钻井废弃物原位处理效应评价及资源化利用探究

付 威,王 哲,贾浩民,张剑波,樊 军,常彦荣,牛育华,翟文晰,郝明德

(1.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；3.中国科学院大学，北京 100049；4.中国石油天然气股份有限公司 长庆油田分公司第一采气厂，陕西 靖边 727300；5.陕西科技大学 化学与化工学院，陕西 西安 710021)

0 前 言

随着油、气田勘探开采利用程度的增加产生大量的钻井废弃物。据统计，我国每年产生约1 000万m3钻井废弃物。若不将其妥善处置，将会严重影响井场及其周边的生态环境[1～4]。钻井废弃物主要包含钻井废弃泥浆和钻井岩屑等。其中，钻井泥浆作为油、气井钻井工程中的“血液”，主要是各种有机-无机物质和粘土矿物等混合形成的一种粘稠流体或半流体的胶体，起到携带、悬浮钻屑、稳定井壁、平衡地层压力和冷却润滑钻头钻具的作用；钻井岩屑是指油气田勘探开发中，钻井泥浆循环分离回用系统分离出的大颗粒岩屑、砂和泥。因此，钻井岩屑和废弃钻井泥浆是钻井过程中不可避免的[5～7]。由于我国油、气田埋藏深度深，开采过程中将产生更多的钻井废弃物。同时，区域的水文地质差异和钻井废弃物本身的复杂性[8～10]，使得钻井废弃物成为一种复杂的固体、液体废弃物，直接排放会对SPAC(Soil-Plant-Air continuum)系统造成复杂的影响[7～10]。

目前，国内外针对钻井废弃物无害化处理技术进行了大量研究，主要有固化处理法、固液分离法、注入安全地层法、土地耕作法、生物处理法、MTC(mud transfer comment)法和不落地集中处理法等[7]。其中，国外针对钻井废弃物开展的研究时间较长，拥有较为丰富的经验，例如将钻井过程产生的钻井废弃物注入安全地层，避免了废弃物占用大量土地资源，也可限制废弃物在环境中的扩散范围[6,8,13]。国内针对钻井废弃物无害化研究始于20世纪八十年代，早期常见的钻井废弃物处理方式包括：简单处理后直接排放，对大面积的土地、植被和水体造成严重污染。泥浆池固化法作为一种简单有效的处理方法，将钻井过程中的产生的固体液体废弃物经过简单化学处理后，直接贮存在井场周边的泥浆池内，泥浆池周围用防渗布隔离，避免向四周扩散，上层采用本地黄土覆盖，恢复植被或直接耕种，此方法对环境影响范围较小、操作简单、成本低、效果良好，在我国过去二十多年间被广泛应用[1,5]。2016年钻井泥浆被列为HW08(071-002-08)T类(毒性)污染物，被限制使用钻井泥浆池固化处理，而采用钻井废弃物不落地集中处理技术，使用密闭式罐车将钻井废弃物转运至固定场所集中处理，降低其对土壤和植物的影响[7,14]。但也有相关学者指出，钻井废弃物是放错位置的资源，在一定条件或环境下可以作为一种资源用于生态恢复。钻井废弃物资源化常见处理方式包含：①直接填埋覆土耕种，将钻井废弃物作为作物生长的基质，促进作物生长；②井场道路铺设，利用钻井岩屑为井场道路铺设材料；③固化制砖，为井场建设提供一定的建筑材料；④土地利用法，一种是土壤耕作，将废弃钻井废弃物进行土壤覆盖，通过机械操作将其与土壤混合均匀，并形成厚度约100～130 mm新的耕作层。另外一种是土地抛洒，将钻井废弃物抛洒在地表，增加土壤有机质及养分含量。

长庆油田开采区主要位于鄂尔多斯盆地，横跨陕、甘、宁、内蒙古等地，油、气储量丰富，石油总资源量约为86亿t，天然气总资源量约11万亿m3，已成为我国第一大油气田生产基地。井场主要分布在陕北和内蒙交界的干旱与半干旱区域，也是农、牧业交错地带。油、气井井深平均在3 000 m以上，开采中将会产生大量的钻井废弃物。由于该区域独特的地质地貌环境，其钻井废弃物主要是采用就地固化泥浆池法(2016年前)和不落地处理技术(2016年后)。尽管泥浆池法在该区域已实施了多年，但缺少对泥浆池法处理后的长期环境效应评估，尤其是缺乏泥浆池法处理后对土壤-植被-水分的影响。钻井废弃物在2016年后在该区域实施了不落地技术处理法，对钻井废弃物中有害或者超标的成分进行集中处理，可以降低其对环境的影响，但会显著增加运输成本，在运输过程中也会造成碳排放；同时，集中处理需要大量的场地来堆放，对土壤和空气存在一定的污染风险。

因此，笔者研究旨在探索钻井废弃物原位处理泥浆池法对农作物-荞麦的产量、品质和重金属等指标的影响，评价钻井废弃物泥浆池固化法在该区域的适用性和生态经济效益。为合理处理钻井废弃物，结合该区域环境条件探索钻井废弃物原位处理技术，降低处理成本，进行无害化处理，使钻井废弃物资源化应用于构建良好的土壤结构，为促进该区域井场植被恢复和农牧业发展，避免资源浪费提供一定的参考依据。

1 材料与方法1.1 研究区域概况

研究井场地处黄土高原中部，属典型的干旱与半干旱区域。土壤为沙黄土，质地均匀，砂粒、粉粒和粘粒含量分别为83.40%、8.84%和7.76%，属于砂质壤土(美国农部制)，有机质含量为6.81 g·kg-1。井场如图1(a)所示，钻井前平整井场土地，于2014年完成钻井工程。同时，将钻井过程中产生的钻井岩屑、泥浆等固、液废弃物进行泥浆池固化，在泥浆池下层铺有一层防渗布，上层覆盖沙黄土。按照当地农事日程，复垦井场土地，种植农作物——荞麦(FagopyrumesculentumMoench.)。泥浆池剖面如图1(b)所示，自上而下分别是农作物、黄土覆盖层、钻井泥浆固化层和深层黄土。该区域年蒸发量大、年降水少且季节性分布不均，主要集中在7-10月，占全年降水的70%以上，且强降水事件频发。防渗布铺设是为了避免钻井废弃物在土壤剖面的扩散和淋溶迁移。

图1 试验地概况与泥浆池剖面

1.2 样品采集与指标测定

于2018年9月中旬在井场范围内，确定泥浆池固化准确位置，利用土钻法采集泥浆池内、外土壤剖面样品，土钻直径40 mm，间隔20 cm采集一个土壤样品，直至泥浆池底部防渗布位置。实验室采用烘箱105℃烘干至恒重，测定各层土壤含水量。

分别在井场上泥浆池内、外选取长势均匀的荞麦，进行植物样采集，采样面积1 m2，3次重复。于实验室测定荞麦地上部分生物量，籽粒产量以及籽粒的氨基酸等品质指标和重金属含量。

1.3 相关计算

土壤质量含水量计算：

(1)

式中：θm，土壤质量含水量，%；m1为湿土质量，g；m2为干土质量，g；m1-m2为土壤水质量，g。

单井钻井岩屑计算：

人类的语言发音中有大量的共性现象，比如[w]音在英汉语中发音部位和动作的相似，这决不是单纯的偶然巧合。“由惊到缓”这一心态转换的高频出现，是促进“well”虚化的原因之一。既然能用攥紧拳头来缓和紧张，也就没有理由去否认舌头、口腔的特定动作组合也能达到影响人心态的特定效果。语言的外因(认知、语用和文化)和语言的内因(语音、语法和语义)[17]之间矛盾的对立性使语言发生演变，但二者的统一性又成就了其被虚化后的规约意义。了解这一点有助于译者解放思想，抛开其词典意义的束缚，从而在译文中更好地体现well的语篇功能和人际功能。

(2)

式中：V1，钻井岩屑排放量，m3；D，油气井直径，m；h，井深，m

单井钻井泥浆计算采用《油田开发环境影响评价文集》中的经验公式：

(3)

式中：V2，钻井泥浆排放量，m3

1.4 数据处理与作图软件

数据计算和整理利用Microsoft Excel 2016，作图应用Origin 9.3和Microsoft Visio 2016。

2 结果分析

2.1 泥浆池内外作物产量/生物量差异

泥浆池内荞麦地上部生物量和籽粒产量远高于泥浆池外(图2)。泥浆池内地上部分生物量(6 553 kg·hm-2)是泥浆池外(1 541 kg·hm-2)的4.3倍，显著提高了荞麦的地上部生物量。泥浆池内荞麦籽粒产量也有较大提升，较泥浆池外增产45.2%(480 kg·hm-2)。

图2 泥浆池内外荞麦生物量与产量比较

泥浆池内、外土壤剖面质量含水量差异主要在钻井泥浆等废弃物固化层(图3)。从土壤剖面含水量数据和现场钻孔取土样的过程中发现，泥浆池深度为320 cm，泥浆固化层为200～320 cm，厚度达120 cm。泥浆池外的整个土壤剖面含水量平均土壤质量含水量为18.4%；但在泥浆池内，黄土覆盖层土壤含水量与泥浆池外基本一致，但泥浆固化层含水量显著高于黄土覆盖层，平均质量含水量达51.1%，由于固化层的存在，形成了一个阻碍水分向深层运移的隔水层，可以将降水阻隔在之上的土壤中，为作物的生长发育提供良好的水分条件。

2.2 泥浆池内外荞麦籽粒品质差异

氨基酸作为合成蛋白质的重要物质之一，其含量差异在一定程度上可反映籽粒品质。荞麦籽粒中16种氨基酸浓度无显著差异，基本表现为泥浆池内荞麦籽粒氨基酸浓度略低于泥浆池外(图4)。但从每公顷荞麦籽粒中含氨基酸总量来看，泥浆池内显著高于泥浆池外(表1)。每公顷荞麦籽粒16种氨基酸总量泥浆池内(152.5 kg)较泥浆池外(109.1 kg)提高了39.8%。各种不同种类的氨基酸也明显提升，其中酪氨酸提升最小为32.4%，组氨酸提升最大为55.6%。

表1 荞麦籽粒中氨基酸总量对比

图4 泥浆池内外荞麦籽粒氨基酸浓度比较

粗蛋白、粗脂肪、淀粉和还原性糖四种籽粒品质指标呈现出不同差异(图5)。其中，籽粒粗蛋白和淀粉含量泥浆池内低于泥浆池内，分别降低了4.5%和7.6%。而粗脂肪和还原性糖含量则出现泥浆池内大于泥浆池外，分别提高了4.5%和36.8%，还原性糖含量提升最大。

图5 两个井场泥浆池内外荞麦相关品质指标对比

2.3 泥浆池内外作物籽粒重金属含量差异

表2 两个井场泥浆池内外荞麦籽粒重金属含量差异 (mg·kg-1)

3 讨论

3.1 泥浆池固化钻井废弃物对作物产量的影响

黄土高原干旱与半干旱区域影响作物生长的主要因素是降水少、空间分布不均和土壤肥力贫瘠。泥浆池法固化处理钻井废弃物采用“上盖下铺”的方式，上层黄土覆盖层，采用当地质地较粗的沙黄土，下层是钻井泥浆等废弃物，形成“上砂下粘”的土壤结构，这种土壤结构在土壤学中被称为“蒙金土”，是一种良好的土壤结构[15,16]。其既可以增加土壤水分入渗，降低地表径流和土壤侵蚀，也可以增加土壤贮水量和保水保肥能力，进而促进作物生长[15,17～19]。具体来说，在降雨事件发生后，降水可以迅速入渗至泥浆池剖面，到达泥浆固化层，增加土壤水分入渗，降低了地表径流，避免土壤侵蚀发生[13]。此外，土壤剖面贮水量增加，为作物的生长发育提供良好的土壤水分资源。因此，泥浆固化层实际上成为了作物生长发育的一个“水库”。同时，泥浆池底部和四周铺设防渗布，降低水分向深层黄土的渗漏与盐分运移。加之钻井废弃物本身具有良好的持水性，也会减少水分向四周扩散。总之，泥浆池法固化处理钻井废弃物为作物的生长，提供了良好的水分条件。同时，钻井废弃物中包含了各种有机物质和矿质离子，很大程度上增加了土壤肥力；此外，降水入渗过程将耕层部分养分淋洗至泥浆固化层，故泥浆固化层也是一个富含养分的“肥库”，可为荞麦生长提供各种必需的营养物质。所以，泥浆池内处理钻井废弃物具有良好的土壤剖面结构、充足的水分条件资源，富含各种植物生长所需养分，显著增加荞麦生物量和籽粒产量。

3.2 泥浆池固化钻井废弃物对荞麦籽粒品质和重金属含量的影响

泥浆池内荞麦籽粒中氨基酸浓度稍低，但这种差异未达到显著水平。同时，未影响每公顷荞麦籽粒中总氨基酸含量。主要原因可能是泥浆池内荞麦长势良好，籽粒产量较高，不影响总氨基酸含量[20]。

籽粒重金属元素含量超标将会对人体健康产生影响[21～22]。例如日本的水俣病事件和湖南镉大米事件，分别为重金属汞和重金属镉超标引起的。钻井过程中，采用钻机机械物理破碎岩层，不存在化学过程。即使岩层含有重金属富集的岩石，在性质稳定钻井泥浆运移至地表也不会活化重金属矿物。通常在地层深处是一个高温高压环境，岩石矿物可以稳定存在，即便将其转移至常温常压下，亦不会轻易发生状态变化。钻井固体废弃物中一般不会出现重金属超标，即便有重金属矿物存在使得部分重金属含量超标，那也是以稳定的矿物态存在于岩屑之中。也有研究报道指出，钻井废弃物中含有诸多硫化物，可与重金属形成稳定的硫化物而被固定[20～22]。同时，该地区土壤为微碱性土壤，对重金属也有钝化作用，使其处于稳定状态，重金属不容易被作物生长所吸收利用。最后，植物本身对重金属离子也有选择性吸收利用，重金属一般不会在该区域的作物中富集[23～24]，试验结果也表明籽粒重金属含量未超标。

3.3 钻井废弃物构建十亩良田和百米优质草场潜力

长庆油田一口深3 000 m的油、气井(D=216 mm)钻井过程中将产生钻井岩屑约110 m3，钻井泥浆约240 m3。岩层被破碎成岩屑的疏松过程和其他钻井过程添加物料，完成一口井钻探将产生约800 m3的钻井固体、液体废弃物。将钻井废弃物土地资源化利用，若井场附近是农业种植区，则可将这800 m3钻井废弃物封存在近0.67 hm2地的泥浆池内，结合沙黄土混合，将形成一个超过10 cm的固化层，在上层覆盖一定厚度(>60 cm)的黄土，进行复垦，用于传统农业种植生产，通过“上砂下粘”的良好土壤结构[5]，提供一个水分充沛的根区环境，结合钻井废弃物富含的营养成分，可促进作物生长，增加作物产量[21～22]。若井场分布在牧区草场，则可利用土地抛洒的方式将固体废弃物喷洒在牧草稀疏的10 000 m2草场上，将形成一层厚度超过 5 cm的固化层，一是钻井泥浆等废弃物可以与表层土壤形成良好的土壤结构，增强土壤团聚程度，避免该区域的风蚀所造成的沙尘；二是钻井泥浆等废弃物固化层具有很好的保水性，可以为牧草的生长提供较好的水分条件；三是固化层含有的大量有机物质和营养成分可以供给牧草的生长。若井场位于黄土丘陵沟壑区，井场周边属撂荒地，则可将钻井废弃物用来种植灌草植被。同时，种植植物也可以对钻井废弃物中的有机物质等，进行分解利用，在土壤微生物的作用下，进行土壤修复[23～24]。有机物质分解有利于植被的存活与生长，促进钻井时破坏的植被生态修复，增加生态脆弱区的生物多样性，促进油田与环境友好发展[25]。

4 结论与展望

(1)黄土区钻井废弃物就地泥浆池固化处理4 a后，增加了土壤剖面含水量和贮水量，促进作物生长，显著提高了荞麦籽粒产量，籽粒中重金属含量不超标。泥浆池固化后形成了“上砂下粘”的良好结构，泥浆固化层成为促进作物生长的肥库和水库。

(2)钻井废弃物在黄土区，不落地处理会带来大量的运输成本和资源浪费，在运输过程中排放大量汽车尾气也影响周边环境。若将其合理处理，采用原位处理钻井泥浆等废弃物，对该区域构建高产农田、优质牧场和生态植被恢复将会有重要意义。因此，一口钻井废弃物，构建十亩良田或百米优质草场，促进井场植被恢复，可能对油、气田可持续发展具有重要意义。