油氣田鉆井含油固廢熱餾處理技術及應用＊

周素林

(1.中石化江漢石油工程有限公司環(huán)保技術服務公司；2.中石化江漢石油工程有限公司拜城環(huán)保分公司)

0 引 言

油基鉆井液以礦物油為連續(xù)相配制，具有抗高溫、抗鹽鈣侵蝕、有利于井壁穩(wěn)定、潤滑性好、對油氣層損害小等優(yōu)點，廣泛應用在各類鉆井工程，特別是頁巖氣、天然氣的勘探開發(fā)中。油基鉆井液使用后產(chǎn)生廢油基鉆井液及鉆屑等含油固廢，屬于《國家危險廢物名錄》HW08廢礦物油與含礦物油廢物，是油氣田勘探開發(fā)必須解決的環(huán)保問題。

隨著公眾對于土壤環(huán)保問題的日益重視以及“土十條”的發(fā)布，含油固廢的有效處理技術，不僅是踐行國家大政方針的具體體現(xiàn)，也是遵守國家環(huán)保法律法規(guī)的必然要求。含油固廢的有效處理是企業(yè)必須履行的社會責任。

1 含油固廢主要處理技術

含油固廢安全回注、固化、填埋、干化、焚燒、超重力離心等處理技術已不能滿足環(huán)保要求[1]，目前對油基鉆屑處理技術的研究主要集中在微波技術、除油劑化學熱洗技術、常溫深度脫附技術(LRET技術，Liquid of Oil-based Mud Reuse for Environmental Technology)、生物降解技術、熱餾技術等，這些主流技術中還有部分技術處于中試階段。其中，經(jīng)過多年的研究與試驗，熱餾技術已成功應用于現(xiàn)場實踐。

1.1 微波技術

微波技術處理含油固廢的理論源于微波的熱效應，是一種全新的加熱方式，依靠微波穿透物料內(nèi)部，極性分子之間相互作用轉(zhuǎn)化為熱能，使物料整體同時獲得熱量而升溫。微波加熱是一種“冷熱源”，它通過電磁能與物體產(chǎn)生作用，通過能量的轉(zhuǎn)化形成熱效應。而物體的溫升主要是由于極性分子在微波場中發(fā)生激烈的振動，由于物質(zhì)內(nèi)部存在分子的無規(guī)則熱運動和分子間作用力，分子之間產(chǎn)生相互碰撞和摩擦，即表現(xiàn)為物體的溫度升高[2]。

微波技術體現(xiàn)出的優(yōu)勢與劣勢很明顯，優(yōu)勢：加熱均勻，穿透性好，熱慣性小，易于控制。劣勢：1)選擇性加熱，只有極性分子吸收微波，加熱速度慢，耗時長，處理效率不高；2)對含氧量的控制極高，危險系數(shù)增加；3)對物料的要求高，含油固廢雜質(zhì)過多，一旦混入放電物質(zhì)，設備運行極不安全[3]。微波基本控制界面示意見圖1。

圖1 微波基本控制界面示意

1.2 除油劑化學熱洗技術

除油劑化學熱洗技術的處理效果完全取決于除油劑，除油劑為表面活性劑，一般由幾種物質(zhì)協(xié)同作用，主要是利用它較強的乳化、增溶、洗滌特性等，在適合的溫度、時間條件下破壞體系的穩(wěn)定性，使其中的油聚集并析出。經(jīng)過破乳、絮凝，含油固廢分為油、水、固三相，通過物理強效分離設備，可以較好地實現(xiàn)固液分離[4]。

除油劑化學熱洗技術主要工藝流程見圖2。該技術具有設備簡單、能耗低、反應條件易達到的優(yōu)點。但除油化學劑針對性很強，一般均需根據(jù)不同地層、不同配方含油固廢的特性，研制合適的除油劑，并與輔助處理劑協(xié)調(diào)作用，因此，不具有普適性；對分離設備的性能要求較高，一般分離設備不能達到分離效果；數(shù)據(jù)顯示，即使除油劑的除油效果達90%以上，處理后的含油率指標也很難達到<2%或<0.3%的要求。

圖2 除油劑化學熱洗技術主要工藝流程

1.3 LRET技術

LRET技術[5]是一種常溫深度脫附技術，利用了油基鉆井液與油基固體廢物的密度差，采用多級多效變頻耦合離心技術，在針對油基鉆井液廢物粒徑分布、黏度等特性研究的基礎上，優(yōu)化設計離心力場，有效實現(xiàn)大部分油基鉆井液的回收；經(jīng)高效離心分離處理后形成的油基固體廢物含油率在5%～10%，為中間產(chǎn)品，須進行后端深度脫附處理。采用高效處理劑，在常溫常壓下，快速實現(xiàn)鉆井液添加劑、油基鉆井液、鉆屑等各類物質(zhì)之間的高效混合和分離。回收油基固體廢物中的油，并控制最終泥土固相中含油率小于0.3%的要求。

LRET技術更注重油基鉆井液的循環(huán)再利用，其加工工藝和處理環(huán)節(jié)比較復雜，主要工藝流程見圖3。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，回收的油基鉆井液因成分不均勻，并不能大量直接利用，需根據(jù)不同批次，進行復配，滿足鉆井需求后才能回用。新疆地區(qū)某環(huán)保站使用LRET技術回收了大量的油基鉆井液，但大部分都就地儲存，利用率較低。

圖3 LRET技術主要工藝流程

1.4 生物降解技術

生物降解技術被認為是最經(jīng)濟和最具有永續(xù)利用價值的環(huán)保型技術，生物降解技術主要工藝流程見圖4。利用微生物對含油固廢進行土壤可耕作式功能修復和改善，并將含油固廢中的石油烴類降解為無害成分。據(jù)有關資料顯示，生物降解法要求篩選降解能力強的菌種，處理過程中需要控制溫度、濕度等環(huán)境條件，還要定期施加營養(yǎng)物質(zhì)，存在環(huán)境風險；周期長(約30 d一個周期)，降解場占地面積大，大多用于陸地處理，針對性強；施工操作難度大，對操作人員的專業(yè)化要求也很高，使這項技術的現(xiàn)場應用受到了極大的限制[6]。

圖4 生物降解技術主要工藝流程

1.5 熱餾技術

熱餾技術主要利用混合液體或液-固體系中各組分沸點不同的特性，采用物理蒸餾實現(xiàn)固液分離，混合和黏附在巖屑表面的基礎油、水達到氣化溫度后轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗾舭l(fā)，吸附在巖屑內(nèi)部的基礎油在水蒸氣、分解產(chǎn)物(油基鉆井液調(diào)質(zhì)處理劑高溫下產(chǎn)生的)的汽提作用下，變?yōu)闅庀嗾舭l(fā)，由于水蒸氣、調(diào)質(zhì)處理劑分解產(chǎn)物的存在降低了油分子的蒸氣分壓，也有利于油品汽化。熱餾技術以物理蒸餾為設計理念，以固相得到凈化及永久性處理、油得到凈化及重復利用、水得到凈化并循環(huán)利用，氣得到收集凈化及資源化利用為宗旨，以環(huán)境保護為目標。該技術的反應條件是在絕氧氣氛下加熱至500℃左右，避免了溫度高可能發(fā)生熱裂解或其他高溫條件下的化學反應、溫度高帶來的能耗高等問題。設備一次性投資，無需添加處理劑，回收絕大部分基礎油，可最大限度實現(xiàn)資源化利用，已經(jīng)在重慶涪陵國家級頁巖氣產(chǎn)能建設示范區(qū)、塔里木盆地成功應用。

2 熱餾技術工藝簡介

2.1 熱餾技術工藝流程

熱餾處理工藝分三級4個環(huán)節(jié)，體現(xiàn)的是一種梯級處理理念，第一級是預處理工段，使原料滿足連續(xù)生產(chǎn)的均勻性和一致性要求；第二級是多級離心分離工段，采用常溫常壓分離工藝，使含油固廢中的固相和液相充分分離，回收合適油水比的稀相油基鉆井液；第三級是無害化工段，將第二段分離的含油固廢通過脫附處理，進一步回收巖屑中的油品，并使排放的還原土含油率低于0.3%。

含油固廢的處理分為4個環(huán)節(jié)，第一個環(huán)節(jié)是進料，進料方式有螺旋輸送、泵送、刮板機輸送幾種形式，進料環(huán)節(jié)控制的要點：1)無氧輸送；2)連續(xù)輸送；3)可計量；4)可篩選；5)均勻分布。針對含油固廢這類黏稠性較大、含油率高、性能不穩(wěn)定的物料，實現(xiàn)有效控制是關鍵。

第二個環(huán)節(jié)是處理，采用固定式移動床帶動顆粒物料連續(xù)流動，在均勻布料、無氧條件下，以輻射、傳導、對流傳熱3種形式，物料溫度逐漸升高，在一定的停留時間下，物料以間接吸熱方式，實現(xiàn)固液分離。

第三個環(huán)節(jié)是油氣冷凝分離，處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生的水蒸汽、油氣等，都需進行收集、冷凝、分離、回收。油氣冷凝分離主要工藝流程見圖5。在進行冷凝前，務必增加除塵環(huán)節(jié)，油氣冷凝后得到油水混合物，自然分層，分別收集油相和水相。

圖5 油氣冷凝分離主要工藝流程

第四個環(huán)節(jié)是出渣，出渣最主要的功能是實現(xiàn)連續(xù)輸出、絕氧、降溫壓塵。國內(nèi)使用的出渣系統(tǒng)，第一級密封一般在處理環(huán)節(jié)，第二級輸出設備大多以螺旋輸送機為主，輸送機與料箱連接，起到了第二級密封，也稱作料封作用，保證整個過程的無氧連續(xù)輸出。

2.2 熱餾技術優(yōu)勢

1)達標處理。處理后的還原土含油率低于0.3%，基礎油回收率達到99.5%以上，達到GB 4284—2018《農(nóng)用污泥污染物控制標準》、SYT 7301—2016《陸上石油天然氣開采含油污泥資源化綜合利用及污染控制技術要求》等標準要求[7]。

2)連續(xù)運行時間長、處理效率高。采用熱餾技術的成套設備已在重慶涪陵、新疆連續(xù)運行30～45 d，單套設備處理量100～250 t/d，可提供多井同時產(chǎn)出含油固廢的鉆后治理配套服務，更適應市場需求。

3)資源化利用自成閉環(huán)思路。熱餾技術的第一、二級處理過程產(chǎn)生的稀相油基鉆井液，回用于摻配油基鉆井液；第三級處理后的回收油、水、不凝氣、還原土的資源化利用自成閉環(huán)。油氣冷凝后產(chǎn)生的回收油，經(jīng)檢測，柴油品質(zhì)較好，凈化后，可用于配制油基鉆井液或作為優(yōu)質(zhì)的工業(yè)原料；處理中產(chǎn)生的不凝氣，進入回收利用裝置，凈化后作為燃料氣重復利用；冷卻循環(huán)水處理后，繼續(xù)作為循環(huán)水使用或用于冷卻降塵；處理后的土渣，可以用于鋪設服務油田生產(chǎn)的各種內(nèi)部道路、鋪墊井場、固廢場封場覆土及作為自然坑洼填充材料、做水泥基材等。

3 熱餾技術現(xiàn)場應用情況

3.1 西南工區(qū)工程應用情況

為了攻克頁巖氣國產(chǎn)化開發(fā)中的環(huán)保瓶頸，2015年初，熱餾技術研發(fā)成功，并應用于重慶涪陵國家級頁巖氣產(chǎn)能建設示范區(qū)，建設了一座油基巖屑回收利用中心。第一套裝置設計處理能力為100 t/d，實際運行為80 t/d；第二套裝置技術升級后，實際運行處理能力為120 t/d，處理能力提升50%。目前已建設處理裝置3套，年處理能力7萬t。在涪陵國家級頁巖氣產(chǎn)能建設示范區(qū)，市場占有率達90%以上，截至目前，已累計處置油基巖屑20萬t，為國家級頁巖氣產(chǎn)能建設示范區(qū)提供了有力的環(huán)保支撐。

3.2 西北工區(qū)工程應用情況

隨著國產(chǎn)化熱餾技術逐步發(fā)展成熟，公司在西氣東輸?shù)臍庠吹亟ㄔO了一座油基巖屑處理站，將熱餾技術運用于某油田超深、超高溫井天然氣勘探開發(fā)，為該油田油氣產(chǎn)能建設突破3 000萬t油氣當量提供了鉆后治理環(huán)保技術支撐，隨著熱餾技術的升級換代，裝置普適性較強，可處置液相占比5%～40%，固相占比50%～90%的含油固廢，裝置具備自動化程度高、連續(xù)運行時間長、安全環(huán)保等優(yōu)勢。按照當?shù)貙τ蜌馓镢@井廢物綜合利用污染控制要求，處置后產(chǎn)生的還原土含油率、各項重金屬指標均可達到DB 65/T 3997—2017《油氣田鉆井固體廢物綜合利用污染控制要求》，有效減小了油氣田鉆井廢物的環(huán)境污染，該技術有較好的市場發(fā)展前景。

4 結(jié) 論

1)熱餾技術處理油氣田鉆井含油固廢具有處理效果達標、安全性高、適應性強的特點。其核心技術為適溫下的物理分離，對環(huán)境影響小，資源回收利用率大。目前開發(fā)的第4代產(chǎn)品，處理能力達4～6 t/h，連續(xù)工作時間30～45 d，年處理能力3～5萬t。處理后的產(chǎn)物采取相應的資源化利用途徑，最大的優(yōu)勢是回收的油、不凝氣經(jīng)凈化處理后可直接供給熱餾裝置的運行，或作為優(yōu)質(zhì)工業(yè)原料，達到安全環(huán)保節(jié)能降耗要求。

2)目前油氣田鉆井含油固廢的處理技術中，微波技術、除油劑化學熱洗技術、生物降解技術、LRET技術等，均表現(xiàn)出相應的優(yōu)劣勢。隨著環(huán)保要求越來越高，在今后的創(chuàng)新技術發(fā)展上，應更加注重節(jié)能環(huán)保、清潔產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求，才能為油氣田綠色探勘開發(fā)做更多貢獻。