劉 莉，李詩雨，陸朝暉，田君竹，李昊宸

(1.重慶大學資源與安全學院，重慶 400044；2.頁巖氣勘探開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心，重慶 401120；3.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 401120)

0 引 言

隨著我國工業(yè)化進程和經(jīng)濟社會發(fā)展及“雙碳”目標的提出，各行業(yè)對油氣資源的需求量不斷增加，常規(guī)油氣資源可開采量越來越少，頁巖氣作為一種重要的清潔能源，是當前石油天然氣行業(yè)關(guān)注的熱點[1]。重慶市是我國頁巖氣儲量最為豐富的地區(qū)，涪陵頁巖氣田也是我國首個實現(xiàn)商業(yè)開發(fā)的大型頁巖氣田，圖1為2015—2020年全國與重慶市頁巖氣產(chǎn)量對比圖。由圖1可知，2020年我國頁巖氣產(chǎn)量較2019年增長近40%。

圖1 2015—2020年全國與重慶市頁巖氣產(chǎn)量對比

隨著頁巖氣開采技術(shù)的不斷發(fā)展，學者們針對開采過程中引起的環(huán)境問題進行了大量的研究。1995年，NEUSTADT[2]首次對頁巖氣鉆井巖屑進行毒性測試，探討其對環(huán)境的影響。21世紀初，有學者研究頁巖氣開采過程中如壓裂液等對環(huán)境的影響以及頁巖氣的環(huán)境管理[3]。隨著科技的進步以及全球?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境的重視，研究熱點逐漸傾向頁巖氣開采過程中產(chǎn)生的固廢理化特性、處置及資源化利用技術(shù)[4-5]。2016年，朱冬昌等[6]第一次針對長寧威遠頁巖氣田油基巖屑處置技術(shù)進行分析。中國、美國、英國等多國學者對鉆井巖屑綜合利用進行研究，合理選擇固化劑及其摻入量、配比、采用合適的配方，保證了鉆井巖屑資源化利用的可行性[7-11]。大量學者從技術(shù)、環(huán)境、經(jīng)濟中的某一方面來驗證鉆井巖屑資源化利用的可行性和技術(shù)選擇[12-15]，但綜合考慮技術(shù)可行、環(huán)境安全、經(jīng)濟績優(yōu)3方面的頁巖氣鉆井巖屑資源化利用方案比選研究較少。

在頁巖氣開采過程中，共產(chǎn)生清水巖屑、水基巖屑、油基巖屑三種鉆井巖屑，其中油基巖屑成分復雜、難處理，包含多種有害物質(zhì)，對環(huán)境的危害大，2019年，SWIEDLER[16]提出頁巖氣開發(fā)產(chǎn)生的固體廢物是否應該被規(guī)定為危險廢物的問題，根據(jù)《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》的規(guī)定，我國將油基巖屑定為HW08類危險廢物。2010年，陳明燕等[17]提出國內(nèi)缺乏含油污泥資源化利用的研究，這為資源化方向研究奠定基礎，并引入綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟、技術(shù)的思想，因此，如何使油基巖屑處置達到排放標準，又能夠回收利用，成為學者們研究的熱點。

本文立足于重慶市頁巖氣開采區(qū)，梳理總結(jié)現(xiàn)有油基巖屑處置及資源化利用主流技術(shù)，從環(huán)境安全、技術(shù)可行、經(jīng)濟績優(yōu)3個方面，構(gòu)建油基巖屑資源化利用方案比選體系，采用層次分析法確定指標權(quán)重，運用灰色關(guān)聯(lián)分析法對重慶市頁巖氣田現(xiàn)有的油基巖屑資源化利用方案進行比選，診斷最優(yōu)方案，研究成果可為相關(guān)企業(yè)提供科學支持。

1 油基巖屑處置和資源化利用技術(shù)分析

本文通過文獻分析、專家訪談和企業(yè)調(diào)研等方式，收集和梳理重慶市頁巖氣企業(yè)目前采用的油基巖屑處置和資源化利用技術(shù)。重慶市企業(yè)采用的油基巖屑處置技術(shù)共有7種，目前主流技術(shù)為熱解析和離心分離。表1為油基巖屑處置技術(shù)的對比。

表1 油基巖屑處置技術(shù)

廢棄物資源化綜合利用是當前的發(fā)展方向和趨勢，油基巖屑雖是危險廢物，但仍有一定的可回收價值。目前重慶市頁巖氣企業(yè)采用的鉆井巖屑資源化利用技術(shù)共有五種，見表2。

表2 油基巖屑資源化利用技術(shù)

2 油基巖屑處置和資源化利用方案比選體系

2.1 方案比選體系

基于系統(tǒng)性、獨立性、可操作性、指導性的原則，結(jié)合文獻及專家意見，從環(huán)境安全、經(jīng)濟績優(yōu)、技術(shù)可行3方面建立方案比選體系，如圖2所示。

圖2 方案比選體系

目標層S為最優(yōu)方案，準則層A共有3個，分別為環(huán)境、經(jīng)濟和技術(shù)，指標層B下分13個二級指標。

1)環(huán)境。環(huán)境指污染物排放對環(huán)境的影響，從水、氣、土、聲、生5個方面細分7個指標：常規(guī)大氣污染物、二噁英、碳排放、重金屬排放、廢水、噪聲、人群健康。

2)經(jīng)濟。共含2個指標：總投資、總收入。

3)技術(shù)?？煽啃灾赶到y(tǒng)在一定時間內(nèi)、一定條件下無故障地執(zhí)行指定功能的能力或可能性。成熟度指科技成果的技術(shù)水平、工藝流程、配套資源、技術(shù)生命周期等方面所具有的產(chǎn)業(yè)化實用程度。有效性是反映資源配置效率和技術(shù)利用程度的指標。適用性指在考慮地理位置、周邊環(huán)境、風土人文等因素的基礎上，因地制宜選擇適用的技術(shù)，且該技術(shù)的應用能否顯著地節(jié)約能源或充分利用再生資源。

2.2 方案比選體系指標權(quán)重確定

2.2.1 層次分析法

層次分析法是系統(tǒng)工程中對非定量事件進行定量分析的方法，與本文的研究比較契合，因此本文采用層次分析法，分為4步：構(gòu)造層次分析模型、構(gòu)建判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗、層次總排序。其中，一致性檢驗公式見式(1)。

(1)

式中：λmax為最大特征值；n為判斷矩陣階數(shù)；RI為平均隨機一致性比率，其值見表3。

表3 一致性檢驗RI值

2.2.2 體系指標權(quán)重

本文指標權(quán)重的確定采用專家打分法，共15份有效專家調(diào)查問卷，專家包含企事業(yè)單位負責人、高校教師、專業(yè)技術(shù)人員，根據(jù)專家調(diào)查問卷得各指標權(quán)重。依據(jù)方案比選，以某位專家為例，對準則層A的各指標：環(huán)境、經(jīng)濟、技術(shù)構(gòu)建判斷矩陣見式(2)。

(2)

將判斷矩陣代入公式，得λmax=3.038 5，CI=0.019 3，CR=0.033 2<1符合要求，準則層權(quán)重見表4。由表4得權(quán)重向量：WA=(0.418 9,0.222 3,0.358 8)T。

表4 準則層權(quán)重

同理可得方案比選體系各指標的權(quán)重，最終各指標權(quán)重結(jié)果見表5。準則層A中環(huán)境指標權(quán)重最高為0.418 9，方案選取中優(yōu)先考慮環(huán)境不僅是可持續(xù)發(fā)展理念的體現(xiàn)，同樣有利于企業(yè)的長遠運營。環(huán)境準則層A1的子系統(tǒng)指標中，二噁英權(quán)重0.197 3位列第一，其次是人群健康及常規(guī)大氣污染物。二噁英作為一種毒性嚴重的物質(zhì)，對環(huán)境影響高于其他指標，因此其權(quán)重位列第一，殘渣的資源化利用產(chǎn)品均用于生產(chǎn)生活中，因此人群健康的權(quán)重位列第二。經(jīng)濟準則層的子系統(tǒng)A2各指標中，總投資權(quán)重0.605 6高于總收入。技術(shù)準則層的子系統(tǒng)A3指標中，權(quán)重最高的是可靠性，其權(quán)重為0.322 5，其次是權(quán)重為0.268 2的有效性。

表5 方案比選體系各指標權(quán)重表

3 油基巖屑處置和資源化利用方案比選體系應用

3.1 研究區(qū)概況

重慶市是我國頁巖氣儲量的集中地區(qū)，其中，涪陵頁巖氣田較為突出。涪陵頁巖氣田是我國首個大型頁巖氣田，同時也是全球最大的頁巖氣田之一。針對于涪陵頁巖氣田，油基巖屑脫油處置方式有熱解析和離心分離，回收油配置鉆井液再利用，殘渣有5種資源化利用方案。方案一：水泥窯協(xié)同處置；方案二：制磚(免燒磚、燒結(jié)磚)；方案三：制備混凝土；方案四：制備路面材料；方案五：制備陶粒。油基巖屑處置及資源化利用可選方案如圖3所示?；跇?gòu)建的方案比選體系對涪陵頁巖氣田油基巖屑處置和資源化利用方案排序推優(yōu)。

圖3 油基巖屑處置和資源化利用方案

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 油基巖屑脫油處置數(shù)據(jù)

本文采用專家打分法和灰色關(guān)聯(lián)分析法，請專家根據(jù)實際情況打分，整理收集打分結(jié)果，確定最終得分，分析結(jié)果并給出最優(yōu)方案，確定油基巖屑脫油處置方案比選的分析數(shù)列，得到處置方案評分表，見表6。由表6可知，油基巖屑脫油處置方案中熱解析與離心分離的灰色關(guān)聯(lián)度相同。

表6 處置方案評分

3.2.2 殘渣資源化利用數(shù)據(jù)分析

1)確定油基巖屑方案比選的分析數(shù)列。

根據(jù)表7得到油基巖屑資源化利用方案比選的分析數(shù)列，見式(3)。

表7 方案比選評分

X0=

(3)

比較數(shù)列見式(4)。

Xj=

[8 9 8 7 8 7 8 8 9 9 9 9 9]

(4)

2)無量綱化處理結(jié)果，見表8。

表8 無量綱化處理結(jié)果

根據(jù)表8結(jié)果可知，最大值為3，最小值為0。

3)灰色系數(shù)，取λ=0.5，結(jié)果見表9。

表9 資源化利用各方案灰色系數(shù)

4)灰色關(guān)聯(lián)度。圖4為資源化利用方案數(shù)據(jù)分析結(jié)果。由圖4可知，殘渣資源化利用灰色關(guān)聯(lián)度最高的方案為水泥窯協(xié)同處置，其次是制磚，制備混凝土的灰色關(guān)聯(lián)度最低。

圖4 資源化利用方案數(shù)據(jù)分析結(jié)果

3.2.3 討論

油基巖屑回收油的最優(yōu)方案可選熱解析或離心分離?；厥諢峤馕龊蟮挠图半x心分離的油配置鉆井液，不僅降低對環(huán)境的危害，而且實現(xiàn)資源化的再利用。油基巖屑處置后生成的殘渣，共有5種資源化利用方案，比選結(jié)果顯示：最優(yōu)方案是水泥窯協(xié)同處置，次佳方案是制磚，制備陶粒及制備路面材料較前兩種方案仍有不足，制備混凝土相較其他方案處于劣勢。水泥窯協(xié)同處置能夠?qū)堅浞址€(wěn)定燃燒，殘渣中的重金屬離子實現(xiàn)無廢渣排放，二噁英等有害有機物將被分解或得到有效控制。

4 結(jié) 論

本文厘清目前重慶市企業(yè)油基巖屑處置及資源化利用的主流技術(shù)，從環(huán)境、經(jīng)濟、技術(shù)3個方面，針對油基巖屑處置和資源化利用建立了一套相對完整的方案比選體系。

1)方案比選體系：方案比選體系共含兩級指標，3個一級指標、13個二級指標。各指標的權(quán)重通過層次分析法確定，結(jié)果表明：準則層中環(huán)境指標最為重要，環(huán)境指標層中二噁英位列第一；經(jīng)濟指標層中總投資高于總收入；技術(shù)指標層中可靠性權(quán)重最高。

2)方案比選體系應用：基于涪陵頁巖氣田油基巖屑處置和資源化利用的方案排序推優(yōu)，油基巖屑脫油技術(shù)熱解析與離心分離均為最優(yōu)方案，脫油后的殘渣資源化利用的最優(yōu)方案為水泥窯協(xié)同處置，其次是制磚。

3)本文研究結(jié)果與重慶市頁巖氣企業(yè)實際情況對比一致，表明本文方法的有效性，可為頁巖氣企業(yè)油基巖屑處置和資源化利用方案選取提供依據(jù)。