油基鉆屑改質(zhì)流體燃料處理技術(shù)研究

周成華

(中石化西南石油工程公司鉆井工程研究院)

一、國(guó)內(nèi)外油基鉆屑處理現(xiàn)狀分析

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于油基鉆井液及鉆屑的處理主要是焚燒、熱解、化學(xué)清洗、萃取蒸餾以及相應(yīng)的物化復(fù)合方法[1-5]，上述方法存在二次污染、能耗高、油回收利用率較低、處理成本高、安全性能較差等問題。隨著環(huán)保法規(guī)、安全法規(guī)的完善和進(jìn)一步實(shí)施，研究一種新的技術(shù)代替上述技術(shù)迫在眉睫。

二、油基鉆屑改質(zhì)流體燃料處理技術(shù)

1.油基鉆屑流體燃料化處理思路

油基鉆屑流體燃料化處理技術(shù)結(jié)合油基鉆井液及鉆屑特點(diǎn)及工業(yè)燃料的性質(zhì)，采用化學(xué)調(diào)質(zhì)改良技術(shù)把油基鉆井液及鉆屑改良成為流體燃料。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)油氣開采現(xiàn)場(chǎng)隨鉆、快速、安全處理含油鉆屑及廢棄油基鉆井液，實(shí)現(xiàn)變廢為寶、節(jié)能減排的目的。該技術(shù)為油基鉆井液及油基鉆屑處理提供了可靠的技術(shù)保障，對(duì)減少環(huán)境污染、生態(tài)破壞及安全隱患具有重要的意義。同時(shí)在我國(guó)的油氣開采、發(fā)電及其它供熱工程中的熱源燃料需求量相當(dāng)大，該技術(shù)的研究可以為上述工業(yè)中的熱源提供部分燃料，實(shí)現(xiàn)了油基鉆井液和油基鉆屑的資源化利用，具有很高的工業(yè)價(jià)值和應(yīng)用前景。

2.油基鉆屑基本組成

2.1 油基鉆屑組成分析

油基鉆屑廢棄物含油率16.6%，含水率2.45%，含固率80.95%。

2.2 含油固體廢棄物元素分析

含油固體廢棄物元素平均質(zhì)量C為22.60%，H為11.34%，O為33.5%，S為8.65%，N為0.05%。油基鉆屑中可燃物質(zhì)元素之和為67%以上，其它Si等非可燃元素33%，具有改質(zhì)未流體燃料的條件。

2.3 含油固體廢棄物重金屬分析

含油固體廢棄物重金屬分析巖屑浸出液指標(biāo)銅為0.03%，無鉛，鋅為0.01%，無鎘，鎳為0.01%，總鉻為0.06%，汞為0.002%。

3.油基鉆屑改質(zhì)流體燃料配方及性能評(píng)價(jià)

3.1 油基鉆屑流體燃料化優(yōu)化配方

油基鉆屑改質(zhì)過程中，主要添加劑為乳化劑、分散穩(wěn)定劑。乳化劑的主要作用為將油基鉆屑和添加的水乳化形成流體燃料油包水體系；分散穩(wěn)定劑的主要作用防止油基鉆屑細(xì)化后的聚集，使得流體細(xì)顆粒分散均勻。

改質(zhì)流體燃料配方為：65%～70%細(xì)化油基鉆屑+6.4%乳化劑+1.6%分散穩(wěn)定劑+22%～27%水。

3.2 油基鉆屑改質(zhì)為流體燃料評(píng)價(jià)

改質(zhì)后的油基鉆屑類似于水煤漿。水煤漿是由大約65%煤、34%水和1%添加劑通過物理加工得到的一種低污染、高效率、可管道輸送的代油煤基流體燃料，水煤漿也已成為替代油、氣等能源的最基礎(chǔ)、最經(jīng)濟(jì)的潔凈能源。改質(zhì)后的油基鉆屑流體燃料燃燒性能與水煤漿評(píng)價(jià)見表1。

表1 油基鉆屑改質(zhì)流體燃料與水煤漿主要性能指標(biāo)對(duì)比

由表1得出，油基鉆屑改質(zhì)流體漿具有一定黏度；燃料漿燃值高，可以單獨(dú)作為流體燃料；其性能與水煤漿比分析，其指標(biāo)達(dá)到水煤漿一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，是一種理想的流體燃料。

同時(shí)，根據(jù)SN/T3209-2012《進(jìn)出口危險(xiǎn)化學(xué)品檢驗(yàn)規(guī)程高閃點(diǎn)易燃液體基本要求》，易燃液體是指閉杯試驗(yàn)閃點(diǎn)等于或低于60℃，因此，油基鉆屑流體燃料不屬于易燃品，運(yùn)輸過程中不會(huì)因摩擦生熱而造成安全隱患。

3.3 油基鉆屑原樣與改質(zhì)后的燃料熱重對(duì)比分析

使用熱重曲線(TG)和微商熱重(DTG)曲線對(duì)油基鉆屑原樣與改質(zhì)后的燃料熱重進(jìn)行對(duì)比分析。熱重曲線(TG或TGA)是指在程序控制溫度條件下，測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種熱分析方法。微商熱重(DTG)曲線是對(duì)熱重曲線中質(zhì)量(m)對(duì)時(shí)間(t)進(jìn)行一次微商從而得到dm/dt-T(或t)曲線，它表示質(zhì)量隨時(shí)間的變化率(失重速率)與溫度(或時(shí)間)的關(guān)系見圖1。

圖1 油基鉆屑樣品燃料熱重分析

圖2 油基鉆屑改質(zhì)流體燃料熱重分析

由圖1、圖2得出，油基鉆屑樣品燃燒失重，開始溫度低于油基鉆屑改質(zhì)燃料失重溫度，但油基鉆屑燃燒失重后減少趨勢(shì)沒有油基鉆屑改質(zhì)燃料失重溫度明顯，說明油基鉆屑改質(zhì)燃料燃燒更充分。

3.4 流體燃料燃燒的環(huán)境指標(biāo)評(píng)價(jià)

對(duì)流體燃料燃燒的環(huán)境指標(biāo)分析，結(jié)果見表2。

表2 燃料燃燒過程污染分析

由表2得出，改質(zhì)燃料燃燒過程污染平均值低于《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB13223-2001(以油為燃料的鍋爐)》指標(biāo)，環(huán)境指標(biāo)評(píng)價(jià)合格。

3.5 燃料燃燒后殘?jiān)治?/p>

以《廢水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)GB8978—2012》標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)燃料燃燒后殘?jiān)廴?，?duì)油基鉆屑改質(zhì)流體燃料燃燒后殘?jiān)鲆哼M(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 燃料燃燒后殘?jiān)鲆何廴痉治?/p>

由表3得出，燃料燃燒后殘?jiān)鲆哼_(dá)到廢水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。

三、油基鉆屑改質(zhì)流體燃料工藝及特點(diǎn)

1.油基鉆屑改質(zhì)流體燃料處理工藝

圖3為油基鉆屑改質(zhì)流體燃料技術(shù)工藝流程。

圖3 油基鉆屑流體燃料制備工藝流程圖

(1)油基鉆屑收集。在鉆井過程中，鉆井液池收集固控設(shè)備下面的油基鉆屑，通過前段的分選、粉碎收集系統(tǒng)進(jìn)入油基鉆屑的收集罐。

(2)細(xì)化調(diào)質(zhì)系統(tǒng)。收集罐中的油基鉆屑通過泵打入調(diào)質(zhì)系統(tǒng)并細(xì)化，同時(shí)按照流體燃料化配方向調(diào)質(zhì)系統(tǒng)中加藥，完成細(xì)化調(diào)質(zhì)。

(3)乳化分散穩(wěn)定系統(tǒng)。細(xì)化調(diào)質(zhì)后泵入均化分散穩(wěn)定系統(tǒng)，并補(bǔ)充適當(dāng)乳化劑，均化分散穩(wěn)定后的流體燃料通過抽樣檢測(cè)合格后直接進(jìn)入成品系統(tǒng)，成為流體燃料產(chǎn)品。

(4)若不合格就直接再進(jìn)行調(diào)質(zhì)、均化穩(wěn)定，直到達(dá)到流體燃料產(chǎn)品要求進(jìn)入儲(chǔ)存系統(tǒng)。

整個(gè)工藝流程設(shè)備、管線定期的清洗采用調(diào)質(zhì)劑進(jìn)行清洗，整個(gè)清洗過程中也是全封閉式，不會(huì)產(chǎn)生二次污染物質(zhì)。

2.油基鉆屑流體燃料化工藝特點(diǎn)

(1)工藝簡(jiǎn)單、成本低、處理徹底。該技術(shù)突破了其它現(xiàn)有油基鉆屑處理技術(shù)的難題：即處理后的油基鉆屑仍然是固廢。油基鉆屑通過“油氣工程領(lǐng)域油基鉆屑資源化”技術(shù)應(yīng)用，在現(xiàn)場(chǎng)將油基鉆屑隨鉆處理為合格產(chǎn)品。離開鉆井現(xiàn)場(chǎng)的 “流體燃料”是一種安全的產(chǎn)品，能夠安全運(yùn)輸及儲(chǔ)存。

(2)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)成安全合格的“流體燃料”，該產(chǎn)品符合中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部2012年頒布的《石油天然氣開采業(yè)污染防治技術(shù)政策》第四條污染治理、第五條鼓勵(lì)研發(fā)的新技術(shù)的相關(guān)要求，可以實(shí)現(xiàn)油田鉆井現(xiàn)場(chǎng)“零污染、零落地、資源化利用”。

(3)該技術(shù)裝備能夠有機(jī)并入鉆井系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隨鉆處理，實(shí)現(xiàn)“不落地、零污染”，處理能力3～4 m3/h。

四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1. GS307-2井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

GS307-2HF井水平段油基鉆井液鉆進(jìn)685 m。鉆井過程中，產(chǎn)生油基鉆屑167 t。改質(zhì)過程中，改質(zhì)配方為：70%油基鉆屑+8%調(diào)質(zhì)劑+ 22%水。通過隨鉆改質(zhì)，共計(jì)生產(chǎn)燃料漿239 t，平均日產(chǎn)量15.8 t。

2. JS33-19HF井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

JS33-19HF井水平段油基泥漿鉆進(jìn)1 001 m。改質(zhì)過程中，改質(zhì)配方為：67%油基鉆屑+8%調(diào)質(zhì)劑+ 25%水。通過隨鉆改質(zhì)，共計(jì)生產(chǎn)燃料漿504 t，平均日產(chǎn)量20.5 t。

3. 經(jīng)濟(jì)效益分析

油基鉆屑改質(zhì)流體燃料處理工藝與頁(yè)巖氣某區(qū)塊熱解析等處理工藝相比，處理成本相當(dāng)。但油基鉆屑改質(zhì)流體燃料可以作為燃料產(chǎn)品銷售，增加了經(jīng)濟(jì)收入，燃燒環(huán)保，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

五、結(jié)論

(1)本文油基鉆屑處理存在的二次污染、能耗高、油回收利用率較低、處理成本高、安全性能較差等問題，形成了油基鉆屑流體燃料化處理技術(shù)。

(2)油基鉆屑改質(zhì)流體燃料燃燒性能與水煤漿對(duì)比分析，其指標(biāo)達(dá)到水煤漿一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，是一種理想的流體燃料，改質(zhì)燃料燃燒過程污染平均值達(dá)到環(huán)境指標(biāo)評(píng)價(jià)合格，燃料燃燒后殘?jiān)廴具_(dá)到廢水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。

(3)通過撬裝式油基鉆屑改質(zhì)流體燃料處理，實(shí)現(xiàn)了鉆進(jìn)過程中現(xiàn)場(chǎng)隨鉆、快速、安全處理油基鉆屑，并在GS307-2井、JS33-19井成功應(yīng)用。