含油鉆屑海上無害化處理技術(shù)在大位移井中的應(yīng)用

杜慶杰，張偉國，覃建宇，馬溢，高永海

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司深水工程技術(shù)中心，廣東 深圳 518000； 2. 中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

0 引言

油基鉆井液因具有抗高溫、潤滑性好、有利于井壁穩(wěn)定及儲層保護效果好等一系列優(yōu)勢，已成為鉆高溫深井、大斜度定向井、大位移井及各種復(fù)雜地層的重要手段之一[1-2]，但鉆井過程產(chǎn)生的大量含油鉆屑，造成巨大的環(huán)保風(fēng)險壓力和高昂的含油鉆屑處理費用。隨著南海東部邊際油田不斷開發(fā)，大位移井和油基鉆井液得到廣泛應(yīng)用，如何經(jīng)濟有效地進行含油鉆屑的海上無害化處理，已成為擺在海洋鉆井工作者面前的重要課題。

1 海上油田含油鉆屑處理現(xiàn)狀

海上鉆井過程中，含油鉆屑主要包括甩干機及離心機液固分離后的兩部分固相。由于油基鉆井液中含有大量基礎(chǔ)油(主要是柴油或白油)、主輔乳化劑、親油固體、金屬離子和無機鹽等，體系性能穩(wěn)定[3]，因此導(dǎo)致含油鉆屑性質(zhì)異常穩(wěn)定。但是，這些含油鉆屑含有大量礦物油、重金屬及較多化學(xué)污染物，若不經(jīng)過徹底處理隨意排放入海，將對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生直接或間接危害[4-6]。

1.1 海上油田含油鉆屑常用處理方式

1.1.1 含油鉆屑回注

含油鉆屑回注地層是實現(xiàn)大規(guī)模集中處理的有效方法[7]。該方法簡單直接，但需在平臺加裝高壓注入設(shè)備及研磨調(diào)制工序，同時也在回注工藝選擇、安全地層評估及工程風(fēng)險控制等方面對技術(shù)提出極高要求。相對于其他技術(shù)，若處理不當(dāng)，輕則影響回注周邊井開采，重則導(dǎo)致壓裂地層引起泄漏、溢油等環(huán)境污染。在2001年，康菲石油公司與中國海油在蓬萊19-3油田合作實施國內(nèi)首次含油鉆屑回注作業(yè)，該項工藝無需對含油鉆屑進行預(yù)處理，共成功處理 4 800 m3油基鉆屑和720 m3油泥。但在作業(yè)實施中，康菲石油公司因回注導(dǎo)致溢油事故出現(xiàn)后，此種含油鉆屑處理方式已較少使用。

1.1.2 海上回收陸地處理

大多數(shù)海上的平臺由于資金短缺、技術(shù)受限制等原因放棄回注技術(shù)，所以將油基鉆屑通過巖屑箱、拖輪轉(zhuǎn)運方式運回陸地處理基本是目前海上含油鉆屑處理的唯一選擇。但此種方式存在吊裝轉(zhuǎn)運過程中含油鉆屑落海等環(huán)保及人員安全風(fēng)險，且陸地相關(guān)環(huán)保公司處理額度受限導(dǎo)致現(xiàn)場作業(yè)無法有效連續(xù)進行回收處理。

1.2 含油鉆屑陸地處理技術(shù)

1.2.1 熱處理法

熱處理法是處理油基鉆井液和鉆井廢棄物的一種有效方法，處理后固體廢棄物中含油量可低于1%。目前，多為專業(yè)處理廠應(yīng)用，基于運輸及熱處理法工藝要求，巖屑需要進行預(yù)脫水處理(可使用干燥篩脫干法)、將含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在40%以內(nèi)。巖屑通過進料系統(tǒng)進入燃燒室進行高溫加熱，加熱過程產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過過濾器、多級熱交換器后再利用油水分離器進行油水分離。回收的原油可重新用于鉆井液，或者可以作為系統(tǒng)本身的燃料油。處理過的固相物質(zhì)可用于填海或工程用材料[8-9]。

1.2.2 萃取法

溶劑萃取技術(shù)用螺桿泵和供油泵分別將經(jīng)過前期處理的鉆井廢棄物和溶劑油按一定比例打入攪拌混合罐并進行預(yù)加熱，形成均勻流動性較好的物流后送人萃取塔，加入己烷、乙酸乙醋或氯代烴等低沸點有機溶劑進行萃取脫水，水和輕組分油從塔頂排出冷凝器和油水分離罐，油和固體物轉(zhuǎn)移到溶劑相并送沉降罐進行沉降分離。罐底沉降下來的固體物達到一定量后送脫油干燥系統(tǒng)進行脫油干燥，得到濕粉狀固體物。此法適用于含油泥砂處理，目的是實現(xiàn)原油的提取[10-11]。原理上可用于含油鉆屑的處理，采用此法存在的主要問題是溶劑揮發(fā)性大，安全要求嚴(yán)格，成本非常高且易產(chǎn)生二次污染，且萃取后剩余的固體廢物依然需要處理。

1.2.3 焚燒法

焚燒法對專業(yè)設(shè)備要求較高，需通過以高溫 (1 200～1 500 ℃)的方式，徹底氧化含油鉆屑的有機物質(zhì)，最終實現(xiàn)含油鉆屑處理的減量化和無害化。

焚燒法是采用專業(yè)設(shè)備，在1 200～1 500 ℃的高溫下，將油基鉆屑中的有機物徹底氧化，實現(xiàn)減量化和無害化的技術(shù)[12]。通過焚燒可以使鉆井廢棄物氧化分解， 能迅速大幅度地減容(一般體積可減少80%～90%)，可徹底消除有害細(xì)菌和病毒，破壞毒性有機物，回收能量及副產(chǎn)品，同時殘渣穩(wěn)定安全。但耗能大、費用高，且有二次污染。

1.2.4 固化法

該技術(shù)是在填埋坑的底部和四周覆蓋有機土，然后在其上面鋪一層防滲墊層，再蓋一層有機土，也可以在底部和四周加固化層，以防滲漏。再將基本干燥的廢棄油基鉆井液填充在池內(nèi)，上表面用土將其覆蓋密封，然后恢復(fù)地貌。特點是形成抗水固體，減少有害成分?jǐn)U散和遷移，操作相對簡單；但易二次污染，難恢復(fù)土壤特性[13-14]。

通過對海上油田含油鉆屑常用處理方式進行對比分析，相關(guān)處理方式存在應(yīng)用風(fēng)險高、環(huán)保風(fēng)險大、處理費用高、產(chǎn)生二次污染、處理額度受限等問題。

2 含油鉆屑海上無害化處理技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

含油鉆屑海上無害化處理技術(shù)將機械除油處理工藝、電磁感應(yīng)熱脫附處理工藝2種除油處理技術(shù)實現(xiàn)海上有機集成。首先通過離心法回收鉆屑中大部分油基鉆井液，在較大程度上可實現(xiàn)固相和液相的分離，其中達到國家排放標(biāo)準(zhǔn)的含油鉆屑可直接排放至海洋或進行回收作業(yè)。而未達到國家排放標(biāo)準(zhǔn)的含油鉆屑通過高溫?zé)峤馕鲅b置進行處理后，使其產(chǎn)生的固相含油量、尾氣及水污染物含量達到國家規(guī)定排放標(biāo)準(zhǔn)，最終實現(xiàn)含油鉆屑海上回收及無害化處理[15]。處理過程產(chǎn)生的氣體達到GB 14554—93《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)，并有效完成油水分離與提純，提高回收率，且可二次利用。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

含油鉆屑海上無害化處理技術(shù)工藝系統(tǒng)主要包含2類，機械處理裝置(力學(xué))和電磁感應(yīng)熱脫附裝置(電磁學(xué))。

2.2.1 機械處理裝置

機械處理含油鉆屑裝置中的設(shè)備主要包括：震動篩等常規(guī)固控設(shè)備、用于固液分離的巖屑甩干機、運送巖屑的螺旋輸送器、離心機、供液泵、液相緩沖罐、巖屑箱等設(shè)備。

甩干機及離心機是機械除油裝置實現(xiàn)液固分離的關(guān)鍵設(shè)備，甩干機主要用于處理固控系統(tǒng)排出的大顆粒含油鉆屑，經(jīng)甩干機離心分離處理后，油基鉆井液固相含油率可低于6%；離心機主要用于處理油基鉆井液中粒徑2～10 μm的固相物質(zhì)，形成含油率15%～50%的含油鉆屑固相。

2.2.2 電磁感應(yīng)熱脫附裝置

電磁感應(yīng)熱脫附裝置主要的作用就是解決機械處理流程完成后未達到國家排放標(biāo)準(zhǔn)的部分含油鉆屑，該部分含油鉆屑經(jīng)電磁感應(yīng)高溫加熱處理后，巖屑中含油率可降低至1%，滿足直接排海要求，并實現(xiàn)含油鉆屑的無害化處理。該裝置主要包括：鉆屑輸送系統(tǒng)及熱解析系統(tǒng)。

含油鉆屑輸送系統(tǒng)主要作用為通過柱塞泵向反應(yīng)釜供料。熱解析系統(tǒng)是該套裝置的核心系統(tǒng)，其主要包括：用于高溫加熱的反應(yīng)釜、加速氣體分離的真空泵、用于油水液化的冷凝器、保持裝置運轉(zhuǎn)的冷卻系統(tǒng)、回收油水及凈化尾氣等裝置。反應(yīng)釜采用高頻電磁感應(yīng)電源加熱，含油鉆屑逐步裂解、碳化，分解成殘渣和裂解氣。

2.3 工藝流程

2.3.1 機械除油處理工藝流程

鉆井過程中，油基鉆井液通過井口、高架槽等流程進入震動篩、除砂器等常規(guī)固相處理設(shè)備，初步實現(xiàn)含油鉆屑和油基鉆井液之間的分離，油基鉆井液通過回流管線重新進入循環(huán)系統(tǒng)，而初步分離出的含油鉆屑通過主螺旋輸送器送入兩臺甩干機進行液固分離，分離出的液相并流至液相緩沖罐，經(jīng)1臺離心供液泵輸送至兩臺甩干機進行系統(tǒng)循環(huán)清洗，另1臺離心供液泵輸送至沉沙池和離心機進液口，甩干機固相直排至螺旋輸送器，含油鉆屑測定達標(biāo)后排海或回收，離心機固相直排至甲板巖屑箱進行回收。

2.3.2 電磁感應(yīng)熱脫附處理工藝流程

電磁感應(yīng)熱脫附裝置針對鉆井過程中出來的含油鉆屑、鉆井廢棄物，通過螺旋輸送泵或柱塞泵將其輸送至減壓熱解釜裝置內(nèi)，在高溫真空狀態(tài)下，加熱至400～500 ℃，含油鉆屑、鉆井廢棄物在容器內(nèi)發(fā)生熱解反應(yīng)，分解成殘渣和裂解氣。

油基鉆井液中以一定比例混合的基礎(chǔ)油和水，在高溫加熱下，以氣體形式分離后通過冷凝器液化形成液態(tài)油和水，最終通過油水回收裝置加以回收利用；殘渣冷卻后回收，裂解氣經(jīng)冷凝裝置處理后，分離出含油污水和不凝有機氣體，處理過程中產(chǎn)生的含硫及有機類氣體等，需通過堿洗、脫硫及催化高溫燃燒達標(biāo)后排放，實現(xiàn)無害化處理。

2.4 技術(shù)特點

(1)含油鉆屑海上無害化處理技術(shù)實現(xiàn)含油鉆屑回收及無害化處理全部在海上進行，相比海上回收+陸地處理方式，降低運輸周轉(zhuǎn)壓力、環(huán)保風(fēng)險，并且無處理量限制，減少后顧之憂；

(2)含油鉆屑海上無害化處理技術(shù)具有廣泛適用性，可對各類含油鉆屑進行無害化處理，并有效地回收基礎(chǔ)油，實現(xiàn)鉆屑處理的資源化；

(3)含油鉆屑經(jīng)油、水、泥的三相分離后，不產(chǎn)生二次污染，處理后的殘渣表面碳化，各項指標(biāo)均符合國家環(huán)保要求，實現(xiàn)含油鉆屑處理的無害化；

(4)鉆屑處理系統(tǒng)整體采用密閉流程設(shè)計，提高系統(tǒng)運行的可靠性、安全性，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

3 南海東部大位移井中技術(shù)應(yīng)用

3.1 南海東部某油田大位移井概況

南海東部某油田位于珠江口盆地，油田所在海域水深95 m，屬于三級海區(qū)，主要目標(biāo)層位于中新統(tǒng)，屬于正常的溫度及壓力系統(tǒng)。由于該油田含油構(gòu)造較小，利用A平臺鉆2口大位移井進行開發(fā)，該2口大位移開發(fā)井12-1/4”及8-1/2”井段采用油基鉆井液鉆進。2口大位移井基本參數(shù)如表1所示。

表1 南海東部2口井基本參數(shù)

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

A1、A2H兩口大位移井作業(yè)期間，12-1/4"和8-1/2"井段均使用油基鉆井液鉆進，按井眼體積計算，兩口井所產(chǎn)生的含油鉆屑地下重量超1 620 t，為減少對海洋環(huán)境的影響，該兩口大位移井作業(yè)期間使用含油鉆屑海上無害化處理技術(shù)對含油鉆屑進行處理。由于該技術(shù)所采用設(shè)備及裝置占地面積較大，因此，將機械除油裝置及電磁感應(yīng)熱脫附裝置分別安裝于A平臺及與之鄰近的B平臺。

鉆井作業(yè)中，產(chǎn)生的含油鉆屑通過A平臺上機械除油裝置進行處理，分離出的油基鉆井液循環(huán)使用，經(jīng)甩干機分離出的鉆屑含油率≤6%，低于國家規(guī)定的三級海區(qū)排放限值，經(jīng)監(jiān)測達標(biāo)，并經(jīng)主管部門批準(zhǔn)后排放，該部分排放鉆屑重量占到總巖屑重量的60%左右。而經(jīng)離心機分離出的固相含油率在15%～50%無法直接排海的含油鉆屑則裝入巖屑箱，轉(zhuǎn)運至B平臺電磁感應(yīng)熱脫附裝置進行處理。除去經(jīng)甩干機處理后可直接排放的含油鉆屑，該兩口大位移井作業(yè)過程中，共產(chǎn)生需進行電磁感應(yīng)熱脫附處理的含油鉆屑共計達到近500巖屑箱(每巖屑箱含油鉆屑重約2.5 t)，該部分含油鉆屑經(jīng)電磁感應(yīng)熱脫附處理后，鉆屑含油量降至0.95%，遠(yuǎn)低于三級海區(qū)排放限值；回收白油約180 m3；產(chǎn)生的裂解氣經(jīng)尾氣凈化裝置處理后，達到GB 14554—93《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)，可直接排放。

綜上，在含油鉆屑海上無害化處理全過程中：固相直接排海、油品回收利用、廢水給設(shè)備散熱和為固相加濕減少粉塵、氣體達標(biāo)排放，真正實現(xiàn)含油鉆屑海上處理零排放。

此種“海上回收處理”方式與目前常用的“海上回收+陸地處理”方式相比，兩井次共降低船舶使用頻率8趟、減少巖屑箱使用量、節(jié)省巖屑箱清理費2 100元/立方米及陸地運輸?shù)戎苯淤M用。經(jīng)綜合測算，兩口大位移井作業(yè)采用含油鉆屑海上無害化處理技術(shù)，直接節(jié)約含油鉆屑處理費用約500萬元，有效降低含油鉆屑處理成本，并達到資源回收再利用的效果。

實踐表明：含油鉆屑海上無害化處理技術(shù)在A1、A2H兩口大位移井的應(yīng)用實現(xiàn)含油鉆屑海上處理的零排放，并可較大幅度節(jié)約含油鉆屑直接處理費用，有效回收油類，成功降低環(huán)保壓力，帶來較高的經(jīng)濟和社會效益(如圖1所示)。

圖1 電磁感應(yīng)熱脫附裝置B平臺安裝現(xiàn)場及 減壓熱解固體廢棄物

4 結(jié)語

(1)含油鉆屑海上無害化處理技術(shù)改變了傳統(tǒng)含油鉆屑的處理模式，將船舶費用、環(huán)保風(fēng)險有效降低，同時減少陸地運輸、巖屑箱使用量，可有效降低含油鉆屑處理成本及環(huán)保壓力；

(2)含油鉆屑海上無害化處理技術(shù)是一種有效的含油鉆屑無害化處理及油類回收利用技術(shù)，如應(yīng)用于環(huán)保要求更高的一級、二級海區(qū)，將產(chǎn)生更高的的社會效益和經(jīng)濟效益；

(3)含油鉆屑海上無害化處理技術(shù)在采用油基鉆井液的南海東部大位移井中成功應(yīng)用為后續(xù)類似井含油鉆屑處理提供新思路和解決方法；

(4)含油鉆屑海上無害化處理技術(shù)所采用設(shè)備及裝置占地面積較大，需在鄰近生產(chǎn)平臺管甲板放置并作業(yè)，因此，在施工作業(yè)前應(yīng)做好相應(yīng)評估。