 000 m3，需占地200 m2，一期工程約250口井占地5萬m2，總占地面積大，對于本來就緊張的用地，占地問題顯得更為突出。

1.2.3 發(fā)展趨勢

隨著國家對固廢、土壤及地下水污染防控更加嚴(yán)格，固化填埋處置已無法滿足新形勢下生態(tài)文明建設(shè)和環(huán)境保護要求，普光氣田、涪陵頁巖氣田等已開始逐步對原巖屑填埋池已固化填埋的巖屑重新挖出進行資源化利用及無害化處理。即將出臺的《石油天然氣開采行業(yè)綠色工廠評價導(dǎo)則》要求：工業(yè)固廢資源化及無害化處理處置率達到100%。在國家倡導(dǎo)“清潔、高效、節(jié)能、低碳”的大背景下，油氣田鉆井固廢的資源化是未來發(fā)展的唯一出路[3]。

2 涪陵頁巖氣田鉆井巖屑資源化利用探索

2.1 水基巖屑

2.1.1 隨鉆預(yù)處理

鉆井液循環(huán)系統(tǒng)(振動篩)可以很好地將循環(huán)出地面的水基巖屑和水基鉆井液經(jīng)除砂器、除泥器、振動篩進行固液分離，振動篩出來的水基巖屑含水率較高，還需要進一步脫水處理才能達到資源化利用的要求。采用一體化隨鉆處理系統(tǒng)，通過添加破膠劑破穩(wěn)后，進入專用板框壓濾機脫水，廢水臨時貯存，經(jīng)過處理后用于后續(xù)配制壓裂液；固相干渣含水率約為20%～40%，后續(xù)資源化利用，工藝流程見圖1。自2016年之后，隨鉆不落地技術(shù)開始在涪陵頁巖氣田開展了現(xiàn)場試驗和推廣應(yīng)用，取得了很好的效果。

圖1 水基巖屑隨鉆預(yù)處理工藝流程

2.1.2 資源化利用途徑

干渣檢測分析表明：水基巖屑粒徑主要在0.6 mm左右，化學(xué)成分以SiO2、CaO、Al2O3為主；EDX能譜顯示主要含O、Ca、Si、Al、K、Ba等元素，可用作建材材料、改良土壤等；用作改良土壤處理成本較高、周期長，目前還處于研究階段，推廣應(yīng)用尚未見報道[4-6]。因此，考慮經(jīng)濟技術(shù)可行性及可實施性，主要探索將水基巖屑用作建材，包括：制路基墊層材料、制磚及水泥窯協(xié)同處置制成成品水泥等途徑。

1)制路基墊層材料

通過添加膠凝材料等改良劑對水基巖屑進行固化后用作路基材料，或者水基巖屑中的污染物滿足地方制定的污染物限值后用于鋪設(shè)服務(wù)油田生產(chǎn)的各種內(nèi)部道路、鋪墊井場等方式[7-8]。2016—2017年，涪陵頁巖氣田開展了水基巖屑隨鉆預(yù)處理后的干渣用于井場鉆前工程建設(shè)，包括井場開挖和管溝回填時用作填方使用，標(biāo)準(zhǔn)化集氣站、井場人行道路墊層等。工藝流程為：壓濾后的鉆井巖屑干渣進行破碎，按照一定比例加入水泥、粉煤灰、適量水，攪拌均勻，檢測其浸出液，浸出液中的pH值、COD、重金屬污染物達到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)要求后，拉運至施工地點進行利用。

該資源化利用方式是通過膠凝材料將污染物進行固化封存，其制成產(chǎn)品的長期穩(wěn)定性及其環(huán)境風(fēng)險有待論證。為避免二次污染，需嚴(yán)格管控加工處理過程，最好的方式是在現(xiàn)場設(shè)置集中加工點進行集中處理后再拉運至需要的地點，同時，要統(tǒng)籌銜接好鉆前工程施工工序，若每日制作路基材料消耗的水基巖屑量小于當(dāng)日新產(chǎn)生的鉆井巖屑量時，將造成鉆井施工現(xiàn)場堆積，增加安全環(huán)保風(fēng)險。

2)制磚

包括免燒磚和燒結(jié)磚。制燒結(jié)磚是將鉆井巖屑干渣按照一定比例摻入到原料中制成標(biāo)準(zhǔn)樣品，經(jīng)真空擠壓成型，在隧道窯中進行煅燒制成燒結(jié)磚，隧道窯中的溫度為950～1 100℃，水基巖屑中的有機污染物在高溫環(huán)境下完全氧化實現(xiàn)無害化[9]，但要控制水基巖屑干渣滿足磚廠的接受要求、制磚廠高溫?zé)Y(jié)過程中廢氣污染物滿足DB 50/657—2016《磚瓦工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》及制成的磚滿足GB/T 5101—2003《燒結(jié)普通磚》的技術(shù)指標(biāo)要求；中石油西南地區(qū)和中石化華東分公司普遍采用此工藝[10-11]。制免燒磚是將鉆井巖屑壓濾后的干渣送往免燒磚廠按照一定比例加入制磚原材料，采用機械壓制工藝制得，核心仍是固化技術(shù)[12]，產(chǎn)品的長期穩(wěn)定性及其環(huán)境風(fēng)險有待論證，流入市場，若管控不當(dāng)，有一定的環(huán)境風(fēng)險。2016年，涪陵頁巖氣田開始嘗試將水基巖屑干渣送至磚廠制磚，由于沒有合適的燒結(jié)磚廠，制作了一批免燒磚，并對所有巖屑制成的成品磚進行回購自用處理，如用于廁所、堡坎等。

2018年之后，涪陵頁巖氣田水基巖屑干渣制路基墊層材料和制磚的用量小，無法滿足水基巖屑產(chǎn)生量大、產(chǎn)生速度快的特點，導(dǎo)致部分巖屑堆積在鉆井施工現(xiàn)場不能及時拉運處置，占據(jù)了井場的安全通道。亟需尋求利用量大，及時拉運、及時處置的途徑。

3)水泥窯協(xié)同處置制成成品水泥

水泥窯協(xié)同處置固體廢物是我國大宗一般工業(yè)固體廢物綜合利用的主要途徑，該技術(shù)成熟且國家層面有配套的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，最近幾年得到爆發(fā)式增長[13]。根據(jù)水基巖屑的特性可知，水基巖屑與現(xiàn)有的工業(yè)礦渣代替部分水泥生料的資源化利用途徑類似，水基巖屑可以部分代替水泥生料中的石灰石成分。水基巖屑隨鉆預(yù)處理的干渣依照協(xié)同處置的水泥廠相關(guān)指標(biāo)限值和GSB 08—1353—2017《水泥生料成分分析標(biāo)準(zhǔn)樣品》的要求進行控制，通過生料磨投入回轉(zhuǎn)窯與水泥生料一同進行煅燒，回轉(zhuǎn)窯的高溫環(huán)境(回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料燒成溫度約1 450℃)使水基巖屑有害組分無害化，無機成分材料化利用。

涪陵頁巖氣田周邊水泥廠資源較為豐富，按照處置利用量大、穩(wěn)定可靠、運輸距離近等原則，送往就近水泥廠處置利用，每天的處置利用量可達千噸。水基巖屑干渣所燒制熟料與水泥廠熟料對比見表1。

表1 水基巖屑干渣所燒制熟料與水泥廠熟料對比 %

檢測結(jié)果表明：利用水基巖屑干渣燒制的熟料與標(biāo)準(zhǔn)水泥熟料的性能基本一致。

目前已累計處置水基巖屑超過7萬t。將水基巖屑資源化利用與鉆井作業(yè)同步，當(dāng)日產(chǎn)生、當(dāng)日拉運處置利用，且處置費用不到300元/t，遠低于其他頁巖氣開發(fā)區(qū)塊的處置成本，具有較好的環(huán)境效益和社會效益。

2.2 油基巖屑

2.2.1 脫油處理

通過振動篩出來的油基巖屑應(yīng)首先進行再生利用，回收油基鉆井液并重復(fù)使用。涪陵頁巖氣田采用熱脫附工藝對油基巖屑進行再生利用，油基巖屑由進料系統(tǒng)進入熱脫附主體反應(yīng)器，通過間接加熱的方式將油基巖屑加熱至目標(biāo)溫度400～420℃，油基巖屑中的礦物油與水充分受熱揮發(fā)[14]。水、油蒸氣經(jīng)收集管道進入冷凝單元，采用間接水冷的方式冷卻至液相，并在分離罐中完成油、水兩相分離。不凝性氣體經(jīng)管道收集進入清洗罐洗滌后，進入燃燒器與天然氣混合燃燒。脫油后的灰渣經(jīng)多級冷凝至常溫，排入儲渣池暫存。油基巖屑熱脫附工藝流程見圖2。自2013年以來，已累計處理油基巖屑約12.2萬t，回收柴油1.2萬t，取得了較好效果。

圖2 油基巖屑熱脫附工藝流程

2.2.2 資源化利用途徑

油基巖屑脫油后的灰渣呈灰黑色粉末狀，含油率低于2%，已不具有危險廢物特性[15]。無機礦物組分主要以SiO2、CaO、Al2O3為主，其含量分別為55.44%，7.20%，7.83%，理論上是可以進行建材資源化綜合利用的?；以姆派湫詸z測結(jié)果表明：內(nèi)照射指數(shù)IRa=0.43<1.0，外照射指數(shù)Ir=0.42<1.0，放射性滿足GB 6566—2001《建筑材料放射性核素限量》要求。同時，油基灰渣的28 d活性指數(shù)為65.9%，燒失量為8.61%，可作為一種建筑摻和料使用。據(jù)報道，油基巖屑灰渣資源化利用途徑有：高溫?zé)Y(jié)制壓裂支撐劑、配制混凝土、制磚及水泥窯協(xié)同處置，高溫?zé)Y(jié)制壓裂支撐劑還處于研究階段，尚未進行工業(yè)應(yīng)用。因此，探索將油基巖屑灰渣用作制混凝土、制磚及水泥窯協(xié)同處置利用。

1)制混凝土、制磚

配制混凝土是將油基巖屑灰渣按照一定比例摻入到水泥、砂、石、水(含外加劑和摻合料)中，經(jīng)過攪拌而得水泥混凝土，可制得強度等級為C30、坍落度不大于(190±10)mm、粗集料最大公徑不大于25 mm的混凝土。油基巖屑灰渣制磚工藝與水基巖屑干渣制磚工藝類似。2016—2017年，涪陵頁巖氣田將油基巖屑脫油后含油率不高于0.3%的灰渣用于制備混凝土和頁巖磚的探索，參照SY/T 7301—2016《陸上石油天然氣開采含油污泥資源化綜合利用及污染控制技術(shù)要求》，其制成的混凝土和頁巖磚浸出液pH值、COD、石油類、重金屬滿足GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)要求后，用于氣田內(nèi)部地面工程建設(shè)，該途徑累計資源化利用1萬t以上。

2018年之后，油基巖屑脫油灰渣制混凝土和制磚不穩(wěn)定，且工藝較為復(fù)雜，管控難度大，此途徑消耗油基巖屑灰渣量非常有限，導(dǎo)致氣田內(nèi)油基巖屑脫油灰渣大量堆存，亟需尋求穩(wěn)定且消耗量大的處置利用途徑。

2)水泥窯協(xié)同處置

與水泥窯協(xié)同處置利用水基巖屑類似，油基巖屑熱脫附的灰渣采取水泥窯協(xié)同處置利用，按照HJ 662—2013《水泥窯協(xié)同處置固體廢物環(huán)境保護技術(shù)規(guī)范》設(shè)計投加量，從窯尾高溫段入窯，水泥窯高溫且氧氣充分的條件下能夠充分燃燒，油基巖屑所含有機物可以被徹底分解，同時堿性環(huán)境可有效抑制酸性氣體、二噁英的產(chǎn)生，熟料捕獲可吸附揮發(fā)性金屬，殘留的固體廢物部分可替代水泥生產(chǎn)原料和燃料被制成水泥熟料。檢測表明：利用油基巖屑灰渣燒制的熟料與標(biāo)準(zhǔn)水泥熟料的性能一致[15]。根據(jù)現(xiàn)有政策規(guī)定，油基巖屑脫油灰渣仍按危險廢物進行管理，采取水泥窯協(xié)同處置應(yīng)委托有危險廢物處理資質(zhì)(HW08類)的水泥企業(yè)處置利用。2018年之后，涪陵頁巖氣田油基巖屑灰渣采取水泥窯協(xié)同處置利用方案；結(jié)合涪陵實際，涪陵頁巖氣田將油基巖屑灰渣轉(zhuǎn)運至某水泥廠水泥窯協(xié)同處置設(shè)施進行處置利用，每天的處置利用量約為200 t，目前已累計處置約2.5萬t。該處置利用技術(shù)成熟，有完善的質(zhì)量保障體系，穩(wěn)定可靠，但脫油后的灰渣仍按危險廢物進行管理，其處置費用高，同時給區(qū)域危險廢物管理和處置帶來一定挑戰(zhàn)。

3 結(jié)論及建議

1)涪陵頁巖氣田因地制宜地開展了水基巖屑脫水后干渣制路基材料、制磚及水泥窯協(xié)同處置的探索與實踐，基于環(huán)境安全、技術(shù)穩(wěn)定可靠、規(guī)模效益突出的原則，最終形成了水基巖屑“隨鉆預(yù)處理+水泥窯協(xié)同處置”的資源化綜合利用方案，實現(xiàn)了水基巖屑100%的資源化安全處置利用，具有較好的環(huán)境效益和社會效益。

2)涪陵頁巖氣田因地制宜開展了油基巖屑熱脫附后灰渣制混凝土、制磚及水泥窯協(xié)同處置的探索和實踐，基于管理政策允許、技術(shù)風(fēng)險可控、規(guī)模效益突出的原則，最終形成了油基巖屑“熱脫附+水泥窯協(xié)同處置”的資源化利用方案，該方案技術(shù)可靠性和環(huán)境安全性強，可實現(xiàn)油基巖屑的安全處置與利用，但管理和處置的成本較高。

3)近年來，在持續(xù)進行鉆井固廢綜合利用研究與實踐的基礎(chǔ)上，形成了適用于涪陵頁巖氣開發(fā)的鉆井固廢綜合利用技術(shù)，為我國首個100億m3大型頁巖氣田鉆井固廢的安全處置利用提供了有力的支撐。下一步，將圍繞油基巖屑經(jīng)濟有效的安全處置問題，結(jié)合區(qū)域內(nèi)水泥窯協(xié)同處置危險廢物(HW08類)的能力，持續(xù)優(yōu)化油基巖屑水泥窯協(xié)同處置方案，降低運行費用和處理成本，實現(xiàn)經(jīng)濟安全處置。