油基鉆屑處理及資源回收技術進展

孫靜文　許毓　劉曉輝　張明棟　任雯　謝水祥（中國石油安全環(huán)保技術研究院）

油基鉆屑處理及資源回收技術進展

孫靜文許毓劉曉輝張明棟任雯謝水祥（中國石油安全環(huán)保技術研究院）

摘要：隨著非常規(guī)油氣的大規(guī)模開采，油基泥漿的使用規(guī)模大幅度增加，油基鉆井廢棄物處理處置已成亟待解決的環(huán)保難題?；谟嘘P文獻，綜述了目前國內(nèi)外油基鉆屑的處理與資源化技術的進展，并對不同處理技術特點進行了對比。展望了未來油基鉆屑處理與資源化技術的發(fā)展趨勢，提出了發(fā)展建議。

關鍵詞：油基泥漿；油基鉆屑；固體廢物；環(huán)境保護

隨著頁巖氣、致密氣等非常規(guī)油氣開發(fā)過程，油基泥漿的使用規(guī)模逐漸增加。油基泥漿具有良好的流變性能、濾失控制性能及潤滑性[1]等優(yōu)點，但鉆井過程中，固控循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的油基泥漿和巖屑混合物（簡稱油基鉆屑）的處理成為了一個巨大的環(huán)保難題。在油基泥漿循環(huán)過程中，振篩機、除砂器、除泥器、離心機等設備會不斷產(chǎn)生不同粒度的巖屑和泥漿的混合物，礦物油含量超過20%，屬于特殊危險廢物，進入自然環(huán)境中將導致嚴重的土壤和地下水污染事故，對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的破壞，直接對人類健康產(chǎn)生危害[2]，因此，開發(fā)對廢棄油基泥漿合理的處理技術成為各大油田急需解決的問題。

1　油基鉆屑處理技術

1.1甩干-離心分離技術

甩干-離心分離技術的主體設備為立式甩干機和臥螺離心機。立式甩干機利用0.3 mm的篩網(wǎng)，將大顆粒隔離在篩網(wǎng)內(nèi)部，通過刀片將篩網(wǎng)內(nèi)固體刮出，形成含油率低的干渣，小顆粒和鉆井液從篩網(wǎng)穿過，再經(jīng)過離心分離后，質量較好的鉆井液回收，含粉塵和小顆粒較多的固相收集后進入離心機進一步固液分離處理。甩干機排出的干渣部分約占總體積的50%，回收鉆井液約占10% ～15%，VERTI-G機型甩干機，最大處理量可達到40 t/h。目前在世界各地成功應用200口井以上[3]。

將甩干機和臥螺離心機相結合，能夠將鉆井廢棄物含油率降至3%～5%。最大限度的回收泥漿。甩干機處理后殘渣和高含油油泥依然是危險廢棄物，無法處理，因此，目前開發(fā)的其他工藝大多以此技術作為前處理技術，以達到減量化和回收泥漿的目的。

1.2熱解析技術

熱解析技術也成為熱脫附技術，是指在絕氧加熱條件下將巖屑中的絕大部分液相分離冷凝后回收，從而實現(xiàn)鉆屑與油分離的目的。脫附爐按照加熱介質不同，加熱方式有燃料加熱、電加熱、以及錘磨熱解析技術。使用燃料加熱的熱解析技術可以直接利用燃料（如柴油、天然氣、伴生氣等）加熱，或利用燃料加熱蒸汽，再利用蒸汽加熱解析設備。使用燃料加熱的熱解析設備體積一般較為龐大，適合于建設集中處理站。電加熱的設備相對體積稍小，2014年11月杰瑞能服公司[4]開發(fā)電加熱爐在西南油氣田威遠頁巖氣開發(fā)區(qū)塊某平臺開展了現(xiàn)場試驗。試驗結果表明：熱解析殘渣含油率低于1%?；厥盏挠推沸再|滿足回用配漿要求。中國石油安全環(huán)保技術研究院開發(fā)電磁加熱脫附技術處理油基鉆屑，具有熱效率高（大于85%），占地面積小，可撬裝化，設備安全可靠等優(yōu)點。已在浙江油田昭通頁巖氣示范區(qū)某平臺開展了工業(yè)化現(xiàn)場試驗。經(jīng)過處理后的鉆屑含油率低于1%，脫附油配漿與5#白油配漿效果相近。

錘磨熱解析技術（TCC，thermal- mechanic cutting clean）于其他熱解析技術的區(qū)別在于熱能由摩擦力產(chǎn)生：利用高速旋轉的轉臂帶動固體顆粒高速運動產(chǎn)生摩擦，摩擦產(chǎn)生的溫度達到油的沸點之上，油、水汽化后克服毛細管力脫附固體顆粒的孔隙實現(xiàn)固液分離。蒸汽經(jīng)過冷凝分離后回收油、水。TCC技術于2006年首先應用UKCS的一個半潛式平臺[5]，處理溫度在240～260℃，平均處理規(guī)模6 t/h。目前在美國、英國、荷蘭、挪威等多個國家有應用。但國內(nèi)尚未見應用案例。

除了目前開展應用和完成工程示范的熱解析技術，研究人員嘗試開發(fā)微波熱解析技術，提高熱解析的效率。陳曉琳等[6]利用微波處理油基泥漿鉆屑，試樣處理后含油量為0.436 4%，驗證了微波熱解析法處理含油鉆屑的可行性。

熱解析技術需要充分考慮隨著熱解析溫度的升高而對脫附回收的油品質的影響（產(chǎn)生異味），目前杰瑞能服公司通過分析，認為低餾點（小于200℃）物質是異味的主要來源，并采用選擇性官能團吸附技術對脫附油進行除臭，取得了較好的效果。已在大慶油田完成脫附油除臭試驗，處理后的脫附油S/N含量遠低于成品柴油，達到了脫臭效果。

1.3常溫化學脫附技術

常溫化學脫附技術一般利用化學藥劑對油基鉆屑進行處理，使油和鉆屑分離，再利用加熱等手段，回收脫附藥劑循環(huán)使用。目前比較成熟的是LRET技術，對甩干-離心處理后油基鉆井液進行浸取后固液分離，油基鉆屑中的泥漿進入溶劑中，再通過蒸餾冷卻手段，回收溶劑循環(huán)使用。分離的固相進行填埋處理或制備免燒陶粒等資源化產(chǎn)品。回收的油基鉆井液性能滿足鉆井要求，并控制最終排放的殘渣油含量小于1%。已在塔里木油田進行應用，塔里木油田應用LRET技術處理油基鉆井液廢棄物超2500 m3，回收油基鉆井液近600 m3，創(chuàng)造經(jīng)濟效益560多萬元。2015年，LRET技術在四川長寧頁巖氣示范某平臺進行了現(xiàn)場試驗，回收鉆井液超過150 m3，經(jīng)過檢測，脫附殘渣含油率低于1%。

LRET技術的缺點是設備投資較高，處理藥劑價格昂貴。設備占地面積較大，不易實現(xiàn)隨鉆處理。其他各類脫附、回收藥劑也開展了室內(nèi)研究和現(xiàn)場試驗，取得了較好的試驗效果，并進行了初步應用。

田浩等[7]采用物理－化學相結合的方法對油基泥漿進行油、水及固相分離。DSC型破乳劑濃度為200 mg/L與頻率25 kHz、功率40 W的超聲波耦合作用下，除油率達到最高。在無機混凝劑Al2(SO4)3濃度為200 mg/L、有機混凝劑PAM濃度為7 mg/L時與頻率20 kHz、功率80 W的磁場耦合作用下混凝效果達到最佳。確定了在實驗溫度為40℃、pH值為6～7的實驗條件下最佳除油率能達到86%。

王智峰等[8]采用基于生物酶技術的清洗劑干粉，經(jīng)清洗劑處理后油基鉆屑含油質量分數(shù)低于1%；形成了一套油基鉆屑隨鉆處理工藝，處理能力達到5 m3/h，滿足油基鉆屑隨鉆處理要求。在勝利油田渤頁2HF井等3口頁巖油井中應用，均取得較好的效果。

1.4微生物處理技術

微生物處理技術處理油基鉆屑是利用微生物細菌對油基鉆屑進行土壤可耕作式功能修復和改善，利用微生物分解油基鉆屑中的石油烴類和其他有機物，經(jīng)過處理后的油基鉆屑達到現(xiàn)場綠化的標準。微生物處理技術需求的場地面積較大，處理周期約在30～60 d甚至更長，同時受到溫度、濕度等環(huán)境條件的制約。

國外很多公司已經(jīng)開始使用生物處理技術治理油基鉆屑與巖屑，如殼牌、雪佛龍、哈里伯頓公司，同時在國內(nèi)的部分油田環(huán)保施工中也進行了應用性試驗[9]。李學慶等[10]利用該技術對新疆油田阜東081井白油包水鉆井液和蘇10-32-45CH井全油基鉆井液中的鉆屑進行了處理，取得了良好的效果，通過離心甩干和生物法處理后，鉆屑的含油量降至了1.17%。

1.5固化資源化技術

主要是利用水泥、固化藥劑對含有鉆屑進行混拌處理，然后加工成各類資源化產(chǎn)品，如鋪路路基材料、免燒陶粒、免燒磚等。由于含油率較高，含油鉆屑直接固化較難達標，一般作為甩干-離心技術、熱解析技術、常溫脫附技術等技術的最終處置技術，實現(xiàn)廢物再利用。

劉宇程等[11]針對廢棄油基鉆井液中柴油回收過程產(chǎn)生的泥渣、廢水、廢白土和酸堿廢渣具有高色度、高pH、高COD和高石油類的特點，通過優(yōu)化實驗得出了一步法無害化處理廢棄混合物的最佳固化配方：水泥和粉煤灰加量分別為12. 5%，激活劑SG加量1.5%，促凝劑LSL加量1. 5%，石灰加量1%。在最佳固化配方下，固化體浸出液的各主要污染指標都符合GB 8978—1996《污水綜合排放標準》一級標準，固化成本約100元/m3，與分別處理廢渣、廢液相比，其處理成本可降低約20%。

中國石油集團海洋工程有限公司[12]采用粉煤灰復合材料固化劑技術進行廢棄鉆井液的固化和處理，固化物的浸出液毒性在GB 8978—1996控制指標內(nèi)。用優(yōu)化化學藥劑處理鉆井廢水達到回注水水質指標。各種處理技術的優(yōu)劣和使用條件，見表1。

表1　各種處理技術對比

2　發(fā)展趨勢

鉆井廢棄物的環(huán)境污染問題是油氣田企業(yè)面臨的主要環(huán)境風險，對鉆井廢棄物進行無害化處理和資源化利用，是油氣生產(chǎn)企業(yè)必須承擔的社會責任，也是積極應對國家和地方日益嚴格的環(huán)保要求的有效舉措。結合現(xiàn)有技術和國內(nèi)頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀，對未來發(fā)展趨勢有以下幾點分析。

1）隨鉆處理，撬裝化、標準化、小型化。鉆井隊往往作業(yè)地點偏遠，含油鉆屑處理工程集中建站，拉運鉆屑到處理站需要較高成本，并且路途中具有拋灑、泄露等環(huán)境風險和安全風險。含油鉆屑作為危險廢物，辦理轉運手續(xù)過程復雜，辦理的過程長時間堆放暫存，也容易發(fā)生對環(huán)境的污染。因此，隨鉆處置裝置已逐漸成為生產(chǎn)單位的需求。設備向小型化、撬裝化發(fā)展。力求達到不落地隨鉆處理。

2）多種技術組合和集成，完成鉆井廢棄物最終的處置。隨著技術的發(fā)展和要求的不斷提高，單純依靠某一種裝置來達到處理達標的目的很困難，即使能夠達標，處理成本也很高。常溫化學脫附要求含油率不得超過12%，熱解析技術的成本也隨著含油率的增加而不斷增加。同時，固化資源化技術雖然難以直接將高含油率的油基鉆屑處理達標，但是能夠妥善解決熱脫附等技術處理過后的殘渣，變廢為寶。因此，將多種技術組合集成，形成成套處理工藝，才能夠真正的將含油鉆屑處置完成。

3）處理過程應妥善解決可能產(chǎn)生的二次污染，如尾氣、污水、廢渣等。目前的含油鉆屑處理技術均有可能產(chǎn)生其他污染物，處理不當，可能對環(huán)境造成二次污染。熱脫附技術會產(chǎn)生少量的不凝氣，常溫化學脫附技術可能發(fā)生化學藥劑的逸散、泄露、微生物處理技術可能會產(chǎn)生廢水等，應全局考慮整套工藝的水、氣、渣的處理與排放。

3　建議

1）甩干-離心工藝直接納入泥漿固控系統(tǒng)。立式甩干機的使用能夠有效回收振動篩出渣中的泥漿，將甩干機統(tǒng)一考慮，并入泥漿固控系統(tǒng)，有利于減少設備數(shù)量（可以和固控系統(tǒng)共用離心機），提高泥漿回收率，減少固體廢棄物的排放。

2）積極開展熱解析設備、常溫化學脫附設備的小型化，降低設備制造成本。目前，熱解析設備和常溫化學脫附設備，特別是常溫化學脫附設備大規(guī)模推廣的主要制約條件之一，就是設備造價較高。

3）資源化產(chǎn)品應與現(xiàn)場應用條件相結合。資源化產(chǎn)品的種類盡量與生產(chǎn)單位和現(xiàn)場附近的居民進行溝通，盡量制備能夠就地使用的產(chǎn)品，或使用量大、使用范圍廣的產(chǎn)品，如鋪路路基材料，或路緣石等等，就地利用，節(jié)約運輸成本。

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（編輯鞏亞清）

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.01.014

第一作者簡介：孫靜文，工程師，2011年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學，從事環(huán)保科研工作，E-mail：sunjingwen@cnpc.com.cn，地址：北京市昌平區(qū)沙河鎮(zhèn)西沙橋西中石油科技園區(qū)A12地塊A座，102206。

收稿日期2015-08-12