陳立榮 胡攀峰 唐 攀 馮永東 蔣學彬 王 玨 沈弼龍 劉漢軍

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

0 引 言

頁巖氣作為一種重要的非常規(guī)油氣資源，在我國可采儲量達25萬億m3[1]，目前已成為我國油氣資源勘探開發(fā)的重點。國家發(fā)改委等四部委聯(lián)合制定的《頁巖氣十三五發(fā)展規(guī)劃》的出臺大力推動了國內頁巖氣的勘探開發(fā)，對改善我國能源結構、保障能源安全、帶動經濟發(fā)展具有重要意義。川渝地區(qū)作為國家頁巖氣勘探開發(fā)的主要區(qū)域，近年頁巖氣勘探開發(fā)發(fā)展迅速，重慶涪陵頁巖氣田2018年生產頁巖氣已達60億m3，四川長寧-威遠區(qū)塊頁巖氣2020年產能已達100億m3。頁巖氣勘探開發(fā)與常規(guī)天然氣鉆井開發(fā)一樣，其在鉆井作業(yè)過程中產生大量固廢，但由于頁巖氣產量有限，遞減率高，為獲得合理的投資回報，需采用特殊的鉆井作業(yè)工藝，鉆達目的層的鉆井前期，往往需采用成本相對較低的水基聚合物鉆井液及空氣進行鉆井，產生的固廢組分相對單一，污染物含量相對較少，危害性較低，而鉆達深部頁巖目的層位時需進行水平鉆進，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，進而產生危險廢物油基鉆屑(屬于《國家危險廢物名錄》(2021年版)HW08類)，其含油量高達15%～20%[2]，因此，頁巖氣全井產生的固廢性質存在很大差異，為固廢分類資源化處置利用奠定了基礎。

1 川渝地區(qū)頁巖氣鉆井固廢的特點

1.1 頁巖氣鉆井作業(yè)情況

川渝地區(qū)主要頁巖氣區(qū)域長寧、威遠和涪陵頁巖氣鉆井主要采用“水基鉆井液+空氣鉆+油基鉆井液”方式進行鉆井作業(yè)。一般的鉆井井身結構及對應的鉆井液主要成分見表1。

表1 川渝地區(qū)頁巖氣鉆井井身結構和鉆井液的主要成分

1.2 頁巖氣鉆井固廢性質特點

鉆井固廢性質主要與所鉆地層巖性及鉆井液有關，而不同鉆井層段所使用鉆井液體系不同，產生的鉆井固廢組成性質和特點也不同。

1)表層導管段(0～50 m左右井深)

在頁巖氣鉆井的表層導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。但由于表層鉆井鉆頭尺寸大，雖井深段不深，但固廢產生量較多。

2)一開井段(50～1 000 m左右井深)

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

3)二開井段(1 000～2 000 m左右井深)

在二開井段，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鹽聚合物鉆井液，鉆井液主要以無毒低害的有機鹽和聚合物為主調配而成，產生的固廢主要含易生物降解的非苯環(huán)有機物，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[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，轉化為氣體霧化鉆井。氣體鉆井產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，降塵鉆屑儲存在污水應急池中。如采用清潔水淋洗降塵，在純空氣鉆井時所產生的固廢完全不含污染物；如采用鉆井廢水進行淋洗降塵，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，但氣體鉆井產生的鉆屑顆粒粒徑小。二開固廢產生量一般占全井的1/4左右。

調研分析了川渝地區(qū)部分頁巖氣一二開采用水基聚合物鉆井液體系鉆井產生的固廢中主要污染物性質，其有機污染物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)境質量 農用地土壤污染風險管控標準》(其他，風險篩選值，pH值>7.5)(表2)；盧邦俊[5]調查分析了涪陵頁巖氣水基鉆井固廢中銅、鋅、鉻、鈹、鎳、鋇、鋁、鉛、鎘、砷、汞、硒等指標，其值均遠低于HJ 350—2007《展覽會用地土壤環(huán)境質量評價標準(暫行)》A級標準值，部分元素甚至屬于低背景含量；張思蘭等[6]研究了西南頁巖氣水基鉆屑特性，結果顯示，水基鉆屑結晶礦物主要是SiO2、BaSO4、CaCO3、Ca(OH)2，除水基鉆屑中礦物油超出HJ 350—2007標準值0.28 mg/L外，重金屬指標滿足CJ/T 340—2016《綠化種植土壤》中Ⅲ級標準，且均低于GB 15618—2018《土壤環(huán)境質量 農用地土壤污染風險管控標準》(其他，風險篩選值，pH值>7.5)，且除有效磷、堿解氮含量較低外，速效鉀、有機質等含量滿足CJ/T 340—2016《綠化種植土壤》標準要求。

川渝地區(qū)頁巖氣水基鉆井固廢主要污染物監(jiān)測結果見表2。

表2 川渝地區(qū)頁巖氣水基鉆井固廢主要污染物監(jiān)測結果

4)三開井段(2 000～4 000 m左右目的層)

為確保目的層頁巖層水平段的安全快速鉆井，川渝地區(qū)的長寧、威遠和涪陵頁巖氣區(qū)塊在目的層水平井段通常采用油基鉆井液進行鉆井，以加強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。長寧和威遠區(qū)塊主要以白油為基礎油，涪陵區(qū)塊部分采用柴油，并添加較多的乳化劑、潤濕劑、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15%～20%，同時，固廢中污染物組分也較復雜，固廢環(huán)境危害性大。梅緒東等[2]研究分析了涪陵頁巖氣油基鉆屑的組成成分，其有機物包含烷烴類、非烴類、膠質和瀝青質等，烷烴類占73%，非烴類包括脂肪酸甲酯、硬脂肪酸鹽等，膠質和瀝青質主要為含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《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》中的標準限值，重金屬含量有檢出，但未超過GB 15618—2018標準中的風險管控值。盧邦俊[5]調查分析了涪陵頁巖氣油基鉆屑重金屬含量，與HJ 350—2007表1A標準值比較，鋅、鋇、鎳、鉛和鎘5種元素存在超標現(xiàn)象，尤其是鋇、鉛超標明顯，分析主要原因可能是鉆井中使用加重劑造成的；分析了長寧頁巖氣油基鉆屑中的重金屬含量，檢測的8個有害重金屬指標均未超過GB 15618—2018標準中的風險管控值。此井段固廢量一般占全井的1/4左右。

2 川渝地區(qū)頁巖氣鉆井固廢資源化利用情況及存在問題

2.1 頁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)主要頁巖氣區(qū)塊長寧、威遠和涪陵地區(qū)對上部地層一二開鉆井所有水基鉆井固廢均采用隨鉆收集，大部分外運地方磚廠制燒結磚利用，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，在川渝地區(qū)10多口井，處理水基鉆井固廢近1萬m3，取得較好效果[7-12]。孫靜文等[13]介紹國外殼牌、雪佛龍、哈里伯頓等公司使用生物技術處理鉆屑；某公司曾擬在川東北某井采用生物技術對該井水基鉆井固廢進行生物處理利用(通過了國家的環(huán)評認可)，構建了面積達3 000 m2左右的鉆井固廢生物處理物堆放降解場，雖最終由于其他原因而未實施，但也說明了該技術的可行性和認可度。

2)油基鉆屑

川渝地區(qū)主要頁巖氣區(qū)塊長寧、威遠和涪陵地區(qū)單井油基鉆屑產生量一般在400 m3左右。對于油基鉆屑，主要采用場內預脫油，降至含油量5%左右后，一是送當?shù)鼐邆湮ｋU廢物處置資質的單位進行處置(如采取回轉窯高溫焚燒工藝)，二是送當?shù)厮鄰S進行水泥窯協(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]報道采用熱餾處理技術，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的水泥窯協(xié)同處理利用，一些用于制備免燒磚。

2.2 頁巖氣鉆井固廢資源化處置利用存在的主要問題

2.2.1 水基鉆井固廢

1)水基鉆井固廢未進行分類收集處置利用，基本是全井一并外送當?shù)刂拼u廠制磚利用。一是轉運量大；二是處置費用高，包括轉運前預脫水費用，藥劑、人工及設備費用，運輸和最終處置費用等；三是增加了轉運中的安全環(huán)保潛在風險。

2)地方磚廠接納有限，價格易受其控制。一是頁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%，否則磚質量和煙氣排放很難滿足要求；二是在轉運前為防止固廢過稀造成運輸中廢水漏失，常需加入水泥等膠凝固廢并增加其強度，進而影響制磚質量；三是由于粒徑大強度高的硬質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，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險。

5)建設方要求清潔生產服務單位配備板框壓濾機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陽離子，難以再利用于調配鉆井液，雖固廢減量了，但相應增加了廢水量；二是無謂增加了固廢減量化裝置及人員費用等投資；三是壓濾設備占地面積較大，并影響鉆井現(xiàn)場的“三標”建設；四是此設備不適用于硬質、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)場內預脫油處理委托第三方服務機構，其相應配置設備主要為高速離心機、鉆屑收集斗及轉移叉車、巖屑輸送帶等，不僅設備及操作人員多、投資高、設備占地面積大，同時也增加了現(xiàn)場安全環(huán)保風險，也不利于現(xiàn)場“三標”建設。

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

3 結論與建議

3.1 結論

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

2)川渝地區(qū)主要頁巖氣區(qū)域的水基鉆井固廢中有機污染物及有害重金屬含量不高，有機污染物主要為易降解的非苯環(huán)類有機物。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，如處理后能作為完井井場復耕土，則更具經濟生態(tài)性，并可減少轉運中的安全環(huán)保風險。

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)評中明確可直接收集堆放，完井可直接作為井場復耕用土。這樣既可節(jié)約一定的轉運處置費用，減少相應安全環(huán)保風險，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，由于頁巖組分性質(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比較相近，并具一定強度和粒徑，因此，初步脫油后的油基鉆屑最好的資源利用方式應是協(xié)同水泥窯焚燒處置，其次制成水泥塊或作井場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)應對頁巖氣鉆井不同鉆井液體系固廢分類收集，分類進行資源化處置利用，這樣可實現(xiàn)更經濟節(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施，建議建設方在環(huán)評報告編制中應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生的固廢可直接收集堆放，完成后可作為完井井場復耕用土；一二開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)頁巖氣鉆井平臺污水應急池在容積不變情況下可設計構建成兩格池，以便其中一格池用來收集處置氣體鉆井水淋洗降塵(處置利用后可及時騰空該池)。

4)如對頁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，建議在鉆前建設時按單井同時租地構建一個容積為600～700 m3的生物處理物堆放降解場(平臺所有井完鉆后，前期水基鉆井固廢生物處理物已可達到相關標準要求，可及時再利用并還租)。

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，建設方對頁巖氣鉆井平臺是否配備水基鉆井固廢壓濾減量化設備的經濟和必要性作全面評估。

3.2.2 油基鉆屑處置利用方面

1)按照GB 5085.3—2007《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》規(guī)定，油基鉆屑經處理后產生的灰渣仍屬危廢，建議行業(yè)或建設方積極向國家或地方爭取油基鉆屑其含油量降至一定量，如降至2%或1%以下，在經過認定，不具危險廢物特性時即可認定為一般固廢的政策或規(guī)定。

2)建議川渝地區(qū)頁巖氣鉆井隊應研究配置高速離心機或多級振動篩作為鉆井設備集成化配套設備。如能實現(xiàn)油基鉆屑含油量降低5%左右時，可不必使用預脫油設備，不僅可節(jié)約預脫油設備投資及人員費用，同時可減少此設備占地面積和相應安全環(huán)保風險。

3)建議開展油基鉆屑生物處理利用技術研究。國外殼牌、雪佛龍、哈里伯頓等很多公司，已開始使用生物處理技術處理油基鉆屑。