李夢(mèng)莉，張玉國(guó)，羅海梅，何江濤，于 妍

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100000）

我國(guó)的頁巖氣儲(chǔ)量豐富，開發(fā)潛力大，可開采資源量為25萬億m3，具有資源潛力大、開采壽命長(zhǎng)和生產(chǎn)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，商業(yè)前景廣闊，發(fā)展前景較好。2009年，中國(guó)頁巖氣資源勘查項(xiàng)目在重慶市啟動(dòng)，標(biāo)志著我國(guó)開始了以頁巖氣資源作為新型能源的重要戰(zhàn)略[1]。隨著頁巖氣開發(fā)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，由其導(dǎo)致的環(huán)境問題受到廣泛關(guān)注，鉆井泥漿、壓裂產(chǎn)生的液體的回收利用和鉆井巖屑的處理都是急需重視的內(nèi)容。頁巖氣開采中單井產(chǎn)生的水基鉆井巖屑600～800m3、油基巖屑約為200～300m3，產(chǎn)量較大，較難處理[2]。我國(guó)預(yù)計(jì)到 2030 年實(shí)現(xiàn)頁巖氣產(chǎn)量 800～1 000 億 m3。

2015年我國(guó)正式實(shí)施新環(huán)保法，對(duì)油基鉆屑這類危險(xiǎn)廢棄物的管控和安全處理處置提出了更高的要求，具體實(shí)施細(xì)則規(guī)定：在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和處理的整個(gè)過程中，含油污泥均不得落地。我國(guó)頁巖氣開發(fā)仍處起步階段，處理好頁巖氣資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系是當(dāng)務(wù)之急，開采作業(yè)中的廢棄物處置具有環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性，要想處理好污染問題，必須對(duì)鉆井廢物進(jìn)行處理。了解鉆井巖屑處理技術(shù)及研究趨勢(shì)，探討該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外研究差異和研究熱點(diǎn)，以期為鉆井巖屑今后的研究方向提供參考。

1 鉆井巖屑污染特征

鉆井巖屑主要包括：清水基鉆屑、水基鉆屑、油基鉆屑。清水基鉆屑對(duì)環(huán)境不具有危害性；水基鉆屑中主要包含鉆井液中的添加劑的成分，包括潤(rùn)滑劑、氯化鉀、純堿、聚合醇等物質(zhì)，還包含地層中的石油類和重金屬等物質(zhì)，含油率在2%～5%[3]。頁巖氣的開采主要集中在南方地區(qū)，南方地區(qū)多為復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)，地域條件復(fù)雜，造成了頁巖氣資源開采艱難，因此，在鉆井過程中添加的油基鉆井液，油基鉆井液減少了井壁坍塌剝落、頻繁憋泵、卡鉆等問題。油基鉆屑由70%～85%的灰分、15%～27%的有機(jī)物和1%～15%的水分組成，有機(jī)物來源于調(diào)制鉆井液的基礎(chǔ)油和各類有機(jī)添加劑，主要成分為烷烴、多環(huán)芳烴、苯系物和烯烴，有機(jī)物中油類的比例最大[4]，油基巖屑具有廢物和資源的雙重屬性。

2 鉆井巖屑處理處置技術(shù)

2.1 資源化利用技術(shù)

資源化利用技術(shù)是鉆井巖屑經(jīng)物化處理后加入其他凝膠材料、添加劑制成建材資源的一種處理方式。目前，鉆井巖屑制備的陶粒、免燒磚、燒結(jié)磚、混凝土、水泥在浸出液和抗壓強(qiáng)度上能滿足建材行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)產(chǎn)生了新的建材資源。在較低的溫度下，加入 0%～6%油基巖屑制備水泥，配制的水泥具有良好的水化性能，抗壓強(qiáng)度也符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，用少量油基巖屑制備水泥熟料可有效降低油基巖屑的毒性，當(dāng)油基巖屑添加量小于3%時(shí)，浸出液的重金屬離子符合EPA 標(biāo)準(zhǔn)，重金屬離子的浸出濃度遠(yuǎn)低于原油基巖屑廢物[5-6]。以不同比例油基巖屑與煤矸石混合煅燒，冷卻后得到的陶粒具有較好的物理性能，密度低，吸水率低，抗壓強(qiáng)度高，鉆屑中大部分重金屬都得到了有效的固化，有機(jī)有毒物質(zhì)被完全燃燒，有害元素的浸出量達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。資源化利用可以實(shí)現(xiàn)廢棄物的資源化利用，具有良好的應(yīng)用前景，但相應(yīng)的處理成本會(huì)增加。

2.2 熱脫附技術(shù)

熱脫附技術(shù)又稱為熱解析技術(shù)，以物理反應(yīng)為主，是當(dāng)前發(fā)展較為成熟的含油鉆屑處理技術(shù)，用熱處理可以有效地降解有機(jī)污染物，減少廢物的總體積，并降低金屬和鹽的流動(dòng)性。熱脫附技術(shù)是采用熱處理使有機(jī)物從固相中分離出來，分為低溫?zé)崦摳胶透邷責(zé)崦摳?。傳統(tǒng)熱脫附設(shè)備有回轉(zhuǎn)窯、螺旋式熱脫附、滾筒式熱脫附，近年來又誕生流化床式、遠(yuǎn)紅外加熱脫附、微波加熱脫附和太陽能加熱[7]。長(zhǎng)寧、威遠(yuǎn)頁巖氣開發(fā)國(guó)家示范區(qū)采用熱脫附技術(shù)，日處理量達(dá)到40t，處理后的油含量小于1%（w），油回收率達(dá)到95%以上[8]。電磁加熱熱脫附處理白油基巖屑，熱脫附后含油率小于1%。熱脫附處理后殘?jiān)吐士尚∮?.3%、油回收率高于75%，已應(yīng)用于四川、重慶、新疆等地區(qū)[9]。熱脫附的周期短，加熱速度快，可回收大部分石油烴，但能耗較高。

2.3 穩(wěn)定化/固化技術(shù)

穩(wěn)定化/固化技術(shù)是將廢物封裝在具有高度完整性固體結(jié)構(gòu)中，將污染物與環(huán)境隔開，通過大量減少暴露于淋洗的表面積或?qū)U物隔離在不透水的封裝物內(nèi)，限制污染物的遷移。泥和火山灰的組合是當(dāng)今固化/穩(wěn)定工業(yè)的選擇方法，常用的添加劑是水泥、粉煤灰、石灰、氧化鈣。以10%水泥，30%粉煤灰，2%氧化鈣，2%XC-I，3%XC-II 固化劑對(duì)鉆井巖屑進(jìn)行固化處理，COD、pH、石油類指標(biāo)達(dá)到固體廢物排放標(biāo)準(zhǔn)[10]。以水泥作為固化劑，添加高爐渣固化15d后固體強(qiáng)度可達(dá)到10MPa 以上，浸出液滿足地表水環(huán)境質(zhì)量V 級(jí)要求[11]。穩(wěn)定化/固化的研究主要是對(duì)固化劑和固化工藝條件優(yōu)化研究，穩(wěn)定固化的成本低，操作簡(jiǎn)單，但固化法不能根除污染物。

2.4 萃取技術(shù)

萃取技術(shù)是根據(jù)“相似相溶”原理，通過有機(jī)溶劑將鉆屑中的油類物質(zhì)提取出來，通過減壓蒸餾回收萃取劑和有機(jī)物。超臨界流體萃取是近年來研究較多的一項(xiàng)新萃取技術(shù)，超臨界流體具有在特定溫度和壓力組合下使用特定溶劑提取特定化合物的能力，提取出來的碳?xì)浠衔锟梢杂糜跓捰蛷S，可以作為新的鉆井泥漿配方。采用超臨界CO2萃取方式處理含油鉆屑，在恒溫45℃，加入2%的非極性挾帶劑石油醚，萃取2h 后，鉆屑含油量降至0.2%，超臨界CO2萃取后巖屑含油率低，回收后的基礎(chǔ)油相與添加油成分接近，萃取出的基礎(chǔ)油滿足二次配制鉆井液的要求[12]。Ma等采用超臨界二氧化碳萃取，在溫度為35℃、壓力為20MPa、萃取時(shí)間為60min 的條件下，萃取效率可達(dá)98%，回收的碳?xì)浠衔锏男再|(zhì)在提取過程中不會(huì)改變。萃取技術(shù)除油效率較高，萃取劑可回收，但會(huì)造成二次污染，對(duì)設(shè)備的要求較高。

2.5 生物修復(fù)技術(shù)

碳?xì)浠衔锏纳锝到馐且环N成本效益高的技術(shù)，是石油烴的一種有效的修復(fù)方法，會(huì)引起石油化合物性質(zhì)和濃度的變化。生物降解被歸類為最重要的工具，以消除毒性和去除不同環(huán)境中的碳?xì)浠衔?。生物修?fù)技術(shù)去除鉆井巖屑中的污染物，分為生物刺激和生物強(qiáng)化兩種方式。高效石油烴降解菌的篩選和降解優(yōu)化研究較多，堆肥是常見的鉆屑生物處理技術(shù)，鉆井巖屑與疏松劑、膨松劑按一定比例混合，再投加外源營(yíng)養(yǎng)元素提高原油降解率。膨松劑可提高好氧微生物降解石油類污染物的有效性，營(yíng)養(yǎng)因素是油基巖屑生物堆肥過程中最重要的影響因素，油基巖屑與鋸末混合后加入外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在微生物的作用下，堆肥處理90d，石油類降解率達(dá)到87%。假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、不動(dòng)桿菌屬等微生物能夠?qū)⑻細(xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為能源和生物質(zhì)以及生物廢料副產(chǎn)品，許多微生物都有這種能力來清理和修復(fù)被碳?xì)浠衔镂廴镜牡胤剑谠S多文獻(xiàn)中均有報(bào)道。生物修復(fù)技術(shù)成本低、可徹底降解污染物，但處理周期較長(zhǎng)，受污染物的濃度和污染物類型限制。

3 鉆井巖屑研究趨勢(shì)

3.1 數(shù)據(jù)來源

依據(jù)知網(wǎng)CNKI 和Web of science 核心合集的數(shù)據(jù)庫，開展鉆井巖屑相關(guān)研究?jī)?nèi)容的檢索，檢索時(shí)間段 為2000 年1 月1 日—2020 年12 月31 日，檢 索 完 成后文章進(jìn)行挑選整理，共得到英文文章386篇，中文文章和專利811篇。

3.2 關(guān)鍵詞分析

對(duì)CNKI 文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，建立關(guān)鍵詞知識(shí)圖譜。通過圖1可以看到，關(guān)于鉆井巖屑資源化、無害化、減量化研究分為8個(gè)聚類，鉆井巖屑聯(lián)系較多的關(guān)鍵詞包括“熱解析”“熱脫附”“微波”“化學(xué)清洗”“萃取”“超臨界CO2”“生物降解”等，可以看出國(guó)內(nèi)的研究中主要集中在這幾種處理技術(shù)的研究，對(duì)鉆井巖屑的處理主要是通過熱處理化學(xué)清洗等兩種處理技術(shù)的研究。鉆井巖屑處理設(shè)備的研究主要包括振動(dòng)篩、離心機(jī)、固液分離設(shè)備。同時(shí)“重金屬”“石油烴”“含油率”等關(guān)鍵詞的出現(xiàn)，表明鉆井巖屑處理技術(shù)研究主要是重金屬去除和油類的去除和回收，油類污染物研究較多的是化學(xué)清洗等萃取技術(shù)，國(guó)內(nèi)對(duì)鉆井巖屑的物化處理研究較多，生物降解的研究相比物化處理研究較少，生物降解是近年的研究熱點(diǎn)。

圖1 CNKI文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)

對(duì)Web of science 的文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析，建立關(guān)鍵詞知識(shí)圖譜。從圖2可以看出，當(dāng)前國(guó)際上對(duì)鉆井巖屑處理處置研究較多的主要是生物修復(fù)的方式，熱脫附技術(shù)、萃取技術(shù)在物化方法中研究較多。多環(huán)芳烴、原油、柴油、總石油烴、碳?xì)浠衔铩⒉煌N類重金屬是研究較多的污染物。有機(jī)類污染物的去除主要是通過細(xì)菌降解、熱解、微波加熱等方式，重金屬的研究主要是針對(duì)鉛、鎘等污染物浸出毒性的研究，高效石油烴降解菌降解效果研究、表面活性劑降解菌研究和堆肥處理也較多。國(guó)際上關(guān)于生物修復(fù)研究了細(xì)菌降解、真菌降解、植物修復(fù)、堆肥等處理方式，說明油基巖屑生物修復(fù)方式具有良好的應(yīng)用前景。

圖2 web of science核心合集關(guān)鍵詞共現(xiàn)

4 結(jié)束語

巖屑的處理技術(shù)主要有資源化利用、熱脫附、萃取和穩(wěn)定化/固化等物理化學(xué)和生物技術(shù)?；贑NKI 和Web of science 核心數(shù)據(jù)庫對(duì)2000—2020年鉆井巖屑無害化、減量化、資源化研究文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析。國(guó)內(nèi)對(duì)于鉆井巖屑資源化、無害化、減量化的研究主要是物理化學(xué)方法，生物修復(fù)的研究較少，國(guó)際上研究主要是生物修復(fù)方式較多，物理化學(xué)修復(fù)中采用熱處理和化學(xué)淋洗研究較多，鉆井巖屑研究的熱點(diǎn)是生物修復(fù)，表明了生物修復(fù)技術(shù)對(duì)鉆井巖屑的修復(fù)更加適用和經(jīng)濟(jì)，成本效益相對(duì)較高。