鉆井巖屑常見處理技術分析

秦海軍 王學成 劉悅 馬曉飛

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在油氣勘探開采中，油基鉆井液普遍用于鉆井操作中，也隨之產(chǎn)生了大量的油基鉆井巖屑。在開采現(xiàn)場，大量鉆井巖屑保存時極易出現(xiàn)掩埋、溢出、泄露等，嚴重污染周圍環(huán)境，久而久之危害日益倍增，嚴重威脅了社會[1]。針對這一環(huán)保問題，世界多個組織高度關注，相繼出臺了各種相關法規(guī)及標準要求，嚴格、多方地進行約束。對此，對鉆井巖屑進行科學處理，控制環(huán)境風險，是油氣田可持續(xù)健康發(fā)展的關鍵。

1 油基鉆井巖屑的來源

鉆井時，在泵的運行過程中鉆井液漸漸地通過地面管線、立柱以及水龍頭滲透到鉆桿中，然后通過鉆頭水眼朝著井底噴發(fā)，由于鉆頭的運行，巖屑往往會混合在鉆井液中，隨著從鉆桿與底層環(huán)空上回到地面[2]；這時，振動篩積極發(fā)揮自身作用，把鉆井液中所摻雜的巖屑思送離出來，被分離出來的鉆井液則流回鉆井液池，并重復使用，見圖1。

圖1 鉆井液循環(huán)流程

2 油基鉆井巖屑的危害

鉆井巖屑若流入到環(huán)境中，那么便會對生物活動進行抑制，不利于生態(tài)環(huán)境平衡，是污染生態(tài)環(huán)境的主要因素。對于陸地油田，油基鉆屑中所包含的重金屬、油類、鹽分等在雨水的沖刷影響下漸漸地滲透到周圍的河流、湖泊等地表水體中，引起污染，對水源質量造成影響[3]。同時，也會對水域中的魚類、水生物的健康造成影響，導致其大量死亡。從長遠角度分析，被污染的魚類生物、水源會嚴重影響人類健康。而鉆屑中的油類除了會影響水生生物，而且還會在水體表面漂浮，產(chǎn)生油膜，改變水體顏色，產(chǎn)生濃烈的臭味，影響人們生產(chǎn)與生活。另外，鉆井鉆屑也會隨著雨水對土壤、農(nóng)田造成污染，對農(nóng)作物或其他植物生長造成影響。如鹽分超標會滲入到植物細胞中，導致細胞吸收能力變差；滲透到土壤中，其會產(chǎn)生鹽堿化情境；油類組分會對土壤中的濕潤性降低，對植物發(fā)育進行嚴重抑制，久而久之便會死去，導致產(chǎn)量差強人意。且人們攝入了被重金屬離子污染的植物，那么便會造成中毒，不利于身體健康。

3 鉆井巖屑常見處理技術

3.1 資源化利用技術

資源化利用技術，鉆井巖屑通過物化處理后，填入適量凝膠材料、添加劑，從而制作成一種獨特的建材資源的處理方法。現(xiàn)階段，鉆進巖屑制備的陶粒、免燒磚、燒結磚、混凝土、水泥等，在抗壓強度、浸出液方面可迎合建材行業(yè)相關規(guī)范，通過這一技術處理出現(xiàn)一種新的建材資源。在溫度較低的環(huán)境中，添加0%～6%油基巖屑，制備成水泥，促使其擁有較強的水化性能及抗壓強度。使用較少的油基巖屑制備成水泥熟料，可對油基巖屑的毒性進行降低。這里，若添加量＜3%，那么其中的重金屬離子低于EPA標準，且相比于原油基巖屑廢物，其浸出濃度更低。

以相關比例，把油基巖屑同煤矸石進行均勻混合，再對其進行煅燒處理，通過一段時間的冷卻后所獲得的陶粒，其物理性能較佳，密度及吸收率低，抗壓水平高，且可有效固化鉆屑中大量重金屬，使得各種有毒物質被充分燃燒，相關浸出量滿足國家標準。資源化利用技術，可對廢棄物進行有效利用，應用前景廣闊。

3.2 鉆屑清洗技術

這里，選擇使用海水或含有表面活性劑的海水，對鉆井巖屑進行直接沖洗，有效降低其含油率，促使其符合排放要求，如此才可放心將其排入到海水中。這一方法除油效果一般，且會自身出含有污水處理的問題。這里，可選擇使用清洗劑，如洗潔精、洗衣粉、一些堿性清潔劑，也可基于油田實際情況，制備出復合清潔劑。例如，美國某化學公司研發(fā)了一款超級潤濕清洗劑，其不會同油類進行混合，也不會產(chǎn)生乳化效應，而是對鉆屑表面進行充分濕潤，置換出油類，如此可將其含油率從20%降低到5%，其處理效果在一定程度上超過了其他化學清洗劑。同時，在液相中，固液分離后油與清洗劑處于分離狀態(tài)，可采取沉淀分離法對清洗劑進行廣泛收集，從而可循環(huán)進行使用。

另外，可選擇可強溶解油的溶劑清洗油基鉆屑，將其油類予以萃取，從而可對油基鉆屑進行脫油處理。但是，這里所選擇的溶劑一般存在苯類等有毒物質，可能會二次污染環(huán)境；且萃取法所使用的設備占地面積較廣，成本投入較大。

目前，作為一種更強大的清洗技術，超臨界萃取技術備受關注。這一技術則是巧妙地利用了CO2的獨特特征，如高擴散率、低粘度、高密度等，一旦超臨界CO2液體未處于超臨界區(qū)域中，那么破壞了超臨界條件，液體所具有的溶解非極性分子的能力便會逐漸消失，進而釋放出各種油類分子，直接分離油基與鉆屑。但是，這一方法尚處于實驗時期。

3.3 熱脫附技術

熱脫附技術，則是對油基巖屑進行加熱處理，當其溫度達到一定沸點時，其中的礦物油、水分便會被蒸發(fā)，使得固相、油相、水相鞥個實現(xiàn)三相分離。對于該過程而言，主要包括了水分揮發(fā)、輕質油分揮發(fā)、重質油分揮發(fā)及微量裂解等環(huán)節(jié)，在這其中，物理反應是重點。通過冷凝的方式，水相與油相被完全地回收，固相（含油率＜30%）便會流入到暫存庫，然后在接受進一步收集與處理。對于巖屑而言，其礦物油主要是柴油或白油，其沸程大約為300～400℃，對此選擇熱脫附技術，其具有能耗低、簡單實用等優(yōu)勢，廣泛運用于市場。例如，針對天然氣熱源處理而言，中石化江漢環(huán)保根據(jù)實際情況選取了間接加熱回轉窯熱脫附技術。通過處理后，巖屑粒度較小，且大多數(shù)都均勻分布，表面積有所拓展，孔隙結構已經(jīng)不復存在，脫附油分效果明顯。通過熱脫附回收的油分，主要使用在回配鉆井液，固相含油率能夠穩(wěn)定下降到0.3%，有的甚至0.1%?；厥沼头旨壧幚砗笪苍妶D2。

在熱脫附技術中，溫度、加熱方式、設備、升溫速度均是其作用發(fā)揮的主要影響因素。這里，熱解設備比較常見的是回轉窯熱解爐、固定床熱解爐等；加熱方法可分為間接與直接、一段或多段等；熱源可選擇電磁、天然氣、燃料油等，詳見圖3。在 CO2、N2、He、H2、Ar等氣氛中，熱解過程中速率、擬合熱力學、動力學模型、熱解的產(chǎn)物等差異比較明顯。為了能夠有效提高熱解作用，可引入催化技術。其中，催化劑主要是金屬氧化物、非金屬氧化物。其中，金屬氧化物一般會選擇過渡金屬氧化物，如 Cu O、Ca O、Fe2O3、Ni O、Al2O3、Mn O2等，非金屬氧化物主要為ZSM—5 沸石分子篩（堿性催化劑）、白云石（酸性催化劑）、垃圾焚燒飛灰等。

圖3 油基巖屑熱脫附工藝流程

3.4 萃取技術

對于萃取處理技術而言，當前主要涉及三個方面，即傳統(tǒng)溶劑萃取、新型超臨界萃取以及微乳液萃取。其中，后面兩種技術現(xiàn)階段并未在工程中進行使用，尚處于研發(fā)中。對于傳統(tǒng)溶劑萃取法而言，液液萃取是主要方法，通過和萃取對象性質較為接近的萃取液，實現(xiàn)萃取過程。對于形式，液固萃取是油基巖屑萃取的主要表現(xiàn)之一，但在本質上其依然屬于通過液態(tài)萃取劑萃取巖屑之中的柴油抑或是白油，所以原理和液液萃取相同。結合實際情況對萃取劑進行篩選，以此去除巖屑的油，完成后續(xù)通過蒸餾法分離油分和萃取劑，對于回收的油 分、萃取劑均可重復使用。圖4為油基巖屑萃取流程。

圖4 油基巖屑萃取流程

運用溶劑萃取方式時，會被萃取劑種類、方式、溫度、時間，以及萃取劑和巖屑之間的質量比、攪拌頻率等影響。對于溶劑萃取而言，萃取劑、萃取方法、溫度、攪拌次數(shù)均是重要影響因素。通過將甲乙酮作為極性萃取劑，甲苯作為非極性萃取劑，在最佳狀態(tài)中，兩者在石油烴回收率方面為30.41%、37.24%。運用逆流萃取的方法，并選取石油醚、甲苯、石腦油、正己烷及其復配萃取劑，在油基巖屑萃取效果方面，收油率最高能夠實現(xiàn)80.5%?，F(xiàn)階段，溶劑萃取技術涉及的問題表現(xiàn)為成本高、用量大以及損失率高等。例如，博盛永業(yè)引入低溫萃取技術（LRET），在年處理能力方面達到了3萬噸，總裝機功率為800kW，具體運行功率為500kW，每噸巖屑處理藥劑費月1000元，回收油分含固率為3%～6%。

3.5 生物修復技術

生物降解技術投入較高，以及修復石油烴的有效方式，可讓石油化合物性質、濃度等產(chǎn)生變化?，F(xiàn)階段，生物降解較為常見，能夠對碳氫化合物及毒性進行有效清理。通過生物修復技術對鉆井巖屑之中的污染物進行消除，主要涉及生物刺激與強化的方式。針對篩選與降解優(yōu)化高效石油烴降解菌的研究眾多，堆肥屬于十分常見的鉆屑生物處理技術，根據(jù)相關比例混合鉆井巖屑、疏松劑以及膨松劑，然后添加外源營養(yǎng)元素促進原油降解率的提高。膨松劑的使用，可強化好氧微生物對油類污染物降解的能力。對于油基巖屑生物堆肥而言，營養(yǎng)因素屬于最為關鍵的影響因素之一，混合油基巖屑和鋸末之后，再將適量的外源營養(yǎng)物質添加其中，并通過微生物的影響，堆肥處理至少三個月，可有效降解油類，其比例高達87%。針對一些常見的微生物，如芽孢桿菌屬、不動桿菌等，可以把碳氫化合物轉變成能源、生物質、生物廢料副產(chǎn)品等，大多數(shù)微生物均涉及此種能力對碳氫化合物污染進行清理以及修復，同時許多文獻之中均涉及相關報道。就生物修復技術來講，存在成本低以及能夠徹底降解污染物的特點，但處理周期長，會被污染物濃度、污染物類型影響。

4 結束語

油基巖屑處理技術較多，然而一些處理技術會導致資源浪費或引起二次污染。在運用實踐時，只是采用一種方法常常無法徹底處理油基巖屑，一般需組合多種處理技術，因此制定技術佳、處理高效、不會對環(huán)境造成污染的處理方式具有重大的現(xiàn)實意義。