基于生命周期評價法的水基鉆井巖屑資源化利用環(huán)境效益分析

劉漢軍 羅祝濤 張 薇 陳 雷 陳 強(qiáng) 陳立榮 李 輝 蔣學(xué)彬 張 敏 鄧良基

(1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院；2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院)

0 引 言

石油和天然氣作為國家工業(yè)發(fā)展的血液，對我國國民經(jīng)濟(jì)起著重要的推動作用。但油氣鉆井會產(chǎn)生大量鉆井巖屑，據(jù)統(tǒng)計，我國每年累計產(chǎn)生鉆井巖屑2.50×106m3[1]，其中川渝地區(qū)水基鉆井巖屑的年產(chǎn)量約為3.0×104～3.0×105m3[2]，因此鉆井巖屑處置成為油氣鉆井行業(yè)的難題。早期的水基鉆井巖屑處置方式為無害化固化填埋[3-5]，因此水基鉆井巖屑被定義為鉆井固廢。隨著鉆井清潔生產(chǎn)及生態(tài)文明建設(shè)的不斷推廣，鉆井巖屑處置由無害處置向資源化利用方向發(fā)展，其中以制備燒結(jié)磚和轉(zhuǎn)化為土壤兩種方式研究較多[6-8]，且制磚處置已廣泛推廣，土壤化利用也在逐步推廣。目前已有的研究主要關(guān)注單一巖屑資源化利用途徑對巖屑污染物的去除效果和經(jīng)濟(jì)效益，未從環(huán)境影響的角度評價各資源化利用方式的環(huán)境效益。

生命周期評價(LCA)法是一種基于生命周期的思想，定量和定性評價研究對象能源消耗及環(huán)境影響的環(huán)境評價工具[9-10]。1995年，F(xiàn)innveden等[11]最先將LCA法引入固廢管理系統(tǒng)評價，此后，LCA法在固廢管理被廣泛研究和應(yīng)用，其中研究較多的是對城市生活垃圾處理系統(tǒng)的LCA[12-14]。2004年，于紅艷[15]將LCA法引入廢物資源化中，介紹了固廢資源化LCA的必要性、內(nèi)容和步驟，為固廢資源化利用模式的評價研究提供了新思路。此后該法應(yīng)用于固廢資源利用模式的環(huán)境影響評估、模式優(yōu)選和工藝優(yōu)化。張蕓等[16]利用LCA法評價了4種貝殼處置方式的環(huán)境影響，并確定貝殼制備水泥具備最佳環(huán)境效益。李志明等[17]利用LCA法評估了破碎重鋪與水泥混凝土再生利用過程的節(jié)能減排效益，確定水泥混凝土再生利用具有更好的節(jié)能減排效益。王地春等[18]用LCA理論評價了廢舊黏土磚的幾種典型治理方式的環(huán)境影響及差異。

本文選取西南油氣田目前應(yīng)用較多的兩種資源化利用方式(制備燒結(jié)磚和土壤化利用)及填埋法分別構(gòu)建LCA模型，評估不同資源化利用方法的環(huán)境效益，為西南地區(qū)選擇環(huán)境友好的水基鉆井巖屑資源化利用模式提供科學(xué)依據(jù)，并提出改進(jìn)措施和建議。

1 水基鉆井巖屑處理生命周期清單分析

1.1 目標(biāo)和范圍定義

本文以水基鉆井巖屑處置方式為研究對象，采用LCA法對三種處置方式的環(huán)境影響進(jìn)行分析。①填埋處置，將水基鉆井巖屑固化后填埋；②以水基鉆井巖屑代替部分頁巖制備燒結(jié)磚，水基鉆井巖屑添加量為8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))；③通過生物處理轉(zhuǎn)化為土壤后用于復(fù)墾。

本文以1 m3水基鉆井巖屑為功能單位，所有數(shù)據(jù)以該單位為準(zhǔn)進(jìn)行換算，壓濾機(jī)壓濾后的水基鉆井巖屑密度約2.6 g/cm3。因三種處置方式在水基鉆井巖屑產(chǎn)出前過程相同，因此不考慮巖屑產(chǎn)出前的環(huán)境影響，填埋處置以填埋為終點；資源化利用系統(tǒng)以資源化利用為終點，只考慮資源化利用過程中對水基鉆井巖屑加工過程的環(huán)境影響，不考慮資源化利用后生產(chǎn)產(chǎn)品的運輸、存儲、使用、廢棄等過程的環(huán)境影響。三種處置方式的LCA系統(tǒng)邊界的確定見圖1。

圖1 系統(tǒng)邊界的確定

1.2 生命周期清單分析

本文涉及的水基鉆井巖屑填埋場地一般與鉆井井場在同一區(qū)域，平均運輸距離約0.5 km，主要以裝載機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)運，裝載機(jī)車斗容量5 m3，平均柴油耗為0.030 L/km。水基鉆井巖屑填埋階段需添加30%(質(zhì)量比)的水泥進(jìn)行固化，同時使用挖掘機(jī)攪拌混勻，挖掘機(jī)平均柴油耗為0.23 L/m3(發(fā)動機(jī)功率90 kW，耗油140 g/(kW·h)，每天工作8 h，使用效率0.65，日處理量300 m3)[19]；還需使用混泥土振動器，其功率為1.5 kW，處理1 m3水基鉆井固廢平均耗時0.2 h。由此推算得到填埋過程的能耗為每處理1 m3巖屑消耗柴油0.003 kg、電力0.30 kW·h、水泥780 kg，見表1。

西南地區(qū)天然氣/頁巖氣鉆井產(chǎn)生的水基鉆井巖屑通常采用18 t重型貨車(柴油)轉(zhuǎn)運至當(dāng)?shù)卮u廠的暫存場，平均轉(zhuǎn)運距離約25 km，水基鉆井巖屑不向空氣逸散氣體，因此運輸過程中除汽車尾氣外，不存在其它污染物排放。制備燒結(jié)磚時巖屑的添加約8%(質(zhì)量比)，即處理1 m3水基鉆井巖屑，可減少208 kg頁巖。經(jīng)過調(diào)研，頁巖開采地距離磚廠約1 km，開采的頁巖被運往磚廠進(jìn)行粉碎處理，粉碎1 kg頁巖耗電量為0.001 71 kW·h，此處置方式避免了頁巖開采、運輸及粉碎處理的過程；制磚時，暫存場地的水基鉆井巖屑采用裝載機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)運，轉(zhuǎn)運距離0.5 km；制備磚塊時每1 m3原料添加9.6%的煤和7.7%的自來水、耗電55 kW·h。由此推算得到水基鉆井巖屑制磚處置過程的能耗為每處理1 m3水基鉆井巖屑，重型柴油貨車(18 t)運輸2 600 kg/km，消耗柴油0.15 kg、電力55 kW·h、水138 kg、煤172 kg，見表1。

表1 三種處置方式的生命周期清單

水基鉆井巖屑土壤化利用方式的生物處理階段在井場清潔生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行，不存在轉(zhuǎn)運。生物處理階段需添加5%的秸稈和0.5倍的自然土。自然土一般采集自5 km范圍內(nèi)地區(qū)，用10 t重型貨車(柴油)轉(zhuǎn)運至處理場地；處理過程使用挖掘機(jī)進(jìn)行混合攪拌，同時用通氣設(shè)備進(jìn)行供氧，通氣設(shè)備功率3 kW，按單次處理1 000 m3，周期90 d，每3 d通氣1 h計算；生物處理過程在防滲池中進(jìn)行，不存在浸出液對土壤和地下水的污染。無害化處理后形成的土壤浸出液滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量》V標(biāo)準(zhǔn)，直接用于井場復(fù)墾，不存在向土壤和地下水排放污染物，還可減少1 m3自然土的開采和運輸。由此推算得到水基鉆井巖屑土壤化利用過程的物質(zhì)和能耗為每處理1 m3水基鉆井固廢消耗電力0.09 kW·h、柴油0.22 kg、水18 kg、秸稈130 kg，同時重型柴油貨車(10 t)運輸1 300 kg/km，見表1。

eBalance是國內(nèi)專業(yè)的LCA軟件，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域節(jié)能減排及生態(tài)設(shè)計、研究等工作。本文基于LCA的原理及理論框架，選取eBalance分析軟件進(jìn)行生命周期建模、清單數(shù)據(jù)輸入和生命周期環(huán)境影響評價(LCIA)分析，LCIA分析選取的數(shù)據(jù)庫為中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(CLCD)。將三種水基鉆井巖屑處置方式的輸入輸出數(shù)據(jù)導(dǎo)入eBalance，獲得處理1 m3水基鉆井巖屑的環(huán)境排放清單，見表2。

表2 三種水基鉆井巖屑處置方式的環(huán)境排放清單 kg

2 水基鉆井巖屑處理生命周期環(huán)境影響評價

本文采用eBalance軟件進(jìn)行西南地區(qū)水基鉆井巖屑三種處置方式的LCIA分析。選取的與巖屑處置利用關(guān)系密切的環(huán)境影響評價指標(biāo)包括：中國資源消耗潛值(CADP)、全球變暖潛值(GWP)、可吸入無機(jī)物(RI)、酸化潛值(AP)、富營養(yǎng)化(EP)、固體廢物(WS)、化學(xué)需氧量(COD)、淡水消耗量(WU)、氨氮(NH3—N)和氮氧化物(NOX)。

2.1 特征化分析

表3 三種處置方式生命周期環(huán)境影響特征化指標(biāo)

從表3可看出，填埋處置方式對10種環(huán)境影響類型的環(huán)境影響均為正值，其中對CADP、GWP、WS和WU的影響較大，這是因為填埋處置需要使用較大量的水泥，而水泥生產(chǎn)過程消耗煤和電力資源較多，因此對資源消耗、全球變暖、WS和WU的影響較大。制磚處置方式除COD、NOX和WS的影響為負(fù)值外，對其余7種指標(biāo)的環(huán)境影響為正值，主要的環(huán)境影響為CADP、GWP和WU，原因為制磚處置的運輸消耗柴油，且生產(chǎn)過程消耗一定量的煤和電力；但制磚過程中避免了頁巖開采和粉碎等過程，從而減少了固廢產(chǎn)生，因此WS較小。土壤化利用處置方式除EP、NH3—N和WU為正值外，其余7種指標(biāo)的環(huán)境影響均為負(fù)值，其中對WU的影響較大，這是因為土壤化利用處置使用一定量的秸稈，在秸稈生產(chǎn)過程中水消耗較多。相比于填埋和制磚處置方式，土壤化利用對所有10種指標(biāo)的影響均較小，主要是因為土壤化利用的運輸距離短，電力消耗少，且避免自然土開采和運輸?shù)冗^程。

利用eBalance軟件進(jìn)行三種處置方式的環(huán)境影響值計算，結(jié)果顯示(圖2)三種處置方式中填埋處置的環(huán)境影響值最大，為3.58×103，高于制磚處置方式的1.19×103；土壤化利用處置的環(huán)境影響值為3.54×103，高于制磚處置，且與填埋處置相當(dāng)，但可避免復(fù)墾過程中的自然土開采和運輸?shù)冗^程，避免階段的環(huán)境影響值為3.74×103，因此土壤化利用處置的加權(quán)綜合環(huán)境影響值為-1.99×102，說明土壤化利用處置方式會帶來環(huán)境效益。

圖2 三種處置方式不同階段的環(huán)境影響值

2.2 過程貢獻(xiàn)及敏感度分析

利用eBalance軟件分析獲得各環(huán)節(jié)環(huán)境影響值，導(dǎo)出三種處置方式運輸和處置階段的過程貢獻(xiàn)率如表4所示，填埋處置運輸階段對環(huán)境影響貢獻(xiàn)率較低，僅為0.11%，而填埋階段對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)大，貢獻(xiàn)率為99.89%，表明填埋階段對環(huán)境造成的影響大；制磚處置運輸階段對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)率為0.06%，制磚階段的貢獻(xiàn)率為99.94%，說明制磚階段對環(huán)境的影響最大；土壤化利用方式不存在固廢運輸，所有對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)均出自生物處理階段。

表4 處置過程各環(huán)節(jié)對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)

為進(jìn)一步找出對LCA結(jié)果影響最大的關(guān)鍵清單數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)，采用eBalance軟件自帶的敏感度計算功能，利用最初建立的生命周期模型計算水基鉆井巖屑填埋、制磚和土壤化利用過程中各清單數(shù)據(jù)的敏感度，結(jié)果如表5所示，填埋階段水泥對加權(quán)綜合指標(biāo)的敏感度大，達(dá)到99.40%。制磚階段的SO2和煤對加權(quán)綜合指標(biāo)的敏感度較大，因煤添加量由制磚工藝確定，因此可通過工藝調(diào)整減少煤添加量，同時對排放氣體進(jìn)行脫硫，以減少SO2排放；另外還可調(diào)整巖屑制磚工藝，加大巖屑添加量，進(jìn)一步避免頁巖開采，降低加權(quán)環(huán)境影響潛值。生物處理階段秸稈對加權(quán)綜合指標(biāo)的敏感度大，接近100%，因此可改進(jìn)鉆井巖屑土壤化處置利用工藝，進(jìn)一步減少秸稈添加量，從而減少CO2、SO2和NOX排放。

表5 各清單數(shù)據(jù)對加權(quán)綜合指標(biāo)的敏感度分析 %

3 結(jié) 論

1)運用LCA模型計算分析西南地區(qū)水基鉆井巖屑三種處置方式的環(huán)境影響，結(jié)果表明填埋、制磚和土壤化利用的環(huán)境影響值分別為3.58×103，1.19×103和-1.99×102，制磚和土壤化利用均能有效減少鉆井巖屑填埋對環(huán)境的影響，其中土壤化利用有更好的環(huán)境效益。

2)環(huán)境影響特征化指標(biāo)計算結(jié)果表明，制磚和土壤化利用方式對CADP、GWP、NOX、WS和WU具有很大優(yōu)勢；相比于制磚，土壤化利用對CADP、GWP、NOX和WU的優(yōu)勢更明顯。

3)填埋處置對環(huán)境影響貢獻(xiàn)最大的是填埋階段；兩種資源化利用則分別是制磚階段和生物處理階段對環(huán)境影響的貢獻(xiàn)大。制磚階段可通過工藝調(diào)整減少煤添加量、處置尾氣和增加巖屑添加量來降低環(huán)境影響值；生物處理階段可通過改進(jìn)處置工藝來減少秸稈添加量。

4)水基鉆井巖屑制磚目前已廣泛推廣應(yīng)用，而土壤化利用還處于應(yīng)用的起步階段。本文通過清單對比分析，得到土壤化利用比制磚具備更好的環(huán)境效益，為西南地區(qū)水基鉆井巖屑土壤化利用技術(shù)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。