油基鉆屑現(xiàn)場(chǎng)熱解析處理技術(shù)現(xiàn)狀及展望

馮美貴， 翁 煒， 馬衛(wèi)國(guó)， 任 重， 石 凱， 朱迪斯

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083； 2.長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 荊州 434023；3.湖北創(chuàng)聯(lián)石油科技有限公司，湖北 荊州 434023)

0 引言

油基鉆井液[1]具有良好的流變性、濾失性、潤(rùn)滑性，耐高溫、抗鹽鈣侵蝕，有利于井壁穩(wěn)定、保護(hù)儲(chǔ)層等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于深部石油勘探和頁(yè)巖氣、致密氣等非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由此也會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄油基鉆屑。油基鉆屑[2]中含有大量礦物油、酚類化合物、重金屬等有毒物質(zhì)，若不經(jīng)處理直接排放或填埋，將嚴(yán)重污染土壤、地表水和地下資源，土地難以復(fù)墾，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，直接對(duì)人類健康造成危害，因此必須對(duì)油基鉆屑加強(qiáng)源頭控制和全過(guò)程綜合治理，以實(shí)現(xiàn)綠色鉆井、人與自然和諧共享綠色可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)全球環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格,世界許多地區(qū)的排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,鉆屑中總石油烴(TPH)[3]的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)低于1%才能排放。我國(guó)已將含礦物油廢物列為危險(xiǎn)廢棄物，危險(xiǎn)類別為HW08;《海洋石油勘探開(kāi)發(fā)污染物排放濃度限值》(GB 4914-2008)對(duì)海上含油鉆屑排放的要求按海域的不同分為三級(jí)：含油率≤1%(一級(jí)海域)、≤3%(二級(jí)海域)、≤8%(三級(jí)海域)，渤海海域則禁止含油鉆屑的排放。

目前，國(guó)內(nèi)外油基鉆屑的處理技術(shù)[4-16]主要有回注技術(shù)、固化技術(shù)、焚燒填埋技術(shù)、溶劑萃取技術(shù)(常溫化學(xué)脫附技術(shù))、微生物處理技術(shù)等，這些技術(shù)有一定的處理效果，但存在局限性：回注、固化與焚燒填埋技術(shù)無(wú)法回收油基鉆屑中的基礎(chǔ)油，造成資源浪費(fèi)，同時(shí)存在潛在威脅，焚燒會(huì)放出有毒有害物質(zhì)，存在二次污染；溶劑萃取技術(shù)工藝復(fù)雜，處理藥劑費(fèi)用高；微生物處理技術(shù)處理周期長(zhǎng)，占地面積大，同時(shí)受溫度、濕度等環(huán)境條件的制約等。熱解析技術(shù)以其適應(yīng)性強(qiáng)、除油效果徹底(殘?jiān)黅PH含量小于1%)，具備“不落地”處理能力、設(shè)備占地面積小，具備全天候工作能力等優(yōu)點(diǎn)迅速成為解決含油固體廢棄物污染問(wèn)題的熱門(mén)環(huán)保技術(shù)和設(shè)備。本文重點(diǎn)介紹目前國(guó)內(nèi)外油基鉆屑熱解析處理典型的先進(jìn)技術(shù)、裝置與應(yīng)用情況，以及存在的問(wèn)題和建議今后開(kāi)展油基鉆屑重點(diǎn)研究方向，為不同體系油基鉆屑的高效低耗安全環(huán)保熱解析現(xiàn)場(chǎng)隨鉆處理提供科學(xué)可靠依據(jù)和理論支撐。

1 熱解析技術(shù)概述

熱解析技術(shù)[2-3]也稱為熱脫附技術(shù)，是指在缺氧(氧氣體積含量低于8%)或無(wú)氧條件下，加熱油基巖屑到一定的熱解溫度(略低于有機(jī)物及烴類物質(zhì)熱分解溫度)，以惰性氣體或蒸氣等作為吹掃氣，使烴類及有機(jī)物解析附，保持一定的停留時(shí)間，直至除去所有的油；將巖屑中絕大部分液相分離冷凝后回收，從而實(shí)現(xiàn)鉆屑與油分離的目的，其中不凝氣可作為脫附爐供熱系統(tǒng)的燃料循環(huán)利用，油與水實(shí)現(xiàn)回收利用。脫附爐按照加熱介質(zhì)不同，加熱方式有燃料加熱、電加熱及錘磨熱解析技術(shù)。使用燃料加熱的熱解析技術(shù)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(shè)備。

2 油基鉆屑熱解析處理典型的先進(jìn)技術(shù)、裝置與應(yīng)用

2.1 美國(guó)Brandt NOV公司熱解析裝置

Brandt NOV在全球五大洲50萬(wàn)t油基廢棄鉆屑的處理經(jīng)驗(yàn)表明[17]，目前還沒(méi)有一種機(jī)械方法能夠連續(xù)將鉆屑中的油含量降低至低于1%，也沒(méi)有一套化學(xué)清洗系統(tǒng)或化學(xué)改造油類的系統(tǒng)能夠滿足嚴(yán)格的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，化學(xué)處理法通常需要使用有毒的或有害的化學(xué)藥劑。因此，在許多情況下化學(xué)藥劑會(huì)增加問(wèn)題而不是解決問(wèn)題，添加化學(xué)藥劑會(huì)使廢棄物數(shù)量增加，并且會(huì)將污染物從固相中轉(zhuǎn)移到液相中，使問(wèn)題復(fù)雜化，造成二次污染。

從1999年第一套鉆屑熱解析裝置被工業(yè)化應(yīng)用，已處理了超過(guò)50萬(wàn)t的油基鉆屑,地點(diǎn)遍及五大洲。先后為BP、Gupco、Chevron、Shell、ConocoPhillip、CN R、Britannia、AGIP、Petrobras、Total、Sonatach Halliburton、Baker Drilling Fluids 和MI Swaco等公司進(jìn)行了服務(wù)。

Brandt NOV公司作為鉆屑熱解析裝置及其工程服務(wù)的原制造企業(yè)，已經(jīng)擁有25年的歷史和經(jīng)驗(yàn)。其熱解析裝置工作原理是鉆屑送入熱解析裝置，循環(huán)加熱的導(dǎo)熱油換熱或電熱元件加熱解析裝置內(nèi)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和筒體，從而間接加熱鉆屑。鉆屑進(jìn)入熱解析裝置的開(kāi)始旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子將水分從鉆屑中蒸發(fā)掉，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子推動(dòng)鉆屑移動(dòng)到熱解析裝置的后段，隨著鉆屑加熱溫度的升高，油將從鉆屑中蒸發(fā)掉，此時(shí)溫度將加熱到500 ℃。冷凝器將熱解析裝置中排出的蒸汽液化成水和油，然后進(jìn)入水/油分離器進(jìn)行油水分離。解析后的干鉆屑從解析罐的后端排出，并進(jìn)行冷卻；用冷凝水噴淋干鉆屑，避免鉆屑灰塵。Brandt NOV公司的鉆屑熱解析系統(tǒng)工藝流程圖如圖1所示。

1-鉆屑預(yù)處理；2-進(jìn)料斗；3-熱解析裝置；4-高溫區(qū)域；5-干鉆屑排放；6-冷凝器；7-油水分離器；8-油/水收集與排放；9-高溫氧化鍋爐

其中NOV500型(Model 500)移動(dòng)式熱油熱解析裝置處理鉆屑最大能力為2.5 t/h，根據(jù)鉆屑含水量，平均處理鉆屑能力在1.5～2.0 t/h，該型裝置能夠處理油基泥漿鉆屑和合成基泥漿鉆屑。整個(gè)系統(tǒng)操作消耗的能量以發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗量計(jì)算，處理每噸鉆屑消耗40 L柴油。系統(tǒng)裝置模塊按標(biāo)準(zhǔn)集裝箱包裝運(yùn)輸。

該熱解裝置采用熱油循環(huán)加熱、電加熱以及分段加熱技術(shù)，技術(shù)相對(duì)成熟。2014年重慶涪陵頁(yè)巖氣鉆井過(guò)程中使用NOV公司的熱解析裝置處理含油鉆屑、回收基礎(chǔ)油，但是國(guó)外對(duì)國(guó)內(nèi)采取技術(shù)壟斷，因此每日的設(shè)備費(fèi)和服務(wù)費(fèi)用相當(dāng)昂貴。

2.2 加拿大Thermal-flite公司螺旋型熱解析裝置

Thermal-flite公司的Holo-Scru熱解析系統(tǒng)包括以下主要部分(如圖2所示)：螺旋型熱解析裝置，供料系統(tǒng)；供料、卸料和排出氣鎖系統(tǒng)，解析裝置物料排出冷卻系統(tǒng)，熱蒸汽冷凝和回收系統(tǒng)等。螺旋型熱解析裝置是解析系統(tǒng)的核心，包括解析腔體及其內(nèi)部的螺旋轉(zhuǎn)子，螺旋轉(zhuǎn)子可以是單螺旋、相互嚙合的雙螺旋或四螺旋。間接加熱方式加熱腔體內(nèi)的鉆屑。解析腔內(nèi)排出的干鉆屑經(jīng)循環(huán)水冷卻螺旋輸送器排出。解析腔內(nèi)鉆屑中的油水在高溫作用下發(fā)生蒸餾汽化，并從解析腔內(nèi)排出進(jìn)入冷凝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油水分離并回收油。導(dǎo)熱流體加熱可以使得解析腔內(nèi)的物料溫度達(dá)到454 ℃，兩級(jí)加熱可以使得物料溫度達(dá)到649 ℃，被加熱的物料脫揮，殘流碳?xì)浠衔锟梢陨儆?.05%；氣鎖的作用是采用純氮或二氧化碳替換氣鎖腔內(nèi)的空氣，使得高溫物料處于無(wú)氧狀態(tài)，避免物料發(fā)生燃燒和閃爆。

圖2 Therma-Flite公司 Holo-Scru熱解析系統(tǒng)Fig.2 Therma-Flite Holo-Scru thermal desorption systems

通常鉆屑中柴油含量10%～30%，水含量20%，Therma-Flite公司 Holo-Scru熱解析系統(tǒng)從鉆屑中脫揮和油回收率達(dá)到97%～99.5%。

螺旋型熱解析可使物料達(dá)到649 ℃的較高溫度，因此對(duì)密閉螺旋腔的無(wú)氧狀態(tài)、保溫、散熱及密封技術(shù)要求比較高。

2.3 Halliburton Baroid Bara phaseTM熱摩擦鉆屑熱解析清潔裝置

錘磨熱解析技術(shù)(TCC, Thermomechanical Cuttings Cleaner)與其他熱解析技術(shù)的區(qū)別在于熱能由摩擦力產(chǎn)生：利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)固體顆粒高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦，摩擦產(chǎn)生的溫度達(dá)到油的沸點(diǎn)之上，油、水汽化后克服毛細(xì)管力脫附固體顆粒的孔隙實(shí)現(xiàn)固液分離。蒸汽經(jīng)過(guò)冷凝分離后回收油、水。

Halliburton Baroid Bara phaseTM熱摩擦鉆屑熱解析清潔裝置包含一個(gè)錘磨機(jī)，將鉆屑粉碎成粉末(60%的鉆屑粉碎成直徑約50 μm的顆粒)，粉碎的過(guò)程摩擦生熱。錘磨機(jī)可以使得鉆屑溫度達(dá)到240～260 ℃，也可以高達(dá)300 ℃。這個(gè)溫度范圍足以除去吸附在鉆屑中的水和油。微真空狀態(tài)下從熱解析裝置中抽吸解析出來(lái)的油水蒸汽，并進(jìn)入旋流器除去細(xì)小顆粒物，然后進(jìn)入一個(gè)兩級(jí)冷凝器分離油和水。

Halliburton Baroid Bara phaseTM熱摩擦鉆屑熱解析清潔裝置工藝流程如圖3所示。Halliburton Baroid Bara phaseTM熱摩擦鉆屑熱解析裝置啟動(dòng)后大約需要30min的時(shí)間使得鉆屑產(chǎn)生足夠的熱。

圖3 Halliburton Baroid BaraphaseTM熱摩擦鉆屑清潔工藝流程圖Fig.3 Halliburton Baroid BaraPhaseTM thermomechanicalcuttings cleaner (TCC)

該裝置結(jié)構(gòu)非常緊湊，輕便，模塊化。在北海平臺(tái)上使用，處理后的干燥鉆屑可以直接排海。該裝置結(jié)構(gòu)體積小，可以應(yīng)用于陸上與鉆屑橇配套使用。

錘磨機(jī)摩擦生熱熱解析裝置采用電動(dòng)機(jī)或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，每噸鉆屑(含水25%)需要160 kW的功率消耗。這種摩擦生熱熱解析裝置處理的鉆屑總石油碳?xì)浠衔锖?TPH)可以少于0.1%。另外，錘磨機(jī)研磨鉆屑顆粒使得顆粒粒徑減小，可容易除去鉆屑空隙中的油和水。

由于錘磨熱解析的溫度≯330 ℃[5]，遠(yuǎn)低于白油的裂解溫度;且水的比熱容和汽化焓均大于白油，其液相汽化及過(guò)熱消耗的能量更高，從而高含水率比高含油率對(duì)處理量的影響更大，因此建議在錘磨熱解析之前，增設(shè)預(yù)處理含油鉆屑降低含水率，提高處理量。

2.4 化學(xué)熱解析裝置

化學(xué)熱解析裝置是采用化學(xué)方法產(chǎn)生與錘磨機(jī)技術(shù)相似的結(jié)果。用濃酸混合鉆屑，其結(jié)果是化學(xué)氧化和酸液溶解熱導(dǎo)致水加熱的聯(lián)合作用使得顆粒分解并產(chǎn)生熱，然后添加一些基本化合物，有助于穩(wěn)定被分解的鉆屑顆粒中和pH值。解析結(jié)果是產(chǎn)生與水泥同樣細(xì)小的干燥粉末，冷凝器回收蒸汽。處理過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)非常快，以致于在螺旋混合器中所需要的總時(shí)間僅僅幾分鐘。為了產(chǎn)生熱和必須的化學(xué)反應(yīng)，鉆屑中水與油比例必須是1∶1或更小。酸在水中的溶解產(chǎn)生熱，所以要求有最小水量。

在所有的熱解析裝置操作過(guò)程中，鉆屑必須含有一定量的水提供足夠的水蒸氣，以強(qiáng)化油的蒸餾。但是較高的水油比需要過(guò)多的化學(xué)添加劑以致不經(jīng)濟(jì)?；瘜W(xué)熱解析需要非常少的電能，僅僅需要幾個(gè)小功率的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿、旋轉(zhuǎn)閥和化學(xué)劑喂料設(shè)備。該裝置在當(dāng)時(shí)已經(jīng)建立了試驗(yàn)裝置并進(jìn)行了試驗(yàn)，但是一直沒(méi)有商業(yè)應(yīng)用。

2.5 直接加熱熱解析裝置

直接加熱熱解析裝置是應(yīng)用于土壤修復(fù)的熱解析裝置，使用一個(gè)帶燃燒器的旋轉(zhuǎn)鼓，在旋轉(zhuǎn)鼓內(nèi)直接燃燒除去土壤中的油。但是，與含油較低的土壤相比，鉆屑中油-固比高，使得裝置中的油燃燒很難控制，所以該項(xiàng)技術(shù)沒(méi)有被廣泛應(yīng)用于鉆屑中油解析。

3 熱解析處理存在的問(wèn)題

熱解析技術(shù)處理油基鉆屑具有較大優(yōu)勢(shì),也被公認(rèn)為一種清潔、高效和高附加值的技術(shù)[11]，但制約熱解析技術(shù)和以上先進(jìn)裝置推廣的因素也較為突出，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)熱解析裝置總體能耗高，難以大面積工業(yè)推廣應(yīng)用；

(2)不同體系的油基鉆井液、不同地層特性，油基鉆屑成分和組分性質(zhì)復(fù)雜多變，熱解化學(xué)反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜，熱解溫度不確定，造成回收的基礎(chǔ)油品質(zhì)起伏不定；

(3)熱解析主體內(nèi)部壓力控制不當(dāng)，可燃?xì)怏w和氧氣混合達(dá)到一定濃度時(shí)，就有可能發(fā)生燃燒和閃爆，存在安全隱患；

(4)油基鉆屑成分和組分性質(zhì)復(fù)雜多變，熱解析時(shí)進(jìn)料物性不穩(wěn)定、不均勻性，造成處理效果不穩(wěn)定。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

大量文獻(xiàn)及油基鉆屑處理研究結(jié)果表明，熱解析方法被公認(rèn)為是最有效的方法，可以實(shí)現(xiàn)固相物得到凈化及永久性處理、油得到凈化及重復(fù)使用、水得到凈化并循環(huán)利用或排放，氣體得到凈化排放處理的目標(biāo)。但是，深部油氣勘探和頁(yè)巖氣、致密氣等非常規(guī)油氣開(kāi)采地域的廣闊性、油氣區(qū)塊的分散性、巖石性質(zhì)多樣性、鉆探方法的相適應(yīng)性等等，使得油基鉆屑成分和組分性質(zhì)復(fù)雜多變，熱解化學(xué)反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜，幾乎不可能以一種工藝、一種熱解析方法處理油基鉆屑。含油鉆屑的熱解特性研究[18-26]是基于固定床或者回轉(zhuǎn)窯熱固載體情況下開(kāi)展的熱解終溫、升溫速率和含水率對(duì)熱解產(chǎn)物(熱解油、熱解油殘?jiān)c不冷凝氣體)產(chǎn)率分布的影響規(guī)律研究，目前還沒(méi)有開(kāi)展在移動(dòng)床中動(dòng)態(tài)連續(xù)進(jìn)料的熱解行為研究。

4.2 展望

綜上所述，建議開(kāi)展對(duì)油基鉆屑復(fù)雜體系在動(dòng)態(tài)連續(xù)移動(dòng)床中伴有熱解反應(yīng)過(guò)程和熱質(zhì)同時(shí)傳遞過(guò)程的復(fù)雜行為全息動(dòng)力學(xué)研究，揭示油基鉆屑復(fù)雜體系動(dòng)態(tài)連續(xù)熱解析機(jī)制和規(guī)律，建立熱解-傳質(zhì)-傳熱動(dòng)力學(xué)模型，明確不同組分油基鉆屑的最優(yōu)熱解析工藝參數(shù)，建立技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益及可持續(xù)發(fā)展等評(píng)價(jià)體系和準(zhǔn)則，為不同體系油基鉆屑熱解析處理提供科學(xué)可靠依據(jù)和技術(shù)支撐，為高效低耗安全環(huán)保熱解析隨鉆處理，撬裝化、小型化的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)支撐。重點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

(1)研究油基鉆屑動(dòng)態(tài)連續(xù)熱解機(jī)理和規(guī)律，探索動(dòng)態(tài)連續(xù)移動(dòng)床中油基鉆屑復(fù)雜體系熱解-傳質(zhì)-傳熱過(guò)程，建立動(dòng)力學(xué)模型；

(2)評(píng)價(jià)加熱系統(tǒng)的溫度梯度與溫度控制對(duì)動(dòng)態(tài)連續(xù)移動(dòng)床中油基鉆屑熱解析效果的影響，建立評(píng)價(jià)方法；

(3)摸索出不同組分的動(dòng)態(tài)連續(xù)移動(dòng)床中油基鉆屑的最優(yōu)熱解析工藝參數(shù)；

(4)建立技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益及可持續(xù)發(fā)展等評(píng)價(jià)體系和準(zhǔn)則，綜合評(píng)價(jià)分析動(dòng)態(tài)連續(xù)移動(dòng)床中油基鉆屑的工業(yè)化推廣應(yīng)用價(jià)值。