涪陵页岩气田钻井岩屑资源化利用实践＊

梅绪东 王朝强 徐烽淋 王 丹 张 春 张思兰 熊德明 刘 璞

(1.重庆市涪陵页岩气环保研发与技术服务中心；2.重庆市页岩气开发环境保护工程技术研究中心)

0 引 言

近年来，我国页岩气勘探开发行业发展迅猛，建成了涪陵、长宁-威远和昭通等国家级页岩气示范区，实现了储量和产量的突飞猛进，页岩气已成为我国天然气产量的重要组成部分。随着页岩气开采行业的快速发展，也产生了诸多环境问题，如对地下水和地表水、大气、噪声、土壤的环境影响及钻井固废和废水的处理处置问题[1-2]。其中，钻井岩屑的处理处置问题是页岩气开采行业环境保护的重点和难点。国内外研究学者对油气田钻井岩屑的处理处置开展了大量的研究，各油气田企业因地制宜地开展了探索，逐步从传统的固化填埋处置向资源化综合利用方向发展[3]。

涪陵页岩气田位于四川盆地，近表地质条件复杂、生态环境敏感、区域人口密集、土地资源紧张，生态环境约束明显。与常规天然气相比，页岩气钻井数量多，产生大量的钻井岩屑，包括水基岩屑、油基岩屑，若处理处置不当，将对当地环境产生不良影响。本文系统总结分析了涪陵页岩气田开发建设至今钻井固废的处置方式，针对开发初期固化填埋处置存在的问题，开展资源化利用的探索和实践，分析在资源化利用实践过程中取得的成效和经验，以期为其他区块钻井岩屑的资源化利用提供有益借鉴。

1 页岩气钻井岩屑概况及开发初期处置方式

1.1 页岩气钻井岩屑分类及特点

相比于常规天然气开发，页岩气单井产量低、产量递减快，需不断打井来补充产量，从而产生大量的钻井岩屑。据统计，涪陵页岩气田累计钻井371口，平均完钻井深4 896 m，平均垂深3 022 m，平均水平段长1 537 m。其中，直井段采用清水和水基钻井液，斜井和水平段采用油基钻井液，分别产生清水岩屑、水基岩屑和油基岩屑，单井清水岩屑产生量约为300～400 m3、水基岩屑产生量约为600～800 m3、油基岩屑产生量约为200～300 m3。

清水岩屑为浅表岩石碎屑，未添加任何化学试剂，对环境基本无害。采用HJ 557—2010《固体废物 浸出毒性浸出方法 水平振荡法》对涪陵页岩气田典型平台清水岩屑检测分析可知：清水岩屑浸出液中各项指标均满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》一级标准，现场通过铺路、垫沟等方式可全部就地利用。水基岩屑主要成分为膨润土、润滑剂、KCl、纯碱和聚合醇等物质，采用HJ 557—2010《固体废物 浸出毒性浸出方法 水平振荡法》对涪陵页岩气田水基岩屑的测试分析可知：水基岩屑浸出液的COD、SS(悬浮物)、pH值等超过了GB 8978—1996《污水综合排放标准》一级标准，氯化物超过了GB 5084—2005《农田灌溉水质标准》。油基岩屑矿物油含量在15%～20%，具有废物和资源的双重属性，主要成分是柴油、碱性盐和重金属等有害物质，若未得到有效处理处置，有机物、重金属和碱性盐可能对环境造成污染。

1.2 开发初期钻井岩屑处置方式

1.2.1 处置方式及要求

涪陵页岩气田勘探开发历程可分为4个阶段，即2012年的勘探发现阶段，2013年的开发试验阶段，2014—2015年的一期产能建设阶段，2016年之后的二期产能及后续开发建设阶段。2015年之前，涪陵页岩气田对水基岩屑和油基岩屑热脱附后的灰渣采取在岩屑池中固化填埋的方式处置，主要参考Q/SY XN0276—2007《四川油气田钻井废弃物无害化处理技术规范》，按照GB 18599—2001《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》Ⅱ类固体废物进行填埋处置。每个平台都配套建有岩屑池，岩屑池参照GB 18599—2001《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》进行设计和防渗，池体采用钢筋混凝土结构，用1∶2水泥防渗砂浆对池内壁抹面，抹面厚度为20.0 mm，并采取防渗措施，渗漏系数小于1.0×10-7cm/s。完钻后，通过在池内添加水泥、粉煤灰等，并和钻井岩屑充分搅拌均匀、固化，使水泥与钻井岩屑中的水分发生水化反应生成凝胶，将有害物质微粒包裹，并逐步硬化形成水泥固化体。待固化5～10 d后，检测其抗压强度和浸出液；其中，抗压强度要求不小于150 kPa，浸出液的pH值、COD、SS、石油类等指标符合GB 8978—1996《污水综合排放标准》一级标准为达标。最后，在其表面浇筑一层20 cm厚的混凝土隔断层，并在其表面覆盖40 cm厚的土层复绿。

1.2.2 存在的问题

现场实践发现，短时间内固化填埋处置可将钻井岩屑封存，但从长期来看存在以下问题。

一是存在二次污染隐患。通过对涪陵页岩气田钻井岩屑填埋池的跟踪调查发现，在固化填埋施工过程中，采用挖掘机对钻井固废和固化剂进行搅拌，搅拌不均匀，同时易破坏岩屑填埋池的防渗层，随着固化填埋时间的推移，岩屑填埋池地基不均匀沉降、局部破坏、长期降雨冲蚀及浸泡，岩屑填埋池开裂，岩屑有害物质渗出，对周围环境造成污染。

二是占地面积大。以涪陵页岩气田一期工程为例，单口井的钻井固废填埋量1 000 m3，需占地200 m2，一期工程约250口井占地5万m2，总占地面积大，对于本来就紧张的用地，占地问题显得更为突出。

1.2.3 发展趋势

随着国家对固废、土壤及地下水污染防控更加严格，固化填埋处置已无法满足新形势下生态文明建设和环境保护要求，普光气田、涪陵页岩气田等已开始逐步对原岩屑填埋池已固化填埋的岩屑重新挖出进行资源化利用及无害化处理。即将出台的《石油天然气开采行业绿色工厂评价导则》要求：工业固废资源化及无害化处理处置率达到100%。在国家倡导“清洁、高效、节能、低碳”的大背景下，油气田钻井固废的资源化是未来发展的唯一出路[3]。

2 涪陵页岩气田钻井岩屑资源化利用探索

2.1 水基岩屑

2.1.1 随钻预处理

钻井液循环系统(振动筛)可以很好地将循环出地面的水基岩屑和水基钻井液经除砂器、除泥器、振动筛进行固液分离，振动筛出来的水基岩屑含水率较高，还需要进一步脱水处理才能达到资源化利用的要求。采用一体化随钻处理系统，通过添加破胶剂破稳后，进入专用板框压滤机脱水，废水临时贮存，经过处理后用于后续配制压裂液；固相干渣含水率约为20%～40%，后续资源化利用，工艺流程见图1。自2016年之后，随钻不落地技术开始在涪陵页岩气田开展了现场试验和推广应用，取得了很好的效果。

图1 水基岩屑随钻预处理工艺流程

2.1.2 资源化利用途径

干渣检测分析表明：水基岩屑粒径主要在0.6 mm左右，化学成分以SiO2、CaO、Al2O3为主；EDX能谱显示主要含O、Ca、Si、Al、K、Ba等元素，可用作建材材料、改良土壤等；用作改良土壤处理成本较高、周期长，目前还处于研究阶段，推广应用尚未见报道[4-6]。因此，考虑经济技术可行性及可实施性，主要探索将水基岩屑用作建材，包括：制路基垫层材料、制砖及水泥窑协同处置制成成品水泥等途径。

1)制路基垫层材料

通过添加胶凝材料等改良剂对水基岩屑进行固化后用作路基材料，或者水基岩屑中的污染物满足地方制定的污染物限值后用于铺设服务油田生产的各种内部道路、铺垫井场等方式[7-8]。2016—2017年，涪陵页岩气田开展了水基岩屑随钻预处理后的干渣用于井场钻前工程建设，包括井场开挖和管沟回填时用作填方使用，标准化集气站、井场人行道路垫层等。工艺流程为：压滤后的钻井岩屑干渣进行破碎，按照一定比例加入水泥、粉煤灰、适量水，搅拌均匀，检测其浸出液，浸出液中的pH值、COD、重金属污染物达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》一级标准要求后，拉运至施工地点进行利用。

该资源化利用方式是通过胶凝材料将污染物进行固化封存，其制成产品的长期稳定性及其环境风险有待论证。为避免二次污染，需严格管控加工处理过程，最好的方式是在现场设置集中加工点进行集中处理后再拉运至需要的地点，同时，要统筹衔接好钻前工程施工工序，若每日制作路基材料消耗的水基岩屑量小于当日新产生的钻井岩屑量时，将造成钻井施工现场堆积，增加安全环保风险。

2)制砖

包括免烧砖和烧结砖。制烧结砖是将钻井岩屑干渣按照一定比例掺入到原料中制成标准样品，经真空挤压成型，在隧道窑中进行煅烧制成烧结砖，隧道窑中的温度为950～1 100℃，水基岩屑中的有机污染物在高温环境下完全氧化实现无害化[9]，但要控制水基岩屑干渣满足砖厂的接受要求、制砖厂高温烧结过程中废气污染物满足DB 50/657—2016《砖瓦工业大气污染物排放标准》及制成的砖满足GB/T 5101—2003《烧结普通砖》的技术指标要求；中石油西南地区和中石化华东分公司普遍采用此工艺[10-11]。制免烧砖是将钻井岩屑压滤后的干渣送往免烧砖厂按照一定比例加入制砖原材料，采用机械压制工艺制得，核心仍是固化技术[12]，产品的长期稳定性及其环境风险有待论证，流入市场，若管控不当，有一定的环境风险。2016年，涪陵页岩气田开始尝试将水基岩屑干渣送至砖厂制砖，由于没有合适的烧结砖厂，制作了一批免烧砖，并对所有岩屑制成的成品砖进行回购自用处理，如用于厕所、堡坎等。

2018年之后，涪陵页岩气田水基岩屑干渣制路基垫层材料和制砖的用量小，无法满足水基岩屑产生量大、产生速度快的特点，导致部分岩屑堆积在钻井施工现场不能及时拉运处置，占据了井场的安全通道。亟需寻求利用量大，及时拉运、及时处置的途径。

3)水泥窑协同处置制成成品水泥

水泥窑协同处置固体废物是我国大宗一般工业固体废物综合利用的主要途径，该技术成熟且国家层面有配套的环保标准规范，最近几年得到爆发式增长[13]。根据水基岩屑的特性可知，水基岩屑与现有的工业矿渣代替部分水泥生料的资源化利用途径类似，水基岩屑可以部分代替水泥生料中的石灰石成分。水基岩屑随钻预处理的干渣依照协同处置的水泥厂相关指标限值和GSB 08—1353—2017《水泥生料成分分析标准样品》的要求进行控制，通过生料磨投入回转窑与水泥生料一同进行煅烧，回转窑的高温环境(回转窑内物料烧成温度约1 450℃)使水基岩屑有害组分无害化，无机成分材料化利用。

涪陵页岩气田周边水泥厂资源较为丰富，按照处置利用量大、稳定可靠、运输距离近等原则，送往就近水泥厂处置利用，每天的处置利用量可达千吨。水基岩屑干渣所烧制熟料与水泥厂熟料对比见表1。

表1 水基岩屑干渣所烧制熟料与水泥厂熟料对比 %

检测结果表明：利用水基岩屑干渣烧制的熟料与标准水泥熟料的性能基本一致。

目前已累计处置水基岩屑超过7万t。将水基岩屑资源化利用与钻井作业同步，当日产生、当日拉运处置利用，且处置费用不到300元/t，远低于其他页岩气开发区块的处置成本，具有较好的环境效益和社会效益。

2.2 油基岩屑

2.2.1 脱油处理

通过振动筛出来的油基岩屑应首先进行再生利用，回收油基钻井液并重复使用。涪陵页岩气田采用热脱附工艺对油基岩屑进行再生利用，油基岩屑由进料系统进入热脱附主体反应器，通过间接加热的方式将油基岩屑加热至目标温度400～420℃，油基岩屑中的矿物油与水充分受热挥发[14]。水、油蒸气经收集管道进入冷凝单元，采用间接水冷的方式冷却至液相，并在分离罐中完成油、水两相分离。不凝性气体经管道收集进入清洗罐洗涤后，进入燃烧器与天然气混合燃烧。脱油后的灰渣经多级冷凝至常温，排入储渣池暂存。油基岩屑热脱附工艺流程见图2。自2013年以来，已累计处理油基岩屑约12.2万t，回收柴油1.2万t，取得了较好效果。

图2 油基岩屑热脱附工艺流程

2.2.2 资源化利用途径

油基岩屑脱油后的灰渣呈灰黑色粉末状，含油率低于2%，已不具有危险废物特性[15]。无机矿物组分主要以SiO2、CaO、Al2O3为主，其含量分别为55.44%，7.20%，7.83%，理论上是可以进行建材资源化综合利用的。灰渣的放射性检测结果表明：内照射指数IRa=0.43<1.0，外照射指数Ir=0.42<1.0，放射性满足GB 6566—2001《建筑材料放射性核素限量》要求。同时，油基灰渣的28 d活性指数为65.9%，烧失量为8.61%，可作为一种建筑掺和料使用。据报道，油基岩屑灰渣资源化利用途径有：高温烧结制压裂支撑剂、配制混凝土、制砖及水泥窑协同处置，高温烧结制压裂支撑剂还处于研究阶段，尚未进行工业应用。因此，探索将油基岩屑灰渣用作制混凝土、制砖及水泥窑协同处置利用。

1)制混凝土、制砖

配制混凝土是将油基岩屑灰渣按照一定比例掺入到水泥、砂、石、水(含外加剂和掺合料)中，经过搅拌而得水泥混凝土，可制得强度等级为C30、坍落度不大于(190±10)mm、粗集料最大公径不大于25 mm的混凝土。油基岩屑灰渣制砖工艺与水基岩屑干渣制砖工艺类似。2016—2017年，涪陵页岩气田将油基岩屑脱油后含油率不高于0.3%的灰渣用于制备混凝土和页岩砖的探索，参照SY/T 7301—2016《陆上石油天然气开采含油污泥资源化综合利用及污染控制技术要求》，其制成的混凝土和页岩砖浸出液pH值、COD、石油类、重金属满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》一级标准要求后，用于气田内部地面工程建设，该途径累计资源化利用1万t以上。

2018年之后，油基岩屑脱油灰渣制混凝土和制砖不稳定，且工艺较为复杂，管控难度大，此途径消耗油基岩屑灰渣量非常有限，导致气田内油基岩屑脱油灰渣大量堆存，亟需寻求稳定且消耗量大的处置利用途径。

2)水泥窑协同处置

与水泥窑协同处置利用水基岩屑类似，油基岩屑热脱附的灰渣采取水泥窑协同处置利用，按照HJ 662—2013《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》设计投加量，从窑尾高温段入窑，水泥窑高温且氧气充分的条件下能够充分燃烧，油基岩屑所含有机物可以被彻底分解，同时碱性环境可有效抑制酸性气体、二噁英的产生，熟料捕获可吸附挥发性金属，残留的固体废物部分可替代水泥生产原料和燃料被制成水泥熟料。检测表明：利用油基岩屑灰渣烧制的熟料与标准水泥熟料的性能一致[15]。根据现有政策规定，油基岩屑脱油灰渣仍按危险废物进行管理，采取水泥窑协同处置应委托有危险废物处理资质(HW08类)的水泥企业处置利用。2018年之后，涪陵页岩气田油基岩屑灰渣采取水泥窑协同处置利用方案；结合涪陵实际，涪陵页岩气田将油基岩屑灰渣转运至某水泥厂水泥窑协同处置设施进行处置利用，每天的处置利用量约为200 t，目前已累计处置约2.5万t。该处置利用技术成熟，有完善的质量保障体系，稳定可靠，但脱油后的灰渣仍按危险废物进行管理，其处置费用高，同时给区域危险废物管理和处置带来一定挑战。

3 结论及建议

1)涪陵页岩气田因地制宜地开展了水基岩屑脱水后干渣制路基材料、制砖及水泥窑协同处置的探索与实践，基于环境安全、技术稳定可靠、规模效益突出的原则，最终形成了水基岩屑“随钻预处理+水泥窑协同处置”的资源化综合利用方案，实现了水基岩屑100%的资源化安全处置利用，具有较好的环境效益和社会效益。

2)涪陵页岩气田因地制宜开展了油基岩屑热脱附后灰渣制混凝土、制砖及水泥窑协同处置的探索和实践，基于管理政策允许、技术风险可控、规模效益突出的原则，最终形成了油基岩屑“热脱附+水泥窑协同处置”的资源化利用方案，该方案技术可靠性和环境安全性强，可实现油基岩屑的安全处置与利用，但管理和处置的成本较高。

3)近年来，在持续进行钻井固废综合利用研究与实践的基础上，形成了适用于涪陵页岩气开发的钻井固废综合利用技术，为我国首个100亿m3大型页岩气田钻井固废的安全处置利用提供了有力的支撑。下一步，将围绕油基岩屑经济有效的安全处置问题，结合区域内水泥窑协同处置危险废物(HW08类)的能力，持续优化油基岩屑水泥窑协同处置方案，降低运行费用和处理成本，实现经济安全处置。