钻井岩屑处理技术及研究趋势

李梦莉，张玉国，罗海梅，何江涛，于 妍

（中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100000）

我国的页岩气储量丰富，开发潜力大，可开采资源量为25万亿m3，具有资源潜力大、开采寿命长和生产周期长等特点，商业前景广阔，发展前景较好。2009年，中国页岩气资源勘查项目在重庆市启动，标志着我国开始了以页岩气资源作为新型能源的重要战略[1]。随着页岩气开发规模逐渐扩大，由其导致的环境问题受到广泛关注，钻井泥浆、压裂产生的液体的回收利用和钻井岩屑的处理都是急需重视的内容。页岩气开采中单井产生的水基钻井岩屑600～800m3、油基岩屑约为200～300m3，产量较大，较难处理[2]。我国预计到 2030 年实现页岩气产量 800～1 000 亿 m3。

2015年我国正式实施新环保法，对油基钻屑这类危险废弃物的管控和安全处理处置提出了更高的要求，具体实施细则规定：在生产、储存、运输和处理的整个过程中，含油污泥均不得落地。我国页岩气开发仍处起步阶段，处理好页岩气资源开发与生态环境保护之间的关系是当务之急，开采作业中的废弃物处置具有环境风险性，要想处理好污染问题，必须对钻井废物进行处理。了解钻井岩屑处理技术及研究趋势，探讨该领域国内外研究差异和研究热点，以期为钻井岩屑今后的研究方向提供参考。

1 钻井岩屑污染特征

钻井岩屑主要包括：清水基钻屑、水基钻屑、油基钻屑。清水基钻屑对环境不具有危害性；水基钻屑中主要包含钻井液中的添加剂的成分，包括润滑剂、氯化钾、纯碱、聚合醇等物质，还包含地层中的石油类和重金属等物质，含油率在2%～5%[3]。页岩气的开采主要集中在南方地区，南方地区多为复杂构造地区，地域条件复杂，造成了页岩气资源开采艰难，因此，在钻井过程中添加的油基钻井液，油基钻井液减少了井壁坍塌剥落、频繁憋泵、卡钻等问题。油基钻屑由70%～85%的灰分、15%～27%的有机物和1%～15%的水分组成，有机物来源于调制钻井液的基础油和各类有机添加剂，主要成分为烷烃、多环芳烃、苯系物和烯烃，有机物中油类的比例最大[4]，油基岩屑具有废物和资源的双重属性。

2 钻井岩屑处理处置技术

2.1 资源化利用技术

资源化利用技术是钻井岩屑经物化处理后加入其他凝胶材料、添加剂制成建材资源的一种处理方式。目前，钻井岩屑制备的陶粒、免烧砖、烧结砖、混凝土、水泥在浸出液和抗压强度上能满足建材行业的相关标准，该技术产生了新的建材资源。在较低的温度下，加入 0%～6%油基岩屑制备水泥，配制的水泥具有良好的水化性能，抗压强度也符合相关标准，用少量油基岩屑制备水泥熟料可有效降低油基岩屑的毒性，当油基岩屑添加量小于3%时，浸出液的重金属离子符合EPA 标准，重金属离子的浸出浓度远低于原油基岩屑废物[5-6]。以不同比例油基岩屑与煤矸石混合煅烧，冷却后得到的陶粒具有较好的物理性能，密度低，吸水率低，抗压强度高，钻屑中大部分重金属都得到了有效的固化，有机有毒物质被完全燃烧，有害元素的浸出量达到国家标准要求。资源化利用可以实现废弃物的资源化利用，具有良好的应用前景，但相应的处理成本会增加。

2.2 热脱附技术

热脱附技术又称为热解析技术，以物理反应为主，是当前发展较为成熟的含油钻屑处理技术，用热处理可以有效地降解有机污染物，减少废物的总体积，并降低金属和盐的流动性。热脱附技术是采用热处理使有机物从固相中分离出来，分为低温热脱附和高温热脱附。传统热脱附设备有回转窑、螺旋式热脱附、滚筒式热脱附，近年来又诞生流化床式、远红外加热脱附、微波加热脱附和太阳能加热[7]。长宁、威远页岩气开发国家示范区采用热脱附技术，日处理量达到40t，处理后的油含量小于1%（w），油回收率达到95%以上[8]。电磁加热热脱附处理白油基岩屑，热脱附后含油率小于1%。热脱附处理后残渣含油率可小于0.3%、油回收率高于75%，已应用于四川、重庆、新疆等地区[9]。热脱附的周期短，加热速度快，可回收大部分石油烃，但能耗较高。

2.3 稳定化/固化技术

稳定化/固化技术是将废物封装在具有高度完整性固体结构中，将污染物与环境隔开，通过大量减少暴露于淋洗的表面积或将废物隔离在不透水的封装物内，限制污染物的迁移。泥和火山灰的组合是当今固化/稳定工业的选择方法，常用的添加剂是水泥、粉煤灰、石灰、氧化钙。以10%水泥，30%粉煤灰，2%氧化钙，2%XC-I，3%XC-II 固化剂对钻井岩屑进行固化处理，COD、pH、石油类指标达到固体废物排放标准[10]。以水泥作为固化剂，添加高炉渣固化15d后固体强度可达到10MPa 以上，浸出液满足地表水环境质量V 级要求[11]。稳定化/固化的研究主要是对固化剂和固化工艺条件优化研究，稳定固化的成本低，操作简单，但固化法不能根除污染物。

2.4 萃取技术

萃取技术是根据“相似相溶”原理，通过有机溶剂将钻屑中的油类物质提取出来，通过减压蒸馏回收萃取剂和有机物。超临界流体萃取是近年来研究较多的一项新萃取技术，超临界流体具有在特定温度和压力组合下使用特定溶剂提取特定化合物的能力，提取出来的碳氢化合物可以用于炼油厂，可以作为新的钻井泥浆配方。采用超临界CO2萃取方式处理含油钻屑，在恒温45℃，加入2%的非极性挟带剂石油醚，萃取2h 后，钻屑含油量降至0.2%，超临界CO2萃取后岩屑含油率低，回收后的基础油相与添加油成分接近，萃取出的基础油满足二次配制钻井液的要求[12]。Ma等采用超临界二氧化碳萃取，在温度为35℃、压力为20MPa、萃取时间为60min 的条件下，萃取效率可达98%，回收的碳氢化合物的性质在提取过程中不会改变。萃取技术除油效率较高，萃取剂可回收，但会造成二次污染，对设备的要求较高。

2.5 生物修复技术

碳氢化合物的生物降解是一种成本效益高的技术，是石油烃的一种有效的修复方法，会引起石油化合物性质和浓度的变化。生物降解被归类为最重要的工具，以消除毒性和去除不同环境中的碳氢化合物。生物修复技术去除钻井岩屑中的污染物，分为生物刺激和生物强化两种方式。高效石油烃降解菌的筛选和降解优化研究较多，堆肥是常见的钻屑生物处理技术，钻井岩屑与疏松剂、膨松剂按一定比例混合，再投加外源营养元素提高原油降解率。膨松剂可提高好氧微生物降解石油类污染物的有效性，营养因素是油基岩屑生物堆肥过程中最重要的影响因素，油基岩屑与锯末混合后加入外源营养物质，在微生物的作用下，堆肥处理90d，石油类降解率达到87%。假单胞菌属、芽孢杆菌属、不动杆菌属等微生物能够将碳氢化合物转化为能源和生物质以及生物废料副产品，许多微生物都有这种能力来清理和修复被碳氢化合物污染的地方，在许多文献中均有报道。生物修复技术成本低、可彻底降解污染物，但处理周期较长，受污染物的浓度和污染物类型限制。

3 钻井岩屑研究趋势

3.1 数据来源

依据知网CNKI 和Web of science 核心合集的数据库，开展钻井岩屑相关研究内容的检索，检索时间段 为2000 年1 月1 日—2020 年12 月31 日，检 索 完 成后文章进行挑选整理，共得到英文文章386篇，中文文章和专利811篇。

3.2 关键词分析

对CNKI 文献进行关键词共现分析，建立关键词知识图谱。通过图1可以看到，关于钻井岩屑资源化、无害化、减量化研究分为8个聚类，钻井岩屑联系较多的关键词包括“热解析”“热脱附”“微波”“化学清洗”“萃取”“超临界CO2”“生物降解”等，可以看出国内的研究中主要集中在这几种处理技术的研究，对钻井岩屑的处理主要是通过热处理化学清洗等两种处理技术的研究。钻井岩屑处理设备的研究主要包括振动筛、离心机、固液分离设备。同时“重金属”“石油烃”“含油率”等关键词的出现，表明钻井岩屑处理技术研究主要是重金属去除和油类的去除和回收，油类污染物研究较多的是化学清洗等萃取技术，国内对钻井岩屑的物化处理研究较多，生物降解的研究相比物化处理研究较少，生物降解是近年的研究热点。

图1 CNKI文献关键词共现

对Web of science 的文献进行关键词共现分析，建立关键词知识图谱。从图2可以看出，当前国际上对钻井岩屑处理处置研究较多的主要是生物修复的方式，热脱附技术、萃取技术在物化方法中研究较多。多环芳烃、原油、柴油、总石油烃、碳氢化合物、不同种类重金属是研究较多的污染物。有机类污染物的去除主要是通过细菌降解、热解、微波加热等方式，重金属的研究主要是针对铅、镉等污染物浸出毒性的研究，高效石油烃降解菌降解效果研究、表面活性剂降解菌研究和堆肥处理也较多。国际上关于生物修复研究了细菌降解、真菌降解、植物修复、堆肥等处理方式，说明油基岩屑生物修复方式具有良好的应用前景。

图2 web of science核心合集关键词共现

4 结束语

岩屑的处理技术主要有资源化利用、热脱附、萃取和稳定化/固化等物理化学和生物技术。基于CNKI 和Web of science 核心数据库对2000—2020年钻井岩屑无害化、减量化、资源化研究文献进行关键词共现分析。国内对于钻井岩屑资源化、无害化、减量化的研究主要是物理化学方法，生物修复的研究较少，国际上研究主要是生物修复方式较多，物理化学修复中采用热处理和化学淋洗研究较多，钻井岩屑研究的热点是生物修复，表明了生物修复技术对钻井岩屑的修复更加适用和经济，成本效益相对较高。