Vol.11,No.3May,2021
环㊀境㊀工㊀程㊀技㊀术㊀学㊀报
Journal of Environmental Engineering Technology 第11卷，第3期2021年5月
韩桂梅，周长波，方刚，等.天然气开采钻井固体废物处理处置及资源化技术的应用现状与展望[J].环境工程技术学报,2021,11(3):582-590.HAN G M,ZHOU C B,FANG G,et al.Application status and prospects of solid waste disposal and resource utilization technology in natural gas extraction drilling[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2021,11(3):582-590. 收稿日期:2020-06-30
基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07301-004)关于加强基层工会经费收支管理的通知
作者简介：韩桂梅(1985 )，女，助理研究员，硕士，主要从事石油天然气钻井固废资源化综合利用㊁清洁生产技术研究,hangui_mei@126 ∗责任作者：周长波(1973 )，男，研究员，博士，主要从事清洁生产政策㊁技术及固废资源化的研究,
天然气开采钻井固体废物处理处置及
资源化技术的应用现状与展望
韩桂梅1,2，周长波1,2∗，方刚1,2，赵传铭3，党春阁1,2，李子秀1,2，郭亚静1,2，林雨琛1,2
1.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院
2.国家环境保护生态工业重点实验室，中国环境科学研究院
3.鄂尔多斯市昊鑫绿科环境工程有限公司
摘要㊀天然气开采过程产生大量的钻井固体废物，含有石油烃㊁无机盐及难降解有机物等有毒有害物质㊂水基钻井固体废物
的pH 一般为9~10，超出GB 18599 2001‘一般工业固体废物贮存㊁处置场污染控制标准“中Ⅰ类场贮存及回填的技术要求；石油烃浓度为4690~15500mg∕kg，超出GB 36600 2018‘土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)“中第二类用地土壤污染风险筛选值；四川㊁重庆㊁新疆等部分气田由于地形复杂使用油基钻井液，可能会导致重金属㊁多环芳烃(PAHs)及石油烃浓度超标㊂钻井固体废物主要组分为SiO 2㊁CaO㊁Al 2O 3，三者占比可达72%，包含了制备建筑材料必要的化学组分㊂在钻井固体废物的污染特性和化学组分解析基础上，系统地总结和分析了国内外钻井固体废物的处理处置技术，包括固化稳定化㊁生物降解㊁化学淋洗㊁井下回注㊁源头减量化技术等，阐述了各技术特点㊁处 理效果以及资源化利用(如制砖㊁井场铺路㊁
改良剂等)的研究状况，提出采用多种处理处置技术可有效降低钻井固体废物中的污染物浓度，而多元化的资源化利用途径可提高固体废物的利用率，具有较好的发展前景㊂建议从源头上对钻井固体废物进行分类分质处理，过程中开展多种处理技术联合应用研究，末端结合气田开发区域需求状况，探索路基土资源化技术工艺，以最大程度消纳钻井固体废物㊂关键词㊀
天然气开采；钻井固体废物；无害化处理；资源化利用
中图分类号:X705㊀㊀文章编号:1674-991X (2021)03-0582-09㊀㊀doi :10.12153∕j.issn.1674-991X.20200161
Application status and prospects of solid waste disposal and resource大圆肌
utilization technology in natural gas extraction drilling
HAN Guimei 1 2 ZHOU Changbo 1 2∗ FANG Gang 1 2 ZHAO Chuanming 3
DANG Chunge 1 2 LI Zixiu 1 2 GUO Yajing 1 2 LIN Yuchen 1 2
1.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment Chinese Research Academy of Environmental Sciences
2.State Environmental Protection Key Laboratory of Eco-Industry Chinese Research Academy of Environmental Sciences
3.Ordos Haoxin Green Environmental Engineering Co. Ltd.
Abstract ㊀
The natural gas drilling process generates massive drilling solid waste that contains petroleum
hydrocarbon inorganic salt and refractory organic compounds etc. which are either poisonous or harmful species.
The pH of the water-based drilling solid waste is generally 9-10 which exceeds the technical requirement of Category Ⅰfield storage and backfill of general industrial solid waste stipulated by Standard for Pollution Control on the Storage and Disposal for General Industrial Solid Wastes GB 18599-2001 .The petroleum hydrocarbon content is 4690-15500mg∕kg exceeding the requirements of soil pollution risk screening value of Class Ⅱland of Soil Environmental Quality Risk Control Stand
ard for Soil Contamination of Development Land Trial GB 36600-
第3期韩桂梅等：天然气开采钻井固体废物处理处置及资源化技术的应用现状与展望
2018 .The use of oil-based drilling fluid in some gas fields in Sichuan Chongqing Xinjiang etc.due to the complexity of terrain may lead to over standard concentrations of heavy metals polycyclic aromatic hydrocarbons PAHs and petroleum hydrocarbons.The drilling solid waste is mainly composed of SiO2CaO Al2O3with the total content of three components can reach72%which contains the necessary chemical compositions for the preparation of building materials.Based on the pollution characteristics and chemical components of drilling solid waste the solid waste disposal technologies including curing stabilization biodegradation chemical leaching downhole reinjection source reduction technology etc.were systematically summarized and analyzed both at home and aboard.Further discussion was made on the characteristics and treatment effect of the technologies as well as the research progress of resource utilization such as brick-making wellsite roadway paving modifier etc. It was proposed that various treatment and disposal technologies can effectively reduce the pollutants in the drilling solid waste and diversified resource utilization approaches can improve the utilization rate of solid waste which tends to be prospective.It was suggested that separate treatment should performed for the drilling solid waste at the source and multiple treatment
technologies should be carried out in the process.At the end of pipe the technologies of subgrade soil resource utilization should be explored to consume the drilling solid waste to the maximum extent combined with the demand of gas field development area.
Key words㊀natural gas extraction drilling solid waste harmless treatment resource utilization
天然气是一种优质㊁高效㊁清洁的低碳能源，素
有 绿能源 之称，可与核能及可再生能源等其他
低排放能源形成良性互补，是能源供应清洁化的最
医院院长现实选择[1]㊂天然气作为洁净环保的优质能源应用较为广泛，根据国家统计局发布的2018年天然气
消耗数据，其37%用于工业化工,30%用于居民燃
气,15%用于发电，对国家民生发挥着重要的支撑作
用㊂按照‘能源发展战略行动计划(2014 2020
年)“[2]，到2020年，累计新增常规天然气探明地质储量为5.5ˑ1012m3，年产常规天然气量为1850ˑ108
m3；到2030年，天然气在一次能源中的占比由2020年的10%提升到15%，未来我国将进入天然气开采量快速增长的阶段㊂随着天然气开采量的增大，伴随产生大量的钻井固体废物，据统计[3-4]，典型单井共产生钻屑和废弃钻井液量约为1000m3，根据钻井部署估算，全国每年油气田开采产生的钻井固体废物约为1000ˑ104m3，再加上历史遗留堆存，钻井固体废物量极为庞大㊂
钻井固体废物是天然气开采钻井过程中经振动
筛分离出的钻井岩屑和钻井㊁完井及清罐阶段产生
xrd
的废弃钻井液经固液分离后得到的固体废物㊂钻井
过程中使用的添加剂种类(主要包括膨润土㊁纯碱㊁
烧碱㊁有机聚磺类泥浆材料㊁油基润滑剂㊁乳化剂
等)影响钻井固体废物的污染特性，导致其浸出液
中石油烃㊁无机盐及难降解有机物超标[5]㊂石油烃㊁无机盐会改变土壤的理化性质和微生物落结构[6]，而难降解有机物不易被生物降解，会在土壤㊁水体中不断积累，然后通过食物链进入生物体，并逐渐富集[7]，对生态系统造成较大的威胁㊂目前，钻井固体废物以堆存为主，但随着‘ 无废城市 建设
试点工作方案“[8]的印发㊁‘中华人民共和国固体废物污染环境防治法“的修订及气田重点区域DB65∕T3997 2017‘油气田钻井固体废物综合利用污染控制要求“的实施，对钻井固体废物的处理处置提出了更高的要求，钻井固体废物的处理处置成为研究的热点㊂
目前，国内外研究较多且较为典型的钻井固体废物处理处置技术包括固化稳定化㊁生物降解㊁化学淋洗技术㊁井下回注等，资源化途径包括制砖㊁井场回填㊁用作土壤改良剂及路基土填料等㊂笔者对苏里格气田(鄂尔多斯市区域)某区块典型钻井现场钻井液体系组成㊁钻井固体废物及浓度[9]进行分析，解析钻井固体废物的污染特征，在此基础上，总结钻井固体废物处理处置技术及资源化利用途径的优缺点㊁处理效果㊁应用现状，并提出钻井固体废物处理处置技术的发展方向，以期为钻井固体废物的资源化利用技术应用与发展提供支撑㊂
1㊀钻井固体废物及其污染特征
1.1㊀钻井液成分
天然气开采钻井过程中为满足不同功能，需要用多种化学药剂配制钻井液，钻井液添加剂导致钻井固体废物中含有多种污染环境的成分㊂如鄂尔多斯市苏里格气田单口井中，直井钻井液体系共使用15种添加剂，占比最大的为清水(87.40%)，其他
㊃385㊃
环境工程技术学报第11卷14种添加剂占比均较小，多在1%以下；低毒物质重
晶石和无毒物质膨润土占比超过2%，微毒物质磺
化沥青类防塌剂和磺化褐煤占比非常低(均为
0.62%)，其余为无毒物质㊂水平井钻井液体系共
有24种添加剂，占比最大的为清水(73.98%)，其
他添加剂占比多在1%以下；无毒物质氯化钠和低
毒物质重晶石占比在5%以上，低毒物质磺化沥青
类防塌剂㊁磺化褐煤和磺化褐煤树脂的占比分别为
0.86%㊁0.86%和0.69%(表1)㊂重晶石可能导致
固体废物中钡浓度较高，低毒难降解的磺化沥青类
防塌剂㊁磺化褐煤㊁磺化褐煤树脂可能导致难降解有从罗丹得到的启示
机物及石油烃浓度升高㊂直井与水平井固体废物的
产生量比例约为4ʒ6，且水平井钻井液成分较直井
复杂，污染性也高于直井㊂
表1㊀苏里格气田单口井添加剂使用情况
Table1㊀Summary of additive usage in horizontal
well(single well)of Sulige Gas Field
添加剂
占钻井液总量的比例∕%直井水平井
清水87.4073.98
膨润土 2.38 1.98
烧碱0.460.56
纯碱0.020.03聚丙烯酰胺钾盐0.620.60水解聚丙烯腈胺盐0.73 1.03羧甲基纤维素0.200.26聚阴离子纤维素00.09磺化褐煤树脂0.510.69磺化沥青类防塌剂0.620.86磺化褐煤0.620.86磺化单宁00.17磺化酚醛树脂00.51氯化钾0 1.72
氯化钠0 5.18
乳化剂00.09防塌润滑剂0 1.73液体润滑剂0.410.35固体润滑剂00.35降滤失剂0.510.43抗温抗盐降滤失剂00.69超细碳酸钙 1.55 1.73随钻堵漏剂0.820.86
重晶石 3.11 5.191.2㊀钻井固体废物中污染物浓度
按照GB5085.3 2007‘危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别“对苏里格气田某井钻井固体废物样品中重金属㊁无机物及有机物浓度进行检测，结果如表
2㊁表3所示㊂由表2㊁表3可知，各钻井固体废物样品的pH均在9.0以上，超出GB8978 1996‘污水综合排放标准“㊁GB∕T14848 2017‘地下水质量标准“中的标准限值，该固体废物进入土壤后会使土壤板结㊁理化性状发生改变㊂各钻井固体废物样品中石油烃浓度均高于GB36600 2018‘土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(试行)“中第二类用地(城市建设用地中的工业用地)土壤污染风险筛选值(4500mg∕kg)，即在特定土地利用方式下，其对人体健康可能存在风险㊂各钻井固体废物样品中重金属
元素钡浓度分别为3.48和3.45 mg∕L，接近但未超过GB∕T36600 2018中第二类建设用地土壤污染风险筛选值，分析其原因，重晶石为粉末状，在钻屑表面的附着力较小，固液分离过程中，大部分钡随着水分进入污水处理系统，只有小部分黏附于固相中㊂各钻井固体废物样品中挥发性有机物及非挥发性有机物浓度均符合GB5085.3 2007㊁GB8978 1996㊁GB∕T14848 2017中的标准限值，分析其原因，有机物在钻井液中的添加量极低，均在2%以下，聚丙烯酰胺钾盐㊁乳化剂㊁抗温抗盐降滤失剂在水中的溶解性较好，在压滤过程随着水分进入污水处理系统，所以在固相中的浓度非常低㊂但因不同地域㊁不同气田使用的钻井液不同，从而导致污染物种类和浓度也不相同，如四川㊁重庆㊁新疆等部分气田由于地形复杂使用油基钻井液，可能会导致重金属㊁多环芳烃(PAHs)及石油烃浓度超标㊂
表2㊀苏里格气田某井钻井固体废物石油烃浓度Table2㊀Petroleum hydrocarbon concentrations of drilling solid waste in a single well drilled in Sulige Gas Field
项目
石油烃浓度∕
(mg∕kg)
氢溴酸
1#样品4690
2#样品4610
3#样品7300
4#样品15040
5#样品15500 GB36600 2018中第二类用地土壤污染风险筛选值4500 GB36600 2018中第二类用地土壤污染风险管控值9000
㊃485㊃
第3期韩桂梅等：天然气开采钻井固体废物处理处置及资源化技术的应用现状与展望
表3㊀苏里格气田某井钻井固体废物污染物检测结果
Table 3㊀Detection results of drilling solid waste pollutants from a single well drilled in Sulige Gas Field
mg∕L
指标6#样品7#样品GB 5085.3 2007
GB 8978 1996中
一级标准GB∕T 14848 2017中
Ⅳ类水质标准pH 1)9.5810.02 6~9 5.5~9.0铜浓度0.060.071000.5 1.5锌浓度0.070.07100 2.0 5.0镉浓度0.0040.00510.10.01铅浓度
0.1L 0.1L 5 1.00.1
六价铬浓度0.050.00615 1.5汞浓度0.02L 0.02L 0.10.050.002铍浓度0.0040.0030.020.005
0.06钡浓度 3.48 3.45100 4.0镍浓度0.050.045 1.00.1总银浓度0.020.0350.50.1砷浓度0.00030.000450.50.05硒浓度0.0002L 0.0002L 10.10.1
硝基苯浓度0.25L 0.25L 20 2.0二硝基苯浓度 20 2.0对硝基氯苯浓度 50.52,4-二硝基氯苯浓度
50.5苯酚浓度10L 10L 30.30.01苯并芘浓度 0.00030.000030.0005邻苯二甲酸二丁酯浓度 20.20.3邻苯二甲酸二辛酯浓度
30.3
0.3多氯联苯浓度
0.0020.01苯浓度0.1L 0.1L 10.10.12甲苯浓度0.2L 0.2L 10.1 1.4
乙苯浓度0.1L 0.1L 40.4二甲苯浓度0.2L 0.2L 40.4氯苯浓度0.1L 0.1L 20.20.61,2-二氯苯浓度0.2L 0.2L 40.4 2.01,4-二氯苯浓度0.1L 0.1L 40.40.6
丙烯腈浓度 20 2.0浓度 30.30.3四氯化碳浓度0.1L 0.1L 0.30.030.005三氯乙烯浓度0.1L 0.1L 30.30.21四氯乙烯浓度
0.1L
0.1L
1
0.1
0.3㊀㊀注: 代表未检出;L 表示未检,L 前数字表示最低检出限㊂1)pH 无量纲㊂
1.3㊀钻井固体废物的组分
分析钻井固体废物的组分可为其资源化利用提供重要支撑㊂运用JY∕T 009 1996‘转靶多晶体X 射线衍射方法通则“，对苏里格气田某区块钻井的
固体废物进行多晶材料物相组成的定性㊁定量分析，结果如表4所示㊂由表4可知，钻井固体废物中共含有27种化合物，物相组成复杂，涉及化合物种类繁多，其主要由SiO 2㊁CaO㊁Al 2O 3等氧化物组成，三
㊃
585㊃
环境工程技术学报第11卷
者占比可达72%，还含有微量的稀有元素(如钛㊁镓㊁钴㊁铬)，基本无可回收价值㊂根据物性特征可知，钻井固体废物中包含了制备建筑材料必要的化学组成，并且相对稳定，与典型大宗工业固体废物
(如粉煤灰㊁赤泥㊁矿渣㊁煤矸石材料)的主要化学成分极为相似，基本具备生产建筑材料的潜能，适宜作为混凝土制品㊁砖体㊁陶瓷和路基土等的建材㊂
表4㊀苏里格气田某井钻井固体废物组分
Table4㊀Composition list of drilling solid waste
2㊀处理处置技术及应用
2.1㊀固化稳定化技术
固化稳定化技术是指将污染物囊封入惰性基材或在污染物外面加上低渗透性材料，通过减少污染物暴露的淋滤面积达到限制污染物迁移的目的[10-12]㊂固化剂的种类是决定固化稳定化效果的关键因素㊂如刘俊等[13]在大牛地气田采用固化法对钻井废弃泥浆进行了无害化处理，结果表明，主凝剂㊁复合助凝剂㊁吸附剂㊁调节剂的最佳比例为4%㊁1.7%㊁3.5%和1%，处理后的固化体浸出液中的污染物浓度达到GB8978 1996中一级标准，固化剂的种类和比例对固化效果影响较大㊂李维斌等[14]在大牛地气田废弃的泥浆中分批次加入适量的脱稳剂㊁促凝剂㊁分散剂和吸附剂等无害化处理剂，在药剂的协同作用下，固体废物表面黏附的有机污染物被脱离，然后进一步被吸附和固化；处理后的钻井泥浆经过30d的自然干化后，用以铺设井场道路，同时在泥浆池下的土地上种植植被，使固体废物得到有效的处理处置，但其对生态环境的影响还需要长期跟踪㊂张现斌等[15]在大港油田十二井采用改性氯氧镁水泥作固化剂，经过混拌㊁压实㊁脱模和养护工艺,30d后固化体的抗压强度达到40MPa，且固化体具有较好的环境相容性㊂
固化稳定化技术与其他技术联合使用，可以取得更好的协同效果[16]㊂如Kogbara等[17]研究指出，将固化稳定化技术与植物修复法联合应用，可以进一步加大固化稳定化技术的可持续性，不仅消纳固体废物，降低土壤酸度，并且可以促使植物生长；杨金荣等[18]在生态环境极其敏感的厄瓜多尔油气田(亚马孙雨林地区奥连特盆地)钻井现场采用固化稳定化-掩埋封存的工艺路线，固体废物与固化剂作用后形成的晶格结构可有效束缚固体废物内的有机物，并与重金属离子形成螯合物和共沉淀等稳定结构，
避免有机物和重金属浸出造成环境污染，固化稳定化后的岩屑均达到厄瓜多尔RAOH的岩屑浸出液标准，处理后水质均达到当地油田公司回注水标准㊂
固化稳定化技术对钻井固体废物中的重金属削减具有较好的效果[19-20]㊂如Serrano等[21]研究了用固化技术控制重金属的修复剂，结果表明，采用含磷修复剂，通过离子交换和高温型矿物的固化作用可以显著降低铅㊁汞的迁移率;Kumpiene等[22]将钻井固体废物与磷石膏黏结剂同时用于石膏混凝土建筑材料中，可以达到固定钻井固体废物中重金属的目的，重金属削减率达90%以上，所得石膏混凝土具有良好的环境性能;Iryna等[23]在钻井固体废物中同时加入吸附剂和水泥，重金属离子与吸附剂的阴离子结合，形成不溶性化合物，在水泥的凝结作用下，重金属被固定在固化体中，从而实现固体废物无害化㊂
钻井固体废物处理技术中，对固化稳定化技术的研究较多，探索较为广泛，尤其是固化剂种类开发，有较多案例应用于示范工程中㊂该技术对于处理含有重金属的钻井固体废物效果较好，但其对钻井固体废物中种类较多的难降解有机物仅起到包裹作用，且对生态环境的影响缺乏长时间的跟踪监测，后续的资源化利用中可能面临二次浸出的风险，因此该方法的效果还需要进一步探索和验证㊂
2.2㊀生物降解技术
生物降解技术具有可操作性强，节省能源，不破坏土壤理化性质，不引起二次污染的特点，因此受到
㊃685㊃
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议