海上油基钻屑电磁热脱附装置投料量与脱附时间的优化研究
2022-09-26马树奎
马树奎
（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，天津 300459）
随着我国经济、科技的持续快速发展，对能源的需求不断增加，石油资源的供需矛盾日益凸显。为了平衡供需矛盾，国内的石油企业不断加大勘探开发力度，但长期的勘探、开发，使得大型常规油气田的开发难度越来越大，油气田的现状是目的层深，油藏隐蔽，地质情况复杂，开发难度较大。
钻井液作为钻井作业的循环液体，对保障钻井的安全、质量、效率，以及保护油气层，有着至关重要的作用。按照分散介质（连续相）进行区分，目前使用较多的钻井液，可分为水基钻井液和油基钻井液。水基钻井液的成本低，污染相对较小，但易污染油气层，不能重复利用。油基钻井液具有抗高温、抗盐钙侵、有利于井壁稳定、润滑性好、可重复使用等诸多优点，目前被广泛应用于高难度钻井作业中[1-2]。
油基钻井液的废弃物主要为油基钻屑。油基钻屑是在钻井液作业过程中，油基钻井液从地层携带出来的岩屑或泥土，是一种含有矿物油、水、钻井添加剂及重金属的复杂体系，若不经处理直接排放到环境中，会对地表植被、地下水、海洋造成严重污染，直接或间接地对动植物及人类健康产生巨大的危害。依据《国家危险废物名录》，油基钻屑被定义为危险废物，具有毒性（T），需由具有危险废物经营许可证资质的专业机构进行处置。按照《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》的规定，“渤海、北部湾禁止排放非水基钻井液钻屑，其他一级海域要求含油率≤1%；二级海域含油率≤3%；三级海域≤8%”。不断增长的油基钻屑已成为了石油企业的严重负担，因此，研究油基钻屑的处理技术，将油基钻屑变废为宝，实现无害化及资源化利用，具有重要意义[3-4]。
热脱附技术[5-9]是采用间接加热的方式，在无氧或缺氧的条件下，使油基钻屑中的石油烃、水等成分蒸发，蒸发的石油烃和水经冷凝回收后分离，回收油可用于配制钻井液、作为燃料或其他用途，固体残渣可达标排放或进行资源化利用。
欧美国家对油基钻屑无害化处理的研究较早，30年前就研发了油基钻屑热解脱附技术，其技术研究、装备制造和现场应用都处于行业领先水平。热解脱附技术的核心为间接无氧密封加热脱附技术（TDU）和转子定子摩擦直接加热脱附技术（TCC），2种技术基本垄断了国外90%的含油钻屑热解处理市场[10]。
国内针对油基钻屑处理技术的研究从2015年开始起步，大多数企业聚焦于TDU。经过近几年的发展，技术已逐步成熟，配合预处理工艺，可满足陆地油田作业的需求。海上钻井平台的面积小，陆地的常规热脱附设备的体积庞大，且多使用天然气作为能源，不符合海上平台的生产条件。因此，海上油田作业者使用针对海上平台需求开发的电磁热脱附处理装置，在南海持续进行油基钻屑处理作业，实现了油基钻屑的固相达标排放、液相回用配制钻井液的目标。
1 实验部分
1.1 操作流程
油基钻屑电磁热脱附装置的流程图见图1。
图1 电磁热脱附装置的流程图Fig.1 Flow chart of electromagnetic thermal desorption device
1.2 实验方法
1.2.1 油基钻屑的热脱附实验流程
油基钻屑由柱塞泵输送到电磁热脱附设备反应釜内，350℃下进行热脱附，脱附时间为1200s。热脱附产生的气相产物通过冷凝系统回收。检测脱附干渣（固相）的含油率，验证热脱附效果。
1.2.2 油、水、固体等含量的检测
油、水、固体等含量的检测方法，参照GB/T 16783.2-2012《石油天然气工业钻井液现场测试第2部分：油基钻井液》。
1.2.3 油基钻屑的排放标准
参照GB 4914-2008《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》。
2 结果与讨论
2.1 油基钻屑的基本性质
油基钻屑为黑色黏稠状固体，无可见的游离液体。按照GB/T 16783.2-2012中规定的方法，对油基钻屑中油、水、固体的含量进行测定，结果见表1。
表1 油基钻屑中油、水、固体的含量Table 1 content of Oil, water and solid in oil-based drilling cuttings
2.2 油基钻屑的热脱附过程
在热脱附过程中，随着温度升高，油基钻屑中的水和低馏点石油烃首先蒸发，钻屑黏度逐渐升高，搅拌电机的电流上升。温度达到350℃时，高馏点的石油烃开始蒸发，含油率逐渐下降，钻屑黏度也逐渐降低，搅拌电机的电流下降。因此搅拌电机的电流可以直观反映钻屑含油率的变化过程。
2.3 投料量对反应过程的影响
考虑到电磁热脱附装置的反应釜容积、结构及搅拌电机的载荷，电磁热脱附装置的进料量不宜超过400kg。分别选择400kg、350kg、300kg、250kg油基钻屑作为进料量，通过柱塞泵泵送到电磁热脱附装置的反应釜内，记录各进料量的脱附过程，结果见图2～图5。
图2是400kg投料量的脱附过程。由图2可知，油基钻屑进入反应釜内开始升温，150s时，钻屑中的水分开始快速蒸发，随后轻组分石油烃蒸发，钻屑黏度逐渐升高，搅拌电机的电流快速上升，450s时达到最高。随着石油烃的持续蒸发，钻屑黏度开始下降，搅拌电机的电流快速下降，800s后呈现稳定输出状态，说明热脱附过程接近结束。
图2 400kg投料量的脱附过程Fig.2 desorption process of 400kg feed
图3是350 kg投料量的脱附过程。由图3可知，油基钻屑进入反应釜内开始升温，50～100s，钻屑中的水分开始快速蒸发，随后轻组分石油烃蒸发，钻屑黏度逐渐升高，搅拌电机的电流快速上升，300～350 s时达到最高。随着石油烃的持续蒸发，钻屑黏度开始下降，搅拌电机的电流快速下降，750s后呈现稳定输出状态，说明热脱附过程接近结束。
图3 350 kg投料量的脱附过程Fig.3 desorption process of 350 kg feed
图4是300kg投料量的脱附过程。由图4可知，油基钻屑进入反应釜内开始升温，50s时钻屑中的水分开始快速蒸发，随后轻组分石油烃蒸发，钻屑黏度逐渐升高，搅拌电机的电流快速上升，250s时达到最高。随着石油烃的持续蒸发，钻屑黏度开始下降，搅拌电机的电流快速下降，700s后呈现稳定输出状态，说明热脱附过程接近结束。
图4 300 kg投料量的脱附过程Fig.4 desorption process of 300 kg feed
图5是250 kg投料量的脱附过程。由图5可知，油基钻屑进入反应釜内开始升温，50s时钻屑中的水分开始快速蒸发，随后轻组分石油烃蒸发，钻屑黏度逐渐升高，搅拌电机的电流快速上升，200s时达到最高。随着石油烃的持续蒸发，钻屑黏度开始下降，搅拌电机的电流快速下降，600s后呈现稳定输出状态，说明热脱附过程接近结束。
图5 250 kg投料量的脱附过程Fig.5 desorption process of 250 kg feed
2.4 投料量与处理效果关系
测定不同的进料量在不同的脱附时间下的含油率，结果见图6。由图6可知，油基钻屑投料量为400 kg、脱附时间到达800s时，固相含油率＜1%，达到GB 4914-2008《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》中的一级海域排放标准。350kg投料量、脱附时间为750s时，固相含油率＜1%；300 kg投料量、脱附时间为700s时，固相含油率＜1%；250kg投料量、脱附时间为600s时，固相含油率＜1%。当投料量为250kg，脱附时间为1100s时，油基钻屑中固相的含油率小于0.3%；脱附时间为1200s时，各个投料量的含油率均＜0.3%。
图6 投料量与含油率的变化关系Fig.6 Relationship between feed rate and oil content
2.5 处理量的优选
根据不同的投料量达到GB 4914-2008中一级海域排放标准的脱附时间，计算相应的处理量，结果见表2。由表2可知，进料量为400kg、脱附时间为800s时，处理后的油基钻屑的含油率为0.93%，符合GB 4914-2008《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》中的一级海域排放标准，且处理量最高可达到1.8 t·h-1。
表2 处理量的计算结果Table 2 Processing capacity calculation
图7是投料量与处理量的变化关系。由图7可知，随着投料量增加，处理时间的增加较少，处理量随着投料量的增加而显著提高。投料量为400kg时，电磁热脱附装置的处理量最高。
图7 投料量与处理量的变化关系Fig.7 Relationship between feed rate and pocessing capacity
3 结论
1）油基钻屑为黑色黏稠状固体，含油率为16%，含水率为17%，含固率为67%，无可见的游离液体。在热脱附过程中，随着温度升高，油基钻屑中的水和低馏点石油烃首先蒸发，钻屑黏度逐渐升高，搅拌电机的电流上升。温度达到350℃，高馏点的石油烃开始蒸发，含油率逐渐下降，钻屑黏度也逐渐降低，搅拌电机的电流下降。因此，搅拌电机的电流可以直观反映钻屑含油率的变化过程。
2）投料量增加，会延长脱附时间。要实现固相含油率＜1%，400kg的投料量需要800s，350kg的投料量需要750 s，300kg的投料量需要700s，250kg的投料量需要600s。脱附时间为1200s时，各个投料量的含油率均小于0.3%。
3）经过计算，进料量为400kg、脱附时间为800s时，电磁热脱附装置的处理量最高，达到1.8 t·h-1；进料量为250kg、脱附时间为600s时，处理量最低，为1.50t·h-1。以上研究结果表明，海上油基钻屑电磁热脱附装置的最佳生产参数为：每次进料400kg，脱附时间800s。
