改良水基钻屑的方法及利用水基钻屑制得的人工土壤与流程

1.本发明涉及页岩气钻井固体废弃物资源化利用技术领域，具体而言，本发明涉及一种改良水基钻屑的方法及利用水基钻屑制得的人工土壤。


背景技术：

2.据测算和统计，我国每年油气田开采产生的水基钻屑约为上千万立方。页岩气已成为能源领域的一种重要的接替资源，其巨大的发展潜力已成为全球多元化能源格局中一个不容忽视的组成部分。然而，在石油和页岩气开采钻井过程中会产生大量的水基钻屑固体废物。如何处理水基钻屑成为一个重大的环境问题。
3.特别是近年来，随着我国页岩气开发的力度加大，页岩气水基钻屑产生量也随之大量增多。以陕西延长页岩气田为例，当地共42口井，共产生约42000m3水基钻屑。如此大量水基钻屑产生以及逐年堆存，如果不加以利用，会形成对环境的潜在威胁，然而与水基钻屑逐年增加相对应的，对其资源化的利用却鲜有进展，成为油气开采行业的主要污染源。
4.水基钻屑不宜采取固化填埋处置方式，因固化填埋存在占用土地、固化体渗滤液随长期降雨可能渗出进而污染周边土壤及水体的潜在环境风险等问题。资源化利用是减少环境风险、彻底消纳水基钻屑的上策。
5.目前，水基钻屑资源化利用主要集中在建材利用、水泥窑协同处置方面，水基钻屑土壤化的利用研究相对较少。水基钻屑建材利用，掺量有限，建材产品量大，消纳途径受阻；水泥窑协同处置水基钻屑污染物去除较为彻底，但仅限于页岩气工区附近有大型的水泥厂，否则增加运距，处置成本较高，经济可行性较差。水基钻屑土壤化利用则成为研究方向之一。
6.cn113079732a公开了一种利用页岩气田水基钻屑改良复绿盐渍土壤的方法，该方法采用在盐渍土壤下设置水基钻屑隔层和秸秆隔层的复合隔层，并施加加腐殖酸和脱硫石膏。然而，该方法涉及操作较复杂且成本明显过高，难以大规模推广利用。
7.cn109266353a公开了一种水基钻屑培植土改良剂及改良方法，该方法通过收集、脱稳、分离，采用加入污染物固结剂、调质剂、营养剂、ph调理剂等措施，将水基钻屑改良为适宜植物生长的培植土。这种方法仍不够经济，在改善土壤质地方面也效果有限。
8.cn112167004a公开了一种页岩气水基钻屑土壤化的制作方法，其采用添加水基钻屑质量的20％-40％的土壤和20％-50％的牛粪发酵产物以及2％-5％的微生物菌剂的方法。该方法虽效果较好但添加辅料量明显过高，水基钻屑的用量减少且没有成本优势。
9.cn108812184b公开了一种以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物配制人工土壤的方法，该方法可显著改善土壤质地，但是仍存在污泥来源受限、有可能造成二次污染以及适用水基钻屑类型有限的问题。
10.总体而言，现有技术对水基钻屑的处理方法存在成本高、操作复杂以及受处理剂来源所限等问题，而且，目前上述处理方法往往只重视改善营养性能，而忽视改善水基钻屑本身的质地性能，尤其是土壤阳离子交换量(cec)和渗透性能均较差的问题。
11.土壤阳离子交换量是土壤胶体所能吸附各种阳离子的总量。土壤胶体以其巨大的比表面积和带电性而具有吸附性。cec的大小，基本上代表了土壤可能保持的养分数量，即保肥性的高低。阳离子交换量是土壤缓冲性能的主要来源，是改良土壤和合理施肥的重要依据。水基钻屑常具有较低的cec值，保肥性差。
12.渗透性是另一个重要的土壤质地特征。水基钻屑往往因含有较多粘性粒子而导致渗透性不能令人满意。渗透性差时，水会因表层粘性过高而难以入渗。一方面，土壤渗透性差，土壤因地表径流而流失的损失量就相应增多；另一方面，入渗性差也不利于降低土壤根层盐分含量。
13.综上所述，现有技术仍迄需一种更为有效、经济、适合大规模推广的且能有效改善水基钻屑质地性能的水基钻屑改良方法。


技术实现要素：

14.本发明人在研究中意外发现，采用腐熟秸秆处理，可以有效改善水基钻屑的质地性能和理化性质，促进其向可利用土壤的方向转变。尤其出乎意料的是，本发明的方法能够显著改善水基钻屑的cec(土壤阳离子交换量)和渗透性能。
15.基于此发现，在第一方面，本发明提供了一种改良水基钻屑的方法，包括以下步骤：
16.s1：将待处理的水基钻屑淋洗以降低盐分含量；
17.s2：将淋洗过的水基钻屑过2mm筛；
18.s3：将腐熟秸秆过2mm筛；和
19.s4：将s2步骤得到的经过筛水基钻屑与s3步骤得到的经过筛腐熟秸秆混合，得到改良的水基钻屑的混合物。
20.在一个优选的方面，在s4步骤中所述经过筛水基钻屑与所述经过筛腐熟秸秆按照(8-12)：(0.5-1)的质量比进行混合。在一些具体的实施方案中，所述质量比为8:0.5，8:1，9:0.5，9:1，10:0.5，10:1，11:0.5，11:1，12:0.5或12:1。
21.在本发明的方法中，上述质量比均是指物料干重的质量比。因此，腐熟秸秆的用量是按腐熟后干燥的秸秆计。
22.在本发明的方法中，优选另外加入土壤处理水基钻屑。所述土壤可以与过筛后的水基钻屑和腐熟秸秆一起混合。更优选地，先将过筛的水基钻屑与腐熟秸秆混合，然后再与添加的经过筛(优选过2mm筛)的土壤混合。
23.因此，在一个优选的方面，在本发明的改良水基钻屑的方法中，包括在s4步骤后将所述改良的水基钻屑的混合物与土壤进一步混合的步骤，优选地，所述改良的水基钻屑的混合物与土壤的质量比为(8.5-13)：(1-4)。其中所述质量比均是指物料干重的质量比。
24.在一个特别优选的方面，本发明的待处理的水基钻屑具有以下特征：ph9.3-10.1；电导率450-650μs/cm；全盐量为6-14g/kg；有机质含量为15-25g/kg；全氮为0.50-1.15g/kg；全磷为50-90g/kg；全钾为200-500g/kg；阳离子交换量(cec)为1.0-3.0cmol/kg。特别优选地，所述水基钻屑取自西北地区；在一个具体的实施方案中，所述水基钻屑取自陕西延长县。
25.本发明的改良方法中，所用的土壤优选黄绵土。所述黄绵土优选具有以下特征：ph
为7.0-8.0，电导率为90-120μs/cm，全盐量为0.5-1.5g/kg，有机质含量为50-60g/kg，碱解氮为70-95mg/kg，速效磷为7-11.5mg/kg，阳离子交换量cec为4.0-5.0cmol/kg。本发明人经过多次试验发现，采用腐熟秸秆联用黄绵土处理具有上述特征的水基钻屑具有特别好的效果，尤其体现在：1)处理后的人工土壤具有显著改善的阳离子交换量(cec)；2)处理后的人工土壤具有显著改善的入渗率。
26.在本发明的改良方法中，优选地，所述腐熟秸秆具有以下特征：ph 6.8-7.6；电导率500-900μs/cm；全盐量为5-7g/kg；有机质含量为55-75g/kg。在一个特别优选的实施方案中，所述腐熟秸秆为腐熟玉米秸秆。
27.在本发明的改良方法中，所述待处理的水基钻屑、腐熟秸秆和黄绵土总体上按照(8-12)：(0.5-1)：(1-4)的质量比混合；进一步优选地，所述待处理的水基钻屑、腐熟秸秆和黄绵土总体上按照10：(0.5-1)：(1-4)的质量比混合。在一些具体的实施方案中，所述待处理的水基钻屑、腐熟秸秆和黄绵土按照以下质量比混合：10:0.5:1，10:0.5:2，10:0.5:4，10:1:1，10:1:2或10:1:4。
28.在本发明的改良方法中，由于所需处理的水基钻屑往往盐分含量较高，因此需要首先进行脱盐。因此需要在s1步骤中对水基钻屑进行淋洗步骤，使其盐分含量降低到预定程度。所述淋洗可以采用合适的方法，例如将水基钻屑加淡水质饱和，继续加水至表面以上约3cm，静置保持24小时，排水脱盐，待无水流出后，采样测定盐分，若盐分含量降至2g/kg以下则淋洗脱盐结束；如盐分含量大于2g/kg则继续上述淋洗脱盐步骤1次，通常一次淋洗即可达标。
29.在本发明的另一个方面，提供了一种人工土壤，其由过2mm筛的水基钻屑和过2mm筛的腐熟秸秆按照(8-12)：(0.5-1)的质量比组成。优选地，所述人工土壤由过2mm筛的水基钻屑和过2mm筛的腐熟秸秆按照10：0.5或10：1的质量比组成。更优选地，本发明的人工土壤过2mm筛的水基钻屑、过2mm筛的腐熟秸秆和黄绵土按照(8-12)：(0.5-1)：(1-4)的质量比组成；特别优选地，本发明的人工土壤由过2mm筛的水基钻屑、过2mm筛的腐熟秸秆和黄绵土按照10:1:1或10:0.5:1的质量比组成。
30.在本发明的又一方面，提供了腐熟秸秆在制备水基钻屑改良剂中的用途，其中所述水基钻屑具有以下特征：ph 9.3-10.1；电导率450-650μs/cm；全盐量为6-14g/kg；有机质含量为15-25g/kg；全氮为0.50-1.15g/kg；全磷为50-90g/kg；全钾为200-500g/kg；速效氮为30-65mg/kg；速效磷为12-18mg/kg；阳离子交换量(cec)为1.0-3.0cmol/kg。全磷为50-300g/kg。优选地，所述腐熟秸秆为腐熟玉米秸秆。
31.发明的详细说明
32.本发明的改良方法可直接用于水基钻屑的资源化利用。可以利用待处理水基钻屑地区当地的秸秆和土壤资源进行处理。
33.采用本发明的改良方法，可有效降低水基钻屑的ph，显著提高营养物质含量，尤其令人出乎意料的是，可以显著改善水基钻屑的质地，明显改善水基钻屑的阳离子交换量较低和入渗率较低的问题，利用所述改良方法制得的人工土壤特别适合用于干旱半干旱地区。
34.本领域公知，秸秆是指水稻、小麦、玉米等禾本科农作物成熟脱粒后剩余的茎叶部分。中国近二十年来由于煤、电、天然气的普及、各种工业制品的丰富以及人力成本的提高，
农村对秸秆的需求减少，大量秸秆的处理成为了一个严重的社会问题，虽然法律禁止，但很多地方农民仍然直接在田地里燃烧秸秆，引发空气污染、火灾、飞机无法正常起降等后果。因此如何合理处理和利用秸秆也是一个问题。本发明可以有效地利用当地的秸秆处理水基钻屑，起到因地制宜、一举两得的效益。
35.本发明中使用的是腐熟秸秆。秸秆经过腐熟处理后才能有效用在本发明的方法中。腐熟秸秆的方法有多种，可以采用常规的方法。例如，采用生物熟化方法如秸秆腐熟剂，其中常含有可分解纤维的复合菌剂，可有效促进秸秆内纤维素、半纤维素和木质素的分解；或者采用化学熟化的方法，例如采用诸如碳铵、碱木素和木素磺酸钠等化学熟化剂等。或者，也可以通过在秸秆润湿状下保持25摄氏度密闭条件下放置一周的方法使之腐熟。
36.在本发明中，在将腐熟秸秆与水基钻屑混合之前，先使其过2mm筛，使其成为粒度接近的颗粒体。
37.为使其过筛，可以任选地将腐熟秸秆和水基钻屑进行粉碎处理。所述粉碎方法不限，可以采用任何机械处理的方式进行。
38.采用本发明的方法，对照cj/t 340—2016《绿化种植土壤》标准，分析了复配基质的ph、电导率等多项物理化学指标。结果表明，经处理后的复配基质(即人工土壤)的ph相比于纯水基钻屑有了明显的改善，腐熟秸秆的加入有效降低了水基钻屑的ph，与对照相比平均降低了19.8％。在营养性质方面，在碱解氮、速效钾、有效磷和有机质含量方面，腐熟秸秆(以及土壤)的加入显著提高了水基钻屑的养分含量。在重金属含量方面，处理后的水基钻屑中重金属含量达到了cj/t 340-2016《绿化种植土壤》中的i级标准，生态风险评估显示为轻度，所以可以用于资源化利用。
39.特别有利的是，本发明的方法可以显著改善水基钻屑的阳离子交换量较低和入渗率较低的问题，其中cec可提高15倍以上，入渗率平均提高8倍以上。
具体实施方式
40.为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合具体实施方案和实施例对本发明进行进一步详细说明。所述描述的具体实施方式仅用于解释本发明，并非限制本发明的范围。
41.1.样品来源与性质
42.在本发明中，收集采自陕西省延安市延长县页岩气田的水基钻屑，加入适量纯水淋洗使全盐量低于1.5g/kg。淋洗后样品的性质如表1所示。
43.秸秆选自玉米秸秆。玉米秸秆经过磨碎后，置于灭菌的塑料盒内，加入适量去离子水保持湿润搅拌均匀后压实，密封25℃下保存20天使之腐熟，腐熟秸秆各项性质见表1。
44.土壤采集自陕西延长，属于黄绵土，其各项性质见表1。
45.表1水基钻屑、腐熟秸秆和土壤的理化性质
46.47.1.2物料混合(不同处理组)
48.水基钻屑、土壤和腐熟秸秆3种物料分别过2mm筛，按照一定比例(见下表2)进行混合，置于圆柱形土盆内，保持复配基质总重，见干见湿喷淋浇水，稳定一个月后，所得混合物即为处理后的水基钻屑，亦即本发明的人工土壤。
49.表2物料配比
[0050][0051]
1.3分析及评价方法
[0052]
以下指标的测定均采用本领域公知的方法进行：
[0053]
ph测定采用电位法；电导率测定采用电导率法(水土比1:5)；全盐量测定采用质量法；碱解氮采用碱解-扩散法测定；有效磷采用碳酸氢钠浸提
–
钼锑抗比色法测定；速效钾采用乙酸铵浸提
–
火焰光度法测定；全氮采用元素分析法测定；全钾采用碱熔-火焰光度法；全磷采用碱熔-钼锑抗分光光度法测定；有机质采用重铬酸钾氧化
–
外加热法测定；阳离子交换量采用三氯化六氨合钴浸提-分光光度法；重金属采用电感耦合等离子体质谱仪进行测定；机械组成采用土壤比重计进行测定；土壤入渗率采用渗滤筒法进行测定。
[0054]
1.4指标测定结果
[0055]
a.ph值
[0056]
各组ph值如下表3所示：
[0057]
表3各处理组的ph值
[0058][0059]
由以上结果可见，经腐熟秸秆处理或经腐熟秸秆 黄绵土处理后，ph值显著降低。
[0060]
b.人工土壤质地
[0061]
单独的水基钻屑(ck组)含有较多“粘粒”(＜0.002mm，超过50％)和“粉砂”(0.002-0.02mm，超过30％)，其质地特征具适合的土壤质地要求尚有差距。经腐熟秸秆处理或经腐熟秸秆 黄绵土处理后，可见水基钻屑质地特性获得改善，由粘土向砂土以及壤土方向转变。
[0062]
表4不同处理的土壤质地
2016中的标准要求。
[0076]
另外，就上述配制的人工土壤的重金属含量而言，其重金属含量均达到了i级标准，各项潜在生态风险单项系数均小于40，属于“轻微”风险，均适用于水源涵养林等属于自然保育的绿(林)地。
[0077]
1.5潜在毒害试验
[0078]
采用a1～b3的人工土壤，按土(风干土样)：水质量比＝1：2浸提，160rpm振荡1h后过滤，制成土壤样品过滤液。将5ml滤液于铺有滤纸的培养皿中，滤纸上放置10颗白菜种子，25℃下避光培养48h，测定种子的发芽率和平均根长，计算土壤发芽指数。本发明a1～b3人工土壤发芽指数均在80％以上，这进一步说明，本发明水基钻屑配制的人工土壤没有潜在毒害。
[0079]
1.6植株栽培试验
[0080]
采用a1～b3的人工土壤作为栽培用土，撒播紫穗槐种子，同时以单独的水基钻屑作为栽培对照。结果表明，经3个月的种植，本发明a1～b3人工土壤栽培的紫穗槐的发芽率、平均株高和生物量显著高于对照组。这进一步验证了本发明水基钻屑改良方法的可行性。