页岩气钻屑固化填埋池监测与评价研究

张 春,刘 璞,梅绪东,熊德明,王 丹,徐烽淋

(重庆市涪陵页岩气环保研发与技术服务中心，重庆 涪陵 408000)

钻井岩屑是页岩气勘探开发过程中产生的固体废物，主要包括水基钻屑和油基灰渣(油基钻屑热脱附脱油处理后的产物)，简称“钻屑”。水基钻屑是二开钻井阶段产生的混合地层岩屑和水基钻井液的一种固体废物，单井产生800～1 000 m3；油基灰渣是油基钻屑(三开钻井阶段产生的混合地层岩屑和油基钻井液的一种固体废物)通过热脱附工艺进行脱油处理后的最终产物，其固相含油率小于2%。水基钻屑和油基灰渣表面残留少部分的碱、盐、重金属、石油类等污染物，若对其处理不当，将会对周边土壤及水体环境等造成不同程度的影响，其中对土壤环境的影响尤为明显[1～3]。水基钻屑和油基灰渣含盐量较高，过量的盐和可交换性钠离子会导致土壤板结，使植物难以吸收水分而萎蔫[4-5]；钻屑中还含有一些重金属等，通过地表径流迁移或扩散至土壤中，土壤重金属富集到一定程度会对土壤-植物系统产生毒害，进而导致农作物产量和品质的降低[6～9]。目前，西南某页岩气田对钻屑主要采用固化处理技术，先检测固化体浸出液，达标后再进行分类填埋。钻屑固化填埋仅限于对其有害物质的固定和封存，使其短时间内不外溢，暂时可实现无害化处理。然而，由于钻屑填埋量较大、填埋物质成分相对复杂、污染物比较集中、地质沉降、固化不均匀、降雨频繁特别是大雨或暴雨对固化池冲蚀和浸泡等，随着时间的迁移，很可能会造成固化池内部有害物质浸出液溢出，进而随地表径流污染池体周边土壤[10]。本文针对以上问题，选取了西南某页岩气田具有代表性的水基钻屑固化填埋池和油基灰渣固化填埋池，对两类钻屑固化填埋池的土壤径流液和土壤进行了监测与评价，旨在研究固化体浸出液溢出或迁移对周围生态环境的影响，为固化体进一步资源化利用提供理论依据，对西南某页岩气开发环境影响评价也具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 钻屑固化填埋池基本情况

目前西南该页岩气田水基钻屑和油基灰渣固化填埋池的设计和防渗均参照Q/SY XN0276-2007《四川油气田钻井废弃物无害化处理技术规范》执行，水基钻屑和油基灰渣分类固化填埋。针对钻屑固化填埋情况，并结合西南该地形地貌特点和现场不同固化方式，分别选取了1个水基钻屑固化填埋池和1个油基灰渣固化填埋池。钻屑固化方式主要是在池内添加主固化剂水泥、粉煤灰与钻屑进行机械搅拌均匀，加强固化效果及缩短固化时间。经过5～10d的凝固，在固化体表面浇筑一层C20砼隔断层，厚度为200mm，然后覆盖400mm表土(表土来源于井场周围荒地土壤)，最后播撒草种进行复绿。钻屑固化填埋池基本情况详见表1。在已完成的两类钻屑固化填埋作业池中，挖开覆土后利用钻机钻孔取样，用透明密封袋收集样品并对固化体浸出液各因子污染物浓度进行检测，检测结果见详表2。

表1 钻屑固化填埋池基本情况Tab.1 Basic situation of drilling solidification landfill

1.2 样品采集

1.2.1 土壤样品采集与前处理

2016年3月，分别对水基钻屑固化填埋池和油基灰渣固化填埋池上覆土壤及池体周边5m范围内荒地，利用5点法采集0～20cm土壤样品，同时分别选取两类钻屑固化填埋池100m外未受影响荒地作为对照。土样采集后，采用聚乙烯封口塑料袋密封标号后带回实验室，自然风干，拣去碎石、植物残根等杂物，磨碎后过孔径100目的尼龙筛，装瓶待用。

1.2.2 土壤径流液样品采集

在两类钻屑固化填埋池内较低位置、池体上游、池体下游分别架设土壤径流液收集装置(详见下图)；当下大雨时，土壤表面会产生径流，径流液沿一定坡度通过箱体滤网汇入土壤径流液收集装置内。土壤径流液采集时间为2016年3月。在大雨过后，在现场及时采集箱体内液体，先用瓢取水样于1 000mL瓶中，然后将水样瓶子竖放于盛满冰块的泡沫箱中，并将其带回实验室放在冰箱冷藏保鲜(小于4℃)，最后分析测试。

图 土壤径流液收集装置Fig. Soil runoff collection device

1.3 测试方法

固化体浸出液中pH值采用玻璃电极法测定，悬浮物采用重量法测定，Cr6+采用二苯碳酰二肼分光光度法测定，CODCr采用重铬酸钾法测定，挥发酚采用4-氨基安替比林分光光度法测定，色度采用稀释倍数法测定，石油类采用红外分光光度法测定。土壤径流液pH采用玻璃电极法测定，COD采用重铬酸钾法测定，径流液中Cd、Pb、Cr、Cu、Zn均采用原子吸收分光光度法测定，Hg采用冷原子吸收法测定，As采用二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法测定，石油类采用红外分光光度法测定。土壤pH值采用玻璃电极法测定，土壤镉、汞、砷、铅、铬、铜、锌、镍采用原子吸收分光光度法测定，土壤石油类采用红外分光光度法测定。

1.4 评价方法

1.4.1 土壤径流液评价

采用单项污染指数法评价。单项污染指数计算公式为：Pi=Ci/ Si。式中：Pi—单项污染指数；Ci—i污染物实测浓度(mg/L)；Si—污染物标准限值(mg/L)。评价指数分级：Pi<1表示清洁；13表示重度污染。

1.4.2 土壤环境质量评价

采用内梅罗指数法对钻屑固化填埋池上覆土壤及周边土壤重金属污染状况进行综合评价。综合污染指数计算方法如下：

2 结果与讨论

2.1 钻屑固化效果评析

由表2可知，水基钻屑和油基灰渣固化体浸出液均呈碱性，这主要是由于固化剂掺入了部分水泥和粉煤灰，其水化产物呈碱性[11]。水基钻屑和油基灰渣固化体浸出液监测指标均能满足GB8978-1996《污水综合排放标准》一级排放标准。

表2 固化体浸出液监测结果Tab.2 Monitoring results of solidification lixivium (mg/L)

注：pH无单位；ND表示未检出；标准参照GB8978-1996《污水综合排放标准》一级排放标准限值。

2.2 钻屑固化填埋对土壤径流液的影响

由表3可知，水基钻屑固化填埋池和油基灰渣固化填埋池土壤径流液均呈碱性，径流液各项监测指标均满足GB5084-2005《农田灌溉水质标准》旱作标准。为了进一步明确水基钻屑固化填埋池和油基灰渣固化填埋池对土壤径流液的影响程度，通过利用单因子指数法分别对其土壤径流液进行评价，经过计算可知，水基钻屑固化填埋池和油基灰渣固化填埋池土壤径流液各项监测指标的单因子污染指数均小于1，说明土壤径流液属于清洁水平，土壤径流液扩散不会对周围土壤产生影响。

表3 钻屑固化填埋池土壤径流液监测结果Tab.3 Monitoring results of the soil runoff of the drilling solidification landfill (mg/L)

注：标准参照GB5084-2005《农田灌溉水质标准》旱作标准限值；ND表示未检出。

2.3 钻屑固化填埋对土壤环境质量的影响

由表4可知，水基钻屑固化填埋池和油基灰渣固化填埋池上覆土壤及周边土壤pH值均偏弱碱性；土壤重金属指标均满足GB15618-1995《土壤环境质量标准》二级标准；石油类含量均远远低于GB4284-84《农用污泥中污染物控制标准》限值。

为了进一步明确各类重金属对土壤的污染程度，采用内梅罗指数法对钻屑固化填埋池上覆土壤和周边土壤进行了综合评价。经过计算可知，水基钻屑固化填埋池和油基灰渣固化填埋池上覆土壤重金属综合污染指数分别是0.42、0.45；周边土壤重金属综合污染指数分别是0.45、0.54。结合表5可知，与土壤综合污染程度分级标准相比，钻屑固化填埋池上覆土壤和周边土壤重金属综合污染指数均小于0.7，说明钻屑固化填埋暂时未对上覆土壤及周边土壤造成影响，属于清洁水平。另据现场调查，钻屑固化填埋池均已复垦、复绿，并已种植油菜，长势良好。综上所述，说明西南某页岩气田对钻屑所采取的固化方式积极有效，钻屑固化填埋后对上覆土壤及周围土壤环境影响较小。

表4 钻屑固化填埋池土壤监测结果Tab.4 Monitoring results of the soil of the drilling solidification landfill (mg/kg)

注：标准参照GB15618-1995《土壤环境质量标准》二级标准限值；“*”表示GB4284-84《农用污泥中污染物控制标准》限值。

表5 土壤综合污染程度分级标准Tab.5 Grading standards for soil comprehensive pollution

3 结论与建议

3.1 结论

3.1.1 西南某页岩气田对钻屑固化时主要采用水泥和粉煤灰的现场固化方式，结合现场踏勘和调查，该固化技术成熟有效，固化效果较好。

3.1.2 通过对钻屑固化填埋池土壤径流液和土壤监测可知，土壤径流液各项监测指标均满足GB5084-2005《农田灌溉水质标准》；钻屑固化填埋池上覆土壤和周边土壤均属于清洁水平。因此，西南某页岩气田对钻屑采取固化处理方式有效，短期内对上覆土壤及周边土壤环境影响较小。

3.2 建议

3.2.1 从本文所选取的两类钻屑固化填埋池的径流液和土壤监测情况来看，各项监测指标均满足相关要求。然而随着西南某页岩气勘探开发力度的逐渐加大，今后应该对钻屑固化填埋池建设前后周边环境(地表水、土壤、地下水)进行跟踪调查，通过对比监测结果，分析并论证钻屑固化填埋对土壤及水体环境的影响。

3.2.2 虽然钻屑固化填埋暂时实现了无害化处理，但是仍然存在占用大量土地和浪费固废资源以及潜在的环境风险问题。因此，在满足环境相关要求的情况下，针对水基钻屑的特性，可加强水基钻屑建材利用技术研究，例如制备免烧砖、混凝土、道路垫层等；结合油基灰渣的特性，加强油基灰渣资源化利用技术研究，例如水泥窑协同处置等，使钻屑真正实现资源化利用和环保安全有效处置。

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