油基巖屑處理利用技術(shù)研究分析

許云川,張 磊,歐海湖,郭馬赟

(四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責任公司,四川 成都 610000)

油基巖屑是在油氣開采過程中產(chǎn)生的含油固體廢棄物,含油率很高,遠遠超出排放標準,難以直接使用,若不妥善處理,會對生態(tài)環(huán)境造成危害。中國油頁巖資源十分豐富,隨著油頁巖資源的大力開采,會產(chǎn)生大量的油基巖屑。油基巖屑的安全高效處理己成為制約石油企業(yè)環(huán)保生產(chǎn)的重要問題之一。目前國內(nèi)外對油基巖屑研究主要是無害化處理和資源化利用。

1 油基巖屑處理技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 固化技術(shù)

固化處理就是利用固化劑如石灰、水泥、有機聚合物、塑料等將油基巖屑固化,鎖住油基巖屑中的有害離子和有機物,減少對土壤的侵蝕。除了傳統(tǒng)的固化劑,宋明全[1]等研制了針對井場廢棄物的固化劑HB-1,廢棄物可在1-2d后固化完全,效果較好。

油基巖屑經(jīng)過固化處理后,通常需征用土地進行填埋,處理成本高,且造成土地資源的浪費,沒有從根本上解決問題,因此處理量少時可考慮選用。

1.2 干化技術(shù)

干化技術(shù)就是對油基巖屑進行干燥處理。喬莎莎[2]等研究了油基巖屑分級真空干燥技術(shù),針對含柴油和含水的油基巖屑進行了不同溫度下干燥速率變化情況以及不同壓力對油基巖屑干燥程度的影響研究。研究表明,在特定條件下,干燥后的油基巖屑含油量均低于1%。

1.3 物化分離技術(shù)

物化分離法是一種較為成熟的處理方法,取得了較好的經(jīng)濟效應[3]。物化分離法一般采用藥劑或機械分離回收油基巖屑中的油類物質(zhì)。分離前,首先要對巖屑進行篩選,然后加水拌和均勻,最后進行多級分離實現(xiàn)油、巖屑和水的三相分離[4]。通常經(jīng)過二級分離就能達到較好的處理效果。

1.4 焚燒技術(shù)

焚燒技術(shù)是國外較為常用的一種處理技術(shù),方法較為簡單。對油基巖屑焚燒處理前一般還要經(jīng)過脫水、干燥等程序,回收可循環(huán)使用的油類物質(zhì),減少巖屑含水率,使燃燒更加充分。焚燒過程會產(chǎn)生大量氣體,這些氣體須經(jīng)過除塵裝置和有害氣體吸收裝置以使煙氣達到環(huán)保要求。對于焚燒過程產(chǎn)生的熱能可以進行回收利用,焚燒后的巖屑可用于生產(chǎn)陶粒等建材。

鄭婷婷[5]等采用了熱解析和焚燒技術(shù)綜合處理油基巖屑,經(jīng)現(xiàn)場試驗驗證,處理后的油基巖屑能達到污染物排放要求。

經(jīng)過焚燒處理,油基巖屑中的大量有害物質(zhì)被消除,但是焚燒過程中產(chǎn)生的有害氣體、顆粒物等可能會造成二次污染[6]。

1.5 高溫裂解技術(shù)

高溫裂解技術(shù)是在絕氧和一定溫度條件下進行,首先油基巖屑中的水和輕組分油類物質(zhì)會蒸發(fā)出來；重組分油類不能直接蒸發(fā),在熱分解作用下逐漸裂解成輕組分,也從巖屑中分離出來,從而實現(xiàn)固液分離[7]。

高溫裂解技術(shù)操作過程復雜、反應條件苛刻,需要較高的技術(shù)含量,而且熱消耗大,成本較高[8]。經(jīng)過高溫裂解,油基巖屑被分解為H2、CH4和CO等為主的氣體；汽油、柴油和水為主的液體以及巖屑和殘?zhí)紴橹鞯墓腆w。經(jīng)過處理的巖屑含油率可低于0.01%(100 mg/kg),處理后的殘留固相物達到排放要求,可以直接填埋。

1.6 生物處理技術(shù)

生物處理技術(shù)是利用微生物降解油基巖屑中的油類等有害物質(zhì),使其達到可耕種土壤的標準,是一種綠色環(huán)保技術(shù)[9]。國外已經(jīng)開始利用生物處理技術(shù)處理油基巖屑,國內(nèi)的部分油田也進行了應用性試驗。油基巖屑的生物處理技術(shù)主要有地耕法、堆肥處理法和生物反應器法。

1.7 萃取技術(shù)

萃取技術(shù)一般采用溶劑將油基巖屑中的油類物質(zhì)提取出來,然后再將溶劑與油分離,實現(xiàn)油類的回收。

除了傳統(tǒng)的有機溶劑外,單海霞[10]等用離子液體對油類進行萃取,取得了良好的試驗效果。此外超流體萃取技術(shù)由于處理效果好,除油率高達98.9%[11],有大量學者對此進行了研究。超流體是介于氣、液之間的一種物質(zhì)形態(tài),具有較強的穿透力、較大的密度和較高的溶解度[12],理想的萃取劑有二氧化碳和丙烷等。

1.8 填埋法

填埋法就是將油基巖屑密封在一個固定空間或者注入安全地層。坑內(nèi)密封是在一個固定空間將油基巖屑密封起來,需要征收土地,并且必須保證空間的密閉性,不能發(fā)生泄漏。處理后有害物質(zhì)并未消除,此方法并未從根本上解決問題,而且處理成本高。

巖屑回注技術(shù)[13]是近年來國外較為青睞的一項新技術(shù),是將油基巖屑注入安全地層或者地下環(huán)形區(qū)間。這種方法首先要在地層中加壓產(chǎn)生一條裂縫,然后將油基巖屑與海水的混合物通過機械處理碾磨成黏性漿液,再通過井泵將其送到井下后加壓注入裂縫中,最后用水泥把井密封起來。但是回注的漿液有發(fā)生滲漏,污染地下水和地下油層的隱患。

1.9 超聲波處理法

超聲波處理法是利用機械振動和超聲空化作用,破壞油基巖屑內(nèi)部結(jié)構(gòu),降低石油類物質(zhì)的粘度,實現(xiàn)巖屑、水和油的三相分離[14]。

王新強等[15]對超聲處理法處理油基巖屑進行了研究。研究表明,在弱空化狀態(tài)下該項技術(shù)的除油率最高,高于90%。

超聲處理法能迅速提供較高的反應溫度和較強的沖擊力,有效降低石油類物質(zhì)的粘度,促使油和巖屑的分離。

1.10 化學熱洗法

化學熱洗法首先要將油基巖屑加水稀釋,然后加入化學試劑,充分攪拌均勻后,再將溶液加熱到一定的溫度,使油與巖屑分離,將油回收后再進行脫水處理,完成固液分離。化學熱洗法操作較為簡單、投資較少,是美國環(huán)保公司優(yōu)先采用的一種處理方法。

化學熱洗法對油的回收率較高,但是化學藥劑需要根據(jù)油基巖屑的性質(zhì)進行選取,有一定的難度,而且可能還需要二次處理方能達到排放標準[16]。

2 油基巖屑資源化利用現(xiàn)狀

2.1 用于建筑

徐海彬[17]等人將油基巖屑進行固化處理后用于建造泵房的主體,鋁合金作支撐框架。其中固化劑與油基巖屑質(zhì)量比為1.5∶1。

巴西某石油企業(yè)的R.L.C. Vaqueiro[18]等將油基巖屑加入粘土中用于制造燒結(jié)磚,并對燒結(jié)磚進行了抗拉和彎曲度試驗。試驗表明,油基巖屑用于制造燒結(jié)磚、瓦片等建筑材料是可行的。

但是由于各井場使用的油基泥漿以及地下巖屑存在差異,直接利用未處理過的油基巖屑制造的建筑材料的性質(zhì)在使用過程中可能發(fā)生變化,對周邊環(huán)境造成影響。

2.2 用于生產(chǎn)水泥

油基巖屑中的固體部分主要包含粘土和地底巖屑、礦屑,主要成分有氧化鋁、氧化鐵、氧化硅等,這些正是生產(chǎn)水泥的主要成分。將油基巖屑用于生產(chǎn)水泥,巖屑中的無機物質(zhì)可以補充水泥生產(chǎn)必要的元素。

2.3 用于濕地改善

在近海或者深海進行石油開采中,一方面,為滿足生產(chǎn)需求,需要鉆大量的井,會產(chǎn)生大量的油基巖屑；另一方面,開采會造成大面積的濕地減少。因此有部分學者提出將油基巖屑用于濕地改造。

美國南路易斯安那州海岸上,由于發(fā)展石油工業(yè),每年喪失64.75～90.65km2的濕地面積。同時為了解決油基巖屑的無害化處理問題,政府投資了大量資金,東南路易斯安那大學的學者啟用了油基巖屑修復濕地的研究,取得了階段性成功。但是由于受到法律的限制,該項研究很難得到大規(guī)模推廣應用。

中科院沈陽生態(tài)研究所的籍國東[19]等人對油基巖屑應用于遼河油田某井場附近的蘆葦區(qū)進行了試驗研究。研究表明,蘆葦能有效凈化礦物油,而且在實驗劑量范圍內(nèi)投放油基巖屑越多,凈化效率越高。將油基巖屑應用于蘆葦濕地對深層土壤和深層地下水影響較小,可以通過防滲漏措施解決其對淺層地下水的影響。而且油基巖屑對蘆葦?shù)钠焚|(zhì)沒有影響,僅影響其發(fā)芽率、生物量等,研究表明油基巖屑用于濕地改造是可行的。

2.4 用于MTC水泥漿技術(shù)

MTC技術(shù)就是將油基巖屑與礦渣混合之后,加入分散劑,把它轉(zhuǎn)變?yōu)楣叹盟?利用堿金屬、無機鹽或鹽來控制水泥漿的稠化時間和抗壓強度的技術(shù)。

國內(nèi)外對于MTC技術(shù)都有較為廣泛的研究和應用。這項技術(shù)使油基巖屑成為一種可利用的資源,減少了水泥用量,節(jié)約成本。但是這項技術(shù)專業(yè)性較強,需要針對不同的性質(zhì)的油基巖屑制定專門的配方,操作難度大,而且油基巖屑的轉(zhuǎn)化率較低。

2.5 配制三元型煤

陳忠[20]等用四川宜賓地區(qū)出產(chǎn)的貧煤、大安寨地區(qū)的油基巖屑以及廢泥漿生產(chǎn)三元型煤,通過研究得到最優(yōu)配合比為56∶35∶9,生產(chǎn)出來的三元型煤滿足潔凈型煤標準。

3 結(jié)語

油基巖屑的處理技術(shù)多種多樣,但是某些處理技術(shù)可能會造成資源的浪費或者造成二次污染。并且在實際應用時,僅用一種方法往往無法將油基巖屑處理徹底,通常都是采取多種處理技術(shù)相結(jié)合的方式,因此尋找到技術(shù)可行、處理高效且無二次污染的預處理方案尤為重要。油基巖屑的資源化利用,主要是利用其固相成分,可將其進行預處理(脫油和脫水)后作為固體廢棄物使用。