页岩气开采含油废物处理处置及对策研究

郑玲玲，雍毅，黄祥，侯江，张力，郭卫广

(四川省生态环境科学研究院，四川 成都 610041)

0 引言

页岩气是赋存于页岩及其夹层空隙中的一种非常规天然气，是一种较清洁、纯净的化石能源和化工原料。页岩气在钻探和开采过程中会产生大量的固体废物，其中产生的水基钻井岩屑属于一般工业固体废物，而产生的含油废物(油基钻井岩屑)因含有油类、重金属等多种有毒有害污染物，被列入危险废物，若贮存或处置不当，将对生态环境和人体健康构成威胁，从而将间接限制页岩气的开发速度，影响国家能源战略[1]。

目前我国页岩气正处于处于勘探开发迅速发展期，我国页岩气累计探明地质储量已经超过2万亿立方米，年产量已超200亿立方米。近年来，我国每年新增钻页岩气井数保持在300口以上，根据实践经验，每口页岩气井会产生250～350立方米的含油污泥等废弃物。我国近十年页岩气开采行业含油污泥产生量增长情况如图1所示，其中2020年共产生约60万立方米的含油固体废物。如果这些含油固体废物随意堆放接触土壤，其含有的石油烃类及其他有害物质将会随雨水的冲刷污染地面水和地下水，同时其异味也会对周围空气造成一定污染[2]。

图1 中国近10年页岩气开采行业含油污泥年产量增长图

本文结合国内外对页岩气开采过程中固体废物处理处置、综合利用技术和管理现状进行了梳理分析，以为我国页岩气开采含油污泥处置提供对策建议。

1 页岩气开采含油固体废物管理现状

1.1 国内管理现状

根据《国家危险废物名录》，我国已将页岩气开采产生的含油污泥列为危险废物进行管理。近年来，我国也陆续出台了一些用于指导含油固体废物的处理和处置标准和规范。如钻井作业中产生的一种含油污泥被列入《国家危险废物名录》中的危险废物(废物类别：HW08)；HJ 607—2011中“含油率大于5%的含油污泥、油泥沙应进行再生利用”；《石油天然气开采业污染防治技术政策》中“原油处理、废水处理产生的油泥(砂)等中的油类物质，含油污泥资源化利用率应达到90%以上”；SY/T 7301—2016中规定“含油污泥(包括含油钻屑)经处理后剩余固相中石油烃总量应不大于2%”。2020年11月18日，由川庆钻探公司主编、国内5家单位参编的GB/T 39139.1—2020 《页岩气环境保护第1部分：钻井作业污染防治与处置方法》获得国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会批准发布实施，这是我国第一个页岩气勘探开发的国家环保标准，标准中指出“处理后固相石油烃总量等指标满足SY/T 7301标准的，可用于铺垫油气田井场基础材料、通井路”。

黑龙江省、陕西省、新疆维吾尔自治区、重庆市、四川省等省市、自治区、直辖市相继出台了有关地方性法规标准，为当地含油废物的处理和控制提供了一定的技术支撑。特别注意，四川省生态环境科学研究院在制定《四川省天然气开采含油污泥综合利用后剩余固相利用处置标准》中，采集页岩气含油污泥焚烧渣，发现其钡元素浸出浓度达到150～1 070 mg/L，超过了危险废物浸出毒性鉴别标准所规定的浸出液钡含量限值(100 mg/L)，是今后处置和综合利用技术开发和政策管理需要关注的一个方向。

但目前国家还没有发布系统性针对钻井固体废物和含油污泥的管理文件或标准，其相应的处理处置技术文件也没有配套，对页岩气开采并没有形成管理部门、协会、研究机构协同的管理体系。

1.2 国外管理现状

因美国最先开展页岩气开采活动，其在页岩气行业含油固体废物环境管理上也相应较早。美国环境保护局在20世纪80年代对页岩气含油污泥污染物性质及特征、环保管理要求、对环境和人体的影响等全过程进行了系统的研究。1988年美国国会将页岩气行业开采含油污泥从危险废物名单中豁免。美国相关各州也在符合国家法律要求的基础上制订了适合各州管理要求的法律法规或指导性文件，美国石油协会也积极参与到环境管理中，形成了一套页岩气固体废物系统的技术和管理体系[3]。

2019年美国环境保护局通过对已有公开发表的论文进行梳理，从页岩气固体废物产生、贮存、处理和综合利用、环境监管要求以及环境损害鉴定案例等全过程进行分析研究，最终确定，仍将钻井固体废物和含油污泥作为非危险废物进行管理。

2 页岩气开采含油固体废物处理处置技术现状

2.1 焚烧技术

含油污泥焚烧技术是我国最常用的含油固废处理处置技术之一，其原理是使油基岩屑在富氧和辅助燃料条件下完全燃烧，实现含油污泥的无害化处理。焚烧技术通常采用流化床、回转窑和炉排炉作为焚烧设备。焚烧炉的燃烧效率受多种因素影响，如固废热值、含水率、燃烧工况、温度及停留时间等。含油固体废物焚烧前需要进行脱水、干化破碎等预处理，以便于含油固废的引燃及焚烧，一般要求含有固体废物高含油率、低含水率，即热值越高，处置成本越低，更具经济性。焚烧产生的废气和烟尘须经过废气治理和除尘装置处理达标后排放，焚烧渣一般需安全填埋或综合利用，如：生产陶瓷颗粒、制砖和水泥等[4]。但须注意的是页岩气开采含油污泥在采用焚烧法处理后的焚烧渣，钡的溶出迁移水平大幅升高，浸出液中浓度甚至超过了危险废物鉴别标准，含油污泥焚烧渣的环境安全利用值得进一步研究。

2.2 热解析技术

热解析技术又可称为热脱附技术，是将含油固体废物在绝氧条件下加热，通过热分解及蒸馏技术，将含油固体废物混合相转变为气、固两相，其中低碳油类被蒸馏出来，再经过二次焚烧完全成废气，同时固相经过热解处理后可得到底渣。温度是热解技术中是最重要的影响因素。高温热解析工艺对页岩气含油固废处理的比较彻底，但热处理法仍存在能耗过高、尾渣仍需安全填埋或综合利用和尾气处理成本高等缺点[5]。

2.3 水泥窑协同处置技术

水泥窑协同处置技术是指将页岩气开采含油固体废物按照一定量比例，添加入水泥窑中，作为水泥生产原料和燃料，将含油污泥中有机成分进行完全燃烧，无机成分进行综合利用的一种技术。水泥窑协同处置技术具有高温碱性环境优势，在水泥窑内物料焚烧停留时间长，处理彻底，同时水泥窑处置规模较大，是协同处置页岩气含油固体废物的最好方式之一。但利用水泥窑协同处置含油污泥会对水泥窑系统和设备造成一定的损耗，特别是系统热耗增加、窑尾易结皮堵塞、运行事故次数增多、耐火材料使用减少以及生产出的水泥质量不稳定等劣势[6]。

2.4 固化技术

固化技术是指在页岩气含油固废中添加水泥、石膏粉等胶凝材料，水化形成块状固体，降低特征污染物浸出浓度，从而避免环境污染的技术。但由于页岩气开采中固体废物含油率和含水率都较高，直接进行固化处理很难达到环保目标，因此需将含油废物通过热解析、萃取或离心分离等预处理工后再进行固化处理。目前采用固化技术处理后的废物综合利用率低且必须配套建设相应安全填埋场。该技术未根本上解决油页岩气开采含油固体废物的无害化处置问题，同时增加了一些处理工程中的固化药剂费，处理成本高、占地面积大、处置规模小、污染隐患未根本消除[7]。

2.5 回注技术

含油污泥回注技术是将页岩气含油固废浆化后和废弃钻井液注入到安全地层或者是环形空间里的技术。近些年来北美的石油公司在含油污泥回注技术上进行了大量研究和实践工程。该技术的实施总体涉及着较多的地质相关工程问题，受地层孔隙度影响大，不具有普适性，须十分谨慎地选择适宜的地层或是环形空间，避免污染到地下水或油层，要对回注层进行详细勘察和综合评估。同时该技术系统复杂，对设备性能要求严格，对施工技术要求较高。总体该技术难度系数大且对环境存在不确定环境隐患，若在我国进行推广应用还需谨慎考虑、综合评估[8]。

2.6 清洗萃取技术

清洗萃取技术是采用添加表面活性剂的溶剂对页岩气含油固体废物进行冲洗，使其含油率或其他污染物降低的技术。含油固废经清洗后，通过沉淀分离法收集清洗剂进行循环利用。目前有学者采用对油有极强溶解能力的溶剂对含油固体废物进行清洗和萃取，以达到回收油类，回收的油类可进行净化处理后回收利用。该技术除油效率不高，且会产生大量污水。总体来说，该技术设备占地面积大、运行成本高且存在对环境造成二次污染的风险[9]。

2.7 生物处理技术

生物处理技术是利用特种微生物对页岩气开采含油固体废物进行降解的一种技术。主要是筛选特种微生物将油基钻屑中的石油烃类降解为无害的土壤成分，经过降解处理过后的油基钻屑能够达到农用或者绿化的相关标准。该技术是能从根本上消除油基钻屑污染，且一般不会产生二次污染的绿色环保技术。适用于含油固体废物的生物处理技术主要有堆肥处理法、地耕法和污泥生物反应器法。从总体情况上来看，处理所需要的时间过长且占用大量土地。采取这种技术很难对芳烃以及杂环类等难降解有机物质进行处理，对含油率较高的固废处理效果差，对我国碳减排贡献小[10]。

2.8 常温深度脱附技术(LRET技术)

LRET技术在常温常压下结合多级多效变频耦合离心技术及萃取技术，利用密度差及处理剂使油基废弃物中的固液相分离，实现油基钻井液及萃取剂的回收利用，整个处理过程能耗低，无二次污染，同时，固相岩屑的含油率也得到有效降低，可用来进行更进一步的资源化利用，各项环境指标均能满足要求。该技术主要是作为页岩气含油固体废物处理的一种预处理技术。LRET技术在处理页岩气固体废物时，既环保高效又能实现资源的循环利用，已在四川省国家级长宁页岩气开发示范区处理实践中得以证明。但在实际工程中操作难度比较大，对技术、设备等方面的要求均比较严格[11]。

国内外常见的8种油气开采含油污泥处理处置技术各种技术评价参数对比如表1所示。综合分析可得，LRET技术、焚烧技术、热解技术和水泥窑协同处置技术因处理周期短、环境风险低、处理规模大，市场占有率高，成为目前的热门实用技术。

表1 页岩气含油污泥处理处置技术对比

3 综合利用研究现状

国家对固体废弃物管理的强化使页岩气开采产生的油基岩屑进行综合利用得到越来越多的关注，充分利用油基岩屑的有用成分，走资源化利用的道路是油基岩屑处理技术发展的趋势。当前，油基岩屑的资源化利用主要集中在制砖、水泥原料及掺混料、路基材料等方面[12]。

3.1 制砖

制砖是将含有固体废物按一定比例掺加制砖，掺入比例直接影响到砖块的抗压性能和产品的环境安全利用。刘来宝等将页岩气含油固废固化处理后作为主要原料制备烧结砖，发现采用30%的新型固化剂固化后的钻井含油污泥和70%页岩为原料，在温度900 ℃左右，可制备出高强砖。四川省生态环境科学研究院研究发现掺加25%以内的页岩气含油污泥焚烧渣，其污染物酸浸浓度不会超标。但是利用钻井岩屑制备砖块技术也面临着砖厂运营费用过高、砖块销售困难，在制备烧结砖过程中还有可能造成二次空气污染等问题[13]。

3.2 生产水泥

页岩气含油固废可直接掺混作为石灰石的替代料制备水泥熟料。此外，油基岩屑焚烧渣在常温下替代20%的细集料进行混凝土的制备，用于道路的底基层材料、井场建设或承重构件等[14]。研究表明，随着油基岩屑掺量的不断增加，水泥浆的抗压强度反而呈现下降的趋势，预处理后的油基岩屑可替代水泥的30%～60%用作固井用水泥浆。

3.3 生产陶粒

陈筱悦、黄祥等在深度脱附处理油基岩屑的特性分析基础上，利用该油基岩屑、粉煤灰等进行免烧陶粒及烧结陶粒的综合利用研究。将油基岩屑转化为免烧及烧结陶粒可降低二次污染，实现废物资源化利用，将其应用于建筑、路基等多个领域可提高油基岩屑的处理速度，具有潜在的经济、环境及社会效益[15]。

4 对策建议

从以上页岩气开采含油固体废物管理、处理处置以及综合利用的综合分析基础上，提出以下对策建议。

(1)加快页岩气水平井钻井清洁生产技术研发，特别是推动环保型非油基钻井液和无钡加重剂的开发和应用，从根本上消除油基钻屑产生量。

(2)综合分析可得，LRET技术、焚烧技术、热解技术和水泥窑协同处置技术因处理周期短、环境风险低、处理规模大，市场占有率高，是推荐的最佳技术，同时需积极探索油基钻屑处理后的产物多途径资源化利用方式，拓宽钻井岩屑综合利用渠道，以应对未来页岩气行业发展需求。

(3)页岩气开采含油污泥在采用焚烧法处理后得到的焚烧渣，其钡的溶出迁移水平大幅升高，浸出液中浓度甚至超过了危险废物鉴别标准，含油污泥焚烧渣的环境安全利用值得进一步研究。加快页岩气开采含油污泥焚烧渣的环境健康风险评估和综合利用产品的安全标准制定。