川渝地區(qū)頁(yè)巖氣鉆井固廢分類資源化處置利用＊

陳立榮 胡攀峰 唐 攀 馮永東 蔣學(xué)彬 王 玨 沈弼龍 劉漢軍

(1.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院；2.四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司；3.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部；4.中國(guó)石油西南油氣田公司重慶氣礦)

0 引 言

頁(yè)巖氣作為一種重要的非常規(guī)油氣資源，在我國(guó)可采儲(chǔ)量達(dá)25萬(wàn)億m3[1]，目前已成為我國(guó)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。國(guó)家發(fā)改委等四部委聯(lián)合制定的《頁(yè)巖氣十三五發(fā)展規(guī)劃》的出臺(tái)大力推動(dòng)了國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)，對(duì)改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。川渝地區(qū)作為國(guó)家頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的主要區(qū)域，近年頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)發(fā)展迅速，重慶涪陵頁(yè)巖氣田2018年生產(chǎn)頁(yè)巖氣已達(dá)60億m3，四川長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)區(qū)塊頁(yè)巖氣2020年產(chǎn)能已達(dá)100億m3。頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)與常規(guī)天然氣鉆井開(kāi)發(fā)一樣，其在鉆井作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生大量固廢，但由于頁(yè)巖氣產(chǎn)量有限，遞減率高，為獲得合理的投資回報(bào)，需采用特殊的鉆井作業(yè)工藝，鉆達(dá)目的層的鉆井前期，往往需采用成本相對(duì)較低的水基聚合物鉆井液及空氣進(jìn)行鉆井，產(chǎn)生的固廢組分相對(duì)單一，污染物含量相對(duì)較少，危害性較低，而鉆達(dá)深部頁(yè)巖目的層位時(shí)需進(jìn)行水平鉆進(jìn)，為確保水平井段的安全鉆井，通常需采用成本較高的油基鉆井液鉆井，進(jìn)而產(chǎn)生危險(xiǎn)廢物油基鉆屑(屬于《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》(2021年版)HW08類)，其含油量高達(dá)15%～20%[2]，因此，頁(yè)巖氣全井產(chǎn)生的固廢性質(zhì)存在很大差異，為固廢分類資源化處置利用奠定了基礎(chǔ)。

1 川渝地區(qū)頁(yè)巖氣鉆井固廢的特點(diǎn)

1.1 頁(yè)巖氣鉆井作業(yè)情況

川渝地區(qū)主要頁(yè)巖氣區(qū)域長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)和涪陵頁(yè)巖氣鉆井主要采用“水基鉆井液+空氣鉆+油基鉆井液”方式進(jìn)行鉆井作業(yè)。一般的鉆井井身結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的鉆井液主要成分見(jiàn)表1。

表1 川渝地區(qū)頁(yè)巖氣鉆井井身結(jié)構(gòu)和鉆井液的主要成分

1.2 頁(yè)巖氣鉆井固廢性質(zhì)特點(diǎn)

鉆井固廢性質(zhì)主要與所鉆地層巖性及鉆井液有關(guān)，而不同鉆井層段所使用鉆井液體系不同，產(chǎn)生的鉆井固廢組成性質(zhì)和特點(diǎn)也不同。

1)表層導(dǎo)管段(0～50 m左右井深)

在頁(yè)巖氣鉆井的表層導(dǎo)管段一般均采用清水鉆井，其固廢主要是所鉆地層巖屑，此巖屑不含任何污染物質(zhì)。但由于表層鉆井鉆頭尺寸大，雖井深段不深，但固廢產(chǎn)生量較多。

2)一開(kāi)井段(50～1 000 m左右井深)

為了提高鉆井速度，一開(kāi)井段基本采用水基聚合物無(wú)固相、聚合物低固相鉆井液鉆井，鉆井液主要以無(wú)毒低害的無(wú)機(jī)鹽和聚合物為主調(diào)配而成，主要含易生物降解的非苯環(huán)有機(jī)物[3]，固廢基本為淺灰色或黃色，污染物組分相對(duì)較單一，COD含量較低，且基本不含汞、鉻、鉛等重金屬有毒有害物質(zhì)。但此井段所用鉆頭尺寸大，固廢產(chǎn)生量基本占全井總量的1/2左右。

3)二開(kāi)井段(1 000～2 000 m左右井深)

在二開(kāi)井段，主要采用兩種鉆井液體系鉆井。一是采用水基鉀聚合物或有機(jī)鹽聚合物鉆井液，鉆井液主要以無(wú)毒低害的有機(jī)鹽和聚合物為主調(diào)配而成，產(chǎn)生的固廢主要含易生物降解的非苯環(huán)有機(jī)物，并含一定鹽分和Cl-，基本不含汞、鉻、鉛等重金屬有毒有害物質(zhì)[4]。二是采用空氣鉆井，通常情況下采用純空氣鉆井，如遇地層出水，才加入一定霧化劑、井壁防塌劑和氣霧穩(wěn)定劑等，轉(zhuǎn)化為氣體霧化鉆井。氣體鉆井產(chǎn)生的固廢主要為氣體攜帶出的地下巖屑，為防止氣體鉆井粉塵污染大氣，常采用水淋洗降塵，降塵鉆屑儲(chǔ)存在污水應(yīng)急池中。如采用清潔水淋洗降塵，在純空氣鉆井時(shí)所產(chǎn)生的固廢完全不含污染物；如采用鉆井廢水進(jìn)行淋洗降塵，其將含鉆井廢水中的污染物成分，但其含量相對(duì)較少，即使采用氣體霧化鉆井，由于霧化劑等加量較少，降塵中污染物含量也較低，但氣體鉆井產(chǎn)生的鉆屑顆粒粒徑小。二開(kāi)固廢產(chǎn)生量一般占全井的1/4左右。

調(diào)研分析了川渝地區(qū)部分頁(yè)巖氣一二開(kāi)采用水基聚合物鉆井液體系鉆井產(chǎn)生的固廢中主要污染物性質(zhì)，其有機(jī)污染物COD、含油量比較低，有害重金屬含量也較低，基本都低于GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(其他，風(fēng)險(xiǎn)篩選值，pH值>7.5)(表2)；盧邦俊[5]調(diào)查分析了涪陵頁(yè)巖氣水基鉆井固廢中銅、鋅、鉻、鈹、鎳、鋇、鋁、鉛、鎘、砷、汞、硒等指標(biāo)，其值均遠(yuǎn)低于HJ 350—2007《展覽會(huì)用地土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(暫行)》A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，部分元素甚至屬于低背景含量；張思蘭等[6]研究了西南頁(yè)巖氣水基鉆屑特性，結(jié)果顯示，水基鉆屑結(jié)晶礦物主要是SiO2、BaSO4、CaCO3、Ca(OH)2，除水基鉆屑中礦物油超出HJ 350—2007標(biāo)準(zhǔn)值0.28 mg/L外，重金屬指標(biāo)滿足CJ/T 340—2016《綠化種植土壤》中Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且均低于GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(其他，風(fēng)險(xiǎn)篩選值，pH值>7.5)，且除有效磷、堿解氮含量較低外，速效鉀、有機(jī)質(zhì)等含量滿足CJ/T 340—2016《綠化種植土壤》標(biāo)準(zhǔn)要求。

川渝地區(qū)頁(yè)巖氣水基鉆井固廢主要污染物監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 川渝地區(qū)頁(yè)巖氣水基鉆井固廢主要污染物監(jiān)測(cè)結(jié)果

4)三開(kāi)井段(2 000～4 000 m左右目的層)

為確保目的層頁(yè)巖層水平段的安全快速鉆井，川渝地區(qū)的長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)和涪陵頁(yè)巖氣區(qū)塊在目的層水平井段通常采用油基鉆井液進(jìn)行鉆井，以加強(qiáng)鉆井液造壁性與封堵性，降低鉆井液失水，抑制地層坍塌，防止卡鉆等事故。長(zhǎng)寧和威遠(yuǎn)區(qū)塊主要以白油為基礎(chǔ)油，涪陵區(qū)塊部分采用柴油，并添加較多的乳化劑、潤(rùn)濕劑、降濾失劑和封堵劑等配制而成。造成此井段的固廢含油量高達(dá)15%～20%，同時(shí)，固廢中污染物組分也較復(fù)雜，固廢環(huán)境危害性大。梅緒東等[2]研究分析了涪陵頁(yè)巖氣油基鉆屑的組成成分，其有機(jī)物包含烷烴類、非烴類、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等，烷烴類占73%，非烴類包括脂肪酸甲酯、硬脂肪酸鹽等，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)主要為含S/N等雜原子的環(huán)狀化合物，油基鉆屑浸出液中重金屬含量均低于GB 5085.3—2007《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》中的標(biāo)準(zhǔn)限值，重金屬含量有檢出，但未超過(guò)GB 15618—2018標(biāo)準(zhǔn)中的風(fēng)險(xiǎn)管控值。盧邦俊[5]調(diào)查分析了涪陵頁(yè)巖氣油基鉆屑重金屬含量，與HJ 350—2007表1A標(biāo)準(zhǔn)值比較，鋅、鋇、鎳、鉛和鎘5種元素存在超標(biāo)現(xiàn)象，尤其是鋇、鉛超標(biāo)明顯，分析主要原因可能是鉆井中使用加重劑造成的；分析了長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣油基鉆屑中的重金屬含量，檢測(cè)的8個(gè)有害重金屬指標(biāo)均未超過(guò)GB 15618—2018標(biāo)準(zhǔn)中的風(fēng)險(xiǎn)管控值。此井段固廢量一般占全井的1/4左右。

2 川渝地區(qū)頁(yè)巖氣鉆井固廢資源化利用情況及存在問(wèn)題

2.1 頁(yè)巖氣鉆井固廢資源化利用情況

1)水基鉆井固廢

川渝地區(qū)主要頁(yè)巖氣區(qū)塊長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)和涪陵地區(qū)對(duì)上部地層一二開(kāi)鉆井所有水基鉆井固廢均采用隨鉆收集，大部分外運(yùn)地方磚廠制燒結(jié)磚利用，少部分送第三方制備免燒磚或水泥塊綜合利用。川慶鉆探公司安檢院采用生物處置土壤化利用技術(shù)，在川渝地區(qū)10多口井，處理水基鉆井固廢近1萬(wàn)m3，取得較好效果[7-12]。孫靜文等[13]介紹國(guó)外殼牌、雪佛龍、哈里伯頓等公司使用生物技術(shù)處理鉆屑；某公司曾擬在川東北某井采用生物技術(shù)對(duì)該井水基鉆井固廢進(jìn)行生物處理利用(通過(guò)了國(guó)家的環(huán)評(píng)認(rèn)可)，構(gòu)建了面積達(dá)3 000 m2左右的鉆井固廢生物處理物堆放降解場(chǎng)，雖最終由于其他原因而未實(shí)施，但也說(shuō)明了該技術(shù)的可行性和認(rèn)可度。

2)油基鉆屑

川渝地區(qū)主要頁(yè)巖氣區(qū)塊長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)和涪陵地區(qū)單井油基鉆屑產(chǎn)生量一般在400 m3左右。對(duì)于油基鉆屑，主要采用場(chǎng)內(nèi)預(yù)脫油，降至含油量5%左右后，一是送當(dāng)?shù)鼐邆湮ｋU(xiǎn)廢物處置資質(zhì)的單位進(jìn)行處置(如采取回轉(zhuǎn)窯高溫焚燒工藝)，二是送當(dāng)?shù)厮鄰S進(jìn)行水泥窯協(xié)同處理，處理后的熟料作為水泥添加料，少部分送第三方采用熱脫附、熱解析和LRET溶劑萃取等工藝進(jìn)一步脫油處置，其脫油后的油基鉆屑含油量≤2%，甚至≤1%[2，13]，周素林等[14]報(bào)道采用熱餾處理技術(shù)，可使其含油量≤0.3%。脫油后的油基鉆屑多數(shù)送具備危廢處理資質(zhì)的水泥窯協(xié)同處理利用，一些用于制備免燒磚。

2.2 頁(yè)巖氣鉆井固廢資源化處置利用存在的主要問(wèn)題

2.2.1 水基鉆井固廢

1)水基鉆井固廢未進(jìn)行分類收集處置利用，基本是全井一并外送當(dāng)?shù)刂拼u廠制磚利用。一是轉(zhuǎn)運(yùn)量大；二是處置費(fèi)用高，包括轉(zhuǎn)運(yùn)前預(yù)脫水費(fèi)用，藥劑、人工及設(shè)備費(fèi)用，運(yùn)輸和最終處置費(fèi)用等；三是增加了轉(zhuǎn)運(yùn)中的安全環(huán)保潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2)地方磚廠接納有限，價(jià)格易受其控制。一是頁(yè)巖氣水基鉆井固廢只能作為制磚輔料利用，其添加量一般控制在5%～20%，否則磚質(zhì)量和煙氣排放很難滿足要求；二是在轉(zhuǎn)運(yùn)前為防止固廢過(guò)稀造成運(yùn)輸中廢水漏失，常需加入水泥等膠凝固廢并增加其強(qiáng)度，進(jìn)而影響制磚質(zhì)量；三是由于粒徑大強(qiáng)度高的硬質(zhì)鉆屑類固廢易引起磚在加熱中爆裂；四是一些地縣監(jiān)管部門要求接收磚廠需有廢物處理資質(zhì)，加之磚廠本身不愿意接收水基鉆井固廢，所以符合條件的磚廠較少。

3)川渝地區(qū)一些地縣不允許水基鉆井固廢制磚利用。

4)接受水基鉆井固廢的第三方是否能對(duì)其合規(guī)合法處置利用，委托方往往監(jiān)管不到位，并存在一定的法律風(fēng)險(xiǎn)。

5)建設(shè)方要求清潔生產(chǎn)服務(wù)單位配備板框壓濾機(jī)作為固廢減量化裝置，但一是需要加入較多破膠脫穩(wěn)劑，造成脫除液中含有較多高價(jià)陽(yáng)離子，難以再利用于調(diào)配鉆井液，雖固廢減量了，但相應(yīng)增加了廢水量；二是無(wú)謂增加了固廢減量化裝置及人員費(fèi)用等投資；三是壓濾設(shè)備占地面積較大，并影響鉆井現(xiàn)場(chǎng)的“三標(biāo)”建設(shè)；四是此設(shè)備不適用于硬質(zhì)、具一定顆粒粒徑的鉆屑類固廢的擠壓脫水。

2.2.2 油基鉆屑

1)場(chǎng)內(nèi)預(yù)脫油處理委托第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)，其相應(yīng)配置設(shè)備主要為高速離心機(jī)、鉆屑收集斗及轉(zhuǎn)移叉車、巖屑輸送帶等，不僅設(shè)備及操作人員多、投資高、設(shè)備占地面積大，同時(shí)也增加了現(xiàn)場(chǎng)安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，也不利于現(xiàn)場(chǎng)“三標(biāo)”建設(shè)。

2)油基鉆屑由于不論脫油與否都屬于危廢，需要辦理轉(zhuǎn)運(yùn)處置手續(xù)，同時(shí)，由于地方利益關(guān)系，一些地區(qū)辦理轉(zhuǎn)移手續(xù)難度大，且不允許跨區(qū)縣轉(zhuǎn)運(yùn)。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

1)長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)和涪陵頁(yè)巖氣區(qū)塊頁(yè)巖氣鉆井作業(yè)的不同井段或不同鉆井液體系固廢性質(zhì)存在較大差異。

2)川渝地區(qū)主要頁(yè)巖氣區(qū)域的水基鉆井固廢中有機(jī)污染物及有害重金屬含量不高，有機(jī)污染物主要為易降解的非苯環(huán)類有機(jī)物。就地生物處理資源化土壤利用是最優(yōu)選擇，此方式既節(jié)能又更利于生態(tài)修復(fù)，如處理后能作為完井井場(chǎng)復(fù)耕土，則更具經(jīng)濟(jì)生態(tài)性，并可減少轉(zhuǎn)運(yùn)中的安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

3)表層清水鉆及純空氣鉆清潔水淋洗降塵固廢最好在環(huán)評(píng)中明確可直接收集堆放，完井可直接作為井場(chǎng)復(fù)耕用土。這樣既可節(jié)約一定的轉(zhuǎn)運(yùn)處置費(fèi)用，減少相應(yīng)安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，還也可減少完井新鮮土的使用。

4)油基鉆屑污染物含量高，部分井還含有一定量的有害重金屬，同時(shí)，由于頁(yè)巖組分性質(zhì)(其含SiO2為45%～80%，Al2O3為12%～25%，F(xiàn)e2O3為2%～10%，CaO為0.2%～12%)與水泥熟料組分性質(zhì)比較相近，并具一定強(qiáng)度和粒徑，因此，初步脫油后的油基鉆屑最好的資源利用方式應(yīng)是協(xié)同水泥窯焚燒處置，其次制成水泥塊或作井場(chǎng)路基材料利用也是一種較好的資源化利用途徑。

3.2 建 議

3.2.1 水基鉆井固廢處置利用方面

1)應(yīng)對(duì)頁(yè)巖氣鉆井不同鉆井液體系固廢分類收集，分類進(jìn)行資源化處置利用，這樣可實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)節(jié)能的利用效果。

2)為確保水基鉆井固廢分類處置利用的實(shí)施，建議建設(shè)方在環(huán)評(píng)報(bào)告編制中應(yīng)增加不同井段或不同水基鉆井液體系固廢的資源化處置利用方式，確保每種處置利用方法均合規(guī)合法。如表層清水鉆井及純空氣鉆清潔水淋洗降塵產(chǎn)生的固廢可直接收集堆放，完成后可作為完井井場(chǎng)復(fù)耕用土；一二開(kāi)水基聚合物鉆井液固廢及空氣鉆廢水淋洗降塵固廢可就地采用生物處理資源化土壤利用等。

3)為便于空氣鉆淋洗降塵固廢的收集處置利用，建議川渝地區(qū)頁(yè)巖氣鉆井平臺(tái)污水應(yīng)急池在容積不變情況下可設(shè)計(jì)構(gòu)建成兩格池，以便其中一格池用來(lái)收集處置氣體鉆井水淋洗降塵(處置利用后可及時(shí)騰空該池)。

4)如對(duì)頁(yè)巖氣水基鉆井固廢采用生物處理資源化土壤利用方式處置利用，建議在鉆前建設(shè)時(shí)按單井同時(shí)租地構(gòu)建一個(gè)容積為600～700 m3的生物處理物堆放降解場(chǎng)(平臺(tái)所有井完鉆后，前期水基鉆井固廢生物處理物已可達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，可及時(shí)再利用并還租)。

5)根據(jù)固廢壓濾液是否再回用于配制鉆井液或壓裂液等情況，建設(shè)方對(duì)頁(yè)巖氣鉆井平臺(tái)是否配備水基鉆井固廢壓濾減量化設(shè)備的經(jīng)濟(jì)和必要性作全面評(píng)估。

3.2.2 油基鉆屑處置利用方面

1)按照GB 5085.3—2007《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》規(guī)定，油基鉆屑經(jīng)處理后產(chǎn)生的灰渣仍屬危廢，建議行業(yè)或建設(shè)方積極向國(guó)家或地方爭(zhēng)取油基鉆屑其含油量降至一定量，如降至2%或1%以下，在經(jīng)過(guò)認(rèn)定，不具危險(xiǎn)廢物特性時(shí)即可認(rèn)定為一般固廢的政策或規(guī)定。

2)建議川渝地區(qū)頁(yè)巖氣鉆井隊(duì)?wèi)?yīng)研究配置高速離心機(jī)或多級(jí)振動(dòng)篩作為鉆井設(shè)備集成化配套設(shè)備。如能實(shí)現(xiàn)油基鉆屑含油量降低5%左右時(shí)，可不必使用預(yù)脫油設(shè)備，不僅可節(jié)約預(yù)脫油設(shè)備投資及人員費(fèi)用，同時(shí)可減少此設(shè)備占地面積和相應(yīng)安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

3)建議開(kāi)展油基鉆屑生物處理利用技術(shù)研究。國(guó)外殼牌、雪佛龍、哈里伯頓等很多公司，已開(kāi)始使用生物處理技術(shù)處理油基鉆屑。