油基鉆井廢棄物處理技術(shù)研究進(jìn)展

聶強(qiáng)勇

（川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司，四川成都 610000）

在海陸石油以及天然氣實(shí)際開采過程中，使用傳統(tǒng)的水基鉆井液難以滿足高難度鉆井作業(yè)，尤其是在斜度較大的井或者復(fù)雜地層中，可以考慮采用油基鉆井液。我國在新疆深井和川渝地區(qū)的頁巖鉆井工程進(jìn)行中，油基鉆井液得到了廣泛應(yīng)用和推廣。油基鉆井液最常使用的基油包括柴油和合成礦物油，在鉆井的過程中鉆井液會隨之循環(huán)產(chǎn)生較多的廢棄油基鉆井液以及含油碎屑，使得油氣田開發(fā)過程中環(huán)保問題顯著。

1 油基鉆井廢物污染控制要求

隨著世界各地油基鉆井工程發(fā)展，對于油基鉆井廢棄物的排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了嚴(yán)格控制。美國政府嚴(yán)格限制油基鉆井液排放，其他含有柴油的鉆屑也被禁止排放。加拿大政府的油基鉆井液不允許使用柴油，也不允許排放廢棄油基鉆井液，必須經(jīng)過處理將含油量降低到2%才能進(jìn)行排放。而我國的油基鉆井液處理依據(jù)是《國家危險廢物名錄》，明確規(guī)定了HW08廢礦物油與含礦物油廢物的處理辦法，將礦物油配制的廢棄鉆井鉆井液確定為危險廢物，應(yīng)該依據(jù)相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行合理的收集、儲運(yùn)和處理。

2 油基鉆井液及油基鉆井廢棄物

2.1 廢棄物的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的水基鉆井液相比，油基鉆井液的成分不同，連續(xù)相介質(zhì)為油。目前，常用的鉆井液主要有2種，其中一種是油相鉆井液，代表是氧化瀝青、高閃點(diǎn)柴油以及有機(jī)酸堿。而另一種是反相鉆井液，也就是較為常見的油包水乳化鉆井液。兩種鉆井液中水含量為3%～50%。

2.2 油基鉆井液應(yīng)用

（1）高溫高壓深井和大斜度定向井、頁巖氣鉆井等鉆井工程中，其次在水平井、小井眼鉆井中也常常采用。應(yīng)用油基鉆井液能夠有效解決復(fù)雜頁巖、雜鹽層等地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的鉆井工程中。

（2）在生產(chǎn)層的鉆進(jìn)和取芯中應(yīng)用較多。

（3）可以用作射孔和封隔液以及防腐控制液等。

2.3 油基鉆井液的優(yōu)點(diǎn)

（1）油基鉆井液具有良好的井壁穩(wěn)定性，對于頁巖也具有較好的抑制性能。

（2）在應(yīng)用中將會減少對油氣層的損害。

（3）潤滑效果優(yōu)良，能夠有效減少卡鉆情況的發(fā)生。

（4）不容易發(fā)生化學(xué)污染，抗污染能力較強(qiáng)。

（5）具有良好的高溫穩(wěn)定性。

（6）抗腐蝕能力強(qiáng)，能夠解決設(shè)備的易腐蝕問題。

（7）與水基鉆井液箱相比較，其在泥頁巖鉆探中鉆速更快。

2.4 油基鉆井現(xiàn)場廢棄物的特點(diǎn)

油基鉆井液現(xiàn)場的廢物主要3大類，分別是鉆井巖屑、廢棄的油基鉆井液和鉆井廢水。其中，油基鉆進(jìn)液現(xiàn)場廢棄物的主要成分是廢棄的油基鉆井液，且其成分也和油基鉆井液的成分相差不大，主要有以下幾個特點(diǎn)：

（1）油基鉆井現(xiàn)場廢棄物含油量較高。因?yàn)橛突@井液現(xiàn)場廢物的主要成分依然是油基鉆井液，所以其含油量高達(dá)80%以上，油基占到其大多部分，這也在很大程度上提高了其毒性。

（2）含油鉆屑含量高。油基鉆井現(xiàn)場廢棄物中的鉆屑廢棄物僅占到20%左右，但是油基鉆井液現(xiàn)場廢物的鉆屑的含油量較高。

（3）由于鉆井液的投入較大，成本較高，所以根據(jù)工程實(shí)際，可以合理回收有效的廢棄物部分，尤其是油類和其中的表面活性劑，有效降低項(xiàng)目的成本。

（4）雖然說部分油基鉆井液可以進(jìn)行合理回收，但是油基鉆井液的廢棄物處理難度大。傳統(tǒng)水基鉆井液的廢棄物處理相對簡單，設(shè)備也并不復(fù)雜，只需要進(jìn)行固液分離即可，而油基鉆井液的處理還需要進(jìn)行鉆屑與油基鉆井液分離，實(shí)現(xiàn)廢棄油基鉆井液的回收和鉆屑的深度處理。

3 油基鉆井廢物處理技術(shù)探究

油基鉆井廢棄物的組成復(fù)雜，但是其性質(zhì)相對穩(wěn)定，這就導(dǎo)致對其進(jìn)行回收和資源化利用難度較大。本文結(jié)合理論知識和工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了目前較為常用的幾種油基鉆井廢棄物處理技術(shù)（圖1）。

圖1 廢棄油基鉆井液處理工作流程圖

3.1 脫干-微生物代謝降解技術(shù)

脫干-微生物代謝降解技術(shù)原理是借助專用脫干設(shè)備，完成濾液和固相的分離，將低含油固相部分有效分離出來，濾液可以循環(huán)利用，重新應(yīng)用到鉆井液體系中，而低含油固相部分則可以在微生物代謝降解技術(shù)作用下實(shí)現(xiàn)無害化處理。

較為常見的脫干技術(shù)是離心干化技術(shù)，通過離心機(jī)將油基鉆井廢棄物初步分離，完成回收和簡單處理。該工藝較為簡單，也導(dǎo)致了脫油率不高，設(shè)備投入大等問題的出現(xiàn)。

脫干后得到的低含油固相物的處理方式是生物降解方式，在微生物的降解作用下能夠?qū)⑹蜔N類有效降解，得到CO2和H2O。國內(nèi)諸多學(xué)者分別選取不同微生物進(jìn)行油基鉆井廢棄物處理研究，結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析其對鉆井廢棄物的不同處理效果。相關(guān)研究指出，在微生物的降解作用下，低含油固相物能夠?qū)⑵浜土繌?34.7g/kg 降至34.6g/kg，降解率高達(dá)74%。不過，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，微生物降解方式存在一定的局限性，主要是由于工程中很多油基鉆井液的油基采用的是柴油，柴油中含量較高的是環(huán)芳烴，在微生物的降解過程中對四環(huán)以上的環(huán)芳烴的降解能力明顯下降，成為目前技術(shù)應(yīng)用的一大障礙。此外，微生物降解技術(shù)的基礎(chǔ)是微生物，要保障微生物的生存環(huán)境，不僅需要合適的生長條件，而且其生長需要營養(yǎng)環(huán)境。且微生物降解過程中需要的時間較長，工藝需要的場所建設(shè)和工藝設(shè)備等配備難度大。

3.2 熱分餾技術(shù)

熱分餾技術(shù)的基礎(chǔ)就是蒸餾原理，需要先將油基鉆井液收集到密閉系統(tǒng)中，通過加熱加壓，達(dá)到沸點(diǎn)后汽化，完成油和巖屑的分離，在冷凝器的作用下實(shí)現(xiàn)油氣冷凝，完成回收。

熱分餾技術(shù)的工藝原理簡單，流程也不復(fù)雜，但是能夠有效回收的油基鉆井廢物成本有限。使用熱分餾技術(shù)完成回收的主要成分是輕質(zhì)礦物油，回收后能夠用于油基鉆井液以及燃料等，在一定程度上能夠降低成本。不過，由于油基鉆井液的基油餾程較高，基本都在200℃以上，所以要達(dá)到使其汽化以及分餾的條件，至少需要200℃高溫，這就要求蒸餾設(shè)備要滿足條件需求，能量的消耗也較高。另外，在油基鉆井廢棄物中的分子量較大的組分是無法實(shí)現(xiàn)有效回收的，所以經(jīng)過熱分餾技術(shù)處理后的固相廢棄物中的含油量仍然較高。

3.3 熱解技術(shù)

類似于煉油廠的熱裂化反應(yīng)，熱解技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境是絕氧條件，在一定溫度下實(shí)現(xiàn)烴類分解，該技術(shù)在國內(nèi)的含油污泥無害化處理應(yīng)用中較多。熱解技術(shù)的工藝條件不僅要確定熱解的溫度，還要綜合考量升溫速率和反應(yīng)時間等。其中，熱解溫度在熱解技術(shù)中是最重要的影響因素，直接決定著回收的含油量和冷凝回收的油品質(zhì)量。如果溫度降低，大分子的烴類會裂解成中小分子，將會得到較多的液態(tài)礦物油。隨著溫度的升高，裂解得到的中間產(chǎn)物會發(fā)生二次的裂解，此時氣相中的小分子烴類會逐漸增加。

應(yīng)用熱解技術(shù)，通過冷凝方式回收礦物油類，工藝流程簡單（圖2），設(shè)備相對簡化，投資成本低，對于環(huán)境和外部條件的要求也相對較低。但是，在實(shí)際的應(yīng)用過程中部分價格高昂的油田鉆井液回收難度較大，有些甚至要求溫度要達(dá)到1 000℃，技術(shù)條件苛刻，能量消耗大。

圖2 鉆屑熱解技術(shù)工藝圖

3.4 化學(xué)清洗技術(shù)

化學(xué)清洗法是指在乳化劑的作用下，完成油基鉆井廢棄物表面油量的清洗，再通過加入破乳劑和絮凝劑來實(shí)現(xiàn)油水分離，經(jīng)過離心、旋流等過程，完全分離油水和固相。

化學(xué)清洗法通常在常溫常壓環(huán)境下就能完成，安全系統(tǒng)高。但是，要完成整個化學(xué)清洗過程，對于水的消耗較大，而且會產(chǎn)生較多的廢水和污水，導(dǎo)致二次污染。各種添加劑的使用，可能會對油基產(chǎn)生一定的影響，破壞油基鉆井液的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，降低油基回收的產(chǎn)品價值。

3.5 油基鉆井液全價值循環(huán)回用技術(shù)

油基鉆井液全價值循環(huán)回用技術(shù)應(yīng)用過程中要實(shí)現(xiàn)全價值回收，除了要完成基油回收，還能實(shí)現(xiàn)鉆井油田化學(xué)劑的回收。涉及的主要技術(shù)有常溫深度脫附技術(shù)、固液分離技術(shù)和回收循環(huán)利用技術(shù)等，具體流程圖如圖3所示。

圖3 油基鉆井液全價值循環(huán)回用技術(shù)圖

基于LRET 技術(shù)實(shí)現(xiàn)油基鉆井廢棄物的資源化現(xiàn)場應(yīng)用，國內(nèi)的處理規(guī)模已經(jīng)能夠達(dá)到150t/d，并取得了良好的處理效果。合理應(yīng)用LRET 技術(shù)進(jìn)行油基鉆井液全價值循環(huán)回用，使得油基鉆井液的回收率能夠高達(dá)98%，最終處理的固相的含油量能夠減少到不足1%。

該技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境是常溫常壓，且反應(yīng)需要的條件相對溫和，在分離回收過程中不會改變油基的性能，回收的產(chǎn)品能夠直接循環(huán)應(yīng)用于鉆井工程中，但是全過程中的工藝單元相對復(fù)雜，部分環(huán)節(jié)的工藝控制要求較高。

3.6 水泥窯協(xié)同處置技術(shù)

利用水泥窯路實(shí)現(xiàn)協(xié)同處置，將需要處理的油基鉆井廢棄物加入水泥原料中，按照工藝要求和參數(shù)確定混合比例，進(jìn)行水泥熟料生產(chǎn)的同時實(shí)現(xiàn)油基鉆機(jī)廢棄物的無害化處置。水泥窯協(xié)同處置技術(shù)不僅能夠處理掉油基鉆井廢棄物中的石油類廢物，而且能夠?qū)⑵渲泻械挠吞锘瘜W(xué)試劑協(xié)同處理掉。

4 結(jié)語

油基鉆井廢物常用的技術(shù)有脫干-生物降解、熱蒸餾、熱裂解、化學(xué)清洗法等。在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中，不同技術(shù)具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在技術(shù)和工藝條件上也有各自的局限和優(yōu)勢。在實(shí)際油基鉆井廢棄物處理工程實(shí)際中，應(yīng)該本著油基鉆井液全價值綜合回收與資源化利用原則，深入探索資源循環(huán)利用發(fā)展之路，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無害化處置和廢物利用。