页岩气油基岩屑处置及资源化利用方案比选

刘 莉，李诗雨，陆朝晖，田君竹，李昊宸

(1.重庆大学资源与安全学院，重庆 400044；2.页岩气勘探开发国家地方联合工程研究中心，重庆 401120；3.重庆地质矿产研究院，重庆 401120)

0 引 言

随着我国工业化进程和经济社会发展及“双碳”目标的提出，各行业对油气资源的需求量不断增加，常规油气资源可开采量越来越少，页岩气作为一种重要的清洁能源，是当前石油天然气行业关注的热点[1]。重庆市是我国页岩气储量最为丰富的地区，涪陵页岩气田也是我国首个实现商业开发的大型页岩气田，图1为2015—2020年全国与重庆市页岩气产量对比图。由图1可知，2020年我国页岩气产量较2019年增长近40%。

图1 2015—2020年全国与重庆市页岩气产量对比

随着页岩气开采技术的不断发展，学者们针对开采过程中引起的环境问题进行了大量的研究。1995年，NEUSTADT[2]首次对页岩气钻井岩屑进行毒性测试，探讨其对环境的影响。21世纪初，有学者研究页岩气开采过程中如压裂液等对环境的影响以及页岩气的环境管理[3]。随着科技的进步以及全球对生态环境的重视，研究热点逐渐倾向页岩气开采过程中产生的固废理化特性、处置及资源化利用技术[4-5]。2016年，朱冬昌等[6]第一次针对长宁威远页岩气田油基岩屑处置技术进行分析。中国、美国、英国等多国学者对钻井岩屑综合利用进行研究，合理选择固化剂及其掺入量、配比、采用合适的配方，保证了钻井岩屑资源化利用的可行性[7-11]。大量学者从技术、环境、经济中的某一方面来验证钻井岩屑资源化利用的可行性和技术选择[12-15]，但综合考虑技术可行、环境安全、经济绩优3方面的页岩气钻井岩屑资源化利用方案比选研究较少。

在页岩气开采过程中，共产生清水岩屑、水基岩屑、油基岩屑三种钻井岩屑，其中油基岩屑成分复杂、难处理，包含多种有害物质，对环境的危害大，2019年，SWIEDLER[16]提出页岩气开发产生的固体废物是否应该被规定为危险废物的问题，根据《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》的规定，我国将油基岩屑定为HW08类危险废物。2010年，陈明燕等[17]提出国内缺乏含油污泥资源化利用的研究，这为资源化方向研究奠定基础，并引入综合考虑环境、经济、技术的思想，因此，如何使油基岩屑处置达到排放标准，又能够回收利用，成为学者们研究的热点。

本文立足于重庆市页岩气开采区，梳理总结现有油基岩屑处置及资源化利用主流技术，从环境安全、技术可行、经济绩优3个方面，构建油基岩屑资源化利用方案比选体系，采用层次分析法确定指标权重，运用灰色关联分析法对重庆市页岩气田现有的油基岩屑资源化利用方案进行比选，诊断最优方案，研究成果可为相关企业提供科学支持。

1 油基岩屑处置和资源化利用技术分析

本文通过文献分析、专家访谈和企业调研等方式，收集和梳理重庆市页岩气企业目前采用的油基岩屑处置和资源化利用技术。重庆市企业采用的油基岩屑处置技术共有7种，目前主流技术为热解析和离心分离。表1为油基岩屑处置技术的对比。

表1 油基岩屑处置技术

废弃物资源化综合利用是当前的发展方向和趋势，油基岩屑虽是危险废物，但仍有一定的可回收价值。目前重庆市页岩气企业采用的钻井岩屑资源化利用技术共有五种，见表2。

表2 油基岩屑资源化利用技术

2 油基岩屑处置和资源化利用方案比选体系

2.1 方案比选体系

基于系统性、独立性、可操作性、指导性的原则，结合文献及专家意见，从环境安全、经济绩优、技术可行3方面建立方案比选体系，如图2所示。

图2 方案比选体系

目标层S为最优方案，准则层A共有3个，分别为环境、经济和技术，指标层B下分13个二级指标。

1)环境。环境指污染物排放对环境的影响，从水、气、土、声、生5个方面细分7个指标：常规大气污染物、二噁英、碳排放、重金属排放、废水、噪声、人群健康。

2)经济。共含2个指标：总投资、总收入。

3)技术。可靠性指系统在一定时间内、一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性。成熟度指科技成果的技术水平、工艺流程、配套资源、技术生命周期等方面所具有的产业化实用程度。有效性是反映资源配置效率和技术利用程度的指标。适用性指在考虑地理位置、周边环境、风土人文等因素的基础上，因地制宜选择适用的技术，且该技术的应用能否显著地节约能源或充分利用再生资源。

2.2 方案比选体系指标权重确定

2.2.1 层次分析法

层次分析法是系统工程中对非定量事件进行定量分析的方法，与本文的研究比较契合，因此本文采用层次分析法，分为4步：构造层次分析模型、构建判断矩阵、层次单排序及一致性检验、层次总排序。其中，一致性检验公式见式(1)。

(1)

式中：λmax为最大特征值；n为判断矩阵阶数；RI为平均随机一致性比率，其值见表3。

表3 一致性检验RI值

2.2.2 体系指标权重

本文指标权重的确定采用专家打分法，共15份有效专家调查问卷，专家包含企事业单位负责人、高校教师、专业技术人员，根据专家调查问卷得各指标权重。依据方案比选，以某位专家为例，对准则层A的各指标：环境、经济、技术构建判断矩阵见式(2)。

(2)

将判断矩阵代入公式，得λmax=3.038 5，CI=0.019 3，CR=0.033 2<1符合要求，准则层权重见表4。由表4得权重向量：WA=(0.418 9,0.222 3,0.358 8)T。

表4 准则层权重

同理可得方案比选体系各指标的权重，最终各指标权重结果见表5。准则层A中环境指标权重最高为0.418 9，方案选取中优先考虑环境不仅是可持续发展理念的体现，同样有利于企业的长远运营。环境准则层A1的子系统指标中，二噁英权重0.197 3位列第一，其次是人群健康及常规大气污染物。二噁英作为一种毒性严重的物质，对环境影响高于其他指标，因此其权重位列第一，残渣的资源化利用产品均用于生产生活中，因此人群健康的权重位列第二。经济准则层的子系统A2各指标中，总投资权重0.605 6高于总收入。技术准则层的子系统A3指标中，权重最高的是可靠性，其权重为0.322 5，其次是权重为0.268 2的有效性。

表5 方案比选体系各指标权重表

3 油基岩屑处置和资源化利用方案比选体系应用

3.1 研究区概况

重庆市是我国页岩气储量的集中地区，其中，涪陵页岩气田较为突出。涪陵页岩气田是我国首个大型页岩气田，同时也是全球最大的页岩气田之一。针对于涪陵页岩气田，油基岩屑脱油处置方式有热解析和离心分离，回收油配置钻井液再利用，残渣有5种资源化利用方案。方案一：水泥窑协同处置；方案二：制砖(免烧砖、烧结砖)；方案三：制备混凝土；方案四：制备路面材料；方案五：制备陶粒。油基岩屑处置及资源化利用可选方案如图3所示。基于构建的方案比选体系对涪陵页岩气田油基岩屑处置和资源化利用方案排序推优。

图3 油基岩屑处置和资源化利用方案

3.2 数据分析

3.2.1 油基岩屑脱油处置数据

本文采用专家打分法和灰色关联分析法，请专家根据实际情况打分，整理收集打分结果，确定最终得分，分析结果并给出最优方案，确定油基岩屑脱油处置方案比选的分析数列，得到处置方案评分表，见表6。由表6可知，油基岩屑脱油处置方案中热解析与离心分离的灰色关联度相同。

表6 处置方案评分

3.2.2 残渣资源化利用数据分析

1)确定油基岩屑方案比选的分析数列。

根据表7得到油基岩屑资源化利用方案比选的分析数列，见式(3)。

表7 方案比选评分

X0=

(3)

比较数列见式(4)。

Xj=

[8 9 8 7 8 7 8 8 9 9 9 9 9]

(4)

2)无量纲化处理结果，见表8。

表8 无量纲化处理结果

根据表8结果可知，最大值为3，最小值为0。

3)灰色系数，取λ=0.5，结果见表9。

表9 资源化利用各方案灰色系数

4)灰色关联度。图4为资源化利用方案数据分析结果。由图4可知，残渣资源化利用灰色关联度最高的方案为水泥窑协同处置，其次是制砖，制备混凝土的灰色关联度最低。

图4 资源化利用方案数据分析结果

3.2.3 讨论

油基岩屑回收油的最优方案可选热解析或离心分离。回收热解析后的油及离心分离的油配置钻井液，不仅降低对环境的危害，而且实现资源化的再利用。油基岩屑处置后生成的残渣，共有5种资源化利用方案，比选结果显示：最优方案是水泥窑协同处置，次佳方案是制砖，制备陶粒及制备路面材料较前两种方案仍有不足，制备混凝土相较其他方案处于劣势。水泥窑协同处置能够将残渣充分稳定燃烧，残渣中的重金属离子实现无废渣排放，二噁英等有害有机物将被分解或得到有效控制。

4 结 论

本文厘清目前重庆市企业油基岩屑处置及资源化利用的主流技术，从环境、经济、技术3个方面，针对油基岩屑处置和资源化利用建立了一套相对完整的方案比选体系。

1)方案比选体系：方案比选体系共含两级指标，3个一级指标、13个二级指标。各指标的权重通过层次分析法确定，结果表明：准则层中环境指标最为重要，环境指标层中二噁英位列第一；经济指标层中总投资高于总收入；技术指标层中可靠性权重最高。

2)方案比选体系应用：基于涪陵页岩气田油基岩屑处置和资源化利用的方案排序推优，油基岩屑脱油技术热解析与离心分离均为最优方案，脱油后的残渣资源化利用的最优方案为水泥窑协同处置，其次是制砖。

3)本文研究结果与重庆市页岩气企业实际情况对比一致，表明本文方法的有效性，可为页岩气企业油基岩屑处置和资源化利用方案选取提供依据。