2019-09-26 15:09
引言
油基钻井液具有良好的流变性、滤失性、润滑 性，耐高温、抗盐钙侵蚀，有利于井壁稳定、保护储层 等特点，广泛应用于深部石油勘探和页岩气、致密气 等非常规油气开发过程中，由此也会产生大量的废 弃油基钻屑。油基钻屑中含有大量矿物油、酚 类 化合物、重金属等有毒物质，若不经处理直接排放或 填埋，将严重污染土壤、地表水和地下资源，土地难 以复垦，对生态环境造成严重的破坏，直接对人类健 康造成危害，因此必须对油基钻屑加强源头控制和 全过程综合治理，以实现绿色钻井、人与自然和谐共 享绿色可持续发展。同时全球环保法规日益严格， 世界许 多 地 区 的 排 放 标 准 规 定，钻 屑 中 总 石 油 烃 （ＴＰＨ）的质量百分数低于１％才能排放。我国已 将 含 矿 物 油 废 物 列 为 危 险 废 弃 物，危 险 类 别 为 ＨＷ０８；《海洋石 油 勘 探 开 发 污 染 物 排 放 浓 度 限 值》 （ＧＢ４９１４－２００８）对海上含油钻屑排放的要求按海 域的不同分为三级：含油率≤１％（一级海域）、≤３％ （二级海域）、≤８％（三级海域），渤海海域则禁止含 油钻屑的排放。 目前，国内外油基钻屑的处理技术主要有 回注技术、固化技术、焚烧填埋技术、溶剂萃取技术 （常温化学脱附技术）、微生物处理技术等，这些技术 有一定的处理效果，但存在局限性：回注、固化与焚 烧填埋技术无法回收油基钻屑中的基础油，造成资 源浪费，同时存在潜在威胁，焚烧会放出有毒有害物 质，存在二次污染；溶剂萃取技术工艺复杂，处理药 剂费用高；微 生 物 处 理 技 术 处 理 周 期 长，占 地 面 积 大，同时受温度、湿度等环境条件的制约等。热解析 技术以其适应性强、除油效果彻底（残渣 ＴＰＨ 含量 小于１％），具备“不 落 地”处 理 能 力、设 备 占 地 面 积 小，具备全天候工作能力等优点迅速成为解决含油 固体废弃物污染问题的热门环保技术和设备。本文 重点介绍目前国内外油基钻屑热解析处理典型的先 进技术、装置与应用情况，以及存在的问题和建议今 后开展油基钻屑重点研究方向，为不同体系油基钻 屑的高效低耗安全环保热解析现场随钻处理提供科 学可靠依据和理论支撑。
１ 热解析技术概述
热解析技术也称为热脱附技术，是指在缺氧（氧气体积 含 量 低 于８％）或无氧条件下，加 热 油 基岩屑到一定的热解温度（略低于有机物及烃类物 质热分解温度），以惰性气体或蒸气等作为吹扫气， 使烃类及有机物解析附，保持一定的停留时间，直至 除去所有的油；将岩屑中绝大部分液相分离冷凝后 回收，从而实现钻屑与油分离的目的，其中不凝气可 作为脱附炉供热系统的燃料循环利用，油与水实现 回收利用。脱附炉按照加热介质不同，加热方式有 燃料加热、电加热及锤磨热解析技术。使用燃料加 热的热解析技术可以直接利用燃料（如 柴 油、天 然 气、伴生气等）加热，或利用燃料加热蒸汽，再利用蒸 汽加热解析设备。
２ 油基钻屑热解析处理典型的先进技术、装置与应 用
２．１ 北京中惠普JX-3热解析仪装置 ＢｒａｎｄｔＮＯＶ 在全球五大洲５０万ｔ油基废弃钻 屑的处理经验表明，目前还没有一种机械方法能 够连续将钻屑 中 的 油 含 量 降 低 至 低 于１％，也 没 有 一套化学清洗系统或化学改造油类的系统能够满足 严格的环保排放标准，化学处理法通常需要使用有 毒的或有害的化学药剂。因此，在许多情况下化学 药剂会增加问题而不是解决问题，添加化学药剂会 使废弃物数量增加，并且会将污染物从固相中转移 到液相中，使问题复杂化，造成二次污染。 从１９９９年第一套钻屑热解析装置被工 业 化 应 用，已处理了超过５０万ｔ的 油 基 钻 屑，地 点 遍 及 五 大 洲。 先 后 为 ＢＰ、Ｇｕｐｃｏ、Ｃｈｅｖｒｏｎ、Ｓｈｅｌｌ、Ｃｏｎｏ－ ｃｏＰｈｉｌｌｉｐ、ＣＮＲ、Ｂｒｉｔａｎｎｉａ、ＡＧＩＰ、Ｐｅｔｒｏｂｒａｓ、Ｔｏｔａｌ、 ＳｏｎａｔａｃｈＨａｌｌｉｂｕｒｔｏｎ、ＢａｋｅｒＤｒｉｌｌｉｎｇＦｌｕｉｄｓ 和 ＭＩ Ｓｗａｃｏ等公司进行了服务。 ＢｒａｎｄｔＮＯＶ 公司作为钻屑热解析装置及其工 程服务的原 制 造 企 业，已 经 拥 有 ２５ 年 的 历 史 和 经 验。其热解 析 装 置 工 作 原 理 是 钻 屑 送 入 热 解 析 装 置，循环加热的导热油换热或电热元件加热解析装 置内的旋转转子和筒体，从而间接加热钻屑。钻屑 进入热解析装置的开始旋转转子将水分从钻屑中蒸 发掉，旋转转子推动钻屑移动到热解析装置的后段， 随着钻屑加热温度的升高，油将从钻屑中蒸发掉，此 时温度将加热到５００℃。冷凝器将热解析装置中排 出的蒸汽液化成水和油，然后进入水／油分离器进行 油水分离。解析后的干钻屑从解析罐的后端排出， 并进行冷却；用冷凝水喷淋干钻屑，避免钻屑灰尘。
２．２ 北京中惠普JX-1热解析仪装置 Ｔｈｅｒｍａｌ－ｆｌｉｔｅ公司 的 Ｈｏｌｏ－Ｓｃｒｕ○Ｒ 热 解 析 系 统 包括以下主要部分（如图２所示）：螺旋型热解析装 置，供料系统；供料、卸料和排出气锁系统，解析装置 物料排出冷却系统，热蒸汽冷凝和回收系统等。螺 旋型热解析装置是解析系统的核心，包括解析腔体 及其内部的螺旋转子，螺旋转子可以是单螺旋、相互 啮合的双螺旋或四螺旋。间接加热方式加热腔体内 的钻屑。解析腔内排出的干钻屑经循环水冷却螺旋 输送器排出。解析腔内钻屑中的油水在高温作用下 发生蒸馏汽化，并从解析腔内排出进入冷凝系统，实 现油水分离并回收油。导热流体加热可以使得解析 腔内的物料温度达到４５４ ℃，两级加热可以使得物 料温度达到６４９ ℃，被 加 热 的 物 料 脱 挥，残 流 碳 氢 化合物可以少于０．０５％；气锁的作用是采用纯氮或 图２ Ｔｈｅｒｍａ－Ｆｌｉｔｅ公司 Ｈｏｌｏ－Ｓｃｒｕ○Ｒ 热解析系统 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅｒｍａ－ＦｌｉｔｅＨｏｌｏ－Ｓｃｒｕ○Ｒ ｔｈｅｒｍａｌｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ 二氧化碳替换气锁腔内的空气，使得高温物料处于 无氧状态，避免物料发生燃烧和闪爆。
３ 热解析处理存在的问题 热解析技术处理油基钻屑具有较大优势，也被 公认为一种 清 洁、高 效 和 高 附 加 值 的 技 术，但 制 约热解析技术和以上先进装置推广的因素也较为突 出，主要表现在以下几个方面：
（１）热解析装置总体能耗高，难以大面积工业推 广应用；
（２）不同体系的油基钻井液、不同地层特性，油 基钻屑成分和组分性质复杂多变，热解化学反应过 程复杂，热解温度不确定，造成回收的基础油品质起 伏不定；
（３）热解析主体内部压力控制不当，可燃气体和 氧气混合达到一定浓度时，就有可能发生燃烧和闪 爆，存在安全隐患；
（４）油基钻屑成分和组分性质复杂多变，热解析 时进料物性 不 稳 定、不 均 匀 性，造 成 处 理 效 果 不 稳 定。
４ 结论与展望
４．１ 结论
大量文献及油基钻屑处理研究结果表明，热解 析方法被公认为是最有效的方法，可以实现固相物 得到净化及永久性处理、油得到净化及重复使用、水 得到净化并循环利用或排放，气体得到净化排放处 理的目标。但是，深部油气勘探和页岩气、致密气等 非常规油气开采地域的广阔性、油气区块的分散性、 岩石性质多样性、钻探方法的相适应性等等，使得油 基钻屑成分和组分性质复杂多变，热解化学反应过 程复杂，几乎不可能以一种工艺、一种热解析方法处 理油基钻屑。含 油 钻 屑 的 热 解 特 性 研 究是 基 于固定床或者回转窑热固载体情况下开展的热解终 温、升温速率和含水率对热解产物（热解油、热解油残渣与不冷凝气体）产率分布的影响规律研究，目前 还没有开展在移动床中动态连续进料的热解行为研究。
４．２ 展望
综上所述，建议开展对油基钻屑复杂体系在动 态连续移动床中伴有热解反应过程和热质同时传递 过程的复杂行为全息动力学研究，揭示油基钻屑复 杂体系动态连续热解析机制和规律，建立热解－传 质－传热动力学模型，明确不同组分油基钻屑的最 优热解析工艺参数，建立技术经济效益、环境效益及 可持续发展等评价体系和准则，为不同体系油基钻 屑热解析处理提供科学可靠依据和技术支撑，为高 效低耗安全环保热解析随钻处理，撬装化、小型化的 现场应用提供理论和实验支撑。重点有以下几个方 面：
（１）研究油基钻屑动态连续热解机理和规律，探 索动态连续移动床中油基钻屑复杂体系热解－传质 －传热过程，建立动力学模型；
（２）评价加热系统的温度梯度与温度控制对动 态连续移动床中油基钻屑热解析效果的影响，建立 评价方法；
（３）摸索出不同组分的动态连续移动床中油基 钻屑的最优热解析工艺参数；
（４）建立技术经济效益、环境效益及可持续发展 等评价体系和准则，综合评价分析动态连续移动床 中油基钻屑的工业化推广应用价值。