夏海幫， 包 凱， 王玉海， 周成香， 楊玉坤

（中國(guó)石化華東油氣分公司南川頁(yè)巖氣項(xiàng)目部，江蘇南京 210019）

涪陵頁(yè)巖氣田平橋南區(qū)塊是涪陵頁(yè)巖氣田二期產(chǎn)能建設(shè)的重要組成部分，“十三五”期間計(jì)劃新建產(chǎn)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(shè)條件差；區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件復(fù)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(yè)巖氣勘探開發(fā)過程中會(huì)產(chǎn)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(jī)物和重金屬等有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境危害較大。盡管國(guó)內(nèi)外公司和學(xué)者對(duì)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(yù)處理后對(duì)其固化填埋，存在經(jīng)濟(jì)成本高、長(zhǎng)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(yè)巖氣田開發(fā)中亟待解決的問題。為此，筆者針對(duì)目前鉆井巖屑處理方式存在的問題，結(jié)合涪陵頁(yè)巖氣田平橋南區(qū)塊的實(shí)際情況，進(jìn)行了技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)，形成了成本低、效果好、可推廣應(yīng)用的頁(yè)巖氣田鉆井巖屑綜合利用技術(shù)。

1 鉆井巖屑的危害及常規(guī)處理技術(shù)

1.1 鉆井巖屑的危害

平橋南區(qū)塊已開鉆頁(yè)巖氣水平開發(fā)井近30 口，水平段長(zhǎng)1 400.00～2 000.00 m。其中，直井段采用清水和水基鉆井液鉆進(jìn)，水平段采用油基鉆井液鉆進(jìn)，分別產(chǎn)生清水巖屑、水基巖屑和油基巖屑。統(tǒng)計(jì)分析該區(qū)塊已完鉆的28 口井的相關(guān)情況發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)尉a(chǎn)生清水巖屑約202 m3，主要為淺層巖屑，對(duì)環(huán)境基本無(wú)危害，現(xiàn)場(chǎng)可通過墊溝、鋪路等方式就地全部利用；單井產(chǎn)生水基巖屑約655 m3，含水率約20%，主要成分為膨潤(rùn)土、潤(rùn)滑劑、KCl、純堿和聚合醇等物質(zhì)，檢測(cè)分析該類巖屑發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生油基巖屑約306 m3，含油率約80%，主要成分為柴油、有機(jī)物和重金屬等有害物質(zhì)，處理困難[1-2]。

鉆井巖屑的危害主要體現(xiàn)在以下方面：1）鉆井巖屑難以自然降解，若隨意傾倒，不僅會(huì)造成周邊土壤破壞、土地鹽堿化程度加深，還會(huì)造成植被大量破壞；2）存放會(huì)占用大片土地，浪費(fèi)大量的土地資源；3）長(zhǎng)期存放會(huì)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(shù)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(yīng)性強(qiáng)，但設(shè)備多、占地面積大，壓濾處理后產(chǎn)生廢水和水基巖屑干渣，廢水統(tǒng)一收集后處理成達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的污水。常用的油基巖屑處理技術(shù)有篩選流化—調(diào)質(zhì)—離心工藝、生物處理技術(shù)、溶劑萃取法和熱解析法。其中，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的是熱解析法[4]。該方法具有油基巖屑完全無(wú)機(jī)化、烴類可回收利用、處理速度快、對(duì)巖屑處理徹底和二次污染較少等優(yōu)點(diǎn)；但該方法能耗高，熱解析處理后將產(chǎn)生燃燒廢氣、廢水和熱解廢渣，其中燃燒廢氣可導(dǎo)入燃燒室內(nèi)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(duì)于鉆井巖屑處理后產(chǎn)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(wú)害化處理技術(shù)規(guī)范》（Q/SY XN0276—2007）和北美地區(qū)頁(yè)巖氣井鉆井固體廢物處理方法，按照Ⅱ類固體廢物進(jìn)行固化填埋處置。固化填埋池的設(shè)計(jì)和防滲，均參照《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18599—2001），池體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，用1∶2 水泥防滲砂漿對(duì)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。在池內(nèi)添加水泥、粉煤灰等藥劑，并和鉆井巖屑充分?jǐn)嚢杈鶆颉⒐袒?，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(jìn)行綠化[5]。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，雖然處理后采取固化填埋方式可短時(shí)間內(nèi)將預(yù)處理后的鉆井巖屑封存，但仍存在以下問題：

1）產(chǎn)生附屬?gòu)U物。水基巖屑?jí)簽V處理后產(chǎn)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(jù)《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)通則》（GB 50857—2007）仍屬危險(xiǎn)廢物，仍需要進(jìn)行無(wú)害化處理。

2）存在潛在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。由于鉆井巖屑中含有多種有機(jī)高分子聚合物、重金屬離子等污染物，處理后的殘?jiān)y免有殘留，且固化填埋池體存在滲漏風(fēng)險(xiǎn)，如果發(fā)生了污染物滲漏，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成危害[6]。

3）占用土地。目前每個(gè)頁(yè)巖氣井平臺(tái)基本都需要建設(shè)2 000～3 000 m3的固化填埋池，數(shù)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(gòu)筑，填埋鉆井巖屑要經(jīng)過轉(zhuǎn)運(yùn)、攪拌、固化、封蓋、覆土和綠化，耗費(fèi)大量的人力和物力，成本高，平均固化成本達(dá)900 元/t。

綜上所述，亟需對(duì)頁(yè)巖氣井鉆井巖屑進(jìn)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(shù)，具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 鉆井巖屑綜合利用技術(shù)

為滿足頁(yè)巖氣綠色開發(fā)及資源綜合利用需求，針對(duì)常用巖屑處理技術(shù)的不足，進(jìn)行了涪陵頁(yè)巖氣田平橋南區(qū)塊鉆井巖屑綜合利用技術(shù)研究，形成了符合《中國(guó)資源綜合利用技術(shù)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(shù)[7-8]。

2.1 水基巖屑隨鉆固化制磚技術(shù)

2.1.1 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)廢棄水基鉆井液固化原理和試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)水基巖屑采取復(fù)合固化方式進(jìn)行無(wú)害化處理，將廢棄水基鉆井液中的有害成分固定在惰性復(fù)合固化體產(chǎn)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(jié)構(gòu)，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(qiáng)度。

2.1.2 施工工藝

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，在1 個(gè)約40 m3的敞口罐中進(jìn)行復(fù)合固化；按一定比例加入藥劑，使用機(jī)械設(shè)備在罐內(nèi)進(jìn)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(shí)要注意均勻程度，每加入一次固化劑，攪拌混合時(shí)間應(yīng)超過20 min。固化處理結(jié)束后候凝2～3 h，巖屑不出現(xiàn)滴撒、散落后，使用裝載機(jī)將接收罐中的巖屑存放在巖屑臨時(shí)堆放場(chǎng)所，分批次運(yùn)至磚廠制磚。

將現(xiàn)場(chǎng)制好的復(fù)合固化體運(yùn)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(jī)制模，然后進(jìn)行制坯，再經(jīng)傳送帶和軌道車轉(zhuǎn)送至磚窯進(jìn)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(shù)

2.2.1 關(guān)鍵技術(shù)

首先在實(shí)驗(yàn)室分析檢測(cè)油基巖屑的熱值、pH值、水分、灰分、元素和黏度等指標(biāo)，然后根據(jù)分析檢測(cè)結(jié)果，將油基巖屑與合適的半固態(tài)物料按一定比例進(jìn)行混合調(diào)質(zhì)，制得半固體均質(zhì)預(yù)處理產(chǎn)品。預(yù)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(yù)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(yù)處理的關(guān)鍵技術(shù)是混合調(diào)質(zhì)，與熱解析法需要將固相與液相分離不同，油基巖屑輸送進(jìn)入攪拌池后即可與半固態(tài)廢物（如污泥、廢油、乳化液等）進(jìn)行篩分去除大顆粒物質(zhì)，然后進(jìn)行混合調(diào)質(zhì)，調(diào)節(jié)廢物pH 值（7～9）、黏度（（1.0～8.0）×107mPa·s）、化學(xué)成分（保證調(diào)質(zhì)過程中不發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)）、含水率（75%～90%）和干基熱值（4 185～18 836 kJ）等指標(biāo)。經(jīng)過調(diào)質(zhì)后的廢物進(jìn)入篩分工序再次除雜，成為半固態(tài)均質(zhì)預(yù)處理產(chǎn)品，達(dá)到入窯質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)后即可進(jìn)入水泥窯進(jìn)行安全處理。入窯質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)依照協(xié)同處置的水泥廠限值和《水泥生料成分分析標(biāo)準(zhǔn)樣品》（GSB 08-1353—2017）的要求而定，具體為：1）重金屬元素質(zhì)量指標(biāo)，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?shù)暮俊?0 000 mg/kg；2）堿金屬元素質(zhì)量指標(biāo)，鈉+鉀的含量≤5 000 mg/kg；3）非金屬元素質(zhì)量指標(biāo)，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(yù)處理好的半固態(tài)均質(zhì)產(chǎn)品由專用密閉式灌裝車運(yùn)輸進(jìn)廠，然后用螺旋卸料機(jī)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(chǎn)線窯尾，從窯尾煙室處投入回轉(zhuǎn)窯與水泥生料一同進(jìn)行煅燒，完成協(xié)同處置。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

涪陵頁(yè)巖氣田平橋南區(qū)塊鉆井巖屑綜合利用技術(shù)在JY205-1HF 井、JY199-4HF 井和JY199-5HF 井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，解決了常規(guī)巖屑處理技術(shù)對(duì)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(yàn)

涪陵頁(yè)巖氣田平橋南區(qū)塊的JY205-1HF 井二開井段產(chǎn)生水基巖屑233 m3，應(yīng)用水基巖屑隨鉆固化制磚技術(shù)制成了磚，并對(duì)制成的磚進(jìn)行了性能檢測(cè)：1）物理性能、放射性檢測(cè)，內(nèi)照射指數(shù)Ira為0.3，外照射指數(shù)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(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)均符合《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；3）抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，符合《燒結(jié)普通磚》（GB/T 5101—2003）的技術(shù)指標(biāo)。檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)要求的技術(shù)指標(biāo)的對(duì)比情況見表1。

表 1 檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比Table 1 Comparison between the test results and standard values

3.2 油基巖屑處理試驗(yàn)

涪陵頁(yè)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(jìn)，鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生464 m3油基巖屑，應(yīng)用水泥窯協(xié)同處置油基巖屑技術(shù)進(jìn)行了處理。處理后，對(duì)出窯熟料成分進(jìn)行了抽樣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表 2 處理后出窯熟料成分抽樣檢測(cè)結(jié)果Table 2 Sampling test results of kiln clinker components after treatment

對(duì)比《硅酸鹽水泥熟料》（GB/T21372—2008）給出的基本化學(xué)性能指標(biāo)，表2 中的各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果均滿足要求。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

水基巖屑和油基巖屑處理技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)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(shù)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(shù)處理水基巖屑和采用水泥窯協(xié)同處置油基巖屑技術(shù)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(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了資源的綜合利用。同時(shí)，涪陵頁(yè)巖氣田平橋南區(qū)塊鉆井巖屑綜合利用技術(shù)也符合《中國(guó)資源綜合利用技術(shù)政策大綱》的要求，可提高資源利用率和利用效率，增強(qiáng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展能力。

4 結(jié) 論

1）水基巖屑隨鉆固化制磚技術(shù)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(nèi)的時(shí)間，使鉆井固體廢物達(dá)到日產(chǎn)日清的目的，有利于時(shí)間和空間的最優(yōu)化。

2）水泥窯協(xié)同處置油基巖屑技術(shù)首先對(duì)油基巖屑進(jìn)行預(yù)處理，得到半固態(tài)均質(zhì)產(chǎn)品，然后在水泥窯進(jìn)行安全處理，可以徹底、無(wú)污染地合規(guī)處理油基巖屑。因此，該技術(shù)是一種十分有效、應(yīng)用前景良好的技術(shù)。

3）水基巖屑隨鉆固化制磚技術(shù)和水泥窯協(xié)同處置油基巖屑技術(shù)組成的涪陵頁(yè)巖氣田平橋南區(qū)塊鉆井巖屑綜合利用技術(shù)，可降低鉆井巖屑的處理成本，消除潛在的環(huán)境危害風(fēng)險(xiǎn)，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(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，應(yīng)用前景良好。