油基鉆井巖屑處理技術展望

張博廉，操衛平，趙繼偉，王德龍

（四川仁智石化有限責任公司， 四川 綿陽 621000）

油基鉆井巖屑處理技術展望

張博廉，操衛平，趙繼偉，王德龍

（四川仁智石化有限責任公司， 四川 綿陽 621000）

隨著頁巖氣的勘探與開發，環保要求的嚴格，如何有效地、無害地處理和利用鉆采過程中產生的油基鉆屑將成為急需解決的問題。對油基鉆屑的資源化、無害化適用處理技術進行了對比、分析、展望。

油基鉆屑；處理技術；展望

隨著天然氣工業的發展，頁巖氣進入勘探開發階段，根據國家能源局于2012年3月16日發布的《頁巖氣發展規劃（2011-2015年）》，到2015年我國將基本完成全國頁巖氣資源潛力調查與評價，建成一批頁巖氣勘探開發區，初步實現規模化生產，頁巖氣年產量達到65億m3[1]。油基泥漿具有抗高溫、抗鹽鈣侵蝕，有利于井壁穩定、潤滑性好、對油氣層損害小的特點，使得在頁巖氣開采過程中將大規模使用[2]。鉆采產生的油基鉆屑其浸出液有較高毒性，且不同種類的化學處理劑使鉆屑中各類污染物與無機固體之間的橋聯結構穩固，其成分結構更加復雜化，客觀上增加了工藝處理難度和處理成本。油基鉆屑直接排放或簡單的填埋處理，會對土壤和地下水形成嚴重污染，鉆屑中還有可能含有大量的病原菌、寄生蟲，銅、鋅、鉛、鉻、汞等重金屬，進而嚴重影響人類健康和生態環境[3-7]。

1 油基鉆屑特點

鉆采產生的鉆屑一般含油率在 10%～40%，含水率10%～20%，其中還含有大量的苯系物、酚類、蒽、芘等有惡臭的有毒物質，成分比較復雜，屬于多相體系，一般由水包油(O/W)、油包水(W/O)以及大量的懸浮固體組成，黏度較大，固相難以徹底沉降。表1為某頁巖氣井鉆采產生的油基鉆屑組成。

表1 某頁巖氣井油基鉆屑組成Table 1 Composition of the oil-base drilling cuttings

圖1 某頁巖氣井油基鉆屑Fig.1 The oil-base drilling cuttings

2 油基鉆屑適用處理技術

2.1 固化技術

固化處理是通過物理化學方法將油基鉆屑固化或包容在惰性固化基材中的一種無害化處理技術，以便后續運輸、利用或處置[8,9]。采用固化處理技術能較大程度地減少油基鉆屑中有害離子和有機物對土壤的侵蝕和淋溶，從而減少對環境的影響和危害[10,11]。目前采用固化技術處理后的廢物綜合利用率較低，必須征用土地進行衛生或安全填埋，從而使土地的再利用價值低。該法并沒有從根本上解決油基鉆屑的無害化處理，反而增加了一些處理工程中的固化藥劑費用，處理成本高、占地面積大，污染隱患未根本消除，因此處理量少時可考慮選用。

2.2 干化技術

國外 MI-SWACO公司有專門用于鉆井過程中分離并干燥含油巖屑的裝備，該設備被安放在振動篩的出口處，在分離并干燥巖屑的同時，油基鉆屑循環到離心機以進一步清除其中的劣質固相。該設備的處理能力為 40 t/h，干燥之后的巖屑含油量為5%～6%。目前在中國區域內僅有3套處理裝置，而且只帶設備提供現場技術服務，不賣不租。

2.3 物化分離技術

物化分離法處理含油固廢是目前國內相對成熟的處理工藝，應用范圍較廣，且取得了較為顯著地經濟效益[12-14]。采用物化分離回收油基鉆屑中的油類主要是在于選擇分離類型，既可以采用藥劑分離，也可以使用機械分離。分離前須進行預處理，前期的預處理包括篩選、用水混勻攪拌，攪拌均勻后的污泥可以經過多級分離而實現油、砂、水的三相分離[15-16]。分離級數越多，處理效果越好，一般經過二級分離就使油基鉆屑達到無害化要求。

2.4 焚燒技術

焚燒技術是一種簡單而較實用的含油廢物處理方法，在國外較為常用。采用焚燒法處理油基鉆屑時，如果油基鉆屑中含油量較高，其燃燒產生的熱能還能回收利用，從而具有一定的經濟價值和實用性[17]。焚燒法要求具有很高的溫度(1 200～1 500℃)和能力回收裝置，燃燒產生的氣體須經過除塵裝置和有害氣體吸收裝置以使煙氣達到環保要求，剩余的灰燼可綜合利用，如生產陶瓷顆粒等。油基鉆屑焚燒前一般還需要經過脫水、干化等預處理工藝，以利于油基鉆屑的引燃和焚燒，減少因含水率高而損耗熱能。

焚燒處理法優點是油基鉆屑經焚燒后，其中的大部分有害物質消除徹底，避免了對環境的污染，體積減容比高，處理工程安全；缺點是在焚燒過程中了產生了氣體、顆粒物等二次污染，浪費了大量的廢油資源，如能回收熱能，則可減少浪費[18]。

2.5 高溫裂解技術

高溫裂解技術是在絕氧的條件下將油基鉆屑加熱到一定溫度，廢物中的輕組分油類和水分受熱首先蒸發出來，不能蒸發的重組分油類通過熱分解作用轉化為輕組分，烴類物質在復雜的水合和裂化反應中分離出來，再以氣態形式蒸發出來，并冷凝回收，從而實現油與鉆屑分離的目的[19-22]。在高溫裂解過程產生的氣相經冷卻后形成三種相態物質，氣相以H2、CH4、CO等為主；液相以汽油、柴油、石蠟烴和H2O為主；固相為鉆屑固相物與殘炭。高溫裂解工藝對油基鉆屑處理的比較徹底，處理后的殘留物含油可以達到0.01% (100 mg/kg)以下，殘留固相物與殘炭對環境無害，可以直接排放或填埋。目前國外商業化應用的主要有三類技術，TCC工藝、TPS工藝 和ATDU工藝。TCC工藝采用摩擦生熱，將發動機的動力轉換成熱，可將油基鉆屑加熱至200～350 ℃，缺點在于無法達到更高溫度；TPS工藝采用220～500 ℃間接加熱，使用螺旋帶動泥漿鉆屑通過一個被加熱的加熱間，油水蒸餾出來以后被冷凝，然后對液態的油水混合物進行分離；ATDU工藝采用旋轉式加熱，并加一定的真空，將泥漿加熱到315～760 ℃。油水蒸餾出來以后被冷凝，然后對液態的油水混合物進行分離。

利用高溫裂解技術對油基鉆屑進行無害化處理，具有較高的技術含量，反應條件要求苛刻、操作復雜繁瑣，但是對油基巖屑中的油(烴類物質)回收率較高，處理后的殘留固相物可以達到直接填埋的要求；缺點是熱消耗大，投資較高，而且占地面積較大，一般適用于大規模的固定場站處理[23,24]。

2.6 生物處理技術

生物降解技術處理油基鉆屑是以土壤修復的環保理念，利用微生物細菌對油基鉆屑進行土壤可耕作式功能修復和改善，利用微生物將油基鉆屑中的石油烴類降解為無害的土壤成分。經過降解處理過后的油基鉆屑達到現場綠化的標準，并可用作耕種土壤，是一種從根本上消除油基鉆屑污染并不產生二次污染的綠色環保技術[25-26]。適用于油基鉆屑的生物處理技術主要有堆肥處理法、地耕法和污泥生物反應器法。

2.6.1 堆肥法

堆肥法是將油基鉆屑與適量的調質材料充分混合后并成堆放置，利用天然微生物將油基鉆屑中的石油烴類降解，處理后的油基鉆屑可填埋或施用農田。主要有四種堆制方法有堤形堆肥法、靜態堆肥法、封閉堆肥法和容器堆肥法[27-28]。

2.6.2 生物反應器法

生物反應器法是將油基鉆屑稀釋于裝有營養介質的容器中，利用微生物降解油基鉆屑中的石油烴類的方法。由于生物反應器可以人工控制氧氣濃度、溫度、營養物質等操作條件，石油烴類物質的降解速度較之其他生物處理過程更快，加入馴化過的高效烴類氧化菌，可加快烴類的生物降解[29]。生物反應器法適用于油基鉆屑，也適用于油污土壤及含油鉆屑，油基鉆屑經處理后，液體部分可排入處置井(坑、池)或另作他用(如回用)。

根據有關資料顯示，生物降解周期大約為30～60 d，有的降解時間甚至更長，降解受含油量、原油的物性、石油菌的生長和繁殖的條件(如溫度、濕度等)多種因素的影響和制約，處理時還需較大的生化降解場地[30,31]。國外很多公司已經開始使用生物處理技術治理油基鉆屑與巖屑，如殼牌、雪佛龍、哈里伯頓公司，同時在國內的部分油田環保施工中也進行了應用性試驗。

2.7 幾種技術比較

油基鉆屑的處理技術多種多樣，幾種常規的處理技術都有各自的優缺點和適用范圍（見表 2）。由于油基鉆屑成分復雜，沒有任何一種處理方法可以處理所有類型的含油泥砂，因此采用集成技術對油基鉆屑進行分級處理十分必要。隨著環保法規的日益嚴格和完善，油基鉆屑的無害化、資源化、綜合利用處理技術將成為油基鉆屑處理技術發展的必然趨勢。

表2 常規處理技術比較Table 2 Comparison of processing technologies

3 展 望

（1）油基鉆屑的適用處理技術較多，各項技術都有自身的優缺點，因此在實際應用中要根據油基鉆屑的具體特點選擇不同的處理技術。油基鉆屑含油較高時可采用高溫裂解、焚燒、物化分離等技術手段回收油基鉆屑中的油類，降低處理費用，創造一定的經濟效益；而含油較低時可采用固化、干化、微生物處理等技術。高溫裂解、焚燒等投資較大的處理技術適合于集中處理建廠、而干化、微生物處理則可應用于單井治理。

（2）單一處理技術可能難以達到標準要求，因此需要將多種處理技術聯合應用，已達到環保要求，并降低處理成本，增加收益。

（3）隨著環保法規的日益嚴格和完善，油基鉆屑的無害化、資源化、綜合利用處理技術將成為油基鉆屑處理技術發展的必然趨勢。

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Prospect of Oil-base Drilling Cuttings Processing Technologies

ZHANG Bo-lian, CAO Wei-ping, ZHAO Ji-wei, WANG De-long
(Sichuan Renzhi Petrochemical Technology Co., Ltd.，Sichuan Mianyang 621000, China)

With exploration and development of shale gas, the environment protect requirement is more strict, how to effectively and safely treat and utilize the oil-base drilling cuttings will become an urgent problem. In this paper, processing technologies of oil-base drilling cuttings were analyzed and compared.

Oil-base drilling cutting；Treatment technologies；Prospect

TQ 992.3

A

1671-0460（2014）12-2603-03

四川省科技支撐計劃項目，項目編號：2014GZ0070。

2014-05-14

張博廉（1985-），男，四川樂山人，碩士，工程師，2011年畢業于西南科技大學環境工程專業，主要從事油氣田環境保護治理研究工作。E-mail：zhangboliank@163.com。