川南页岩气钻井固体废物污染防治问题及对策初探

于劲磊，蒋国斌，王红娟，江 丽，吴 懈，雷 宇

（1.中国石油西南油气田分公司安全环保与技术监督研究院，四川成都 610041；2.页岩气评价与开采四川省重点实验室，四川成都 610051）

随着我国经济由高速增长向高质量发展转变，推进能源结构向绿色低碳转型迫在眉睫。天然气是一种绿色清洁的优质能源，将逐步成为我国清洁能源体系的主体能源。而页岩气作为我国天然气产量增长最现实的领域，在调整和优化能源结构、促进经济增长中发挥巨大作用。

根据《四川省“十三五”能源发展规划》（2017 年），2020 年川南页岩气年产量将达到100×108m3。相较常规油气开发，页岩气产量递减速度快，仅能通过井间接替来实现页岩气稳产和增长[1]，为实现页岩气产量突破规划目标，川南地区年均新钻页岩气井数将达280 口以上。

川南地区页岩气井大多采用“四开四完”方式进行钻井作业。其中，上部地层采用清水或空气流体钻井，岩屑产生量为200～300 立方米/井；中下部地层采用水基钻井液钻井，水基钻屑产生量为400～500 立方米/井；造斜段及水平段采用油基钻井液钻井，油基岩屑产生量为250～350 立方米/井。由此测算，川南地区每年至少将产生16.8×104m3水基岩屑和7×104m3油基岩屑，若钻井岩屑未得到妥善贮存与处置，引发的环境影响和风险不可忽视[2]。因此，如何妥善处置页岩气钻井固体废物及精准提出风险防控措施，成为关系我国页岩气能否绿色可持续开发的重要问题。本文分析了川南页岩气钻井固体废物污染防治现状及问题，总结了北美地区钻井固体废物管理要求，并据此提出了川南页岩气钻井固体废物污染防治对策，以期为我国页岩气钻井固废管理提供方向指引。

1 川南页岩气钻井固体废弃物污染防治现状及问题

伴随川南页岩气快速上产，钻井固体废弃物尤其是油基岩屑处理处置已成为国家、地方环保部门的关注焦点。而开展钻井固体废物处理处置之前，有效掌握其污染特性是重要保障和关键基础，大量学者[3，4]表明钻井岩屑重金属（镍、铜、锌、钡等）和石油烃为其主要污染物。鉴于此，中石油等页岩气开发企业，通过不断引进吸收先进环保技术及管理理念，逐步发展形成了以“源头化、减量化、资源化、无害化”为核心的钻井固体废弃物污染防治技术体系（见图1）。钻井作业时，采用环境友好型物料及工艺，从源头削减污染；采用泥浆不落地收集和物理化学处理方式，对钻井作业过程所产生的水基岩屑进行破胶脱液处理，进一步减少后续岩屑处置总量，剩余固渣交由环保手续齐全的第三方机构进行资源化利用，包括制备烧结砖、免烧砖或水泥熟料等途径；含油岩屑经热脱附、LRET 萃取、锤磨处理等方式，残渣含油率低于1 %，且经权威机构检测分析，处理后岩屑残渣不具备危险特性[5]。另外，通过对长宁页岩气区块钻井岩屑的取样分析，发现处理后的钻井水基岩屑和油基岩屑中砷（As）、银（Ag）、硒（Se）、汞（Hg）等重金属含量（见表1）均低于《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB36600-2018）中第二类用地土壤污染风险筛选值；LRET 萃取后油基岩屑残渣石油烃含量均低于0.3 %（见表2），可有效降低页岩气开发过程钻井固体废弃物对生态环境的影响。

图1 川南页岩气钻井固废污染防治技术体系

表1 长宁页岩气区块某平台处理后钻井岩屑重金属含量分析

但伴随页岩气钻井数量爆发式增长，现仍存在以下问题亟待解决：

（1）水基岩屑处置渠道单一。目前，川南地区钻井水基岩屑基本交由第三方建材企业进行资源化利用，可基本消纳产生量。至2025 年，川南地区年均水基岩屑产生量将大于16.8×104m3，而建材行业受政策与市场调控影响很大，若供需矛盾突出，建材企业将难以消化产生的水基岩屑，因此急需拓宽水基岩屑处置渠道。

（2）区域油基岩屑处置能力不足。目前，临近川南页岩气开发区域且具有油基岩屑处置资质的企业仅有两家，其处理规模有限，无法完全接纳长宁、威远、泸州等片区所产生的油基岩屑，导致大量无法及时处置的油基岩屑需要现场暂存，存在较大的环境隐患，因此，合理扩大川南页岩气油基岩屑处置规模势在必行。

（3）页岩气环保标准支撑不足。我国尚未出台钻井岩屑含油率测定标准，检测机构及科研院所大多采用《城市污水处理厂污泥检验方法》（CJ/T 221-2005）标准中矿物油的测定方法，但城镇污泥与钻井岩屑存在较大的理化性能差异，其适用性有待考究。此外，钻井固废处理处置相关标准及技术规范缺失，导致处理后油基岩屑仍归类为危险废物，增加了页岩气开发成本。

2 北美地区钻井固体废弃物处置管理体系分析

面对页岩气开发存在的上述问题，综合分析北美地区钻井固废处置的管理对策，以期为川南页岩气钻井固废管理提供一定参考。美国和加拿大等北美国家均形成了较为有效的钻井固体废物处置管理体系。加拿大阿尔伯塔省以钻井固体废物毒性评估结果和地方环境容量为决策依据，明确了不同钻井固体废物分类处置途径及管理要求，主要处置途径包括混合填埋、随钻喷洒、林地处置、土地耕作、工业垃圾填埋场填埋等；同时也鼓励相关工业部门制定钻井废弃物再利用技术方案，以减少钻废送交处置总量。美国环保署将美国本土、加拿大、墨西哥等北美地区勘探作业产生的不同钻完井废物中无机元素、有机化合物和放射性同位素的浓度和活性等进行了汇总统计，形成了勘探开采钻废成分数据库，并对公众和勘探开发企业披露，不仅较好的缓解了公众的担忧，同时也为企业制定相关废物处置措施提供了数据支撑[6]。另外，美国各州结合本地环境特征和环境质量改善需求，针对钻井废弃物处置也制定了相应的规定，例如宾西法利亚州根据来源从表层套管座上方（未污染的钻屑、上部井眼水或淡水）或表层套管座下方（污染的钻屑和相关流体）区分钻屑类型，对钻井固体废物进行精细化管理，从源头减少了受污染的钻井废物总量；德克萨斯州根据有机物（总石油烃等）、盐类（氯化物等）和放射性（镭等）的测量水平，将勘探开采废物进行土地利用[7]。具体处理处置途径及管理要求（见表3）。

表2 长宁页岩气区块含油岩屑处理前后石油烃含量分析

3 川南页岩气钻井固废污染防治对策

为确保川南页岩气绿色可持续开发，在坚持固体废物“源头化、减量化、资源化、无害化”处理处置原则的基础上，同时结合国外先进经验，提出以下污染防治对策：

3.1 开展页岩气环境保护标准体系研究

建议国家生态环境主管部门联合页岩气勘探开发企业、国内知名科研院所共同开展页岩气环境保护标准体系研究，逐步完善相关页岩气开发环境保护标准及推荐做法。同时页岩气开发主要地区，可结合本地环境特征和环境质量改善需求，有针对性的制定地方环境保护标准，进一步补充完善国家页岩气环保标准体系。例如针对油基岩屑处理后残渣，开展其危险属性鉴别，分析其资源化利用过程的环境影响，制定其资源化利用的环境保护技术标准及规范，将残渣从危险废物中豁免，降低企业和政府管理成本。

3.2 研发适用于页岩气钻井固体废弃物源头控制技术

研发环境友好型泥浆体系是实现页岩气绿色开发，彻底解决“先污染、后治理”问题最经济实用的技术[12]，是实现页岩气钻井固体废弃物源头控制的核心。建议页岩气开发企业探讨开发密闭循环气体钻井技术替代页岩气直井段水基泥浆技术的可行性；探讨开发页岩气水平段钻井环保合成基钻井液体系替代油基泥浆技术的可行性，从源头消除钻井岩屑有毒有害成分，保障环境安全[13]。

3.3 构建页岩气钻井固废“物联网+大数据”管理平台

建议生态环境主管部门联合页岩气开发企业共同建立页岩气钻井固废“物联网+大数据”管理平台。该平台可实现以下两项功能，其一是对页岩气开发不同钻井作业方式（垂直井、水平井），不同钻井液流体（空气/氮气、水基钻井液、油基钻井液、合成基钻井液）、不同区域、地层下的钻井岩屑、钻井泥浆中的无机元素、有机化合物和放射性同位素的浓度和活性、毒性物质含量、急性毒性等进行汇总统计分析，寻找其关联性，并以此为依据，更有针对性的提出不同钻井固废资源化利用途径和污染治理规范，降低页岩气开发生产综合成本和环境污染风险，使页岩气更具有竞争力。其二是对页岩气开发不同区域钻井固体废物产生数量、废物理化及污染特性等信息进行大数据分析，智能匹配相适宜的区域钻废利用方式和利用企业，结合废物转运路线、转运过程污染防治措施、转运成本等因素，综合评估转运过程环境风险和经济效益。在环境风险和经济成本可控的前提下，实现钻井固体废物多途径资源化利用，有效提升页岩气开发区域废物处置抗风险能力。

表3 北美地区页岩气钻井固体废物处置途径及管理要求