油基鉆井巖屑處理技術(shù)展望

張博廉，操衛(wèi)平，趙繼偉，王德龍

（四川仁智石化有限責(zé)任公司， 四川 綿陽 621000）

油基鉆井巖屑處理技術(shù)展望

張博廉，操衛(wèi)平，趙繼偉，王德龍

（四川仁智石化有限責(zé)任公司， 四川 綿陽 621000）

隨著頁巖氣的勘探與開發(fā)，環(huán)保要求的嚴(yán)格，如何有效地、無害地處理和利用鉆采過程中產(chǎn)生的油基鉆屑將成為急需解決的問題。對油基鉆屑的資源化、無害化適用處理技術(shù)進(jìn)行了對比、分析、展望。

油基鉆屑；處理技術(shù)；展望

隨著天然氣工業(yè)的發(fā)展，頁巖氣進(jìn)入勘探開發(fā)階段，根據(jù)國家能源局于2012年3月16日發(fā)布的《頁巖氣發(fā)展規(guī)劃（2011-2015年）》，到2015年我國將基本完成全國頁巖氣資源潛力調(diào)查與評價(jià)，建成一批頁巖氣勘探開發(fā)區(qū)，初步實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，頁巖氣年產(chǎn)量達(dá)到65億m3[1]。油基泥漿具有抗高溫、抗鹽鈣侵蝕，有利于井壁穩(wěn)定、潤滑性好、對油氣層損害小的特點(diǎn)，使得在頁巖氣開采過程中將大規(guī)模使用[2]。鉆采產(chǎn)生的油基鉆屑其浸出液有較高毒性，且不同種類的化學(xué)處理劑使鉆屑中各類污染物與無機(jī)固體之間的橋聯(lián)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，其成分結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜化，客觀上增加了工藝處理難度和處理成本。油基鉆屑直接排放或簡單的填埋處理，會對土壤和地下水形成嚴(yán)重污染，鉆屑中還有可能含有大量的病原菌、寄生蟲，銅、鋅、鉛、鉻、汞等重金屬，進(jìn)而嚴(yán)重影響人類健康和生態(tài)環(huán)境[3-7]。

1 油基鉆屑特點(diǎn)

鉆采產(chǎn)生的鉆屑一般含油率在 10%～40%，含水率10%～20%，其中還含有大量的苯系物、酚類、蒽、芘等有惡臭的有毒物質(zhì)，成分比較復(fù)雜，屬于多相體系，一般由水包油(O/W)、油包水(W/O)以及大量的懸浮固體組成，黏度較大，固相難以徹底沉降。表1為某頁巖氣井鉆采產(chǎn)生的油基鉆屑組成。

表1 某頁巖氣井油基鉆屑組成Table 1 Composition of the oil-base drilling cuttings

圖1 某頁巖氣井油基鉆屑Fig.1 The oil-base drilling cuttings

2 油基鉆屑適用處理技術(shù)

2.1 固化技術(shù)

固化處理是通過物理化學(xué)方法將油基鉆屑固化或包容在惰性固化基材中的一種無害化處理技術(shù)，以便后續(xù)運(yùn)輸、利用或處置[8,9]。采用固化處理技術(shù)能較大程度地減少油基鉆屑中有害離子和有機(jī)物對土壤的侵蝕和淋溶，從而減少對環(huán)境的影響和危害[10,11]。目前采用固化技術(shù)處理后的廢物綜合利用率較低，必須征用土地進(jìn)行衛(wèi)生或安全填埋，從而使土地的再利用價(jià)值低。該法并沒有從根本上解決油基鉆屑的無害化處理，反而增加了一些處理工程中的固化藥劑費(fèi)用，處理成本高、占地面積大，污染隱患未根本消除，因此處理量少時(shí)可考慮選用。

2.2 干化技術(shù)

國外 MI-SWACO公司有專門用于鉆井過程中分離并干燥含油巖屑的裝備，該設(shè)備被安放在振動篩的出口處，在分離并干燥巖屑的同時(shí)，油基鉆屑循環(huán)到離心機(jī)以進(jìn)一步清除其中的劣質(zhì)固相。該設(shè)備的處理能力為 40 t/h，干燥之后的巖屑含油量為5%～6%。目前在中國區(qū)域內(nèi)僅有3套處理裝置，而且只帶設(shè)備提供現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)，不賣不租。

2.3 物化分離技術(shù)

物化分離法處理含油固廢是目前國內(nèi)相對成熟的處理工藝，應(yīng)用范圍較廣，且取得了較為顯著地經(jīng)濟(jì)效益[12-14]。采用物化分離回收油基鉆屑中的油類主要是在于選擇分離類型，既可以采用藥劑分離，也可以使用機(jī)械分離。分離前須進(jìn)行預(yù)處理，前期的預(yù)處理包括篩選、用水混勻攪拌，攪拌均勻后的污泥可以經(jīng)過多級分離而實(shí)現(xiàn)油、砂、水的三相分離[15-16]。分離級數(shù)越多，處理效果越好，一般經(jīng)過二級分離就使油基鉆屑達(dá)到無害化要求。

2.4 焚燒技術(shù)

焚燒技術(shù)是一種簡單而較實(shí)用的含油廢物處理方法，在國外較為常用。采用焚燒法處理油基鉆屑時(shí)，如果油基鉆屑中含油量較高，其燃燒產(chǎn)生的熱能還能回收利用，從而具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和實(shí)用性[17]。焚燒法要求具有很高的溫度(1 200～1 500℃)和能力回收裝置，燃燒產(chǎn)生的氣體須經(jīng)過除塵裝置和有害氣體吸收裝置以使煙氣達(dá)到環(huán)保要求，剩余的灰燼可綜合利用，如生產(chǎn)陶瓷顆粒等。油基鉆屑焚燒前一般還需要經(jīng)過脫水、干化等預(yù)處理工藝，以利于油基鉆屑的引燃和焚燒，減少因含水率高而損耗熱能。

焚燒處理法優(yōu)點(diǎn)是油基鉆屑經(jīng)焚燒后，其中的大部分有害物質(zhì)消除徹底，避免了對環(huán)境的污染，體積減容比高，處理工程安全；缺點(diǎn)是在焚燒過程中了產(chǎn)生了氣體、顆粒物等二次污染，浪費(fèi)了大量的廢油資源，如能回收熱能，則可減少浪費(fèi)[18]。

2.5 高溫裂解技術(shù)

高溫裂解技術(shù)是在絕氧的條件下將油基鉆屑加熱到一定溫度，廢物中的輕組分油類和水分受熱首先蒸發(fā)出來，不能蒸發(fā)的重組分油類通過熱分解作用轉(zhuǎn)化為輕組分，烴類物質(zhì)在復(fù)雜的水合和裂化反應(yīng)中分離出來，再以氣態(tài)形式蒸發(fā)出來，并冷凝回收，從而實(shí)現(xiàn)油與鉆屑分離的目的[19-22]。在高溫裂解過程產(chǎn)生的氣相經(jīng)冷卻后形成三種相態(tài)物質(zhì)，氣相以H2、CH4、CO等為主；液相以汽油、柴油、石蠟烴和H2O為主；固相為鉆屑固相物與殘?zhí)?。高溫裂解工藝對油基鉆屑處理的比較徹底，處理后的殘留物含油可以達(dá)到0.01% (100 mg/kg)以下，殘留固相物與殘?zhí)繉Νh(huán)境無害，可以直接排放或填埋。目前國外商業(yè)化應(yīng)用的主要有三類技術(shù)，TCC工藝、TPS工藝 和ATDU工藝。TCC工藝采用摩擦生熱，將發(fā)動機(jī)的動力轉(zhuǎn)換成熱，可將油基鉆屑加熱至200～350 ℃，缺點(diǎn)在于無法達(dá)到更高溫度；TPS工藝采用220～500 ℃間接加熱，使用螺旋帶動泥漿鉆屑通過一個(gè)被加熱的加熱間，油水蒸餾出來以后被冷凝，然后對液態(tài)的油水混合物進(jìn)行分離；ATDU工藝采用旋轉(zhuǎn)式加熱，并加一定的真空，將泥漿加熱到315～760 ℃。油水蒸餾出來以后被冷凝，然后對液態(tài)的油水混合物進(jìn)行分離。

利用高溫裂解技術(shù)對油基鉆屑進(jìn)行無害化處理，具有較高的技術(shù)含量，反應(yīng)條件要求苛刻、操作復(fù)雜繁瑣，但是對油基巖屑中的油(烴類物質(zhì))回收率較高，處理后的殘留固相物可以達(dá)到直接填埋的要求；缺點(diǎn)是熱消耗大，投資較高，而且占地面積較大，一般適用于大規(guī)模的固定場站處理[23,24]。

2.6 生物處理技術(shù)

生物降解技術(shù)處理油基鉆屑是以土壤修復(fù)的環(huán)保理念，利用微生物細(xì)菌對油基鉆屑進(jìn)行土壤可耕作式功能修復(fù)和改善，利用微生物將油基鉆屑中的石油烴類降解為無害的土壤成分。經(jīng)過降解處理過后的油基鉆屑達(dá)到現(xiàn)場綠化的標(biāo)準(zhǔn)，并可用作耕種土壤，是一種從根本上消除油基鉆屑污染并不產(chǎn)生二次污染的綠色環(huán)保技術(shù)[25-26]。適用于油基鉆屑的生物處理技術(shù)主要有堆肥處理法、地耕法和污泥生物反應(yīng)器法。

2.6.1 堆肥法

堆肥法是將油基鉆屑與適量的調(diào)質(zhì)材料充分混合后并成堆放置，利用天然微生物將油基鉆屑中的石油烴類降解，處理后的油基鉆屑可填埋或施用農(nóng)田。主要有四種堆制方法有堤形堆肥法、靜態(tài)堆肥法、封閉堆肥法和容器堆肥法[27-28]。

2.6.2 生物反應(yīng)器法

生物反應(yīng)器法是將油基鉆屑稀釋于裝有營養(yǎng)介質(zhì)的容器中，利用微生物降解油基鉆屑中的石油烴類的方法。由于生物反應(yīng)器可以人工控制氧氣濃度、溫度、營養(yǎng)物質(zhì)等操作條件，石油烴類物質(zhì)的降解速度較之其他生物處理過程更快，加入馴化過的高效烴類氧化菌，可加快烴類的生物降解[29]。生物反應(yīng)器法適用于油基鉆屑，也適用于油污土壤及含油鉆屑，油基鉆屑經(jīng)處理后，液體部分可排入處置井(坑、池)或另作他用(如回用)。

根據(jù)有關(guān)資料顯示，生物降解周期大約為30～60 d，有的降解時(shí)間甚至更長，降解受含油量、原油的物性、石油菌的生長和繁殖的條件(如溫度、濕度等)多種因素的影響和制約，處理時(shí)還需較大的生化降解場地[30,31]。國外很多公司已經(jīng)開始使用生物處理技術(shù)治理油基鉆屑與巖屑，如殼牌、雪佛龍、哈里伯頓公司，同時(shí)在國內(nèi)的部分油田環(huán)保施工中也進(jìn)行了應(yīng)用性試驗(yàn)。

2.7 幾種技術(shù)比較

油基鉆屑的處理技術(shù)多種多樣，幾種常規(guī)的處理技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍（見表 2）。由于油基鉆屑成分復(fù)雜，沒有任何一種處理方法可以處理所有類型的含油泥砂，因此采用集成技術(shù)對油基鉆屑進(jìn)行分級處理十分必要。隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格和完善，油基鉆屑的無害化、資源化、綜合利用處理技術(shù)將成為油基鉆屑處理技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

表2 常規(guī)處理技術(shù)比較Table 2 Comparison of processing technologies

3 展 望

（1）油基鉆屑的適用處理技術(shù)較多，各項(xiàng)技術(shù)都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)油基鉆屑的具體特點(diǎn)選擇不同的處理技術(shù)。油基鉆屑含油較高時(shí)可采用高溫裂解、焚燒、物化分離等技術(shù)手段回收油基鉆屑中的油類，降低處理費(fèi)用，創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益；而含油較低時(shí)可采用固化、干化、微生物處理等技術(shù)。高溫裂解、焚燒等投資較大的處理技術(shù)適合于集中處理建廠、而干化、微生物處理則可應(yīng)用于單井治理。

（2）單一處理技術(shù)可能難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，因此需要將多種處理技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，已達(dá)到環(huán)保要求，并降低處理成本，增加收益。

（3）隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格和完善，油基鉆屑的無害化、資源化、綜合利用處理技術(shù)將成為油基鉆屑處理技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

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Prospect of Oil-base Drilling Cuttings Processing Technologies

ZHANG Bo-lian, CAO Wei-ping, ZHAO Ji-wei, WANG De-long
(Sichuan Renzhi Petrochemical Technology Co., Ltd.，Sichuan Mianyang 621000, China)

With exploration and development of shale gas, the environment protect requirement is more strict, how to effectively and safely treat and utilize the oil-base drilling cuttings will become an urgent problem. In this paper, processing technologies of oil-base drilling cuttings were analyzed and compared.

Oil-base drilling cutting；Treatment technologies；Prospect

TQ 992.3

A

1671-0460（2014）12-2603-03

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：2014GZ0070。

2014-05-14

張博廉（1985-），男，四川樂山人，碩士，工程師，2011年畢業(yè)于西南科技大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，主要從事油氣田環(huán)境保護(hù)治理研究工作。E-mail：zhangboliank@163.com。