面向天然气开发中水基钻井固体废弃物资源回收的分类靶向处理方法

《Results in Engineering》：A classified-targeted treatment approach for resource recovery of water-based drilling solid waste in natural gas exploitation

　　

天然气开采过程中产生的钻井固体废弃物含有危险组分，可能对土壤和地下水造成长期风险。现有研究主要将异质性废物流作为均一材料处理，忽视了不同井段特异性的污染特征以及实施差异化处理方案的潜力。迄今为止，尚无系统性框架能够在统一处理架构中整合基于分类的废物分流、依据污染物特征校准的差异化处理方案以及经验证的资源化利用路径。

本研究提出了一种分类靶向处理方法，将源头废物分类、差异化处理方案和经验证的资源化利用路径加以整合。通过基于特征的分类，上部井段废物经物理化学预处理后达到污染物排放标准要求，而下部井段废物则通过高温焚烧实现有效脱毒。对两类废物所评价的全部参数，包括液限、塑限、加州承载比（CBR）、有机质含量和灼烧损失量，均完全满足中国《公路路基施工技术规范》和《公路路基设计规范》对路基填料的技术要求。基于免烧砖生产的比较成本分析表明，与传统混合处理方法相比，该方法可实现48%的处理成本降低。这些结果为钻井固体废弃物资源化利用提供了科学与技术依据，并在“双碳”政策框架下为能源行业可持续发展提供支撑。

该论文发表于《Results in Engineering》，聚焦天然气开发过程中水基钻井固体废弃物的污染控制与资源化利用问题。研究背景在于，天然气虽被视为相对清洁的化石能源，但其钻井作业会产生大量固体废弃物，该类废物是油气行业仅次于采出水的第二大废物流。若处置不当，其中所含碱性组分、石油烃及部分潜在有害污染物可对土壤、地下水和生态系统造成长期风险。尤其在中国天然气开发过程中，水基钻井液（WBDFs）使用量远高于油基钻井液，因而由此产生的钻井固废规模巨大。现有治理路径多以贮存堆放、固化填埋或末端混合处理为主，不仅占地、耗资，而且容易忽略不同井段废物在成分、污染水平和工程利用潜力上的显著差异。也就是说，既有研究倾向于把异质性钻井废物作为同质材料统一处理，尚未建立将源头分类、差异化处置和资源化利用协同整合的系统框架。因此，开展面向井段特征的分类靶向处理研究，具有明确的环境管理价值和工程应用意义。

围绕上述问题，研究人员以鄂尔多斯盆地苏里格气田为案例，构建了水基钻井固体废弃物分类靶向处理框架。该框架以井段差异为基础，将钻井废物划分为上部井段废物和下部井段废物两大类别，并分别配置针对性的处理路径：对上部井段废物实施以pH调节为核心的物理化学稳定化预处理；对下部井段废物则在预处理和固液分离后进一步实施高温氧化焚烧，以去除石油烃并实现脱毒。研究随后从污染物达标、工程性质适配、成本效益和现场试验等多维度验证该技术体系的可行性。结果表明，该方法不仅可使不同类别废物实现与其污染特征相匹配的有效治理，还可使处理后产物满足公路路基填料技术标准，并较传统混合处理方案显著降低成本。论文的核心意义在于提出了一种兼顾环境合规性、工程适用性与经济性的钻井固废系统治理模式，为天然气行业在“双碳”政策背景下推进低碳化、资源化和规范化管理提供了技术支撑。

研究人员采用的主要技术方法可概括为以下几个方面：首先，在苏里格气田东、南、西、北、中五个区域选取20个复合井样，覆盖一开、二开上部、二开下部和三开等典型井段，建立具有代表性的样本队列；其次，通过常规理化指标、污染物检测和统计分析构建基于井段特征的分类体系；再次，针对上部井段废物开展不同酸性改良剂的pH调节试验，针对下部井段废物开展不同温度与停留时间组合的高温焚烧优化试验；最后，结合扫描电子显微镜（SEM，扫描电子显微镜）、X射线衍射（XRD，X射线衍射）、X射线荧光（XRF，X射线荧光）、热重分析（TGA，热重分析）以及路基材料性能测试、试验路铺筑和成本核算，系统评估处理产物的资源化潜力。

3.1. Physicochemical characteristics of drilling waste
研究结果首先揭示了不同井段钻井废物在组成与理化性质上的显著差异。研究人员发现，上部井段，即一开和二开上部，钻井液体系较为简单，含水率分别超过90%，仅含少量基础添加剂；而下部井段，即二开下部和三开，不仅含水率下降，而且加入了多达24种添加剂，体系更复杂。毒性与环境影响分析表明，这些添加剂中虽以无毒或低毒成分为主，但存在难降解和环境影响较大的组分。进一步检测表明，下部井段废物的密度、电导率和总溶解固体（TDS）显著高于上部井段，且颜色、滤失量和氯离子含量也存在差异。这说明不同井段废物在物质组成和工程环境行为方面均存在系统性分化，为实施分类管理提供了直接证据。

3.2. Pollutants characteristics of drilling waste
在污染特征方面，研究人员发现，各井段钻井废物中的重金属、挥发性有机物（VOCs）和半挥发性有机物（SVOCs）浸出浓度均符合危险废物鉴别相关标准限值；但上、下部井段废物的pH均超过9.0，表现出明显碱性，这主要与钻井液中Na₂CO₃、NaOH及破胶过程中CaO的使用有关。更为关键的是，下部井段废物中的石油烃含量虽然低于危险废物毒性物质鉴别阈值30,000 mg/kg，但高于建设用地土壤风险管控标准4,500 mg/kg，说明其不能未经处理直接资源化利用。统计分析进一步表明，上下部井段在Zn、Cd、Pb、Cr(VI)、Ba、Ni、Ag、As、Se、石油烃及pH等指标上存在显著差异。基于此，研究人员建立了两级分类框架：Ⅰ类为上部井段废物，特征为pH超标但石油烃≤4500 mg/kg；Ⅱ类为下部井段废物，特征为pH超标且石油烃>4500 mg/kg，并辅以颜色、TDS、电导率和密度等现场判别指标，形成可操作的分流决策体系。

3.3. pH adjustment of drilling waste in the upper sections
针对Ⅰ类上部井段废物，研究人员重点考察了硫酸钙、硫酸铁（III）和硫酸亚铁三种酸性调节剂的降碱效果及经济性。结果显示，三种改良剂均可有效将浸出液pH降至6—9范围内，使处理后废物符合一般工业固体废物Ⅰ类要求。其中，硫酸钙在5%投加量时即可使pH降至8.90±0.09；硫酸铁（III）在0.125%投加量时可降至8.92±0.10；硫酸亚铁在0.3%投加量时可降至8.78±0.12。综合处理成本分析，硫酸亚铁表现出最低成本优势。研究人员据此认为，硫酸亚铁因其低投加量、高调节效率和良好经济性，可作为水基钻井固废碱度调控的优选药剂。

3.4. High-temperature treatment of drilling waste in the lower sections
针对Ⅱ类下部井段废物，研究人员设计了700、800和900°C三个温度水平以及10、20和30 min三个停留时间的焚烧试验。结果表明，在污染去除效果和工程适用性双重标准下，900°C焚烧20或30 min为最优条件。该条件下，处理后样品上清液清澈、无可见浮油，pH低于9，残余石油烃含量仅为20.6—96.7 mg/kg，去除率超过98.6%，且满足GB 5085.6-2007和GB 36600-2018限值要求；同时，重金属和有机污染物浸出浓度也符合Ⅰ类工业固废标准。说明高温氧化焚烧能够有效清除下部井段废物中的石油烃负荷和相关危险成分，实现实质性脱毒。

3.5. Physicochemical properties of drilling waste after classified-targeted treatment technology
在分类靶向处理后产物性质方面，研究人员通过多种微观与宏观表征手段证实，处理后钻井废物已具备较好的建筑材料属性。外观上，样品呈黄褐色，近似建筑用土。SEM结果显示其颗粒形态不规则、粒径较细，中位粒径D₅₀为239 μm，细颗粒比例较高，具有填充骨架孔隙的潜力。放射性检测符合GB 6566-2001要求，可不受限制用于建筑材料。XRD分析表明，其矿物组成以石英和斜长石为主，并含少量黏土矿物和方解石，保留了地层岩屑来源特征；XRF结果显示SiO₂、Al₂O₃和CaO总量达到72.74%，与钢渣、粉煤灰等常见硅铝酸盐材料相近。TGA揭示样品质量损失主要分布于<400°C、400—600°C和600—900°C三个区间，分别对应残余水分与轻质烃挥发、长链有机物裂解以及难降解碳质残留分解。这些结果共同说明，分类处理后的废物在矿物学、化学组成和微观结构上具备作为工程填料继续利用的基础。

3.6. Resource utilization feasibility analysis
在资源化可行性评价中，研究人员以公路路基填料标准为依据，对处理后样品进行了系统工程性能测试。结果表明，上部井段处理产物按统一土类分类法属于粉质砂，下部井段焚烧产物表现为级配良好的砾类和砂类材料。两类材料的液限、塑性指数、CBR、有机质含量和700°C灼烧损失量均满足《公路路基施工技术规范》和《公路路基设计规范》要求。其中，上部井段处理产物的最佳含水率（OMC）为15.90%，最大干密度（MDD）为1.81 g/cm³；下部井段焚烧产物的OMC为13.40%，MDD为1.88 g/cm³。现场试验路在约6个月监测期内，路面宽度、弯沉、平整度、基层厚度及7 d养护后芯样无侧限抗压强度（UCS）均符合JTG F80/1-2017验收要求。这表明实验室评价结果能够在现场条件下得到验证，分类处理产物具备作为路基材料应用的现实可行性。

3.7. Cost comparison between classified-targeted treatment and mixed treatment technologies
在经济性方面，研究人员以苏里格气田当前常见的免烧砖利用路径为基准，对分类收集处理与传统混合处理进行了系统对比。结果显示，分类靶向处理在滤液处理和固相处理两个环节均可实现明显节约，综合每1 m³钻井废物典型组成为0.67 m³固体和0.33 m³滤液时，总成本较混合处理降低48%。这种成本优势主要来自两个方面：其一，上部井段废物胶体结构较弱、处理药剂需求较低，因而可降低破胶剂和滤液达标处理成本；其二，上部井段固体环境风险较低，仅需pH调节，无需像混合废物那样实施全面脱污和脱水预处理。敏感性分析进一步表明，即使关键药剂单价波动±20%，成本降低幅度仅变化?1.7%至1.5%，说明48%的降本结论具有较好稳健性。

3.8. Study limitations and future perspectives
对于研究局限，论文明确指出，该分类系统目前仍基于理化特征判别，尚未引入实时传感与智能识别，因此自动化和现场适应性仍有限；不同井段、地层岩性和钻井液配方造成的组成异质性，也可能影响参数外推性。上部井段废物pH调节后的长期稳定性尚未通过7—28 d持续验证；试验路仅进行了6个月短期监测，沉降、原位密度变化、排水行为及冻融、干湿循环、盐结晶等长期耐久性问题仍需更长周期评估；此外，研究尚未开展完整生命周期评价，因而该体系的碳足迹和全链条环境效益仍待量化。尽管如此，这些局限在文中均被审慎界定，未影响其作为分类治理框架的基础性贡献。

综合全文，研究人员提出的分类靶向处理框架以井段为基础实现了水基钻井固体废弃物的源头分流，并通过与污染特征相匹配的差异化处理路径，分别完成了上部井段废物的达标稳定化和下部井段废物的高效脱毒。论文最重要的学术贡献在于证明：异质性钻井固废并非只能采用统一末端处置模式，而是可以通过“分类—定向处理—资源化验证”的一体化策略，在满足环境合规前提下转化为标准化路基填料。该研究将污染控制、工程利用与成本优化纳入同一技术架构，增强了钻井固废资源化的可实施性。

研究结论部分可概括翻译如下：本研究提出了一个面向天然气开采钻井固体废弃物的分类靶向处理框架，将源头废物分类、差异化处理方案和经验证的资源化利用路径加以整合。该框架建立了基于井段的废物分类系统，作为连接污染特征特异性处理方案与资源回收结果验证的基础决策入口。对于上部井段废物，物理化学预处理使全部浸出组分满足适用污染物排放标准；对于下部井段废物，高温焚烧有效实现了高石油烃及危险污染负荷的脱毒。两类处理后废物在液限、塑限、加州承载比（CBR）、有机质含量和灼烧损失量等方面，均完全满足中国《公路路基施工技术规范》和《公路路基设计规范》对路基填料的技术要求，证实其可作为标准化路床建筑材料使用。与传统混合处理方式相比，基于免烧砖生产情景的成本分析表明，该框架可实现48%的处理成本降低，说明环境合规性与经济可行性能够同时实现。该分类靶向技术为中国“双碳”政策目标下的可持续钻井废物管理提供了可复制的技术与治理路径，并为全球能源部门低碳转型提供了可转移的参考模型。