油基鉆屑熱餾處理技術(shù)及資源最大化梯級(jí)利用研究

摘要：油基鉆井液性能優(yōu)越，性價(jià)比高，在頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣開發(fā)中使用量越來(lái)越大，產(chǎn)生大量油基巖屑的資源最大化利用問題，一直制約著非常規(guī)油氣的綠色勘探開發(fā)。油基鉆屑主要有隨鉆減量、熱餾處理、油水氣渣資源最大化利用等管理過程。隨鉆減量采用“負(fù)壓振動(dòng)篩+甩干+多級(jí)離心”技術(shù)，回收的油基泥漿直接回井隊(duì)循環(huán)利用；熱餾處理采用熱脫附實(shí)現(xiàn)固液分離，得到熱脫附油、脫油灰渣、循環(huán)水、不凝氣等產(chǎn)物，脫油后的灰渣含油率不大于0.3%，達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限值要求；熱脫附油用以配制油基泥漿，其與老漿混配使用；脫油灰渣用于制備陶粒支撐劑，最大摻量達(dá)80%，利用率高；循環(huán)水處理后，各項(xiàng)指標(biāo)滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，它可用于配制壓裂返排液；不凝氣以CH4、C2H4、C2H6等為主，經(jīng)脫硫脫水凈化后，作為熱源供熱餾設(shè)備使用，全部回收利用，降低20%能耗。油基鉆屑在本生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源梯級(jí)利用，消除污染。該技術(shù)為非常規(guī)油氣綠色勘探開發(fā)、資源循環(huán)利用提供有效參考，為今后開發(fā)更具環(huán)保性的綠色技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：油基鉆屑；熱餾技術(shù)；油水氣渣；資源最大化；梯級(jí)利用

中圖分類號(hào)：X741 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2023）05-00-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.05.018

Abstract： The oil-based drilling fluid has superior performance and high cost performance， it is increasingly used in unconventional oil and gas development such as shale gas， which has led to the problem of maximizing the resource utilization of a large amount of oil-based cuttings， thus always constraining the green exploration and development of unconventional oil and gas. The main management processes for oil-based drilling cuttings include weight reduction while drilling， thermal distillation treatment， and maximizing the utilization of oil， water， gas and residue resources. The \"negative pressure vibrating screen+drying+multi-stage centrifugation\" technology is used for weight reduction while drilling， and the recovered oil-based mud is directly returned to the drilling crew for recycling; the thermal distillation treatment uses thermal desorption to achieve solid-liquid separation， obtaining products such as thermal desorption oil， deoiled ash residue， circulating water， non condensable gas， etc.， the oil content of the deoiled ash residue is not more than 0.3%， meeting the limit requirements of relevant standards; thermal desorption oil is used to prepare oil-based mud， which is mixed with old mud for use; the deoiled ash residue is used to prepare ceramic particle proppant， with a maximum dosage of 80% and high utilization rate; after the treatment of circulating water， all indicators meet the relevant technical specifications， and it can be used to prepare fracturing flowback fluid; non condensable gas mainly consists of CH4， C2H4， C2H6， etc.， after desulfurization， dehydration and purification， it is used as a heat source for heating and distillation equipment， all of which are recycled and reused， reducing energy consumption by 20%. Oil based drilling cuttings are achieved resource cascade utilization and eliminate pollution in this production system. This technology provides effective reference for green exploration and development of unconventional oil and gas， resource recycling， and lays the foundation for the future development of more environmentally friendly green technologies.

Keywords： oil-based drilling cuttings; thermal distillation technology; oil， water， gas and residue; resource maximization; cascade utilization

近年來(lái)，我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)行業(yè)發(fā)展迅猛，它是當(dāng)今備受關(guān)注的一種非常規(guī)天然氣資源。油基鉆井液因性能優(yōu)越，性價(jià)比高，在頁(yè)巖氣開采過程中大量使用。油基鉆井液與破碎的石塊、巖屑混合后產(chǎn)生一種固體廢物，即油基巖屑，它屬于危險(xiǎn)廢物，油基巖屑的收集、轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存、處置、利用等過程需要進(jìn)行嚴(yán)格管控。2021年底，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《危險(xiǎn)廢物環(huán)境管理指南 陸上石油天然氣開采》，對(duì)石油天然氣開采產(chǎn)生的主要危險(xiǎn)廢物進(jìn)行界定，其中，廢棄油基泥漿及巖屑是頁(yè)巖氣開采的主要危險(xiǎn)廢物，油基巖屑污染一直是頁(yè)巖氣行業(yè)環(huán)境保護(hù)關(guān)注的重點(diǎn)。

隨著國(guó)家環(huán)保要求的日益提高，油基巖屑的污染防治技術(shù)一直處于創(chuàng)新發(fā)展階段。2013年，重慶涪陵國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)率先建成，促進(jìn)了油基巖屑的處理及資源化利用技術(shù)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外油基巖屑處理技術(shù)以熱脫附為主，配套技術(shù)及裝備成熟。油基巖屑的資源化利用主要是針對(duì)熱脫附后的脫油灰渣，有制水泥、制陶粒、制混凝土、制磚、制路基材料等利用方向，各地對(duì)油基巖屑的綜合利用處于探索階段，國(guó)家的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和相關(guān)政策還沒有出臺(tái)。油基巖屑污染防治以隨鉆減量、熱餾處理、油水氣渣資源最大化利用為主的梯級(jí)管理模式已在重慶市涪陵區(qū)成功應(yīng)用，為強(qiáng)化油基巖屑安全環(huán)保治理提供技術(shù)支撐。

1 油基巖屑隨鉆減量處理

《頁(yè)巖氣 環(huán)境保護(hù) 第1部分：鉆井作業(yè)污染防治與處置方法》（GB/T 39139.1—2020）要求，油基巖屑在井場(chǎng)采用離心機(jī)、甩干機(jī)等固液分離裝置進(jìn)行減量處理，回收油基泥漿。

1.1 油基巖屑隨鉆處理技術(shù)

油基巖屑隨鉆處理技術(shù)采用“負(fù)壓振動(dòng)篩+甩干+多級(jí)離心”，回收的10%～20%油基泥漿直接回井隊(duì)循環(huán)利用。最早使用的中速離心機(jī)可以分離低黏度泥漿中最小直徑5 μm的固相顆粒，對(duì)于更細(xì)小的顆粒和高黏度泥漿或油基泥漿中的顆粒，分離效果不佳。為了達(dá)到源頭減量回收油基泥漿的目的，人們研發(fā)出高速離心機(jī)，泥漿在滾筒中高速旋轉(zhuǎn)，被甩到筒壁上形成一個(gè)液圈，液圈中的固相顆粒受到大于自身重力幾百倍甚至幾千倍的離心力作用，克服泥漿黏度的阻力，快速沉降到滾筒內(nèi)壁上，形成固相層，即大顆粒巖屑，液體形成液相層可回用的油基泥漿。

1.2 油基巖屑隨鉆處理應(yīng)用實(shí)踐

我國(guó)西南地區(qū)已形成基于現(xiàn)場(chǎng)隨鉆的“負(fù)壓篩+甩干+兩級(jí)離心”減量處理模式，最高回收20%的油基泥漿，直接返回井隊(duì)泥漿罐循環(huán)利用，這種處理模式也歷經(jīng)多年的發(fā)展[1]，油基巖屑隨鉆處理已在重慶市、四川省、湖北省等區(qū)塊大面積開展工程應(yīng)用。

2 油基巖屑熱餾處理

《頁(yè)巖氣 環(huán)境保護(hù) 第1部分：鉆井作業(yè)污染防治與處置方法》（GB/T 39139.1—2020）要求，預(yù)處理后的大顆粒巖屑宜采用熱脫附等工藝進(jìn)行資源化處理。

2.1 熱餾處理技術(shù)

油基巖屑熱餾處理技術(shù)是熱脫附技術(shù)的一種，該技術(shù)的主要裝置是鏈?zhǔn)竭B續(xù)熱脫附分離器，處理過程是在高壓泵送作用下，將油基巖屑以連續(xù)、均勻的方式在絕氧或缺氧的分離器中分布，通過燃燒天然氣間接供熱，將分離器內(nèi)部溫度升高至各類揮發(fā)烴的揮發(fā)溫度，但低于裂解溫度，油基巖屑中的水和油蒸發(fā)，與固相分離，產(chǎn)生的油水混合蒸汽通過氣體揮發(fā)線在負(fù)壓作用下進(jìn)入冷凝分離器進(jìn)行回收，脫油灰渣通過出料裝置連續(xù)排出分離器，實(shí)現(xiàn)油基巖屑的減量化，回收熱脫附油、脫油灰渣、循環(huán)水、不凝氣等副產(chǎn)物，脫油后的灰渣含油率不大于0.3%，達(dá)到《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB 4284—2018）、《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(shù)要求》（SY/T 7301—2016）等的限值要求。

油基巖屑經(jīng)隨鉆減量后可以直接回收油基泥漿，這部分油基泥漿含水含油率較高，剩余大顆粒巖屑的含水含油率顯著降低。熱餾處理主要是為了分離巖屑中的油和水，通過初級(jí)利用，促進(jìn)熱餾處理階段減少熱脫附的熱量消耗、減少污染排放、降低處理成本、提升處理效率、改善處理效果。

2.2 熱餾技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

國(guó)內(nèi)油基鉆屑熱脫附技術(shù)主要以中石化江漢石油工程有限公司的油基巖屑熱脫附（燃燒加熱式）裝備為代表，在重慶涪陵國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其建設(shè)了首座油基巖屑回收利用站，擁有3條處理線，年處理能力為7萬(wàn)t，市場(chǎng)占有率達(dá)90%，已累計(jì)處置油基巖屑15萬(wàn)t。

該技術(shù)在西氣東輸氣源地推廣應(yīng)用，當(dāng)?shù)匾呀?jīng)建設(shè)一座油基巖屑處理站，擁有2條處理線，年處理能力為10萬(wàn)t，為塔里木油田建設(shè)提供了環(huán)保技術(shù)支撐。目前，該技術(shù)及裝備已在湖北省、重慶市、四川省、新疆維吾爾自治區(qū)推廣應(yīng)用。該裝備已升級(jí)到第四代，具有連續(xù)運(yùn)行、處理達(dá)標(biāo)、可適性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3 油基巖屑熱餾產(chǎn)物資源化利用

油基巖屑熱脫附處理后，副產(chǎn)品油、水、氣、渣均在本系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源化利用。按照質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)算，回收3%～5%水、3%～5%不凝氣、10%～20%熱脫附油、70%～80%脫油灰渣。其中，水、不凝氣的產(chǎn)生量小；熱脫附油油品質(zhì)量較好，利用價(jià)值大；剩余脫油灰渣產(chǎn)生量大，產(chǎn)品附加值難以體現(xiàn)，消納量小。

3.1 熱脫附油混配油基鉆井液

3.1.1 熱脫附油性能分析

熱脫附油按照《車用柴油》（GB 19147—2016）開展對(duì)標(biāo)分析，由表1數(shù)據(jù)可以看出，多項(xiàng)指標(biāo)中，除硫含量、10%蒸余物殘?zhí)績(jī)身?xiàng)指標(biāo)外，其他指標(biāo)均滿足《車用柴油》（GB 19147—2016）規(guī)定的0號(hào)柴油技術(shù)要求。

油基巖屑中回收的熱脫附油可用于配漿，具有經(jīng)濟(jì)、低耗、節(jié)能等特點(diǎn)，其在生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)回收利用。油基巖屑熱脫附油在配漿及老化試驗(yàn)中有明顯異味，該異味主要來(lái)源于低餾點(diǎn)（小于200 ℃）物質(zhì)，采用選擇性官能團(tuán)吸附技術(shù)對(duì)熱脫附油進(jìn)行除臭，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得較好的效果[2]。

3.1.2 熱脫附油膠液性能分析

按照某頁(yè)巖氣區(qū)塊在用油基鉆井液體系配方，開展性能評(píng)價(jià)，加重后的密度按1.5 g/cm3來(lái)配制。體系配方由兩部分組成，一是基礎(chǔ)油，二是主乳化劑（3.2%）+輔乳化劑（0.8%）+有機(jī)土（1%）+堿度調(diào)節(jié)劑（2%）+油基降濾失劑（3%）+乳化瀝青（2%）+加重材料。取2種熱脫附油，配制油基膠液，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。由表2可知，以同一工藝、不同條件回收的熱脫附油配制油基鉆井液，其在常溫及熱滾狀態(tài)下的性能較為穩(wěn)定。

3.1.3 熱脫附油混配油基鉆井液性能分析

配制全柴油膠液、混合油膠液（熱脫附油∶柴油=1∶4）兩種膠液，井漿與膠液按80∶20的比例混合，然后測(cè)定混漿性能，并測(cè)試循環(huán)井漿的性能，如表3所示。對(duì)于混漿，柴油添加2%潤(rùn)濕劑，混合油添加2%潤(rùn)濕劑；對(duì)于循環(huán)井漿，柴油不添加潤(rùn)濕劑。經(jīng)混配試驗(yàn)，熱脫附油與柴油以1∶4混合，摻加量為20%，配制的膠液與循環(huán)井漿混合使用，各項(xiàng)性能達(dá)到使用要求。熱脫附油混配油基鉆井液使用量目前已經(jīng)超過5 000 t，應(yīng)用數(shù)百口井，利用效果較好。

3.2 脫油灰渣資源化利用

脫油灰渣資源化利用應(yīng)遵循不同時(shí)期國(guó)家法律法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，貫徹落實(shí)法律確立的重大原則及相關(guān)規(guī)定，符合國(guó)家發(fā)展政策，制定有效的技術(shù)路線。

3.2.1 脫油灰渣主要成分分析

脫油灰渣的主要構(gòu)成是地層碎巖屑、加重材料、少量有機(jī)土粉，其他性能添加劑比例較少，且在前流程的管理中以不同形態(tài)存在于油基泥漿、工藝水、熱脫附油等介質(zhì)中，剩余在脫油灰渣中的量較少。對(duì)脫油灰渣開展成分分析，從表4數(shù)據(jù)可以看出，SiO2、A12O3、CaO三者含量相對(duì)較高，組分波動(dòng)范圍較大。

3.2.2 脫油灰渣制陶粒

脫油灰渣的主要成分與黏土組成相近，產(chǎn)品化、資源化路線研究較多，已形成制水泥[3]、制陶粒[4]、制混凝土、制磚[5]、制路基材料[6]等利用途徑。以制水泥利用較多，但摻加量少，一般為2%～3%，消納量少，且脫油灰渣中含有對(duì)水泥產(chǎn)品產(chǎn)生影響的有害組分。制混凝土、制磚、制路基材料均沒有實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，沒有徹底解決灰渣資源化問題。

脫油灰渣制陶粒具有較好的前景，市場(chǎng)需求大，其組分與陶粒燒制材料的組分相容。重慶市涪陵區(qū)已率先將其作為示范項(xiàng)目開展建設(shè)，以100%脫油灰渣燒制建筑陶粒，其最大抗折強(qiáng)度可達(dá)80 MPa，并以脫油灰渣燒制陶粒支撐劑，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)72 MPa，最大摻量達(dá)80%。

3.3 回收水資源化利用

熱脫附處理產(chǎn)生少量廢水，這部分水主要來(lái)源于油基巖屑，年處理5萬(wàn)t油基巖屑，回收水產(chǎn)生量按5%計(jì)算，年度產(chǎn)生2 500 t，經(jīng)除油-絮凝-沉降-氣浮-過濾工藝處理后，各項(xiàng)指標(biāo)滿足《頁(yè)巖氣壓裂液配制和返排液回收處理技術(shù)規(guī)范》（Q/SH 0444—2017）的回用水質(zhì)要求，其可用于配制壓裂返排液。

3.4 回收不凝氣資源化利用

不凝氣成分以CH4、C2H4、C2H6、C2H8、O2、H2等為主，經(jīng)脫硫脫水凈化后，作為熱源供設(shè)備使用，達(dá)到100%回收利用，綜合熱值為10 464.6～14 650.5 kJ，節(jié)約20%能耗。

4 結(jié)論

油基巖屑隨鉆減量、熱餾處理、油水氣渣資源最大化利用為主的梯級(jí)管理模式能最大限度吃干榨盡油基巖屑在不同階段的剩余價(jià)值，歷經(jīng)多年的發(fā)展，目前已經(jīng)形成油基巖屑梯級(jí)利用技術(shù)。固廢資源化利用是國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展的，脫油灰渣用作原材生產(chǎn)產(chǎn)品是發(fā)展方向，仍需要最大限度挖掘產(chǎn)品價(jià)值。要充分結(jié)合不同時(shí)期法律法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)向作用，探索綠色環(huán)保的油基巖屑處理技術(shù)及運(yùn)行模式。油基巖屑的終端處理應(yīng)以無(wú)害化為根本目的，將減量化和資源化作為廢物無(wú)害化管理的重要手段，減量化、資源化先行，樹立廢物產(chǎn)品化管理理念，有助于低碳節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展。

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