水基钻井固废生物处理资源化土壤利用效果分析

陈立荣 文炜涛 唐 伟 冯永东 蒋学彬 蒋世金 刘汉军 陈世荣 舒 畅

(1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院；2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司页岩气勘探开发项目经理部；3.中国石油西南油气田分公司勘探事业部；4.中国石油西南油气田分公司蜀南气矿)

0 引 言

西南油气田在钻井过程中产生大量的钻井固废，平均产生量为0.35～0.40 m3/m[1-2]，这些固废组分复杂，包含钻井液中添加的化学物质、地层岩石中存在的重金属污染物、岩屑存放产生的有毒物质，具有一定的生物毒性，容易对周边环境产生污染，需要对其进行合理的处置[3-6]。

各大钻探公司主要采取固化填埋法、制备免烧砖、制备烧结砖等处置水基钻井固废，在特定时间段对污染防控起到积极作用[7-10]。但是，固化填埋法具有消耗大量固化材料、浪费土地资源、固化体长期浸泡存在环境污染风险、固化池地基不均匀沉降易发生局部破坏等缺点，不符合当前生态文明建设的要求而放弃使用[11]。水基固废制备免烧砖、烧结砖存在处置费用高、运输费成本高、固废添加量有限、砖厂烟气难达标、转运潜在环保风险高、制砖质量不稳定、存在易受地方制砖企业控制及抬高处置价格等问题[12]，而使用受限。

为克服上述处置利用的缺陷，增加其资源化处置利用途径，自2008年起，中国石油川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院与相关院校等合作，先后立项开展了多个生物处理利用相关科研课题研究与示范应用[13]，10余年来，先后示范应用于川渝地区西南油气田的丹浅001-8井、莲花000-X8等23口井，共计处理利用水基钻井固废16 555 m3，恢复耕地面积5 518 m2，节约水泥4 966 t，节能成效明显，社会及生态环境效益显著。本文对水基钻井固废生物处理效果进行追踪监测分析，评价其资源化土壤利用效果，为推广应用决策提供支撑。

1 追踪监测分析基本情况

1.1 监测分析机构

为确保监测数据客观公正性，委托第三方监测机构四川清蓝检测科技有限公司进行现场采样与检测分析。

1.2 监测分析井

选择了川渝不同地区的生物处理利用量较多的6口井(见表1)，各井的生物处理时长已达4年以上，通过相关数据监测分析，研究长时间生物处理后形成的土壤质量和所种植的植物生长情况，分析该技术对老井污染物治理修复效果。

表1 监测分析井信息

1.3 监测分析因素及因子的选择

为全面监测分析生物处理后的水基钻井固废用作土壤使用的安全性，选择了8个土壤重金属指标、17个土壤浸出液指标、5个植物中重金属指标、5个土壤肥力指标，并根据参照的相关国家标准进行检测分析。

2 生物处理施工情况简述

2.1 生物处理工艺

将室内实验筛选出的具有安全优势的微生物(均属于NY 1109—2006《微生物肥料生物安全通用技术准则》所规定的安全性第一级)降解菌株制备成液体或固体菌剂，用于现场具有高COD、高有机物的水基钻井固废生物处置。先充分混均待处理的钻井固废，按一定比例直接加入微生物降解菌剂混均，然后根据待处理固废的含水量情况加入待处理固废量0.5～2倍的较细土壤，充分混匀后堆放，最后在其表面覆盖2～5 cm厚新鲜土壤，并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[13]。

2.2 现场采样情况

水基钻井固废微生物处置施工现场如图1所示，处置现场使用水泥构筑深度为2 m的生物处理堆放池，并使用挖掘机对钻井固废、菌剂、土壤进行充分的混合。

图1 6口井现场生物处置施工情况

3 采样情况及监测结果

3.1 布点情况

每个井点土样采集采用三点布点，三点混合样作为土壤分析样品，采样深度为30～50 cm，采样过程如图2所示。

注：井A采样时间为2020年9月9日，井B、C、D采样时间为2020年9月10日，井E、F采样时间为2020年9月11日。图2 现场土壤样品采集情况

3.2 采样情况

植物样品采集处理物种植的当季农作物和附近旱地种植的相同农作物。

3.3 检测结果与分析

1)修复后渗滤液降解达标情况

样品浸出液检测结果如表2所示，调查分析6口井生物处理形成的土壤中浸出液中的27个无机及重金属等指标，除6口井的铁、个别井的总氮和总磷超过GB 3838—2002《地面水环境质量标准》Ⅴ类标准外，其他指标均不超标，同时所有指标也低于GB 5084—2005《农田灌慨水质标准》(旱作)标准。浸出液COD含量低，说明经过较长时间的处理(井E和井F处理4年，井A处理10年)，钻井固废中的污染物基本被完全降解，说明生物处理时间越长，对污染物的降解效果越好。

表2 生物处理形成的土壤样品浸出液检测结果

续表2

2)修复后重金属达标情况

生物处理后形成的土壤中重金属的含量检测结果如表3所示，6口井生物处理形成的土壤中的8个重金属指标均远小于GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(风险筛选值，其他，pH>7.5)和HJ/T 332—2006《食用农产品产地环境质量评价标准》限值要求。水基钻井固废生物处理后形成的土壤，可以作为农业用地和食用农产品用地(旱作)。

表3 生物处理形成土壤中有害重金属监测结果 mg/kg

3)修复后土壤生长植物中重金属浓度分析

钻井固废通过播种观赏植物或薪柴植物，形成钻井固废-微生物-植物联合降解体系。但是，本次采样处理池由于处理时间较长，已被当地居民种植相关农作物，本次将对栽种农作物内的重金属进行检测分析。采集居民栽种的植物和对照点植物样品检测结果如表4所示，所有指标中，4个样品中(井B一种食用植物丝瓜和其他3种非食用植物)的汞含量超GB 2762—2012《食品安全国家标准 食品中污染物限量》中蔬菜及制品标准，其他均不超标。对比监测的植物中的重金属含量总体无显著性差异，4个对照的植物样品中，2个对照样汞元素含量超标，分析发现土壤检测分析时汞含量都符合相关标准，可能与植物对汞元素的吸收有关。

表4 土壤栽种植物中主要重金属类含量 mg/kg

4)修复后土壤养分含量分析

水基钻屑含有石英、方解石、铝硅酸盐黏土矿、赤铁矿等土壤成土矿物，具有转化为土壤资源的矿物质基础[14]，生物处理后土壤养分指标检测结果如表5所示。钻井固废生物处理后的土壤养分含量相对较差，养分分布不均匀。有机质、氮、磷含量较低，根据现场植物生长情况发现能满足植物生长。处理后土壤钾盐的含量较高，可能是深部钻井液中会添加一定量钾盐以提高钻井液防卡性，造成钻井固废生物处理后钾含量丰富。

表5 土壤养分分级 g/kg

4 结 论

1)水基钻井固废经生物处理所形成的土壤中的重金属指标均小于GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(风险筛选值，其他，pH>7.5)和HJ/T 332—2006《食用农产品产地环境质量标准》限值要求。

2)水基钻井固废经生物处理所形成的土壤浸出液中的无机及重金属等指标均低于GB 5084—2005《农田灌慨水质标准》(旱作)标准，除铁和个别点的总氮和总磷约超标外，其他指标均不超过GB 3838—2002《地面水环境质量标准》Ⅴ类适用于农业用水区域的标准。

3)水基钻井固废经生物处理所形成的土壤栽种植物中无明显重金属生物富集或转移情况发生，微量级汞元素在个别点及背景点植物有轻微超标，可能与植物吸收有关，其他均符合GB 2762—2012《食品安全国家标准 食品中污染物限量》中蔬菜及制品标准要求。

4)水基岩屑处理后形成的土壤营养物质较为匮乏，但能满足植物生长需要，钾盐丰富，可针对性地补充有机质、氮、磷，以满足进一步利用的需求。

5)水基钻井固废通过微生物处理资源化土壤利用是一种较可行的资源化处置利用途径，适用于有害重金属含量不超标的水基钻井固废处置利用。