页岩气田水基钻屑消解技术研究进展

高昊辰

（安徽师范大学皖江学院，安徽 芜湖 241008）

0 引言

目前，我国西南地区已探明的页岩气储量超千亿立方米，伴随着我国页岩气的开发利用，水基钻屑作为其开采过程中产生的主要固体废弃物，如何将其安全有效地进行处理已经成为页岩气开发中的重要一环。有调查数据表明，页岩气田单井水基钻屑的平均产量约为900～1200m3，随着我国页岩气田作业面积的不断扩大，水基钻屑的产量不容小觑[1]。根据新修订的《中华人民共和国环境保护法》第四十条有关规定，企业应当优先使用废弃物综合利用技术和污染物无害化处理技术，减少污染物的产生，为此国内许多研究者对页岩气田水基钻屑的资源化利用或无害化处理进行一系列研究。基于此，本文针对目前已有的页岩气田水基钻屑处理手段进行综述，以期促进水基钻屑的科学化处理，推进页岩气田的绿色开发。

1 水基钻屑消解的难点

水基钻屑作为页岩气钻井过程中产生的固体废弃物，其本身主要由无环境风险的岩屑构成，但由于钻井工程中对钻井液具有较高的要求，常会在钻井液中添加大量高分子、有机物以及其他化学物质[2]，钻井液的使用使得岩屑表面黏附泥浆、钻井辅料残渣以及废弃钻井液，因此导致了水基钻屑成分复杂。从已有的研究来看，水基钻屑包含的污染物主要为有机卤化物、矿物油、重金属等。目前国内对于水基钻屑的无害化、资源化利用暂缺乏相应的标准，有部分学者从干化水基钻屑废弃场以及钻井平台振动筛出口处取样，对水基钻屑的基本理化性质进行分析，通过比对、参考《绿化种植土壤》（CJ/T 340—2016）、《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》（GB/T 23486—2009）等标准发现，水基钻屑具有碱性强、盐分高的特点，其中重金属含量存在“轻度”潜在环境风险[3]；陈磊等[4]通过将水基钻屑浸出液中的污染物含量与《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）中的一级标准进行比对，发现其中90%以上的指标均处于超标状态；张思兰等[5]通过对西南某页岩气田的水基钻屑研究，认为水基钻屑的利用需控制其污染物的累积，降低全盐含量。

总体来看，水基钻屑因其盐分含量高、碱度大、并裹挟有机卤化物、矿物油、重金属等污染物，主要消解难点在于其对生态环境的影响，寻找一条安全有效、环境友好的消解途径，仍是亟待解决的问题。

2 水基钻屑无害化处理技术

国内水基钻屑最为主要的无害化处理手段为固化填埋，这是一种将污染物固定封存、使其短时间内不外泄的处理技术[1]，主要适用于地质环境相对稳定的区域，但简单的固化填埋仅是一种暂时性的“无害化”处理手段，并未真正实现水基钻屑的无害化处理，随着时间的迁移，固化填埋后的水基钻屑仍存在有害物质浸出、外泄的风险，因此许多研究者开始尝试利用生物修复技术、物理修复技术以及化学修复技术对水基钻屑进行无害化处理。

2.1 生物修复技术

微生物作为生态系统中的分解者，在一定条件可将污染物不断降解，最终转化为二氧化碳、水等无机物，因此许多学者通过人为投放菌群，人工调节环境变量等手段强化微生物的降解能力，进而达到生物修复效果[6]，目前生物修复技术已广泛应用于水资源、土壤资源的修复中[7]。基于生物修复的原理，将其应用于钻井废弃物的无害化同样可行。早在20 世纪70 年代，美国已有部分研究者开始尝试使用生物修复技术解决石油污染问题，随后这一技术也逐渐被引入钻井泥渣的处理过程中，例如王华金等利用洋葱伯克霍尔德氏菌、鞘氨醇单胞菌和伯克菌进行原油试验，其降解达到了64.4%，实现了外源菌与土著菌的协同修复；刘雅雪通过对含油水基钻屑降解菌进行选育，发现在适宜条件下可有效降解水基钻屑中的石油类物质含量[7]；胥九兵等通过研究发现对于石油烃以及重金属镉的富集，微生物-植物联合修复优于单独利用微生物菌剂，经过两个月的修复可实现石油烃降解率67.4%，PAHs 降解率达47.9%，镉富集量达到294.3mg/kg。总体来看，常见的生物降解技术主要用于含油量较低的水基钻屑，其具有成本低、油类物质分解较为彻底等优势，但目前研究者所选育出的菌株在不同区域、不同体系的钻屑修复过程中适应性如何仍不得而知，同时处理周期较长、微生物管理风险等问题也需要进一步考量。

2.2 物理修复技术

物理修复技术常见的有焚烧法、热分解法、固化稳定法等。其中焚烧法主要用于含油率较高的钻屑，通过在钻屑中加入助燃剂，对钻屑进行焚烧，使其含有的石油类污染物氧化分解，以达到无害化处理的目的，但其对焚化过程中的有害气体回收要求较高，且会产生飞灰，造成二次污染；而热分解法则是通过加热、蒸馏等手段，将钻屑混合物转化为固、液、气三相，使得有机污染物和钻屑分离，进而进行有针对性的处理；除此之外，为实现水基钻屑的资源化利用，也有研究人员尝试使用其他物理技术手段对水基钻屑进行处理，例如张春等研究发现，利用淡水淋洗水基钻屑能有效降低其盐分含量，同时也能淋洗掉一定量的重金属元素；吕广等通过絮凝压滤一体机的应用，有效实现了固液分离，达到了钻屑减量的目的。

2.3 化学修复

化学修复主要是利用化学溶剂对钻屑进行淋洗，使得钻屑中的有机成分乳化、分离，从而将污染物与钻屑进行剥离，以达到无害化处理的目的。例如黄贤斌等利用微乳状液除油剂对含油钻屑进行处理，将钻屑含油率降至1%以下；刘宇程等通过将多种烃类萃取剂与四氯化碳、苯、石油醚进行配比，形成了复合化学萃取剂，在降低成本的同时也提高了残油的萃取效率。总体来看化学修复工艺较为简单，但部分有机溶剂毒性大、成本高、且易产生大量废液，如无法妥当处理，容易产生二次污染。

3 水基钻屑资源化利用技术

相较于无害化处理技术，资源化利用技术则是在无害化处理的基础上充分利用钻屑原有特性，使得水基钻屑这种固体废弃物转化为可被利用的资源，由于水基钻屑以岩屑为主体构成，因此目前常见的资源化利用技术方案主要为建筑材料的制备、土壤化利用等。

3.1 建筑材料的制备

钻井废弃物包含有SiO4、BaSO4等无机组分，其主要成分与部分建筑材料的制备原料类似，因此水基钻屑用于制备建筑材料一直是许多研究者关注的焦点，目前常见的研究方向主要包括水泥、混凝土、免烧砖等建材的制备，其中以水基钻屑制砖最为常见。例如张忠亮等将水基钻屑、页岩、煤炭以30:65:5 的比例进行配比，通过干燥、烧结等工艺，成功制备出了符合《烧结普通砖》（GB/T 5101—2017）强度等级MU15 黏土砖标准的烧结砖，且各项性能均较为优良；谭树成等通过改质剂的使用，使得水基钻屑与页岩混合制备的烧结砖浸出液重金属含量达到《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）一级标准，烧结过程中产生的废气符合《砖瓦工业大气污染物排放标准》（GB 29620—2013）中的相关标准。虽然国内对于水基钻屑制砖相关研究已较为成熟，但将其作为制砖材料，对于现有地方砖厂难度较大，考虑到生产成本、市场接受度等因素，其在产业化方面仍存在不少问题。此外由于不同区域政策存在差异，我国各地对固废制砖有着不同的态度，部分区域对于固废制砖有一定限制，需要制砖厂具有废物处理资质，有些区域则不允许使用水基钻屑制砖。

而水基钻屑在其他建材的制备方面，目前仍是以理论研究、小规模应用试点为主，例如Asadi S 等通过在混凝土中掺入粉煤灰与硅灰，并使用钻屑代替20%的水泥，将混凝土的抗压强度提高了40%；任冉将粗加工后的水基钻屑作为一种掺料，在满足结构强度的同时，可降低固井水泥成本约35%；陈磊等将钻屑与固化剂混合，压制形成球形颗粒，用作铺路基土颗粒，成功代替砂石完成270m 试验道路的铺设，且其浸出液符合《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）一级标准要求；我国华北油田以及四川地区的部分油气田都曾尝试过利用固相处理后的钻屑制砖、铺路。总体来看，将水基钻屑作为建材原料，目前主要存在的问题仍是其制成品能否符合相关环境要求，其产品性能能否等同或优于现有材料，其产业化成本和生产难度能否被大多数厂商所接受，以及各区域政策法规是否允许或支持该种类型的固废资源化利用。

3.2 土壤化利用

水基钻屑的土壤化利用一般是指将水基钻屑通过一定处理，使其能够作为植物生长基质的一种利用方法。从目前国内已有的研究来看，以我国西南地区页岩气田产生的水基钻屑为例，依照国际制土壤质地分级标准，其质地类似于砂质壤土或壤质黏土，有机质含量较低，主要营养元素呈现出高钾、低磷、低氮的特点，而较高的盐分含量则是制约其作为植物生长基质的主要因素，同时含有的重金属元素也是其在土壤化利用过程中需要重点考量的问题，当然由于各区域地质条件、开采方式以及钻井液的不同，水基钻屑的组成也存在着差异。因此水基钻屑的土壤化技术具有一定的区域性，需要依据实际情况进行改变。

目前，国内外对钻井废弃物用作植物生长基质已有一定研究积累，从水基钻屑的主要理化性状来看，简单经过无害化处理的水基钻屑不足以满足植物的正常生长，土壤化利用需要将水基钻屑与其他物料进行一定比例的组合，使其物理结构、养分组成等方面得到一定改善。例如Saint-FortR 与AshtaniS 研究发现，在一定比例范围内，将钻屑废弃物同土壤混合有助于改善土壤质量，但水基钻屑加入的比例过高，会导致植物生物量的降低；张春等将水基钻屑、腐熟污泥与土壤按一定比例混合，通过多次淡水淋洗后形成了具有良好物理性质的人造基质，该基质下金叶女贞与狗牙根的生长情况优于纯土壤以及纯水基钻屑；张思兰等研究发现，在水基钻屑中添加10%～20%的污泥发酵产物能够使得基质在满足《绿化种植土壤》（CJ/T 340—2016）相关标准的同时，种植的紫穗槐具有较好的生长情况；高昊辰等研究发现西南某页岩气田的水基钻屑重金属含量均符合《绿化种植土壤》（CJ/T 340—2016）中的Ⅰ级或Ⅱ级标准，能够满足作为绿化基质的需求，同时其可能存在的重金属现在生态风险较低，其中Hg 和Cd 为主要风险贡献因子。从已有研究来看，水基钻屑具有良好的矿物质基质，因此土壤化利用潜力较大，但由于裹挟有其他污染物，因此在土壤化利用前，如何进行无害化处理，以降低土壤化利用后的环境风险是目前需要面对的主要问题。

4 结语

近年来，随着页岩气田开采面积的不断扩大，页岩气水基钻屑的科学消解日益受到关注，目前我国在页岩气开采领域也尝试着通过不断优化井身结构、改良钻井工艺等措施从源头减少水基钻屑的产生，但水基钻屑的无害化处理、资源化利用仍是解决这一问题的主要途径。然而由于不同区域地质条件、开采方式的差异，水基钻屑的组成成分、污染物含量也呈现出区域性差异，但对于水基钻屑的污染物控制，目前国内暂缺少相关行业标准，多是以土壤、水体的质量标准或污水、固废污染物控制标准作为参考，而国际上绝大多数发达国家对于油气开采产生的废弃物均有相应控制标准，因此未来国内可根据行业、区域特点，推进相关标准的制定。总体来看，虽然目前国内水基钻屑仍以固化填埋为主要消解手段，但随着水基钻屑资源化利用技术的探索，产业化成本的不断优化，以及对可能存在的环境风险充分认识，建材制备、土壤化利用等消解途径也将逐渐成熟，未来水基钻屑的消解途径必将变得更加绿色多样。