油基鉆屑改質流體燃料處理技術研究

周成華

(中石化西南石油工程公司鉆井工程研究院)

一、國內外油基鉆屑處理現狀分析

目前國內外對于油基鉆井液及鉆屑的處理主要是焚燒、熱解、化學清洗、萃取蒸餾以及相應的物化復合方法[1-5]，上述方法存在二次污染、能耗高、油回收利用率較低、處理成本高、安全性能較差等問題。隨著環保法規、安全法規的完善和進一步實施，研究一種新的技術代替上述技術迫在眉睫。

二、油基鉆屑改質流體燃料處理技術

1.油基鉆屑流體燃料化處理思路

油基鉆屑流體燃料化處理技術結合油基鉆井液及鉆屑特點及工業燃料的性質，采用化學調質改良技術把油基鉆井液及鉆屑改良成為流體燃料。該技術能夠實現油氣開采現場隨鉆、快速、安全處理含油鉆屑及廢棄油基鉆井液，實現變廢為寶、節能減排的目的。該技術為油基鉆井液及油基鉆屑處理提供了可靠的技術保障，對減少環境污染、生態破壞及安全隱患具有重要的意義。同時在我國的油氣開采、發電及其它供熱工程中的熱源燃料需求量相當大，該技術的研究可以為上述工業中的熱源提供部分燃料，實現了油基鉆井液和油基鉆屑的資源化利用，具有很高的工業價值和應用前景。

2.油基鉆屑基本組成

2.1 油基鉆屑組成分析

油基鉆屑廢棄物含油率16.6%，含水率2.45%，含固率80.95%。

2.2 含油固體廢棄物元素分析

含油固體廢棄物元素平均質量C為22.60%，H為11.34%，O為33.5%，S為8.65%，N為0.05%。油基鉆屑中可燃物質元素之和為67%以上，其它Si等非可燃元素33%，具有改質未流體燃料的條件。

2.3 含油固體廢棄物重金屬分析

含油固體廢棄物重金屬分析巖屑浸出液指標銅為0.03%，無鉛，鋅為0.01%，無鎘，鎳為0.01%，總鉻為0.06%，汞為0.002%。

3.油基鉆屑改質流體燃料配方及性能評價

3.1 油基鉆屑流體燃料化優化配方

油基鉆屑改質過程中，主要添加劑為乳化劑、分散穩定劑。乳化劑的主要作用為將油基鉆屑和添加的水乳化形成流體燃料油包水體系；分散穩定劑的主要作用防止油基鉆屑細化后的聚集，使得流體細顆粒分散均勻。

改質流體燃料配方為：65%～70%細化油基鉆屑+6.4%乳化劑+1.6%分散穩定劑+22%～27%水。

3.2 油基鉆屑改質為流體燃料評價

改質后的油基鉆屑類似于水煤漿。水煤漿是由大約65%煤、34%水和1%添加劑通過物理加工得到的一種低污染、高效率、可管道輸送的代油煤基流體燃料，水煤漿也已成為替代油、氣等能源的最基礎、最經濟的潔凈能源。改質后的油基鉆屑流體燃料燃燒性能與水煤漿評價見表1。

表1 油基鉆屑改質流體燃料與水煤漿主要性能指標對比

由表1得出，油基鉆屑改質流體漿具有一定黏度；燃料漿燃值高，可以單獨作為流體燃料；其性能與水煤漿比分析，其指標達到水煤漿一級標準，是一種理想的流體燃料。

同時，根據SN/T3209-2012《進出口危險化學品檢驗規程高閃點易燃液體基本要求》，易燃液體是指閉杯試驗閃點等于或低于60℃，因此，油基鉆屑流體燃料不屬于易燃品，運輸過程中不會因摩擦生熱而造成安全隱患。

3.3 油基鉆屑原樣與改質后的燃料熱重對比分析

使用熱重曲線(TG)和微商熱重(DTG)曲線對油基鉆屑原樣與改質后的燃料熱重進行對比分析。熱重曲線(TG或TGA)是指在程序控制溫度條件下，測量物質的質量與溫度關系的一種熱分析方法。微商熱重(DTG)曲線是對熱重曲線中質量(m)對時間(t)進行一次微商從而得到dm/dt-T(或t)曲線，它表示質量隨時間的變化率(失重速率)與溫度(或時間)的關系見圖1。

圖1 油基鉆屑樣品燃料熱重分析

圖2 油基鉆屑改質流體燃料熱重分析

由圖1、圖2得出，油基鉆屑樣品燃燒失重，開始溫度低于油基鉆屑改質燃料失重溫度，但油基鉆屑燃燒失重后減少趨勢沒有油基鉆屑改質燃料失重溫度明顯，說明油基鉆屑改質燃料燃燒更充分。

3.4 流體燃料燃燒的環境指標評價

對流體燃料燃燒的環境指標分析，結果見表2。

表2 燃料燃燒過程污染分析

由表2得出，改質燃料燃燒過程污染平均值低于《火電廠大氣污染物排放標準GB13223-2001(以油為燃料的鍋爐)》指標，環境指標評價合格。

3.5 燃料燃燒后殘渣分析

以《廢水綜合排放標準GB8978—2012》標準檢測燃料燃燒后殘渣污染，對油基鉆屑改質流體燃料燃燒后殘渣浸出液進行分析，實驗結果見表3。

表3 燃料燃燒后殘渣浸出液污染分析

由表3得出，燃料燃燒后殘渣浸出液達到廢水綜合排放標準。

三、油基鉆屑改質流體燃料工藝及特點

1.油基鉆屑改質流體燃料處理工藝

圖3為油基鉆屑改質流體燃料技術工藝流程。

圖3 油基鉆屑流體燃料制備工藝流程圖

(1)油基鉆屑收集。在鉆井過程中，鉆井液池收集固控設備下面的油基鉆屑，通過前段的分選、粉碎收集系統進入油基鉆屑的收集罐。

(2)細化調質系統。收集罐中的油基鉆屑通過泵打入調質系統并細化，同時按照流體燃料化配方向調質系統中加藥，完成細化調質。

(3)乳化分散穩定系統。細化調質后泵入均化分散穩定系統，并補充適當乳化劑，均化分散穩定后的流體燃料通過抽樣檢測合格后直接進入成品系統，成為流體燃料產品。

(4)若不合格就直接再進行調質、均化穩定，直到達到流體燃料產品要求進入儲存系統。

整個工藝流程設備、管線定期的清洗采用調質劑進行清洗，整個清洗過程中也是全封閉式，不會產生二次污染物質。

2.油基鉆屑流體燃料化工藝特點

(1)工藝簡單、成本低、處理徹底。該技術突破了其它現有油基鉆屑處理技術的難題：即處理后的油基鉆屑仍然是固廢。油基鉆屑通過“油氣工程領域油基鉆屑資源化”技術應用，在現場將油基鉆屑隨鉆處理為合格產品。離開鉆井現場的 “流體燃料”是一種安全的產品，能夠安全運輸及儲存。

(2)該技術實現了在現場生產成安全合格的“流體燃料”，該產品符合中華人民共和國環境保護部2012年頒布的《石油天然氣開采業污染防治技術政策》第四條污染治理、第五條鼓勵研發的新技術的相關要求，可以實現油田鉆井現場“零污染、零落地、資源化利用”。

(3)該技術裝備能夠有機并入鉆井系統，實現隨鉆處理，實現“不落地、零污染”，處理能力3～4 m3/h。

四、現場應用

1. GS307-2井現場應用

GS307-2HF井水平段油基鉆井液鉆進685 m。鉆井過程中，產生油基鉆屑167 t。改質過程中，改質配方為：70%油基鉆屑+8%調質劑+ 22%水。通過隨鉆改質，共計生產燃料漿239 t，平均日產量15.8 t。

2. JS33-19HF井現場應用

JS33-19HF井水平段油基泥漿鉆進1 001 m。改質過程中，改質配方為：67%油基鉆屑+8%調質劑+ 25%水。通過隨鉆改質，共計生產燃料漿504 t，平均日產量20.5 t。

3. 經濟效益分析

油基鉆屑改質流體燃料處理工藝與頁巖氣某區塊熱解析等處理工藝相比，處理成本相當。但油基鉆屑改質流體燃料可以作為燃料產品銷售，增加了經濟收入，燃燒環保，具有顯著的經濟和社會效益。

五、結論

(1)本文油基鉆屑處理存在的二次污染、能耗高、油回收利用率較低、處理成本高、安全性能較差等問題，形成了油基鉆屑流體燃料化處理技術。

(2)油基鉆屑改質流體燃料燃燒性能與水煤漿對比分析，其指標達到水煤漿一級標準，是一種理想的流體燃料，改質燃料燃燒過程污染平均值達到環境指標評價合格，燃料燃燒后殘渣污染達到廢水綜合排放標準。

(3)通過撬裝式油基鉆屑改質流體燃料處理，實現了鉆進過程中現場隨鉆、快速、安全處理油基鉆屑，并在GS307-2井、JS33-19井成功應用。