水基钻井固废生物资源化土壤利用技术效果分析

陈立荣，乔川，包莉军，冯永东，蒋学彬，沈弼龙，张敏，刘汉军

(1.中国石油川庆钻探工程公司安全环保质量监督检测研究院，四川广汉 618300；2.中国石油西南油气田分公司质量安全环保处, 四川成都 610051；3.中国石油西南油气田公司勘探事业部，四川成都 610500)

由于石油天然气钻井的特殊性，水基钻井过程中将产生大量的水基固体废物，常称钻井固废，一般每口井平均每米进尺产生量为0.3 m3～0.4 m3[1]，一口深度为5000 m的钻井，其固废产生量将达1500 m3左右。这些固废主要为钻屑及废水处理渣泥、清掏泥浆罐产生的废弃渣泥、钻井过程产生的废弃泥浆等，具有色度高、有机物含量高、悬浮物多、有害重金属含量较低等特点，并含有一定的油类物质，具有一定的环境危害性。目前四川油气田对水基钻井固废的处理方式主要为固化填埋及拉运至当地砖厂制砖利用，这两种方式均存在一定缺陷，有些方面并不符合国家节能减排及生态文明建设要求。因此，对其资源化土壤利用技术的研发具有现实意义，也是国内外固废处置利用的发展方向[2]。

1 水基钻井固废概况

四川油气田常规钻井主要采用水基聚合物和磺化钻井液体系，不同的钻井液体系对应产生的固废性质存在较大差异，聚合物钻井液体系固废色度浅、有机物含量不高，COD一般为300 mg/L～600 mg/L；而磺化钻井液体系固废通常呈褐色或黑褐色，COD一般为2000 mg/L～10 000 mg/L，但这两种固废都具有悬浮物多、有害重金属含量较低等特点，调查分析了15口井不同井深段处不同钻井液体系，对应的钻井液中的Pb、Cu、As、Hg等有害重金属含量情况，结果均小于《土壤环境质量 农用地土壤污染物风险管控标准》(GB 15618—2018)(试行)中管控标准值；调查分析了2口水基钻井固废中苯并[a]芘等29种挥发性有机污染物质情况，只有3种有微量的检出，其余均未检出。张思兰等[3]也曾研究认为四川油气田所在的川渝地区页岩气水基钻井固废中有害重金属含量都低，苯并[a]芘、可吸收卤化物满足相关标准要求，除有效磷、碱解氮质量比较低外，速效钾、有机质等养分满足国家城镇建设行业标准《绿化种植土壤》(CJ/T 340—2016)要求。这为四川油气田水基固废生物处理资源化土壤利用奠定了基础。

2 生物资源化土壤利用原理和工艺

2.1 处理利用原理

微生物具有极强的代谢多样性特征，参与了自然界物质循环和能量代谢，其降解废弃物潜力大，具有分解快、成本低、降解彻底[4]，能够实现废弃物资源化利用等优势。而土壤具有一定的腐殖质，能促进土壤微生物的活动，其微生物在土壤中能分解有机质、矿物质、固定氮素[5-7]。土壤的组成、性质及性能具有促进微生物活动的作用，因此微生物与土壤两者具有协同促进作用，两者联合有利于促进提高降解污染物的能力，有利于微生物将钻井固废中的复杂有机物一部分转化成腐殖质组分，一部分降解为简单的无机物甚至CO2和H2O，从而使钻井固废中的污染物得到去除，达到无害化处置、资源化利用的目的[10]。固废生物资源化土壤利用技术把土地耕作、生物菌降解和生物堆三种固废处置技术有效集成，形成一种强化生物堆修复技术，提高了微生物对污染物的降解去除效果，并缩短了降解时间。

2.2 处理利用工艺

把室内筛选出安全优势的微生物降解菌株制备成液体或固体菌种，然后用于现场，先充分混匀待处理的钻井固废，混匀后按一定比例直接加入微生物降解菌株并充分混匀，然后根据待处理固废的含水量情况加入待处理固废量0.5倍～2倍的较细土壤，充分混匀后堆放，并在其表面覆新鲜土2 cm～5 cm厚，其上播撒种植观赏或薪柴植物，形成钻井固废—微生物—植物联合降解体系[8-9]。

3 生物资源化土壤利用效果研究

3.1 应用井概况

目前该技术已在四川油气田应用于甲井和乙井等15口井，共处置土壤化利用水基钻井固废10 000 m3以上。现正在四川油气田逐步得到推广应用。本文重点对甲井和乙井的应用情况进行分析。

甲井位于四川省雅安市碧峰峡镇，完钻井深4444 m。乙井位于重庆市壁山县大兴镇，最深井深4322 m。甲、乙井固废处置资源化土壤利用的表观效果见图1。

3.2 采样与检测

施工完毕后间隔2～3个月对土壤定期进行追踪采样监测分析。采用钻探机、土样采样器或铲挖方式多点采集试验土样，采集深度为表层土以下30 cm～50 cm，并对不同深度的土壤进行了取样检测，以了解不同深度污染物降解情况。采集的样品混匀后分装于无菌塑料袋中带回送有资质的第三方实验室分析。植物样品的采集为植物叶或果实。土壤中主要非重金属类指标主要分析的是其浸出液指标；土壤中重金属类指标按GB 15618—2018标准[11]分析了其含量；浸出液由检测单位按检测方法要求制备。

3.3 应用效果

3.3.1甲井的监测效果分析

从甲井的追踪监测结果(见表1和表2)可以看出：采用生物法处理水基钻井固废土壤利用，经3个月及以上时间的降解处理，形成的土壤中一些有害重金属浓度无显著变化，但与本底值相比，表2中个别指标如Pb含量还是有一定程度增加，主要原因可能是该井钻井固废中其值比所加土的本底值高，因而造成形成的土壤中其值有一定程度增加，但均不超过《土壤环境质量 农用地土壤污染物风险管控标准》(GB 15618—2018)(试行)(其他，pH>7.5，风险筛选值限值)。虽然生物降解对多数重金属指标无降解效果，但由于钻井固废中有害重金属含量本身很低，处理后形成的土壤中的有害金属通常不会超标。钻井固废中的主要污染物油类物质、COD降解显著，降解率达90%以上，土壤浸出液COD、油类物质等指标达到了国家《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)一级标准，降解时间越长，污染物指标也越低；部分井不同深度监测结果表明，虽然不同深度的土壤中重金属类及COD等指标随土壤深度变化不明显，也无规律性，可能与混合搅拌均匀度有一定关系，但甲井3#池和4#池及乙井的4#池中的油类物质指标值很明显随深度增加，其值越高，说明表层比深部氧化条件要好些，污染物的降解效果要好些。但由于处理现场的特殊性，施工主要采用挖掘机对生物菌种及钻井固废进行混拌，难以使处理物与菌种充分混匀，加之每次取样点不能保持完全一致性，因此，一些处理池不同时期的监测结果出现了小波动；同时，由于土壤本身含有机质成分，其对COD的分析结果也会造成一定影响。

图1 丙井完井固废及植物裁种情况Fig.1 Well drilling solid waste and the plant growth

表1 甲井浸出液中主要非重金属类指标[4]

表2 甲井主要重金属类指标

3.3.2土壤浸出液污染物指标分析

为了对形成土壤中的浸出液污染物指标作更全面了解，我们于2015.6.25—2015.6.26日采集了甲井和乙井的土壤，分别送具有资质的浙江中科院应用技术研究院分析测试中心和北京新奥环标理化分析测试中心进行了检测分析，结果见表3。从表3可看出，2口井4个不同样品的10个有机农药类、12个非挥发性有机化合物类和12个挥发性有机化合物类指标均未被检出，各点16个无机元素及化合物指标，分别只有3个指标被检出，其他13项指标都未被检测出，3个样品中所检测出的指标只有氟化物1个指标超过《地面水环境质量标准》(GB 38380—2002)Ⅴ类标准值，即适用于农业用水的标准值，其余指标均不超过此标准值。主要原因是四川油气田均要对钻井液处理剂进行产品质量检测，严格控制有害重金属超过产品质量标准的处理剂入网和使用。因此，只要所钻地层中无有害重金属，就不会增加钻井固废中的有害重金属含量。

表3 土壤浸出液中污染物指标监测结果

3.3.3土壤栽种植物有害重金属分析

对甲乙井处理物形成的土壤上所栽食用植物和自生植物进行监测，结果列于表4。从表4中可看出：食用植物的监测结果符合国家《食品安全国家标准 食品中污染物限量》(GB 2762—2012)蔬菜及制品类标准限值要求[13]，无重金属生物富集或转移情况，主要原因是钻井固废重金属含量低。但由于附近村民都栽种季节性植物，加之一些钻井处理后当地一时没有对其应用，只栽种了一些草种或自然生长了一些杂草，会自然随季更新，难以对一种植物进行持续追踪监测。同时，由于本研究工作的缺失，没有与处理现场附近的相关植物中的重金属含量作对比调研分析。监测中也发现，甲井4#池中所长的槐树叶中Hg含量约超过标准，因其土壤中Hg含量很低，不排除是由分析误差造成的。

表4 植物中主要重金属含量

3.3.4土壤肥力指标监测分析

对甲乙井及其他应用井共6个现场的处理物形成的土壤主要肥力有机质、有效磷、有效氮、速效钾和全氮等指标进行了监测，结果表明：处理2个月后形成的处理物土壤主要肥力指标多数增加20%以上，特别是有机质增加明显。主要原因是钻井固废中，特别是废弃泥浆中由于含有一些有机腐植质处理剂成分，因此，土壤有机质含量增加明显。

4 结论与建议

水基钻井固废生物处理资源化土壤利用效果追踪监测结果初步表明，采用生物处理技术处理利用钻井固废，使其转变成一般可裁性土壤具有可行性；该技术与四川油气田现在采取的外送制砖利用相比，更具经济安全环保性；与固化填埋相比，使固化填埋占用地变成了可耕地，实现了生态修复和可持续发展。生物处理钻井固废资源化土壤利用技术，不需要添加任何化学添加剂，提供了一种新的处理利用方式，符合国家环保节能政策，克服了现行以水泥为主要固化剂的固化填埋处理中大量水泥的使用，既节约了资源能源，又减少了处置物占用地，由此带来的环境和生态效益明显。由于此技术能将钻井固废中的有机物转变成土壤腐殖质组分，实现了变废为宝，使钻井固体变成了可栽种土壤，形成的土壤有害重金属指标符合现《土壤环境质量 农用地土壤污染物风险管控标准》(GB 15618—2018)(试行)(其他，pH>7.5，风险筛选值)，可栽种一般植物。建议四川油气田加大推广应用力度。此技术可拓展丰富油气钻井水基固废资源化处置利用的途径。建议全国陆上其他油气田可示范应用。利用该项技术时，需添加一定量的新鲜土，应使土粒粒径尽可能小，并在施工过程中充分混匀菌种与固废和新鲜土。现场施工完毕要保持处理混合体系于一定湿度，以便确保生物降解处理效果。