海上油基鉆屑電磁熱脫附裝置投料量與脫附時間的優(yōu)化研究

馬樹奎

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，天津 300459）

隨著我國經(jīng)濟(jì)、科技的持續(xù)快速發(fā)展，對能源的需求不斷增加，石油資源的供需矛盾日益凸顯。為了平衡供需矛盾，國內(nèi)的石油企業(yè)不斷加大勘探開發(fā)力度，但長期的勘探、開發(fā)，使得大型常規(guī)油氣田的開發(fā)難度越來越大，油氣田的現(xiàn)狀是目的層深，油藏隱蔽，地質(zhì)情況復(fù)雜，開發(fā)難度較大。

鉆井液作為鉆井作業(yè)的循環(huán)液體，對保障鉆井的安全、質(zhì)量、效率，以及保護(hù)油氣層，有著至關(guān)重要的作用。按照分散介質(zhì)（連續(xù)相）進(jìn)行區(qū)分，目前使用較多的鉆井液，可分為水基鉆井液和油基鉆井液。水基鉆井液的成本低，污染相對較小，但易污染油氣層，不能重復(fù)利用。油基鉆井液具有抗高溫、抗鹽鈣侵、有利于井壁穩(wěn)定、潤滑性好、可重復(fù)使用等諸多優(yōu)點，目前被廣泛應(yīng)用于高難度鉆井作業(yè)中[1-2]。

油基鉆井液的廢棄物主要為油基鉆屑。油基鉆屑是在鉆井液作業(yè)過程中，油基鉆井液從地層攜帶出來的巖屑或泥土，是一種含有礦物油、水、鉆井添加劑及重金屬的復(fù)雜體系，若不經(jīng)處理直接排放到環(huán)境中，會對地表植被、地下水、海洋造成嚴(yán)重污染，直接或間接地對動植物及人類健康產(chǎn)生巨大的危害。依據(jù)《國家危險廢物名錄》，油基鉆屑被定義為危險廢物，具有毒性（T），需由具有危險廢物經(jīng)營許可證資質(zhì)的專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行處置。按照《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》的規(guī)定，“渤海、北部灣禁止排放非水基鉆井液鉆屑，其他一級海域要求含油率≤1%；二級海域含油率≤3%；三級海域≤8%”。不斷增長的油基鉆屑已成為了石油企業(yè)的嚴(yán)重負(fù)擔(dān)，因此，研究油基鉆屑的處理技術(shù)，將油基鉆屑變廢為寶，實現(xiàn)無害化及資源化利用，具有重要意義[3-4]。

熱脫附技術(shù)[5-9]是采用間接加熱的方式，在無氧或缺氧的條件下，使油基鉆屑中的石油烴、水等成分蒸發(fā)，蒸發(fā)的石油烴和水經(jīng)冷凝回收后分離，回收油可用于配制鉆井液、作為燃料或其他用途，固體殘渣可達(dá)標(biāo)排放或進(jìn)行資源化利用。

歐美國家對油基鉆屑無害化處理的研究較早，30年前就研發(fā)了油基鉆屑熱解脫附技術(shù)，其技術(shù)研究、裝備制造和現(xiàn)場應(yīng)用都處于行業(yè)領(lǐng)先水平。熱解脫附技術(shù)的核心為間接無氧密封加熱脫附技術(shù)（TDU）和轉(zhuǎn)子定子摩擦直接加熱脫附技術(shù)（TCC），2種技術(shù)基本壟斷了國外90%的含油鉆屑熱解處理市場[10]。

國內(nèi)針對油基鉆屑處理技術(shù)的研究從2015年開始起步，大多數(shù)企業(yè)聚焦于TDU。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，技術(shù)已逐步成熟，配合預(yù)處理工藝，可滿足陸地油田作業(yè)的需求。海上鉆井平臺的面積小，陸地的常規(guī)熱脫附設(shè)備的體積龐大，且多使用天然氣作為能源，不符合海上平臺的生產(chǎn)條件。因此，海上油田作業(yè)者使用針對海上平臺需求開發(fā)的電磁熱脫附處理裝置，在南海持續(xù)進(jìn)行油基鉆屑處理作業(yè)，實現(xiàn)了油基鉆屑的固相達(dá)標(biāo)排放、液相回用配制鉆井液的目標(biāo)。

1 實驗部分

1.1 操作流程

油基鉆屑電磁熱脫附裝置的流程圖見圖1。

圖1 電磁熱脫附裝置的流程圖Fig.1 Flow chart of electromagnetic thermal desorption device

1.2 實驗方法

1.2.1 油基鉆屑的熱脫附實驗流程

油基鉆屑由柱塞泵輸送到電磁熱脫附設(shè)備反應(yīng)釜內(nèi)，350℃下進(jìn)行熱脫附，脫附時間為1200s。熱脫附產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物通過冷凝系統(tǒng)回收。檢測脫附干渣（固相）的含油率，驗證熱脫附效果。

1.2.2 油、水、固體等含量的檢測

油、水、固體等含量的檢測方法，參照GB/T 16783.2-2012《石油天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場測試第2部分：油基鉆井液》。

1.2.3 油基鉆屑的排放標(biāo)準(zhǔn)

參照GB 4914-2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》。

2 結(jié)果與討論

2.1 油基鉆屑的基本性質(zhì)

油基鉆屑為黑色黏稠狀固體，無可見的游離液體。按照GB/T 16783.2-2012中規(guī)定的方法，對油基鉆屑中油、水、固體的含量進(jìn)行測定，結(jié)果見表1。

表1 油基鉆屑中油、水、固體的含量Table 1 content of Oil, water and solid in oil-based drilling cuttings

2.2 油基鉆屑的熱脫附過程

在熱脫附過程中，隨著溫度升高，油基鉆屑中的水和低餾點石油烴首先蒸發(fā)，鉆屑黏度逐漸升高，攪拌電機(jī)的電流上升。溫度達(dá)到350℃時，高餾點的石油烴開始蒸發(fā)，含油率逐漸下降，鉆屑黏度也逐漸降低，攪拌電機(jī)的電流下降。因此攪拌電機(jī)的電流可以直觀反映鉆屑含油率的變化過程。

2.3 投料量對反應(yīng)過程的影響

考慮到電磁熱脫附裝置的反應(yīng)釜容積、結(jié)構(gòu)及攪拌電機(jī)的載荷，電磁熱脫附裝置的進(jìn)料量不宜超過400kg。分別選擇400kg、350kg、300kg、250kg油基鉆屑作為進(jìn)料量，通過柱塞泵泵送到電磁熱脫附裝置的反應(yīng)釜內(nèi)，記錄各進(jìn)料量的脫附過程，結(jié)果見圖2～圖5。

圖2是400kg投料量的脫附過程。由圖2可知，油基鉆屑進(jìn)入反應(yīng)釜內(nèi)開始升溫，150s時，鉆屑中的水分開始快速蒸發(fā)，隨后輕組分石油烴蒸發(fā)，鉆屑黏度逐漸升高，攪拌電機(jī)的電流快速上升，450s時達(dá)到最高。隨著石油烴的持續(xù)蒸發(fā)，鉆屑黏度開始下降，攪拌電機(jī)的電流快速下降，800s后呈現(xiàn)穩(wěn)定輸出狀態(tài)，說明熱脫附過程接近結(jié)束。

圖2 400kg投料量的脫附過程Fig.2 desorption process of 400kg feed

圖3是350 kg投料量的脫附過程。由圖3可知，油基鉆屑進(jìn)入反應(yīng)釜內(nèi)開始升溫，50～100s，鉆屑中的水分開始快速蒸發(fā)，隨后輕組分石油烴蒸發(fā)，鉆屑黏度逐漸升高，攪拌電機(jī)的電流快速上升，300～350 s時達(dá)到最高。隨著石油烴的持續(xù)蒸發(fā)，鉆屑黏度開始下降，攪拌電機(jī)的電流快速下降，750s后呈現(xiàn)穩(wěn)定輸出狀態(tài)，說明熱脫附過程接近結(jié)束。

圖3 350 kg投料量的脫附過程Fig.3 desorption process of 350 kg feed

圖4是300kg投料量的脫附過程。由圖4可知，油基鉆屑進(jìn)入反應(yīng)釜內(nèi)開始升溫，50s時鉆屑中的水分開始快速蒸發(fā)，隨后輕組分石油烴蒸發(fā)，鉆屑黏度逐漸升高，攪拌電機(jī)的電流快速上升，250s時達(dá)到最高。隨著石油烴的持續(xù)蒸發(fā)，鉆屑黏度開始下降，攪拌電機(jī)的電流快速下降，700s后呈現(xiàn)穩(wěn)定輸出狀態(tài)，說明熱脫附過程接近結(jié)束。

圖4 300 kg投料量的脫附過程Fig.4 desorption process of 300 kg feed

圖5是250 kg投料量的脫附過程。由圖5可知，油基鉆屑進(jìn)入反應(yīng)釜內(nèi)開始升溫，50s時鉆屑中的水分開始快速蒸發(fā)，隨后輕組分石油烴蒸發(fā)，鉆屑黏度逐漸升高，攪拌電機(jī)的電流快速上升，200s時達(dá)到最高。隨著石油烴的持續(xù)蒸發(fā)，鉆屑黏度開始下降，攪拌電機(jī)的電流快速下降，600s后呈現(xiàn)穩(wěn)定輸出狀態(tài)，說明熱脫附過程接近結(jié)束。

圖5 250 kg投料量的脫附過程Fig.5 desorption process of 250 kg feed

2.4 投料量與處理效果關(guān)系

測定不同的進(jìn)料量在不同的脫附時間下的含油率，結(jié)果見圖6。由圖6可知，油基鉆屑投料量為400 kg、脫附時間到達(dá)800s時，固相含油率＜1%，達(dá)到GB 4914-2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》中的一級海域排放標(biāo)準(zhǔn)。350kg投料量、脫附時間為750s時，固相含油率＜1%；300 kg投料量、脫附時間為700s時，固相含油率＜1%；250kg投料量、脫附時間為600s時，固相含油率＜1%。當(dāng)投料量為250kg，脫附時間為1100s時，油基鉆屑中固相的含油率小于0.3%；脫附時間為1200s時，各個投料量的含油率均＜0.3%。

圖6 投料量與含油率的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between feed rate and oil content

2.5 處理量的優(yōu)選

根據(jù)不同的投料量達(dá)到GB 4914-2008中一級海域排放標(biāo)準(zhǔn)的脫附時間，計算相應(yīng)的處理量，結(jié)果見表2。由表2可知，進(jìn)料量為400kg、脫附時間為800s時，處理后的油基鉆屑的含油率為0.93%，符合GB 4914-2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》中的一級海域排放標(biāo)準(zhǔn)，且處理量最高可達(dá)到1.8 t·h-1。

表2 處理量的計算結(jié)果Table 2 Processing capacity calculation

圖7是投料量與處理量的變化關(guān)系。由圖7可知，隨著投料量增加，處理時間的增加較少，處理量隨著投料量的增加而顯著提高。投料量為400kg時，電磁熱脫附裝置的處理量最高。

圖7 投料量與處理量的變化關(guān)系Fig.7 Relationship between feed rate and pocessing capacity

3 結(jié)論

1）油基鉆屑為黑色黏稠狀固體，含油率為16%，含水率為17%，含固率為67%，無可見的游離液體。在熱脫附過程中，隨著溫度升高，油基鉆屑中的水和低餾點石油烴首先蒸發(fā)，鉆屑黏度逐漸升高，攪拌電機(jī)的電流上升。溫度達(dá)到350℃，高餾點的石油烴開始蒸發(fā)，含油率逐漸下降，鉆屑黏度也逐漸降低，攪拌電機(jī)的電流下降。因此，攪拌電機(jī)的電流可以直觀反映鉆屑含油率的變化過程。

2）投料量增加，會延長脫附時間。要實現(xiàn)固相含油率＜1%，400kg的投料量需要800s，350kg的投料量需要750 s，300kg的投料量需要700s，250kg的投料量需要600s。脫附時間為1200s時，各個投料量的含油率均小于0.3%。

3）經(jīng)過計算，進(jìn)料量為400kg、脫附時間為800s時，電磁熱脫附裝置的處理量最高，達(dá)到1.8 t·h-1；進(jìn)料量為250kg、脫附時間為600s時，處理量最低，為1.50t·h-1。以上研究結(jié)果表明，海上油基鉆屑電磁熱脫附裝置的最佳生產(chǎn)參數(shù)為：每次進(jìn)料400kg，脫附時間800s。