油基巖屑處理利用技術(shù)研究分析

許云川,張 磊,歐海湖,郭馬赟

(四川蜀渝石油建筑安裝工程有限責(zé)任公司,四川 成都 610000)

油基巖屑是在油氣開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的含油固體廢棄物,含油率很高,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出排放標(biāo)準(zhǔn),難以直接使用,若不妥善處理,會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害。中國(guó)油頁(yè)巖資源十分豐富,隨著油頁(yè)巖資源的大力開(kāi)采,會(huì)產(chǎn)生大量的油基巖屑。油基巖屑的安全高效處理己成為制約石油企業(yè)環(huán)保生產(chǎn)的重要問(wèn)題之一。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)油基巖屑研究主要是無(wú)害化處理和資源化利用。

1 油基巖屑處理技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 固化技術(shù)

固化處理就是利用固化劑如石灰、水泥、有機(jī)聚合物、塑料等將油基巖屑固化,鎖住油基巖屑中的有害離子和有機(jī)物,減少對(duì)土壤的侵蝕。除了傳統(tǒng)的固化劑,宋明全[1]等研制了針對(duì)井場(chǎng)廢棄物的固化劑HB-1,廢棄物可在1-2d后固化完全,效果較好。

油基巖屑經(jīng)過(guò)固化處理后,通常需征用土地進(jìn)行填埋,處理成本高,且造成土地資源的浪費(fèi),沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題,因此處理量少時(shí)可考慮選用。

1.2 干化技術(shù)

干化技術(shù)就是對(duì)油基巖屑進(jìn)行干燥處理。喬莎莎[2]等研究了油基巖屑分級(jí)真空干燥技術(shù),針對(duì)含柴油和含水的油基巖屑進(jìn)行了不同溫度下干燥速率變化情況以及不同壓力對(duì)油基巖屑干燥程度的影響研究。研究表明,在特定條件下,干燥后的油基巖屑含油量均低于1%。

1.3 物化分離技術(shù)

物化分離法是一種較為成熟的處理方法,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)[3]。物化分離法一般采用藥劑或機(jī)械分離回收油基巖屑中的油類(lèi)物質(zhì)。分離前,首先要對(duì)巖屑進(jìn)行篩選,然后加水拌和均勻,最后進(jìn)行多級(jí)分離實(shí)現(xiàn)油、巖屑和水的三相分離[4]。通常經(jīng)過(guò)二級(jí)分離就能達(dá)到較好的處理效果。

1.4 焚燒技術(shù)

焚燒技術(shù)是國(guó)外較為常用的一種處理技術(shù),方法較為簡(jiǎn)單。對(duì)油基巖屑焚燒處理前一般還要經(jīng)過(guò)脫水、干燥等程序,回收可循環(huán)使用的油類(lèi)物質(zhì),減少巖屑含水率,使燃燒更加充分。焚燒過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量氣體,這些氣體須經(jīng)過(guò)除塵裝置和有害氣體吸收裝置以使煙氣達(dá)到環(huán)保要求。對(duì)于焚燒過(guò)程產(chǎn)生的熱能可以進(jìn)行回收利用,焚燒后的巖屑可用于生產(chǎn)陶粒等建材。

鄭婷婷[5]等采用了熱解析和焚燒技術(shù)綜合處理油基巖屑,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證,處理后的油基巖屑能達(dá)到污染物排放要求。

經(jīng)過(guò)焚燒處理,油基巖屑中的大量有害物質(zhì)被消除,但是焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的有害氣體、顆粒物等可能會(huì)造成二次污染[6]。

1.5 高溫裂解技術(shù)

高溫裂解技術(shù)是在絕氧和一定溫度條件下進(jìn)行,首先油基巖屑中的水和輕組分油類(lèi)物質(zhì)會(huì)蒸發(fā)出來(lái)；重組分油類(lèi)不能直接蒸發(fā),在熱分解作用下逐漸裂解成輕組分,也從巖屑中分離出來(lái),從而實(shí)現(xiàn)固液分離[7]。

高溫裂解技術(shù)操作過(guò)程復(fù)雜、反應(yīng)條件苛刻,需要較高的技術(shù)含量,而且熱消耗大,成本較高[8]。經(jīng)過(guò)高溫裂解,油基巖屑被分解為H2、CH4和CO等為主的氣體；汽油、柴油和水為主的液體以及巖屑和殘?zhí)紴橹鞯墓腆w。經(jīng)過(guò)處理的巖屑含油率可低于0.01%(100 mg/kg),處理后的殘留固相物達(dá)到排放要求,可以直接填埋。

1.6 生物處理技術(shù)

生物處理技術(shù)是利用微生物降解油基巖屑中的油類(lèi)等有害物質(zhì),使其達(dá)到可耕種土壤的標(biāo)準(zhǔn),是一種綠色環(huán)保技術(shù)[9]。國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始利用生物處理技術(shù)處理油基巖屑,國(guó)內(nèi)的部分油田也進(jìn)行了應(yīng)用性試驗(yàn)。油基巖屑的生物處理技術(shù)主要有地耕法、堆肥處理法和生物反應(yīng)器法。

1.7 萃取技術(shù)

萃取技術(shù)一般采用溶劑將油基巖屑中的油類(lèi)物質(zhì)提取出來(lái),然后再將溶劑與油分離,實(shí)現(xiàn)油類(lèi)的回收。

除了傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑外,單海霞[10]等用離子液體對(duì)油類(lèi)進(jìn)行萃取,取得了良好的試驗(yàn)效果。此外超流體萃取技術(shù)由于處理效果好,除油率高達(dá)98.9%[11],有大量學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。超流體是介于氣、液之間的一種物質(zhì)形態(tài),具有較強(qiáng)的穿透力、較大的密度和較高的溶解度[12],理想的萃取劑有二氧化碳和丙烷等。

1.8 填埋法

填埋法就是將油基巖屑密封在一個(gè)固定空間或者注入安全地層?？觾?nèi)密封是在一個(gè)固定空間將油基巖屑密封起來(lái),需要征收土地,并且必須保證空間的密閉性,不能發(fā)生泄漏。處理后有害物質(zhì)并未消除,此方法并未從根本上解決問(wèn)題,而且處理成本高。

巖屑回注技術(shù)[13]是近年來(lái)國(guó)外較為青睞的一項(xiàng)新技術(shù),是將油基巖屑注入安全地層或者地下環(huán)形區(qū)間。這種方法首先要在地層中加壓產(chǎn)生一條裂縫,然后將油基巖屑與海水的混合物通過(guò)機(jī)械處理碾磨成黏性漿液,再通過(guò)井泵將其送到井下后加壓注入裂縫中,最后用水泥把井密封起來(lái)。但是回注的漿液有發(fā)生滲漏,污染地下水和地下油層的隱患。

1.9 超聲波處理法

超聲波處理法是利用機(jī)械振動(dòng)和超聲空化作用,破壞油基巖屑內(nèi)部結(jié)構(gòu),降低石油類(lèi)物質(zhì)的粘度,實(shí)現(xiàn)巖屑、水和油的三相分離[14]。

王新強(qiáng)等[15]對(duì)超聲處理法處理油基巖屑進(jìn)行了研究。研究表明,在弱空化狀態(tài)下該項(xiàng)技術(shù)的除油率最高,高于90%。

超聲處理法能迅速提供較高的反應(yīng)溫度和較強(qiáng)的沖擊力,有效降低石油類(lèi)物質(zhì)的粘度,促使油和巖屑的分離。

1.10 化學(xué)熱洗法

化學(xué)熱洗法首先要將油基巖屑加水稀釋,然后加入化學(xué)試劑,充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?再將溶液加熱到一定的溫度,使油與巖屑分離,將油回收后再進(jìn)行脫水處理,完成固液分離?；瘜W(xué)熱洗法操作較為簡(jiǎn)單、投資較少,是美國(guó)環(huán)保公司優(yōu)先采用的一種處理方法。

化學(xué)熱洗法對(duì)油的回收率較高,但是化學(xué)藥劑需要根據(jù)油基巖屑的性質(zhì)進(jìn)行選取,有一定的難度,而且可能還需要二次處理方能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[16]。

2 油基巖屑資源化利用現(xiàn)狀

2.1 用于建筑

徐海彬[17]等人將油基巖屑進(jìn)行固化處理后用于建造泵房的主體,鋁合金作支撐框架。其中固化劑與油基巖屑質(zhì)量比為1.5∶1。

巴西某石油企業(yè)的R.L.C. Vaqueiro[18]等將油基巖屑加入粘土中用于制造燒結(jié)磚,并對(duì)燒結(jié)磚進(jìn)行了抗拉和彎曲度試驗(yàn)。試驗(yàn)表明,油基巖屑用于制造燒結(jié)磚、瓦片等建筑材料是可行的。

但是由于各井場(chǎng)使用的油基泥漿以及地下巖屑存在差異,直接利用未處理過(guò)的油基巖屑制造的建筑材料的性質(zhì)在使用過(guò)程中可能發(fā)生變化,對(duì)周邊環(huán)境造成影響。

2.2 用于生產(chǎn)水泥

油基巖屑中的固體部分主要包含粘土和地底巖屑、礦屑,主要成分有氧化鋁、氧化鐵、氧化硅等,這些正是生產(chǎn)水泥的主要成分。將油基巖屑用于生產(chǎn)水泥,巖屑中的無(wú)機(jī)物質(zhì)可以補(bǔ)充水泥生產(chǎn)必要的元素。

2.3 用于濕地改善

在近海或者深海進(jìn)行石油開(kāi)采中,一方面,為滿足生產(chǎn)需求,需要鉆大量的井,會(huì)產(chǎn)生大量的油基巖屑；另一方面,開(kāi)采會(huì)造成大面積的濕地減少。因此有部分學(xué)者提出將油基巖屑用于濕地改造。

美國(guó)南路易斯安那州海岸上,由于發(fā)展石油工業(yè),每年喪失64.75～90.65km2的濕地面積。同時(shí)為了解決油基巖屑的無(wú)害化處理問(wèn)題,政府投資了大量資金,東南路易斯安那大學(xué)的學(xué)者啟用了油基巖屑修復(fù)濕地的研究,取得了階段性成功。但是由于受到法律的限制,該項(xiàng)研究很難得到大規(guī)模推廣應(yīng)用。

中科院沈陽(yáng)生態(tài)研究所的籍國(guó)東[19]等人對(duì)油基巖屑應(yīng)用于遼河油田某井場(chǎng)附近的蘆葦區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明,蘆葦能有效凈化礦物油,而且在實(shí)驗(yàn)劑量范圍內(nèi)投放油基巖屑越多,凈化效率越高。將油基巖屑應(yīng)用于蘆葦濕地對(duì)深層土壤和深層地下水影響較小,可以通過(guò)防滲漏措施解決其對(duì)淺層地下水的影響。而且油基巖屑對(duì)蘆葦?shù)钠焚|(zhì)沒(méi)有影響,僅影響其發(fā)芽率、生物量等,研究表明油基巖屑用于濕地改造是可行的。

2.4 用于MTC水泥漿技術(shù)

MTC技術(shù)就是將油基巖屑與礦渣混合之后,加入分散劑,把它轉(zhuǎn)變?yōu)楣叹盟?利用堿金屬、無(wú)機(jī)鹽或鹽來(lái)控制水泥漿的稠化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度的技術(shù)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于MTC技術(shù)都有較為廣泛的研究和應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)使油基巖屑成為一種可利用的資源,減少了水泥用量,節(jié)約成本。但是這項(xiàng)技術(shù)專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng),需要針對(duì)不同的性質(zhì)的油基巖屑制定專(zhuān)門(mén)的配方,操作難度大,而且油基巖屑的轉(zhuǎn)化率較低。

2.5 配制三元型煤

陳忠[20]等用四川宜賓地區(qū)出產(chǎn)的貧煤、大安寨地區(qū)的油基巖屑以及廢泥漿生產(chǎn)三元型煤,通過(guò)研究得到最優(yōu)配合比為56∶35∶9,生產(chǎn)出來(lái)的三元型煤滿足潔凈型煤標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語(yǔ)

油基巖屑的處理技術(shù)多種多樣,但是某些處理技術(shù)可能會(huì)造成資源的浪費(fèi)或者造成二次污染。并且在實(shí)際應(yīng)用時(shí),僅用一種方法往往無(wú)法將油基巖屑處理徹底,通常都是采取多種處理技術(shù)相結(jié)合的方式,因此尋找到技術(shù)可行、處理高效且無(wú)二次污染的預(yù)處理方案尤為重要。油基巖屑的資源化利用,主要是利用其固相成分,可將其進(jìn)行預(yù)處理(脫油和脫水)后作為固體廢棄物使用。