油基钻井岩屑处理技术展望

张博廉，操卫平，赵继伟，王德龙

（四川仁智石化有限责任公司， 四川 绵阳 621000）

油基钻井岩屑处理技术展望

张博廉，操卫平，赵继伟，王德龙

（四川仁智石化有限责任公司， 四川 绵阳 621000）

随着页岩气的勘探与开发，环保要求的严格，如何有效地、无害地处理和利用钻采过程中产生的油基钻屑将成为急需解决的问题。对油基钻屑的资源化、无害化适用处理技术进行了对比、分析、展望。

油基钻屑；处理技术；展望

随着天然气工业的发展，页岩气进入勘探开发阶段，根据国家能源局于2012年3月16日发布的《页岩气发展规划（2011-2015年）》，到2015年我国将基本完成全国页岩气资源潜力调查与评价，建成一批页岩气勘探开发区，初步实现规模化生产，页岩气年产量达到65亿m3[1]。油基泥浆具有抗高温、抗盐钙侵蚀，有利于井壁稳定、润滑性好、对油气层损害小的特点，使得在页岩气开采过程中将大规模使用[2]。钻采产生的油基钻屑其浸出液有较高毒性，且不同种类的化学处理剂使钻屑中各类污染物与无机固体之间的桥联结构稳固，其成分结构更加复杂化，客观上增加了工艺处理难度和处理成本。油基钻屑直接排放或简单的填埋处理，会对土壤和地下水形成严重污染，钻屑中还有可能含有大量的病原菌、寄生虫，铜、锌、铅、铬、汞等重金属，进而严重影响人类健康和生态环境[3-7]。

1 油基钻屑特点

钻采产生的钻屑一般含油率在 10%～40%，含水率10%～20%，其中还含有大量的苯系物、酚类、蒽、芘等有恶臭的有毒物质，成分比较复杂，属于多相体系，一般由水包油(O/W)、油包水(W/O)以及大量的悬浮固体组成，黏度较大，固相难以彻底沉降。表1为某页岩气井钻采产生的油基钻屑组成。

表1 某页岩气井油基钻屑组成Table 1 Composition of the oil-base drilling cuttings

图1 某页岩气井油基钻屑Fig.1 The oil-base drilling cuttings

2 油基钻屑适用处理技术

2.1 固化技术

固化处理是通过物理化学方法将油基钻屑固化或包容在惰性固化基材中的一种无害化处理技术，以便后续运输、利用或处置[8,9]。采用固化处理技术能较大程度地减少油基钻屑中有害离子和有机物对土壤的侵蚀和淋溶，从而减少对环境的影响和危害[10,11]。目前采用固化技术处理后的废物综合利用率较低，必须征用土地进行卫生或安全填埋，从而使土地的再利用价值低。该法并没有从根本上解决油基钻屑的无害化处理，反而增加了一些处理工程中的固化药剂费用，处理成本高、占地面积大，污染隐患未根本消除，因此处理量少时可考虑选用。

2.2 干化技术

国外 MI-SWACO公司有专门用于钻井过程中分离并干燥含油岩屑的装备，该设备被安放在振动筛的出口处，在分离并干燥岩屑的同时，油基钻屑循环到离心机以进一步清除其中的劣质固相。该设备的处理能力为 40 t/h，干燥之后的岩屑含油量为5%～6%。目前在中国区域内仅有3套处理装置，而且只带设备提供现场技术服务，不卖不租。

2.3 物化分离技术

物化分离法处理含油固废是目前国内相对成熟的处理工艺，应用范围较广，且取得了较为显著地经济效益[12-14]。采用物化分离回收油基钻屑中的油类主要是在于选择分离类型，既可以采用药剂分离，也可以使用机械分离。分离前须进行预处理，前期的预处理包括筛选、用水混匀搅拌，搅拌均匀后的污泥可以经过多级分离而实现油、砂、水的三相分离[15-16]。分离级数越多，处理效果越好，一般经过二级分离就使油基钻屑达到无害化要求。

2.4 焚烧技术

焚烧技术是一种简单而较实用的含油废物处理方法，在国外较为常用。采用焚烧法处理油基钻屑时，如果油基钻屑中含油量较高，其燃烧产生的热能还能回收利用，从而具有一定的经济价值和实用性[17]。焚烧法要求具有很高的温度(1 200～1 500℃)和能力回收装置，燃烧产生的气体须经过除尘装置和有害气体吸收装置以使烟气达到环保要求，剩余的灰烬可综合利用，如生产陶瓷颗粒等。油基钻屑焚烧前一般还需要经过脱水、干化等预处理工艺，以利于油基钻屑的引燃和焚烧，减少因含水率高而损耗热能。

焚烧处理法优点是油基钻屑经焚烧后，其中的大部分有害物质消除彻底，避免了对环境的污染，体积减容比高，处理工程安全；缺点是在焚烧过程中了产生了气体、颗粒物等二次污染，浪费了大量的废油资源，如能回收热能，则可减少浪费[18]。

2.5 高温裂解技术

高温裂解技术是在绝氧的条件下将油基钻屑加热到一定温度，废物中的轻组分油类和水分受热首先蒸发出来，不能蒸发的重组分油类通过热分解作用转化为轻组分，烃类物质在复杂的水合和裂化反应中分离出来，再以气态形式蒸发出来，并冷凝回收，从而实现油与钻屑分离的目的[19-22]。在高温裂解过程产生的气相经冷却后形成三种相态物质，气相以H2、CH4、CO等为主；液相以汽油、柴油、石蜡烃和H2O为主；固相为钻屑固相物与残炭。高温裂解工艺对油基钻屑处理的比较彻底，处理后的残留物含油可以达到0.01% (100 mg/kg)以下，残留固相物与残炭对环境无害，可以直接排放或填埋。目前国外商业化应用的主要有三类技术，TCC工艺、TPS工艺 和ATDU工艺。TCC工艺采用摩擦生热，将发动机的动力转换成热，可将油基钻屑加热至200～350 ℃，缺点在于无法达到更高温度；TPS工艺采用220～500 ℃间接加热，使用螺旋带动泥浆钻屑通过一个被加热的加热间，油水蒸馏出来以后被冷凝，然后对液态的油水混合物进行分离；ATDU工艺采用旋转式加热，并加一定的真空，将泥浆加热到315～760 ℃。油水蒸馏出来以后被冷凝，然后对液态的油水混合物进行分离。

利用高温裂解技术对油基钻屑进行无害化处理，具有较高的技术含量，反应条件要求苛刻、操作复杂繁琐，但是对油基岩屑中的油(烃类物质)回收率较高，处理后的残留固相物可以达到直接填埋的要求；缺点是热消耗大，投资较高，而且占地面积较大，一般适用于大规模的固定场站处理[23,24]。

2.6 生物处理技术

生物降解技术处理油基钻屑是以土壤修复的环保理念，利用微生物细菌对油基钻屑进行土壤可耕作式功能修复和改善，利用微生物将油基钻屑中的石油烃类降解为无害的土壤成分。经过降解处理过后的油基钻屑达到现场绿化的标准，并可用作耕种土壤，是一种从根本上消除油基钻屑污染并不产生二次污染的绿色环保技术[25-26]。适用于油基钻屑的生物处理技术主要有堆肥处理法、地耕法和污泥生物反应器法。

2.6.1 堆肥法

堆肥法是将油基钻屑与适量的调质材料充分混合后并成堆放置，利用天然微生物将油基钻屑中的石油烃类降解，处理后的油基钻屑可填埋或施用农田。主要有四种堆制方法有堤形堆肥法、静态堆肥法、封闭堆肥法和容器堆肥法[27-28]。

2.6.2 生物反应器法

生物反应器法是将油基钻屑稀释于装有营养介质的容器中，利用微生物降解油基钻屑中的石油烃类的方法。由于生物反应器可以人工控制氧气浓度、温度、营养物质等操作条件，石油烃类物质的降解速度较之其他生物处理过程更快，加入驯化过的高效烃类氧化菌，可加快烃类的生物降解[29]。生物反应器法适用于油基钻屑，也适用于油污土壤及含油钻屑，油基钻屑经处理后，液体部分可排入处置井(坑、池)或另作他用(如回用)。

根据有关资料显示，生物降解周期大约为30～60 d，有的降解时间甚至更长，降解受含油量、原油的物性、石油菌的生长和繁殖的条件(如温度、湿度等)多种因素的影响和制约，处理时还需较大的生化降解场地[30,31]。国外很多公司已经开始使用生物处理技术治理油基钻屑与岩屑，如壳牌、雪佛龙、哈里伯顿公司，同时在国内的部分油田环保施工中也进行了应用性试验。

2.7 几种技术比较

油基钻屑的处理技术多种多样，几种常规的处理技术都有各自的优缺点和适用范围（见表 2）。由于油基钻屑成分复杂，没有任何一种处理方法可以处理所有类型的含油泥砂，因此采用集成技术对油基钻屑进行分级处理十分必要。随着环保法规的日益严格和完善，油基钻屑的无害化、资源化、综合利用处理技术将成为油基钻屑处理技术发展的必然趋势。

表2 常规处理技术比较Table 2 Comparison of processing technologies

3 展 望

（1）油基钻屑的适用处理技术较多，各项技术都有自身的优缺点，因此在实际应用中要根据油基钻屑的具体特点选择不同的处理技术。油基钻屑含油较高时可采用高温裂解、焚烧、物化分离等技术手段回收油基钻屑中的油类，降低处理费用，创造一定的经济效益；而含油较低时可采用固化、干化、微生物处理等技术。高温裂解、焚烧等投资较大的处理技术适合于集中处理建厂、而干化、微生物处理则可应用于单井治理。

（2）单一处理技术可能难以达到标准要求，因此需要将多种处理技术联合应用，已达到环保要求，并降低处理成本，增加收益。

（3）随着环保法规的日益严格和完善，油基钻屑的无害化、资源化、综合利用处理技术将成为油基钻屑处理技术发展的必然趋势。

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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

四川省科技支撑计划项目，项目编号：2014GZ0070。

2014-05-14

张博廉（1985-），男，四川乐山人，硕士，工程师，2011年毕业于西南科技大学环境工程专业，主要从事油气田环境保护治理研究工作。E-mail：zhangboliank@163.com。