鉆井廢棄物原位處理效應評價及資源化利用探究

付 威,王 哲,賈浩民,張劍波,樊 軍,常彥榮,牛育華,翟文晰,郝明德

(1.西北農林科技大學 資源環(huán)境學院，陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.中國科學院大學，北京 100049；4.中國石油天然氣股份有限公司 長慶油田分公司第一采氣廠，陜西 靖邊 727300；5.陜西科技大學 化學與化工學院，陜西 西安 710021)

0 前 言

隨著油、氣田勘探開采利用程度的增加產生大量的鉆井廢棄物。據統(tǒng)計，我國每年產生約1 000萬m3鉆井廢棄物。若不將其妥善處置，將會嚴重影響井場及其周邊的生態(tài)環(huán)境[1～4]。鉆井廢棄物主要包含鉆井廢棄泥漿和鉆井巖屑等。其中，鉆井泥漿作為油、氣井鉆井工程中的“血液”，主要是各種有機-無機物質和粘土礦物等混合形成的一種粘稠流體或半流體的膠體，起到攜帶、懸浮鉆屑、穩(wěn)定井壁、平衡地層壓力和冷卻潤滑鉆頭鉆具的作用；鉆井巖屑是指油氣田勘探開發(fā)中，鉆井泥漿循環(huán)分離回用系統(tǒng)分離出的大顆粒巖屑、砂和泥。因此，鉆井巖屑和廢棄鉆井泥漿是鉆井過程中不可避免的[5～7]。由于我國油、氣田埋藏深度深，開采過程中將產生更多的鉆井廢棄物。同時，區(qū)域的水文地質差異和鉆井廢棄物本身的復雜性[8～10]，使得鉆井廢棄物成為一種復雜的固體、液體廢棄物，直接排放會對SPAC(Soil-Plant-Air continuum)系統(tǒng)造成復雜的影響[7～10]。

目前，國內外針對鉆井廢棄物無害化處理技術進行了大量研究，主要有固化處理法、固液分離法、注入安全地層法、土地耕作法、生物處理法、MTC(mud transfer comment)法和不落地集中處理法等[7]。其中，國外針對鉆井廢棄物開展的研究時間較長，擁有較為豐富的經驗，例如將鉆井過程產生的鉆井廢棄物注入安全地層，避免了廢棄物占用大量土地資源，也可限制廢棄物在環(huán)境中的擴散范圍[6,8,13]。國內針對鉆井廢棄物無害化研究始于20世紀八十年代，早期常見的鉆井廢棄物處理方式包括：簡單處理后直接排放，對大面積的土地、植被和水體造成嚴重污染。泥漿池固化法作為一種簡單有效的處理方法，將鉆井過程中的產生的固體液體廢棄物經過簡單化學處理后，直接貯存在井場周邊的泥漿池內，泥漿池周圍用防滲布隔離，避免向四周擴散，上層采用本地黃土覆蓋，恢復植被或直接耕種，此方法對環(huán)境影響范圍較小、操作簡單、成本低、效果良好，在我國過去二十多年間被廣泛應用[1,5]。2016年鉆井泥漿被列為HW08(071-002-08)T類(毒性)污染物，被限制使用鉆井泥漿池固化處理，而采用鉆井廢棄物不落地集中處理技術，使用密閉式罐車將鉆井廢棄物轉運至固定場所集中處理，降低其對土壤和植物的影響[7,14]。但也有相關學者指出，鉆井廢棄物是放錯位置的資源，在一定條件或環(huán)境下可以作為一種資源用于生態(tài)恢復。鉆井廢棄物資源化常見處理方式包含：①直接填埋覆土耕種，將鉆井廢棄物作為作物生長的基質，促進作物生長；②井場道路鋪設，利用鉆井巖屑為井場道路鋪設材料；③固化制磚，為井場建設提供一定的建筑材料；④土地利用法，一種是土壤耕作，將廢棄鉆井廢棄物進行土壤覆蓋，通過機械操作將其與土壤混合均勻，并形成厚度約100～130 mm新的耕作層。另外一種是土地拋灑，將鉆井廢棄物拋灑在地表，增加土壤有機質及養(yǎng)分含量。

長慶油田開采區(qū)主要位于鄂爾多斯盆地，橫跨陜、甘、寧、內蒙古等地，油、氣儲量豐富，石油總資源量約為86億t，天然氣總資源量約11萬億m3，已成為我國第一大油氣田生產基地。井場主要分布在陜北和內蒙交界的干旱與半干旱區(qū)域，也是農、牧業(yè)交錯地帶。油、氣井井深平均在3 000 m以上，開采中將會產生大量的鉆井廢棄物。由于該區(qū)域獨特的地質地貌環(huán)境，其鉆井廢棄物主要是采用就地固化泥漿池法(2016年前)和不落地處理技術(2016年后)。盡管泥漿池法在該區(qū)域已實施了多年，但缺少對泥漿池法處理后的長期環(huán)境效應評估，尤其是缺乏泥漿池法處理后對土壤-植被-水分的影響。鉆井廢棄物在2016年后在該區(qū)域實施了不落地技術處理法，對鉆井廢棄物中有害或者超標的成分進行集中處理，可以降低其對環(huán)境的影響，但會顯著增加運輸成本，在運輸過程中也會造成碳排放；同時，集中處理需要大量的場地來堆放，對土壤和空氣存在一定的污染風險。

因此，筆者研究旨在探索鉆井廢棄物原位處理泥漿池法對農作物-蕎麥的產量、品質和重金屬等指標的影響，評價鉆井廢棄物泥漿池固化法在該區(qū)域的適用性和生態(tài)經濟效益。為合理處理鉆井廢棄物，結合該區(qū)域環(huán)境條件探索鉆井廢棄物原位處理技術，降低處理成本，進行無害化處理，使鉆井廢棄物資源化應用于構建良好的土壤結構，為促進該區(qū)域井場植被恢復和農牧業(yè)發(fā)展，避免資源浪費提供一定的參考依據。

1 材料與方法1.1 研究區(qū)域概況

研究井場地處黃土高原中部，屬典型的干旱與半干旱區(qū)域。土壤為沙黃土，質地均勻，砂粒、粉粒和粘粒含量分別為83.40%、8.84%和7.76%，屬于砂質壤土(美國農部制)，有機質含量為6.81 g·kg-1。井場如圖1(a)所示，鉆井前平整井場土地，于2014年完成鉆井工程。同時，將鉆井過程中產生的鉆井巖屑、泥漿等固、液廢棄物進行泥漿池固化，在泥漿池下層鋪有一層防滲布，上層覆蓋沙黃土。按照當地農事日程，復墾井場土地，種植農作物——蕎麥(FagopyrumesculentumMoench.)。泥漿池剖面如圖1(b)所示，自上而下分別是農作物、黃土覆蓋層、鉆井泥漿固化層和深層黃土。該區(qū)域年蒸發(fā)量大、年降水少且季節(jié)性分布不均，主要集中在7-10月，占全年降水的70%以上，且強降水事件頻發(fā)。防滲布鋪設是為了避免鉆井廢棄物在土壤剖面的擴散和淋溶遷移。

圖1 試驗地概況與泥漿池剖面

1.2 樣品采集與指標測定

于2018年9月中旬在井場范圍內，確定泥漿池固化準確位置，利用土鉆法采集泥漿池內、外土壤剖面樣品，土鉆直徑40 mm，間隔20 cm采集一個土壤樣品，直至泥漿池底部防滲布位置。實驗室采用烘箱105℃烘干至恒重，測定各層土壤含水量。

分別在井場上泥漿池內、外選取長勢均勻的蕎麥，進行植物樣采集，采樣面積1 m2，3次重復。于實驗室測定蕎麥地上部分生物量，籽粒產量以及籽粒的氨基酸等品質指標和重金屬含量。

1.3 相關計算

土壤質量含水量計算：

(1)

式中：θm，土壤質量含水量，%；m1為濕土質量，g；m2為干土質量，g；m1-m2為土壤水質量，g。

單井鉆井巖屑計算：

人類的語言發(fā)音中有大量的共性現象，比如[w]音在英漢語中發(fā)音部位和動作的相似，這決不是單純的偶然巧合?！坝审@到緩”這一心態(tài)轉換的高頻出現，是促進“well”虛化的原因之一。既然能用攥緊拳頭來緩和緊張，也就沒有理由去否認舌頭、口腔的特定動作組合也能達到影響人心態(tài)的特定效果。語言的外因(認知、語用和文化)和語言的內因(語音、語法和語義)[17]之間矛盾的對立性使語言發(fā)生演變，但二者的統(tǒng)一性又成就了其被虛化后的規(guī)約意義。了解這一點有助于譯者解放思想，拋開其詞典意義的束縛，從而在譯文中更好地體現well的語篇功能和人際功能。

(2)

式中：V1，鉆井巖屑排放量，m3；D，油氣井直徑，m；h，井深，m

單井鉆井泥漿計算采用《油田開發(fā)環(huán)境影響評價文集》中的經驗公式：

(3)

式中：V2，鉆井泥漿排放量，m3

1.4 數據處理與作圖軟件

數據計算和整理利用Microsoft Excel 2016，作圖應用Origin 9.3和Microsoft Visio 2016。

2 結果分析

2.1 泥漿池內外作物產量/生物量差異

泥漿池內蕎麥地上部生物量和籽粒產量遠高于泥漿池外(圖2)。泥漿池內地上部分生物量(6 553 kg·hm-2)是泥漿池外(1 541 kg·hm-2)的4.3倍，顯著提高了蕎麥的地上部生物量。泥漿池內蕎麥籽粒產量也有較大提升，較泥漿池外增產45.2%(480 kg·hm-2)。

圖2 泥漿池內外蕎麥生物量與產量比較

泥漿池內、外土壤剖面質量含水量差異主要在鉆井泥漿等廢棄物固化層(圖3)。從土壤剖面含水量數據和現場鉆孔取土樣的過程中發(fā)現，泥漿池深度為320 cm，泥漿固化層為200～320 cm，厚度達120 cm。泥漿池外的整個土壤剖面含水量平均土壤質量含水量為18.4%；但在泥漿池內，黃土覆蓋層土壤含水量與泥漿池外基本一致，但泥漿固化層含水量顯著高于黃土覆蓋層，平均質量含水量達51.1%，由于固化層的存在，形成了一個阻礙水分向深層運移的隔水層，可以將降水阻隔在之上的土壤中，為作物的生長發(fā)育提供良好的水分條件。

2.2 泥漿池內外蕎麥籽粒品質差異

氨基酸作為合成蛋白質的重要物質之一，其含量差異在一定程度上可反映籽粒品質。蕎麥籽粒中16種氨基酸濃度無顯著差異，基本表現為泥漿池內蕎麥籽粒氨基酸濃度略低于泥漿池外(圖4)。但從每公頃蕎麥籽粒中含氨基酸總量來看，泥漿池內顯著高于泥漿池外(表1)。每公頃蕎麥籽粒16種氨基酸總量泥漿池內(152.5 kg)較泥漿池外(109.1 kg)提高了39.8%。各種不同種類的氨基酸也明顯提升，其中酪氨酸提升最小為32.4%，組氨酸提升最大為55.6%。

表1 蕎麥籽粒中氨基酸總量對比

圖4 泥漿池內外蕎麥籽粒氨基酸濃度比較

粗蛋白、粗脂肪、淀粉和還原性糖四種籽粒品質指標呈現出不同差異(圖5)。其中，籽粒粗蛋白和淀粉含量泥漿池內低于泥漿池內，分別降低了4.5%和7.6%。而粗脂肪和還原性糖含量則出現泥漿池內大于泥漿池外，分別提高了4.5%和36.8%，還原性糖含量提升最大。

圖5 兩個井場泥漿池內外蕎麥相關品質指標對比

2.3 泥漿池內外作物籽粒重金屬含量差異

表2 兩個井場泥漿池內外蕎麥籽粒重金屬含量差異 (mg·kg-1)

3 討論

3.1 泥漿池固化鉆井廢棄物對作物產量的影響

黃土高原干旱與半干旱區(qū)域影響作物生長的主要因素是降水少、空間分布不均和土壤肥力貧瘠。泥漿池法固化處理鉆井廢棄物采用“上蓋下鋪”的方式，上層黃土覆蓋層，采用當地質地較粗的沙黃土，下層是鉆井泥漿等廢棄物，形成“上砂下粘”的土壤結構，這種土壤結構在土壤學中被稱為“蒙金土”，是一種良好的土壤結構[15,16]。其既可以增加土壤水分入滲，降低地表徑流和土壤侵蝕，也可以增加土壤貯水量和保水保肥能力，進而促進作物生長[15,17～19]。具體來說，在降雨事件發(fā)生后，降水可以迅速入滲至泥漿池剖面，到達泥漿固化層，增加土壤水分入滲，降低了地表徑流，避免土壤侵蝕發(fā)生[13]。此外，土壤剖面貯水量增加，為作物的生長發(fā)育提供良好的土壤水分資源。因此，泥漿固化層實際上成為了作物生長發(fā)育的一個“水庫”。同時，泥漿池底部和四周鋪設防滲布，降低水分向深層黃土的滲漏與鹽分運移。加之鉆井廢棄物本身具有良好的持水性，也會減少水分向四周擴散。總之，泥漿池法固化處理鉆井廢棄物為作物的生長，提供了良好的水分條件。同時，鉆井廢棄物中包含了各種有機物質和礦質離子，很大程度上增加了土壤肥力；此外，降水入滲過程將耕層部分養(yǎng)分淋洗至泥漿固化層，故泥漿固化層也是一個富含養(yǎng)分的“肥庫”，可為蕎麥生長提供各種必需的營養(yǎng)物質。所以，泥漿池內處理鉆井廢棄物具有良好的土壤剖面結構、充足的水分條件資源，富含各種植物生長所需養(yǎng)分，顯著增加蕎麥生物量和籽粒產量。

3.2 泥漿池固化鉆井廢棄物對蕎麥籽粒品質和重金屬含量的影響

泥漿池內蕎麥籽粒中氨基酸濃度稍低，但這種差異未達到顯著水平。同時，未影響每公頃蕎麥籽粒中總氨基酸含量。主要原因可能是泥漿池內蕎麥長勢良好，籽粒產量較高，不影響總氨基酸含量[20]。

籽粒重金屬元素含量超標將會對人體健康產生影響[21～22]。例如日本的水俁病事件和湖南鎘大米事件，分別為重金屬汞和重金屬鎘超標引起的。鉆井過程中，采用鉆機機械物理破碎巖層，不存在化學過程。即使巖層含有重金屬富集的巖石，在性質穩(wěn)定鉆井泥漿運移至地表也不會活化重金屬礦物。通常在地層深處是一個高溫高壓環(huán)境，巖石礦物可以穩(wěn)定存在，即便將其轉移至常溫常壓下，亦不會輕易發(fā)生狀態(tài)變化。鉆井固體廢棄物中一般不會出現重金屬超標，即便有重金屬礦物存在使得部分重金屬含量超標，那也是以穩(wěn)定的礦物態(tài)存在于巖屑之中。也有研究報道指出，鉆井廢棄物中含有諸多硫化物，可與重金屬形成穩(wěn)定的硫化物而被固定[20～22]。同時，該地區(qū)土壤為微堿性土壤，對重金屬也有鈍化作用，使其處于穩(wěn)定狀態(tài)，重金屬不容易被作物生長所吸收利用。最后，植物本身對重金屬離子也有選擇性吸收利用，重金屬一般不會在該區(qū)域的作物中富集[23～24]，試驗結果也表明籽粒重金屬含量未超標。

3.3 鉆井廢棄物構建十畝良田和百米優(yōu)質草場潛力

長慶油田一口深3 000 m的油、氣井(D=216 mm)鉆井過程中將產生鉆井巖屑約110 m3，鉆井泥漿約240 m3。巖層被破碎成巖屑的疏松過程和其他鉆井過程添加物料，完成一口井鉆探將產生約800 m3的鉆井固體、液體廢棄物。將鉆井廢棄物土地資源化利用，若井場附近是農業(yè)種植區(qū)，則可將這800 m3鉆井廢棄物封存在近0.67 hm2地的泥漿池內，結合沙黃土混合，將形成一個超過10 cm的固化層，在上層覆蓋一定厚度(>60 cm)的黃土，進行復墾，用于傳統(tǒng)農業(yè)種植生產，通過“上砂下粘”的良好土壤結構[5]，提供一個水分充沛的根區(qū)環(huán)境，結合鉆井廢棄物富含的營養(yǎng)成分，可促進作物生長，增加作物產量[21～22]。若井場分布在牧區(qū)草場，則可利用土地拋灑的方式將固體廢棄物噴灑在牧草稀疏的10 000 m2草場上，將形成一層厚度超過 5 cm的固化層，一是鉆井泥漿等廢棄物可以與表層土壤形成良好的土壤結構，增強土壤團聚程度，避免該區(qū)域的風蝕所造成的沙塵；二是鉆井泥漿等廢棄物固化層具有很好的保水性，可以為牧草的生長提供較好的水分條件；三是固化層含有的大量有機物質和營養(yǎng)成分可以供給牧草的生長。若井場位于黃土丘陵溝壑區(qū)，井場周邊屬撂荒地，則可將鉆井廢棄物用來種植灌草植被。同時，種植植物也可以對鉆井廢棄物中的有機物質等，進行分解利用，在土壤微生物的作用下，進行土壤修復[23～24]。有機物質分解有利于植被的存活與生長，促進鉆井時破壞的植被生態(tài)修復，增加生態(tài)脆弱區(qū)的生物多樣性，促進油田與環(huán)境友好發(fā)展[25]。

4 結論與展望

(1)黃土區(qū)鉆井廢棄物就地泥漿池固化處理4 a后，增加了土壤剖面含水量和貯水量，促進作物生長，顯著提高了蕎麥籽粒產量，籽粒中重金屬含量不超標。泥漿池固化后形成了“上砂下粘”的良好結構，泥漿固化層成為促進作物生長的肥庫和水庫。

(2)鉆井廢棄物在黃土區(qū)，不落地處理會帶來大量的運輸成本和資源浪費，在運輸過程中排放大量汽車尾氣也影響周邊環(huán)境。若將其合理處理，采用原位處理鉆井泥漿等廢棄物，對該區(qū)域構建高產農田、優(yōu)質牧場和生態(tài)植被恢復將會有重要意義。因此，一口鉆井廢棄物，構建十畝良田或百米優(yōu)質草場，促進井場植被恢復，可能對油、氣田可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。