基于生命周期评价法的水基钻井岩屑资源化利用环境效益分析

刘汉军 罗祝涛 张 薇 陈 雷 陈 强 陈立荣 李 辉 蒋学彬 张 敏 邓良基

(1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院；2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院；3.四川农业大学资源学院)

0 引 言

石油和天然气作为国家工业发展的血液，对我国国民经济起着重要的推动作用。但油气钻井会产生大量钻井岩屑，据统计，我国每年累计产生钻井岩屑2.50×106m3[1]，其中川渝地区水基钻井岩屑的年产量约为3.0×104～3.0×105m3[2]，因此钻井岩屑处置成为油气钻井行业的难题。早期的水基钻井岩屑处置方式为无害化固化填埋[3-5]，因此水基钻井岩屑被定义为钻井固废。随着钻井清洁生产及生态文明建设的不断推广，钻井岩屑处置由无害处置向资源化利用方向发展，其中以制备烧结砖和转化为土壤两种方式研究较多[6-8]，且制砖处置已广泛推广，土壤化利用也在逐步推广。目前已有的研究主要关注单一岩屑资源化利用途径对岩屑污染物的去除效果和经济效益，未从环境影响的角度评价各资源化利用方式的环境效益。

生命周期评价(LCA)法是一种基于生命周期的思想，定量和定性评价研究对象能源消耗及环境影响的环境评价工具[9-10]。1995年，Finnveden等[11]最先将LCA法引入固废管理系统评价，此后，LCA法在固废管理被广泛研究和应用，其中研究较多的是对城市生活垃圾处理系统的LCA[12-14]。2004年，于红艳[15]将LCA法引入废物资源化中，介绍了固废资源化LCA的必要性、内容和步骤，为固废资源化利用模式的评价研究提供了新思路。此后该法应用于固废资源利用模式的环境影响评估、模式优选和工艺优化。张芸等[16]利用LCA法评价了4种贝壳处置方式的环境影响，并确定贝壳制备水泥具备最佳环境效益。李志明等[17]利用LCA法评估了破碎重铺与水泥混凝土再生利用过程的节能减排效益，确定水泥混凝土再生利用具有更好的节能减排效益。王地春等[18]用LCA理论评价了废旧黏土砖的几种典型治理方式的环境影响及差异。

本文选取西南油气田目前应用较多的两种资源化利用方式(制备烧结砖和土壤化利用)及填埋法分别构建LCA模型，评估不同资源化利用方法的环境效益，为西南地区选择环境友好的水基钻井岩屑资源化利用模式提供科学依据，并提出改进措施和建议。

1 水基钻井岩屑处理生命周期清单分析

1.1 目标和范围定义

本文以水基钻井岩屑处置方式为研究对象，采用LCA法对三种处置方式的环境影响进行分析。①填埋处置，将水基钻井岩屑固化后填埋；②以水基钻井岩屑代替部分页岩制备烧结砖，水基钻井岩屑添加量为8%(质量分数)；③通过生物处理转化为土壤后用于复垦。

本文以1 m3水基钻井岩屑为功能单位，所有数据以该单位为准进行换算，压滤机压滤后的水基钻井岩屑密度约2.6 g/cm3。因三种处置方式在水基钻井岩屑产出前过程相同，因此不考虑岩屑产出前的环境影响，填埋处置以填埋为终点；资源化利用系统以资源化利用为终点，只考虑资源化利用过程中对水基钻井岩屑加工过程的环境影响，不考虑资源化利用后生产产品的运输、存储、使用、废弃等过程的环境影响。三种处置方式的LCA系统边界的确定见图1。

图1 系统边界的确定

1.2 生命周期清单分析

本文涉及的水基钻井岩屑填埋场地一般与钻井井场在同一区域，平均运输距离约0.5 km，主要以装载机进行转运，装载机车斗容量5 m3，平均柴油耗为0.030 L/km。水基钻井岩屑填埋阶段需添加30%(质量比)的水泥进行固化，同时使用挖掘机搅拌混匀，挖掘机平均柴油耗为0.23 L/m3(发动机功率90 kW，耗油140 g/(kW·h)，每天工作8 h，使用效率0.65，日处理量300 m3)[19]；还需使用混泥土振动器，其功率为1.5 kW，处理1 m3水基钻井固废平均耗时0.2 h。由此推算得到填埋过程的能耗为每处理1 m3岩屑消耗柴油0.003 kg、电力0.30 kW·h、水泥780 kg，见表1。

西南地区天然气/页岩气钻井产生的水基钻井岩屑通常采用18 t重型货车(柴油)转运至当地砖厂的暂存场，平均转运距离约25 km，水基钻井岩屑不向空气逸散气体，因此运输过程中除汽车尾气外，不存在其它污染物排放。制备烧结砖时岩屑的添加约8%(质量比)，即处理1 m3水基钻井岩屑，可减少208 kg页岩。经过调研，页岩开采地距离砖厂约1 km，开采的页岩被运往砖厂进行粉碎处理，粉碎1 kg页岩耗电量为0.001 71 kW·h，此处置方式避免了页岩开采、运输及粉碎处理的过程；制砖时，暂存场地的水基钻井岩屑采用装载机进行转运，转运距离0.5 km；制备砖块时每1 m3原料添加9.6%的煤和7.7%的自来水、耗电55 kW·h。由此推算得到水基钻井岩屑制砖处置过程的能耗为每处理1 m3水基钻井岩屑，重型柴油货车(18 t)运输2 600 kg/km，消耗柴油0.15 kg、电力55 kW·h、水138 kg、煤172 kg，见表1。

表1 三种处置方式的生命周期清单

水基钻井岩屑土壤化利用方式的生物处理阶段在井场清洁生产区域进行，不存在转运。生物处理阶段需添加5%的秸秆和0.5倍的自然土。自然土一般采集自5 km范围内地区，用10 t重型货车(柴油)转运至处理场地；处理过程使用挖掘机进行混合搅拌，同时用通气设备进行供氧，通气设备功率3 kW，按单次处理1 000 m3，周期90 d，每3 d通气1 h计算；生物处理过程在防渗池中进行，不存在浸出液对土壤和地下水的污染。无害化处理后形成的土壤浸出液满足GB 3838—2002《地表水环境质量》V标准，直接用于井场复垦，不存在向土壤和地下水排放污染物，还可减少1 m3自然土的开采和运输。由此推算得到水基钻井岩屑土壤化利用过程的物质和能耗为每处理1 m3水基钻井固废消耗电力0.09 kW·h、柴油0.22 kg、水18 kg、秸秆130 kg，同时重型柴油货车(10 t)运输1 300 kg/km，见表1。

eBalance是国内专业的LCA软件，广泛应用于各领域节能减排及生态设计、研究等工作。本文基于LCA的原理及理论框架，选取eBalance分析软件进行生命周期建模、清单数据输入和生命周期环境影响评价(LCIA)分析，LCIA分析选取的数据库为中国生命周期基础数据库(CLCD)。将三种水基钻井岩屑处置方式的输入输出数据导入eBalance，获得处理1 m3水基钻井岩屑的环境排放清单，见表2。

表2 三种水基钻井岩屑处置方式的环境排放清单 kg

2 水基钻井岩屑处理生命周期环境影响评价

本文采用eBalance软件进行西南地区水基钻井岩屑三种处置方式的LCIA分析。选取的与岩屑处置利用关系密切的环境影响评价指标包括：中国资源消耗潜值(CADP)、全球变暖潜值(GWP)、可吸入无机物(RI)、酸化潜值(AP)、富营养化(EP)、固体废物(WS)、化学需氧量(COD)、淡水消耗量(WU)、氨氮(NH3—N)和氮氧化物(NOX)。

2.1 特征化分析

表3 三种处置方式生命周期环境影响特征化指标

从表3可看出，填埋处置方式对10种环境影响类型的环境影响均为正值，其中对CADP、GWP、WS和WU的影响较大，这是因为填埋处置需要使用较大量的水泥，而水泥生产过程消耗煤和电力资源较多，因此对资源消耗、全球变暖、WS和WU的影响较大。制砖处置方式除COD、NOX和WS的影响为负值外，对其余7种指标的环境影响为正值，主要的环境影响为CADP、GWP和WU，原因为制砖处置的运输消耗柴油，且生产过程消耗一定量的煤和电力；但制砖过程中避免了页岩开采和粉碎等过程，从而减少了固废产生，因此WS较小。土壤化利用处置方式除EP、NH3—N和WU为正值外，其余7种指标的环境影响均为负值，其中对WU的影响较大，这是因为土壤化利用处置使用一定量的秸秆，在秸秆生产过程中水消耗较多。相比于填埋和制砖处置方式，土壤化利用对所有10种指标的影响均较小，主要是因为土壤化利用的运输距离短，电力消耗少，且避免自然土开采和运输等过程。

利用eBalance软件进行三种处置方式的环境影响值计算，结果显示(图2)三种处置方式中填埋处置的环境影响值最大，为3.58×103，高于制砖处置方式的1.19×103；土壤化利用处置的环境影响值为3.54×103，高于制砖处置，且与填埋处置相当，但可避免复垦过程中的自然土开采和运输等过程，避免阶段的环境影响值为3.74×103，因此土壤化利用处置的加权综合环境影响值为-1.99×102，说明土壤化利用处置方式会带来环境效益。

图2 三种处置方式不同阶段的环境影响值

2.2 过程贡献及敏感度分析

利用eBalance软件分析获得各环节环境影响值，导出三种处置方式运输和处置阶段的过程贡献率如表4所示，填埋处置运输阶段对环境影响贡献率较低，仅为0.11%，而填埋阶段对环境影响的贡献大，贡献率为99.89%，表明填埋阶段对环境造成的影响大；制砖处置运输阶段对环境影响的贡献率为0.06%，制砖阶段的贡献率为99.94%，说明制砖阶段对环境的影响最大；土壤化利用方式不存在固废运输，所有对环境影响的贡献均出自生物处理阶段。

表4 处置过程各环节对环境影响的贡献

为进一步找出对LCA结果影响最大的关键清单数据和原始数据，采用eBalance软件自带的敏感度计算功能，利用最初建立的生命周期模型计算水基钻井岩屑填埋、制砖和土壤化利用过程中各清单数据的敏感度，结果如表5所示，填埋阶段水泥对加权综合指标的敏感度大，达到99.40%。制砖阶段的SO2和煤对加权综合指标的敏感度较大，因煤添加量由制砖工艺确定，因此可通过工艺调整减少煤添加量，同时对排放气体进行脱硫，以减少SO2排放；另外还可调整岩屑制砖工艺，加大岩屑添加量，进一步避免页岩开采，降低加权环境影响潜值。生物处理阶段秸秆对加权综合指标的敏感度大，接近100%，因此可改进钻井岩屑土壤化处置利用工艺，进一步减少秸秆添加量，从而减少CO2、SO2和NOX排放。

表5 各清单数据对加权综合指标的敏感度分析 %

3 结 论

1)运用LCA模型计算分析西南地区水基钻井岩屑三种处置方式的环境影响，结果表明填埋、制砖和土壤化利用的环境影响值分别为3.58×103，1.19×103和-1.99×102，制砖和土壤化利用均能有效减少钻井岩屑填埋对环境的影响，其中土壤化利用有更好的环境效益。

2)环境影响特征化指标计算结果表明，制砖和土壤化利用方式对CADP、GWP、NOX、WS和WU具有很大优势；相比于制砖，土壤化利用对CADP、GWP、NOX和WU的优势更明显。

3)填埋处置对环境影响贡献最大的是填埋阶段；两种资源化利用则分别是制砖阶段和生物处理阶段对环境影响的贡献大。制砖阶段可通过工艺调整减少煤添加量、处置尾气和增加岩屑添加量来降低环境影响值；生物处理阶段可通过改进处置工艺来减少秸秆添加量。

4)水基钻井岩屑制砖目前已广泛推广应用，而土壤化利用还处于应用的起步阶段。本文通过清单对比分析，得到土壤化利用比制砖具备更好的环境效益，为西南地区水基钻井岩屑土壤化利用技术的推广应用提供科学依据。