付 威,王 哲,賈浩民,張劍波,樊 軍,常彥榮,牛育華,翟文晰,郝明德

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠，陜西 靖邊 727300；5.陜西科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 前 言

隨著油、氣田勘探開(kāi)采利用程度的增加產(chǎn)生大量的鉆井廢棄物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生約1 000萬(wàn)m3鉆井廢棄物。若不將其妥善處置，將會(huì)嚴(yán)重影響井場(chǎng)及其周邊的生態(tài)環(huán)境[1～4]。鉆井廢棄物主要包含鉆井廢棄泥漿和鉆井巖屑等。其中，鉆井泥漿作為油、氣井鉆井工程中的“血液”，主要是各種有機(jī)-無(wú)機(jī)物質(zhì)和粘土礦物等混合形成的一種粘稠流體或半流體的膠體，起到攜帶、懸浮鉆屑、穩(wěn)定井壁、平衡地層壓力和冷卻潤(rùn)滑鉆頭鉆具的作用；鉆井巖屑是指油氣田勘探開(kāi)發(fā)中，鉆井泥漿循環(huán)分離回用系統(tǒng)分離出的大顆粒巖屑、砂和泥。因此，鉆井巖屑和廢棄鉆井泥漿是鉆井過(guò)程中不可避免的[5～7]。由于我國(guó)油、氣田埋藏深度深，開(kāi)采過(guò)程中將產(chǎn)生更多的鉆井廢棄物。同時(shí)，區(qū)域的水文地質(zhì)差異和鉆井廢棄物本身的復(fù)雜性[8～10]，使得鉆井廢棄物成為一種復(fù)雜的固體、液體廢棄物，直接排放會(huì)對(duì)SPAC(Soil-Plant-Air continuum)系統(tǒng)造成復(fù)雜的影響[7～10]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)鉆井廢棄物無(wú)害化處理技術(shù)進(jìn)行了大量研究，主要有固化處理法、固液分離法、注入安全地層法、土地耕作法、生物處理法、MTC(mud transfer comment)法和不落地集中處理法等[7]。其中，國(guó)外針對(duì)鉆井廢棄物開(kāi)展的研究時(shí)間較長(zhǎng)，擁有較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，例如將鉆井過(guò)程產(chǎn)生的鉆井廢棄物注入安全地層，避免了廢棄物占用大量土地資源，也可限制廢棄物在環(huán)境中的擴(kuò)散范圍[6,8,13]。國(guó)內(nèi)針對(duì)鉆井廢棄物無(wú)害化研究始于20世紀(jì)八十年代，早期常見(jiàn)的鉆井廢棄物處理方式包括：簡(jiǎn)單處理后直接排放，對(duì)大面積的土地、植被和水體造成嚴(yán)重污染。泥漿池固化法作為一種簡(jiǎn)單有效的處理方法，將鉆井過(guò)程中的產(chǎn)生的固體液體廢棄物經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單化學(xué)處理后，直接貯存在井場(chǎng)周邊的泥漿池內(nèi)，泥漿池周?chē)梅罎B布隔離，避免向四周擴(kuò)散，上層采用本地黃土覆蓋，恢復(fù)植被或直接耕種，此方法對(duì)環(huán)境影響范圍較小、操作簡(jiǎn)單、成本低、效果良好，在我國(guó)過(guò)去二十多年間被廣泛應(yīng)用[1,5]。2016年鉆井泥漿被列為HW08(071-002-08)T類(lèi)(毒性)污染物，被限制使用鉆井泥漿池固化處理，而采用鉆井廢棄物不落地集中處理技術(shù)，使用密閉式罐車(chē)將鉆井廢棄物轉(zhuǎn)運(yùn)至固定場(chǎng)所集中處理，降低其對(duì)土壤和植物的影響[7,14]。但也有相關(guān)學(xué)者指出，鉆井廢棄物是放錯(cuò)位置的資源，在一定條件或環(huán)境下可以作為一種資源用于生態(tài)恢復(fù)。鉆井廢棄物資源化常見(jiàn)處理方式包含：①直接填埋覆土耕種，將鉆井廢棄物作為作物生長(zhǎng)的基質(zhì)，促進(jìn)作物生長(zhǎng)；②井場(chǎng)道路鋪設(shè)，利用鉆井巖屑為井場(chǎng)道路鋪設(shè)材料；③固化制磚，為井場(chǎng)建設(shè)提供一定的建筑材料；④土地利用法，一種是土壤耕作，將廢棄鉆井廢棄物進(jìn)行土壤覆蓋，通過(guò)機(jī)械操作將其與土壤混合均勻，并形成厚度約100～130 mm新的耕作層。另外一種是土地拋灑，將鉆井廢棄物拋灑在地表，增加土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量。

長(zhǎng)慶油田開(kāi)采區(qū)主要位于鄂爾多斯盆地，橫跨陜、甘、寧、內(nèi)蒙古等地，油、氣儲(chǔ)量豐富，石油總資源量約為86億t，天然氣總資源量約11萬(wàn)億m3，已成為我國(guó)第一大油氣田生產(chǎn)基地。井場(chǎng)主要分布在陜北和內(nèi)蒙交界的干旱與半干旱區(qū)域，也是農(nóng)、牧業(yè)交錯(cuò)地帶。油、氣井井深平均在3 000 m以上，開(kāi)采中將會(huì)產(chǎn)生大量的鉆井廢棄物。由于該區(qū)域獨(dú)特的地質(zhì)地貌環(huán)境，其鉆井廢棄物主要是采用就地固化泥漿池法(2016年前)和不落地處理技術(shù)(2016年后)。盡管泥漿池法在該區(qū)域已實(shí)施了多年，但缺少對(duì)泥漿池法處理后的長(zhǎng)期環(huán)境效應(yīng)評(píng)估，尤其是缺乏泥漿池法處理后對(duì)土壤-植被-水分的影響。鉆井廢棄物在2016年后在該區(qū)域?qū)嵤┝瞬宦涞丶夹g(shù)處理法，對(duì)鉆井廢棄物中有害或者超標(biāo)的成分進(jìn)行集中處理，可以降低其對(duì)環(huán)境的影響，但會(huì)顯著增加運(yùn)輸成本，在運(yùn)輸過(guò)程中也會(huì)造成碳排放；同時(shí)，集中處理需要大量的場(chǎng)地來(lái)堆放，對(duì)土壤和空氣存在一定的污染風(fēng)險(xiǎn)。

因此，筆者研究旨在探索鉆井廢棄物原位處理泥漿池法對(duì)農(nóng)作物-蕎麥的產(chǎn)量、品質(zhì)和重金屬等指標(biāo)的影響，評(píng)價(jià)鉆井廢棄物泥漿池固化法在該區(qū)域的適用性和生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益。為合理處理鉆井廢棄物，結(jié)合該區(qū)域環(huán)境條件探索鉆井廢棄物原位處理技術(shù)，降低處理成本，進(jìn)行無(wú)害化處理，使鉆井廢棄物資源化應(yīng)用于構(gòu)建良好的土壤結(jié)構(gòu)，為促進(jìn)該區(qū)域井場(chǎng)植被恢復(fù)和農(nóng)牧業(yè)發(fā)展，避免資源浪費(fèi)提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法1.1 研究區(qū)域概況

研究井場(chǎng)地處黃土高原中部，屬典型的干旱與半干旱區(qū)域。土壤為沙黃土，質(zhì)地均勻，砂粒、粉粒和粘粒含量分別為83.40%、8.84%和7.76%，屬于砂質(zhì)壤土(美國(guó)農(nóng)部制)，有機(jī)質(zhì)含量為6.81 g·kg-1。井場(chǎng)如圖1(a)所示，鉆井前平整井場(chǎng)土地，于2014年完成鉆井工程。同時(shí)，將鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的鉆井巖屑、泥漿等固、液廢棄物進(jìn)行泥漿池固化，在泥漿池下層鋪有一層防滲布，上層覆蓋沙黃土。按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)事日程，復(fù)墾井場(chǎng)土地，種植農(nóng)作物——蕎麥(FagopyrumesculentumMoench.)。泥漿池剖面如圖1(b)所示，自上而下分別是農(nóng)作物、黃土覆蓋層、鉆井泥漿固化層和深層黃土。該區(qū)域年蒸發(fā)量大、年降水少且季節(jié)性分布不均，主要集中在7-10月，占全年降水的70%以上，且強(qiáng)降水事件頻發(fā)。防滲布鋪設(shè)是為了避免鉆井廢棄物在土壤剖面的擴(kuò)散和淋溶遷移。

圖1 試驗(yàn)地概況與泥漿池剖面

1.2 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

于2018年9月中旬在井場(chǎng)范圍內(nèi)，確定泥漿池固化準(zhǔn)確位置，利用土鉆法采集泥漿池內(nèi)、外土壤剖面樣品，土鉆直徑40 mm，間隔20 cm采集一個(gè)土壤樣品，直至泥漿池底部防滲布位置。實(shí)驗(yàn)室采用烘箱105℃烘干至恒重，測(cè)定各層土壤含水量。

分別在井場(chǎng)上泥漿池內(nèi)、外選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的蕎麥，進(jìn)行植物樣采集，采樣面積1 m2，3次重復(fù)。于實(shí)驗(yàn)室測(cè)定蕎麥地上部分生物量，籽粒產(chǎn)量以及籽粒的氨基酸等品質(zhì)指標(biāo)和重金屬含量。

1.3 相關(guān)計(jì)算

土壤質(zhì)量含水量計(jì)算：

(1)

式中：θm，土壤質(zhì)量含水量，%；m1為濕土質(zhì)量，g；m2為干土質(zhì)量，g；m1-m2為土壤水質(zhì)量，g。

單井鉆井巖屑計(jì)算：

人類(lèi)的語(yǔ)言發(fā)音中有大量的共性現(xiàn)象，比如[w]音在英漢語(yǔ)中發(fā)音部位和動(dòng)作的相似，這決不是單純的偶然巧合?！坝审@到緩”這一心態(tài)轉(zhuǎn)換的高頻出現(xiàn)，是促進(jìn)“well”虛化的原因之一。既然能用攥緊拳頭來(lái)緩和緊張，也就沒(méi)有理由去否認(rèn)舌頭、口腔的特定動(dòng)作組合也能達(dá)到影響人心態(tài)的特定效果。語(yǔ)言的外因(認(rèn)知、語(yǔ)用和文化)和語(yǔ)言的內(nèi)因(語(yǔ)音、語(yǔ)法和語(yǔ)義)[17]之間矛盾的對(duì)立性使語(yǔ)言發(fā)生演變，但二者的統(tǒng)一性又成就了其被虛化后的規(guī)約意義。了解這一點(diǎn)有助于譯者解放思想，拋開(kāi)其詞典意義的束縛，從而在譯文中更好地體現(xiàn)well的語(yǔ)篇功能和人際功能。

(2)

式中：V1，鉆井巖屑排放量，m3；D，油氣井直徑，m；h，井深，m

單井鉆井泥漿計(jì)算采用《油田開(kāi)發(fā)環(huán)境影響評(píng)價(jià)文集》中的經(jīng)驗(yàn)公式：

(3)

式中：V2，鉆井泥漿排放量，m3

1.4 數(shù)據(jù)處理與作圖軟件

數(shù)據(jù)計(jì)算和整理利用Microsoft Excel 2016，作圖應(yīng)用Origin 9.3和Microsoft Visio 2016。

2 結(jié)果分析

2.1 泥漿池內(nèi)外作物產(chǎn)量/生物量差異

泥漿池內(nèi)蕎麥地上部生物量和籽粒產(chǎn)量遠(yuǎn)高于泥漿池外(圖2)。泥漿池內(nèi)地上部分生物量(6 553 kg·hm-2)是泥漿池外(1 541 kg·hm-2)的4.3倍，顯著提高了蕎麥的地上部生物量。泥漿池內(nèi)蕎麥籽粒產(chǎn)量也有較大提升，較泥漿池外增產(chǎn)45.2%(480 kg·hm-2)。

圖2 泥漿池內(nèi)外蕎麥生物量與產(chǎn)量比較

泥漿池內(nèi)、外土壤剖面質(zhì)量含水量差異主要在鉆井泥漿等廢棄物固化層(圖3)。從土壤剖面含水量數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取土樣的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，泥漿池深度為320 cm，泥漿固化層為200～320 cm，厚度達(dá)120 cm。泥漿池外的整個(gè)土壤剖面含水量平均土壤質(zhì)量含水量為18.4%；但在泥漿池內(nèi)，黃土覆蓋層土壤含水量與泥漿池外基本一致，但泥漿固化層含水量顯著高于黃土覆蓋層，平均質(zhì)量含水量達(dá)51.1%，由于固化層的存在，形成了一個(gè)阻礙水分向深層運(yùn)移的隔水層，可以將降水阻隔在之上的土壤中，為作物的生長(zhǎng)發(fā)育提供良好的水分條件。

2.2 泥漿池內(nèi)外蕎麥籽粒品質(zhì)差異

氨基酸作為合成蛋白質(zhì)的重要物質(zhì)之一，其含量差異在一定程度上可反映籽粒品質(zhì)。蕎麥籽粒中16種氨基酸濃度無(wú)顯著差異，基本表現(xiàn)為泥漿池內(nèi)蕎麥籽粒氨基酸濃度略低于泥漿池外(圖4)。但從每公頃蕎麥籽粒中含氨基酸總量來(lái)看，泥漿池內(nèi)顯著高于泥漿池外(表1)。每公頃蕎麥籽粒16種氨基酸總量泥漿池內(nèi)(152.5 kg)較泥漿池外(109.1 kg)提高了39.8%。各種不同種類(lèi)的氨基酸也明顯提升，其中酪氨酸提升最小為32.4%，組氨酸提升最大為55.6%。

表1 蕎麥籽粒中氨基酸總量對(duì)比

圖4 泥漿池內(nèi)外蕎麥籽粒氨基酸濃度比較

粗蛋白、粗脂肪、淀粉和還原性糖四種籽粒品質(zhì)指標(biāo)呈現(xiàn)出不同差異(圖5)。其中，籽粒粗蛋白和淀粉含量泥漿池內(nèi)低于泥漿池內(nèi)，分別降低了4.5%和7.6%。而粗脂肪和還原性糖含量則出現(xiàn)泥漿池內(nèi)大于泥漿池外，分別提高了4.5%和36.8%，還原性糖含量提升最大。

圖5 兩個(gè)井場(chǎng)泥漿池內(nèi)外蕎麥相關(guān)品質(zhì)指標(biāo)對(duì)比

2.3 泥漿池內(nèi)外作物籽粒重金屬含量差異

表2 兩個(gè)井場(chǎng)泥漿池內(nèi)外蕎麥籽粒重金屬含量差異 (mg·kg-1)

3 討論

3.1 泥漿池固化鉆井廢棄物對(duì)作物產(chǎn)量的影響

黃土高原干旱與半干旱區(qū)域影響作物生長(zhǎng)的主要因素是降水少、空間分布不均和土壤肥力貧瘠。泥漿池法固化處理鉆井廢棄物采用“上蓋下鋪”的方式，上層黃土覆蓋層，采用當(dāng)?shù)刭|(zhì)地較粗的沙黃土，下層是鉆井泥漿等廢棄物，形成“上砂下粘”的土壤結(jié)構(gòu)，這種土壤結(jié)構(gòu)在土壤學(xué)中被稱(chēng)為“蒙金土”，是一種良好的土壤結(jié)構(gòu)[15,16]。其既可以增加土壤水分入滲，降低地表徑流和土壤侵蝕，也可以增加土壤貯水量和保水保肥能力，進(jìn)而促進(jìn)作物生長(zhǎng)[15,17～19]。具體來(lái)說(shuō)，在降雨事件發(fā)生后，降水可以迅速入滲至泥漿池剖面，到達(dá)泥漿固化層，增加土壤水分入滲，降低了地表徑流，避免土壤侵蝕發(fā)生[13]。此外，土壤剖面貯水量增加，為作物的生長(zhǎng)發(fā)育提供良好的土壤水分資源。因此，泥漿固化層實(shí)際上成為了作物生長(zhǎng)發(fā)育的一個(gè)“水庫(kù)”。同時(shí)，泥漿池底部和四周鋪設(shè)防滲布，降低水分向深層黃土的滲漏與鹽分運(yùn)移。加之鉆井廢棄物本身具有良好的持水性，也會(huì)減少水分向四周擴(kuò)散?？傊?，泥漿池法固化處理鉆井廢棄物為作物的生長(zhǎng)，提供了良好的水分條件。同時(shí)，鉆井廢棄物中包含了各種有機(jī)物質(zhì)和礦質(zhì)離子，很大程度上增加了土壤肥力；此外，降水入滲過(guò)程將耕層部分養(yǎng)分淋洗至泥漿固化層，故泥漿固化層也是一個(gè)富含養(yǎng)分的“肥庫(kù)”，可為蕎麥生長(zhǎng)提供各種必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。所以，泥漿池內(nèi)處理鉆井廢棄物具有良好的土壤剖面結(jié)構(gòu)、充足的水分條件資源，富含各種植物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分，顯著增加蕎麥生物量和籽粒產(chǎn)量。

3.2 泥漿池固化鉆井廢棄物對(duì)蕎麥籽粒品質(zhì)和重金屬含量的影響

泥漿池內(nèi)蕎麥籽粒中氨基酸濃度稍低，但這種差異未達(dá)到顯著水平。同時(shí)，未影響每公頃蕎麥籽粒中總氨基酸含量。主要原因可能是泥漿池內(nèi)蕎麥長(zhǎng)勢(shì)良好，籽粒產(chǎn)量較高，不影響總氨基酸含量[20]。

籽粒重金屬元素含量超標(biāo)將會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生影響[21～22]。例如日本的水俁病事件和湖南鎘大米事件，分別為重金屬汞和重金屬鎘超標(biāo)引起的。鉆井過(guò)程中，采用鉆機(jī)機(jī)械物理破碎巖層，不存在化學(xué)過(guò)程。即使巖層含有重金屬富集的巖石，在性質(zhì)穩(wěn)定鉆井泥漿運(yùn)移至地表也不會(huì)活化重金屬礦物。通常在地層深處是一個(gè)高溫高壓環(huán)境，巖石礦物可以穩(wěn)定存在，即便將其轉(zhuǎn)移至常溫常壓下，亦不會(huì)輕易發(fā)生狀態(tài)變化。鉆井固體廢棄物中一般不會(huì)出現(xiàn)重金屬超標(biāo)，即便有重金屬礦物存在使得部分重金屬含量超標(biāo)，那也是以穩(wěn)定的礦物態(tài)存在于巖屑之中。也有研究報(bào)道指出，鉆井廢棄物中含有諸多硫化物，可與重金屬形成穩(wěn)定的硫化物而被固定[20～22]。同時(shí)，該地區(qū)土壤為微堿性土壤，對(duì)重金屬也有鈍化作用，使其處于穩(wěn)定狀態(tài)，重金屬不容易被作物生長(zhǎng)所吸收利用。最后，植物本身對(duì)重金屬離子也有選擇性吸收利用，重金屬一般不會(huì)在該區(qū)域的作物中富集[23～24]，試驗(yàn)結(jié)果也表明籽粒重金屬含量未超標(biāo)。

3.3 鉆井廢棄物構(gòu)建十畝良田和百米優(yōu)質(zhì)草場(chǎng)潛力

長(zhǎng)慶油田一口深3 000 m的油、氣井(D=216 mm)鉆井過(guò)程中將產(chǎn)生鉆井巖屑約110 m3，鉆井泥漿約240 m3。巖層被破碎成巖屑的疏松過(guò)程和其他鉆井過(guò)程添加物料，完成一口井鉆探將產(chǎn)生約800 m3的鉆井固體、液體廢棄物。將鉆井廢棄物土地資源化利用，若井場(chǎng)附近是農(nóng)業(yè)種植區(qū)，則可將這800 m3鉆井廢棄物封存在近0.67 hm2地的泥漿池內(nèi)，結(jié)合沙黃土混合，將形成一個(gè)超過(guò)10 cm的固化層，在上層覆蓋一定厚度(>60 cm)的黃土，進(jìn)行復(fù)墾，用于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)，通過(guò)“上砂下粘”的良好土壤結(jié)構(gòu)[5]，提供一個(gè)水分充沛的根區(qū)環(huán)境，結(jié)合鉆井廢棄物富含的營(yíng)養(yǎng)成分，可促進(jìn)作物生長(zhǎng)，增加作物產(chǎn)量[21～22]。若井場(chǎng)分布在牧區(qū)草場(chǎng)，則可利用土地拋灑的方式將固體廢棄物噴灑在牧草稀疏的10 000 m2草場(chǎng)上，將形成一層厚度超過(guò) 5 cm的固化層，一是鉆井泥漿等廢棄物可以與表層土壤形成良好的土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤團(tuán)聚程度，避免該區(qū)域的風(fēng)蝕所造成的沙塵；二是鉆井泥漿等廢棄物固化層具有很好的保水性，可以為牧草的生長(zhǎng)提供較好的水分條件；三是固化層含有的大量有機(jī)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)成分可以供給牧草的生長(zhǎng)。若井場(chǎng)位于黃土丘陵溝壑區(qū)，井場(chǎng)周邊屬撂荒地，則可將鉆井廢棄物用來(lái)種植灌草植被。同時(shí)，種植植物也可以對(duì)鉆井廢棄物中的有機(jī)物質(zhì)等，進(jìn)行分解利用，在土壤微生物的作用下，進(jìn)行土壤修復(fù)[23～24]。有機(jī)物質(zhì)分解有利于植被的存活與生長(zhǎng)，促進(jìn)鉆井時(shí)破壞的植被生態(tài)修復(fù)，增加生態(tài)脆弱區(qū)的生物多樣性，促進(jìn)油田與環(huán)境友好發(fā)展[25]。

4 結(jié)論與展望

(1)黃土區(qū)鉆井廢棄物就地泥漿池固化處理4 a后，增加了土壤剖面含水量和貯水量，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，顯著提高了蕎麥籽粒產(chǎn)量，籽粒中重金屬含量不超標(biāo)。泥漿池固化后形成了“上砂下粘”的良好結(jié)構(gòu)，泥漿固化層成為促進(jìn)作物生長(zhǎng)的肥庫(kù)和水庫(kù)。

(2)鉆井廢棄物在黃土區(qū)，不落地處理會(huì)帶來(lái)大量的運(yùn)輸成本和資源浪費(fèi)，在運(yùn)輸過(guò)程中排放大量汽車(chē)尾氣也影響周邊環(huán)境。若將其合理處理，采用原位處理鉆井泥漿等廢棄物，對(duì)該區(qū)域構(gòu)建高產(chǎn)農(nóng)田、優(yōu)質(zhì)牧場(chǎng)和生態(tài)植被恢復(fù)將會(huì)有重要意義。因此，一口鉆井廢棄物，構(gòu)建十畝良田或百米優(yōu)質(zhì)草場(chǎng)，促進(jìn)井場(chǎng)植被恢復(fù)，可能對(duì)油、氣田可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。