頁巖氣井油基鉆屑新型環(huán)保無害化處理技術(shù)

李惠心，周慶元，陳 容，林 輝，李邵楠，王博學(xué)

1 長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院 2 中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司3 中國(guó)石油新疆油田公司生產(chǎn)運(yùn)行處 4 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第二采油廠工藝研究所5 中國(guó)石油華北油田公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 6 中國(guó)石油玉門油田分公司油田作業(yè)公司

0 引言

頁巖氣儲(chǔ)層由于其獨(dú)特的成藏特點(diǎn)，通常需要采用水平井的開發(fā)方式，這就要求鉆井液體系必須具有良好的潤(rùn)滑性能。同時(shí)頁巖氣儲(chǔ)層的水敏性一般較強(qiáng)，并且發(fā)育微裂縫，容易誘發(fā)井下復(fù)雜事故，要求鉆井液體系必須具有良好的抑制性能［1-3］。因此，油基鉆井液體系由于具有良好的潤(rùn)滑性、抑制性、耐溫性以及安全性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在頁巖氣儲(chǔ)層鉆井過程中。而油基鉆井液在使用過程中產(chǎn)生的大量油基鉆屑通常會(huì)成為各大頁巖氣田環(huán)保處理的難點(diǎn)，油基鉆屑一般含有大量的礦物油組分、重金屬以及其他多環(huán)芳烴等毒性物質(zhì)，如果不能對(duì)其進(jìn)行合理的處理，不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染［4-8］。

目前，針對(duì)油基鉆屑的處理方法主要包括填埋法、熱解法、固化法、溶劑萃取法、生物修復(fù)法以及化學(xué)清洗法等，但這些方法大多都由于成本、操作工藝等條件的限制，在實(shí)際應(yīng)用過程中存在一定的局限性［9-12］。而化學(xué)清洗法由于具有成本低廉、操作工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)［13-15］。本文以四川盆地某頁巖氣區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)油基鉆屑為研究對(duì)象，通過大量處理劑優(yōu)選評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，研究出一種適用于頁巖氣井油基鉆屑的新型化學(xué)復(fù)合清洗液體系，能夠?qū)崿F(xiàn)頁巖氣井油基鉆屑的環(huán)保無害化處理，室內(nèi)對(duì)該體系的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并成功在四川盆地某頁巖氣區(qū)塊進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

1 新型化學(xué)復(fù)合清洗液作用機(jī)理及配方

1. 1 新型化學(xué)復(fù)合清洗液體系作用機(jī)理

研制的新型化學(xué)復(fù)合清洗液體系主要由高效除油劑SCY-6、生物表面活性劑SWS-3和潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑STJ-2組成，其中高效除油劑SCY-6屬于陰離子型表面活性劑和非離子型表面活性劑的混合物，兩種表面活性劑具有良好的協(xié)同增效作用，配合使用可以產(chǎn)生優(yōu)良的乳化和增溶效果，能夠很好地去除油基鉆屑中的油相組分。生物表面活性劑SWS-3屬于微生物在代謝過程中分泌的一種具有一定表面活性的產(chǎn)物，其分子結(jié)構(gòu)中既含有極性的親水基團(tuán)，又含有非極性的親油基團(tuán)，可以在油水界面上整齊排列吸附，有效降低油水界面張力，使原本存在油基鉆屑內(nèi)部及縫隙中的油相組分更容易分散排出。潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑STJ-2能使油基鉆屑表面由親油性轉(zhuǎn)變成親水性，從而使更多的液相能夠進(jìn)入油基鉆屑內(nèi)部，起到更好的洗油效果。以上幾種處理劑在發(fā)揮各自功能的同時(shí)，還能產(chǎn)生良好的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步提高油基鉆屑的除油效率。

1. 2 新型化學(xué)復(fù)合清洗液體系配方

通過對(duì)除油劑、生物表面活性劑以及滲透劑的優(yōu)選及評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，研制出一種適合頁巖氣井油基鉆屑的新型化學(xué)復(fù)合清洗液體系，其具體配方為：2.5%高效除油劑SCY-6+1.0%生物表面活性劑SWS-3+0.5%潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑STJ-2。

2 新型化學(xué)復(fù)合清洗液體系處理?xiàng)l件優(yōu)化

2. 1 油基鉆屑化學(xué)清洗實(shí)驗(yàn)方法

取一定質(zhì)量的油基鉆屑加入新型化學(xué)復(fù)合清洗液體系中，在一定溫度條件下混合攪拌一定時(shí)間后，采用離心法在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min條件下離心5 min，將清洗離心后的鉆屑采用索氏抽提差量法測(cè)定其含油率，并與未清洗的油基鉆屑含油率進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算除油率。

2. 2 液固比對(duì)油基鉆屑除油率的影響

在實(shí)驗(yàn)溫度30 ℃、攪拌速度200 r/min、攪拌時(shí)間20 min的實(shí)驗(yàn)條件下，評(píng)價(jià)了不同液固比（質(zhì)量比）對(duì)油基鉆屑除油率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 液固比對(duì)油基鉆屑除油率的影響

由圖1結(jié)果可知，隨著新型化學(xué)復(fù)合清洗液體系和油基鉆屑液固比的不斷增大，除油率逐漸升高，當(dāng)液固比為3:1時(shí)，除油率可以達(dá)到85%以上，再繼續(xù)增大液固比，除油率提高幅度不大。這是由于當(dāng)液固比較低時(shí)，隨著液相比例的逐漸增大，混合體系中有效除油成分占比逐漸增大，更容易除去油基鉆屑中的含油組分；而當(dāng)液固比達(dá)到一定比例時(shí)，鉆屑表面吸附的表面活性劑等有效除油成分逐漸達(dá)到飽和，除油率很難再大幅度地提升。因此，綜合考慮工藝成本等因素，選擇液固比為3:1最為合適。

2.3 溫度對(duì)油基鉆屑除油率的影響

在液固比為3:1、攪拌速度為200 r/min、攪拌時(shí)間為20 min的實(shí)驗(yàn)條件下，評(píng)價(jià)了實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)油基鉆屑除油率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 溫度對(duì)油基鉆屑除油率的影響

由圖2結(jié)果可知，隨著實(shí)驗(yàn)溫度的不斷升高，除油率先略有增大，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度為50 ℃時(shí)，除油率達(dá)到最大，繼續(xù)升高實(shí)驗(yàn)溫度，除油率出現(xiàn)一定程度的下降現(xiàn)象。這是由于當(dāng)溫度大于50 ℃后，化學(xué)清洗體系中部分有效組分可能會(huì)揮發(fā)或者性能有所下降，從而導(dǎo)致除油率有所降低?？梢钥闯觯瑴囟葘?duì)除油率的影響較小，并且由于溫度越高，能耗就越大，升高實(shí)驗(yàn)溫度使后期處理流程增多，處置難度加大，變相導(dǎo)致油基鉆屑處理成本的增大，因此，綜合分析，應(yīng)盡可能降低實(shí)驗(yàn)溫度，所以選擇最佳實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃。

2. 4 攪拌速度對(duì)油基鉆屑除油率的影響

在液固比為3:1、實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃、攪拌時(shí)間為20 min的實(shí)驗(yàn)條件下，評(píng)價(jià)了攪拌速度對(duì)油基鉆屑除油率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 攪拌速度對(duì)油基鉆屑除油率的影響

由圖3可知，隨著攪拌速度不斷增大，新型化學(xué)復(fù)合清洗液體系對(duì)油基鉆屑的除油率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)攪拌速度為300 r/min時(shí)，除油率達(dá)到最大為90.65%，再繼續(xù)增大攪拌速度，除油率有所下降。這是由于隨著攪拌速度的增大，油基鉆屑與化學(xué)復(fù)合清洗體系的混合更加均勻，表面活性劑等除油有效成分更多的吸附在固液界面上，降低了界面張力，使油類物質(zhì)更容易從鉆屑表面分離；而當(dāng)攪拌速度過大時(shí)，會(huì)使已經(jīng)分離出來的油相產(chǎn)生乳化作用，形成水包油乳狀液，不利于后期的油水分離，導(dǎo)致除油率出現(xiàn)一定程度的下降現(xiàn)象。因此，應(yīng)選擇最佳的攪拌速度為300 r/min。

2. 5 攪拌時(shí)間對(duì)油基鉆屑除油率的影響

在液固比為3:1、實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃、攪拌速度為300 r/min的實(shí)驗(yàn)條件下，評(píng)價(jià)了攪拌時(shí)間對(duì)油基鉆屑除油率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 攪拌時(shí)間對(duì)油基鉆屑除油率的影響

由圖4結(jié)果可知，隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，新型化學(xué)復(fù)合清洗液體系對(duì)油基鉆屑的除油率逐漸增大，當(dāng)攪拌時(shí)間為30 min時(shí)，除油率可以達(dá)到95%以上，再繼續(xù)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，除油率增加幅度不大。這是由于新型化學(xué)復(fù)合清洗體系對(duì)油基鉆屑混合初期，在攪拌時(shí)間較短的條件下除油率較低，隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，鉆屑和化學(xué)清洗劑的接觸更加充分，除油率逐漸增大，當(dāng)攪拌時(shí)間增大到一定值后，鉆屑中的含油成分基本被清洗出來，再延長(zhǎng)攪拌時(shí)間除油率的變化不再明顯。因此，應(yīng)選擇最佳的攪拌時(shí)間為30 min。

3 礦場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

使用研究的新型化學(xué)復(fù)合清洗液體系對(duì)四川盆地某頁巖氣區(qū)塊內(nèi)3口井的油基鉆屑進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)清洗試驗(yàn)，并與前期采用復(fù)合溶劑萃取法（萃取劑為復(fù)合烴類）處理的鄰井HM-109進(jìn)行油基鉆屑清洗效果對(duì)比。其中使用新型化學(xué)復(fù)合清洗液的3口井共計(jì)處理油基鉆屑12 m3，試驗(yàn)工藝條件為：液固比為3:1，試驗(yàn)溫度為30 ℃，攪拌速度為300 r/min，攪拌時(shí)間為30 min。清洗試驗(yàn)后測(cè)定油基鉆屑的含油量，計(jì)算除油率均在90%以上，將處理后的鉆屑按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5085.6—2016 《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)-毒性物質(zhì)含量鑒別》的方法和規(guī)定測(cè)定了其中的重金屬和浸出液毒性物質(zhì)含量等指標(biāo)，結(jié)果見表1，并與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4284—2018 《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》中B級(jí)污泥產(chǎn)物要求的污染物濃度限值進(jìn)行對(duì)比。

由表1可以看出，使用新型化學(xué)復(fù)合清洗液體系的3口頁巖氣井（HM-1、HM-2和HM-3井）油基鉆屑處理后的重金屬含量以及其他毒性物質(zhì)含量均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的濃度限值，達(dá)到了B級(jí)污泥產(chǎn)物規(guī)定的級(jí)別；而使用復(fù)合溶劑萃取法處理后的HM-109井油基鉆屑重金屬含量雖能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，但其含量明顯高于使用新型化學(xué)復(fù)合清洗體系處理后的油基鉆屑，并且其礦物油含量超過了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的濃度限值。這說明研制的新型化學(xué)復(fù)合清洗液體系更適合目標(biāo)區(qū)塊頁巖氣井油基鉆屑的清洗，其能達(dá)到油基鉆屑環(huán)保無害化處理的目的，具有一定的推廣應(yīng)用前景。

表1 處理后鉆屑的重金屬及其他毒性物質(zhì)含量

4 結(jié)論

（1）研制了一種由高效除油劑SCY-6、生物表面活性劑SWS-3和潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)劑STJ-2組成的新型化學(xué)復(fù)合清洗液體系，其能通過乳化、增溶、降低界面張力和改變潤(rùn)濕性等作用對(duì)油基鉆屑中油相組分起到良好的清洗作用。

（2）工藝條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)液固比為3:1、實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃、攪拌速度為300 r/min、攪拌時(shí)間為30 min時(shí)，新型化學(xué)復(fù)合清洗液對(duì)油基鉆屑的除油效率最高，可以達(dá)到95%以上。

（3）礦場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，使用新型化學(xué)復(fù)合清洗液體系處理后3口頁巖氣井油基鉆屑的重金屬和其他毒性物質(zhì)的含量均能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，油基鉆屑的處理效果好于使用復(fù)合溶劑萃取法的鄰井，實(shí)現(xiàn)了頁巖氣井油基鉆屑環(huán)保無害化處理的目的。