油基巖屑脫油處理技術(shù)對比分析

陳海濤 王兵(西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

頁巖氣井在水平段鉆進主要采用油基鉆井液，單井由此產(chǎn)生油基巖屑約350～400m3，目前油基巖屑主要采用熱脫附及萃取等方式進行脫油處理。各種脫油處理技術(shù)成本、安全環(huán)保性及回收效益等尚未明確，文章從以上幾個方面入手，對常溫萃取、熱脫附、回轉(zhuǎn)窯煅燒瓦斯灰協(xié)同技術(shù)進行對比。

1 脫油處理技術(shù)及應(yīng)用

1.1 常溫萃取

常溫萃取技術(shù)由四川博盛永業(yè)工程技術(shù)有限公司研發(fā)，通過國家十三五重大科技專項在中石油長寧頁巖氣某現(xiàn)場實施。其原理為：常溫常壓條件下利用溶劑改變固相界面性質(zhì)，實現(xiàn)油基鉆井液從固相表面物理萃取分離，確保油基鉆井液以原有特性回收。

處理流程為：待處理物料通過抓斗上料裝置輸送入萃取分離裝置，同步加入萃取劑改變固相界面性質(zhì)后，油基鉆井液與固體實現(xiàn)物理萃取分離；液相進入液相精制裝置，達到O:W 比在80:20、密度達到1.08g/cm3以下，滿足回用指標(biāo)要求后回用；固相進入固相烘干裝置，并控制最終殘渣固相物中油含量＜1%；通過間接加熱，使液相精制裝置和固相烘干裝置產(chǎn)生的萃取劑氣相進入萃取劑冷凝回收裝置，實現(xiàn)萃取劑回收儲存并循環(huán)利用；整個處理過程為全密閉運行[1]28。

常溫萃取技術(shù)在長寧頁巖氣某現(xiàn)場建站，累計處理油基巖屑3 萬余噸，回收油基鉆井液2000 余方。處理后油基巖屑固相含油率低于1%，通過中科研廣州檢測中心檢測，其不具備危險廢物特性[2]；回收的油基鉆井液密度低于1.08g/cm3，各項性能均滿足回用指標(biāo)。常溫萃取技術(shù)裝備實現(xiàn)了模塊化、撬裝化；處理能力為3m3/h；處理過程不產(chǎn)生廢水、廢氣，無二次污染。

1.2 熱脫附技術(shù)

國內(nèi)油基巖屑熱脫附技術(shù)主要以中石油川慶鉆探工程有限公司的油基巖屑熱脫附(錘磨方式加熱)裝備為代表，通過國家十三五重大科技專項在中石油威遠某現(xiàn)場實施。其工藝主要為通過摩擦生熱，加熱熱解，實現(xiàn)餾分冷凝分離，最終達到巖屑凈化目的。

該技術(shù)的主要裝置是摩擦式熱脫附分離器。其主要過程是將含70%巖屑固形物的油基巖屑輸送至熱脫附分離器內(nèi)，通過研磨棒與油基巖屑的劇烈摩擦、碰撞將溫度升高至各類揮發(fā)烴類揮發(fā)溫度，(230～350℃)，達到揮發(fā)烴類揮發(fā)溫度但低于其裂解溫度。油基巖屑中油與水兩相物質(zhì)蒸發(fā)，產(chǎn)生的油水混合蒸汽通過排氣孔在負(fù)壓的帶動下進入后續(xù)的冷凝分離設(shè)備進行回收；固相在卸料裝置的作用下排出分離器，從而完成油基巖屑的處理過程。[3]

該技術(shù)在威遠頁巖氣國家級示范區(qū)開展試驗應(yīng)用，完成3000 余噸油基巖屑的處理，處理后巖屑固相含油率可降低到1%以下，回收的基礎(chǔ)油密度0.8g/cm3，各項指標(biāo)滿足回配鉆井液要求。經(jīng)相關(guān)檢測機構(gòu)鑒定，不具備危險特性；整套裝置運行功率＜350kW；裝置運行噪音＜80 分貝；處理量約1m3/h。

1.3 回轉(zhuǎn)窯煅燒瓦斯灰協(xié)同處理

回轉(zhuǎn)窯煅燒瓦斯灰協(xié)同處理技術(shù)以四川內(nèi)江瑞豐環(huán)保有科技有限公司為代表，該項目通過四川省生態(tài)環(huán)境廳評估驗收，作為該公司危險廢物經(jīng)營許可證中HW08 類危險廢物處理技術(shù)實施。其工藝主要為混勻料中原料和燃料充分混勻，空氣從窯頭位置高速吹入，回轉(zhuǎn)窯在向前運動過程中，燃料充分燃燒，物料溫度達1400℃以上，油基巖屑被高溫焚燒，其中的金屬也通過氧化還原反應(yīng)，進入煙氣中，在煙氣中被氧氣氧化成氧化鋅等金屬氧化物隨煙氣離開回轉(zhuǎn)窯，含有鋅、鉛、銦、鉻等的煙氣通過沉降室進入冷卻系統(tǒng)，大量較粗顆粒及粉塵在該裝置中被分離[1]。

處理流程為：將瓦斯灰(含水在10%以下)、油基巖屑(含水在20%以下)一定比例混合經(jīng)傳輸皮帶從窯尾進入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，當(dāng)窯體轉(zhuǎn)動時，窯內(nèi)物料向窯頭方向移動，在1100～1400℃的高溫下，瓦斯灰的鋅、鉛、銦、鍺等有價金屬被一氧化碳還原成金屬進入煙氣，同時油基巖屑被高溫焚燒，其中的金屬也通過氧化還原反應(yīng)，進入煙氣中，在煙氣中被氧氣氧化成氧化鋅等金屬氧化物隨煙氣離開回轉(zhuǎn)窯，含有鋅、鉛、銦、鉻等的煙氣通過沉降室進入冷卻系統(tǒng)，大量較粗顆粒及粉塵在該裝置中被分離，收集后返回配料中。沉降室煙氣及粉塵(包括產(chǎn)品氧化鋅以及重金屬元素)從沉降室上方二根鐵管引入冷卻系統(tǒng)，經(jīng)冷卻后，收集不同含量煙塵；再進入布袋收集系統(tǒng)，在布袋中進行氣固分離收集產(chǎn)品；最后SO2經(jīng)堿液噴淋脫硫硫塔進行去除后，煙氣達標(biāo)排放，而銀、鐵、碳渣、鉻等窯尾出渣，經(jīng)磁選分離出高含鐵渣，剩余渣主要是煤炭以及油基巖屑燃盡渣，可交給水泥廠作為制水泥的輔料，含有金屬成分的灰分可回收其中重金屬。

該技術(shù)在威遠頁巖氣國家級示范區(qū)開展了試驗應(yīng)用，完成1 萬余噸油基巖屑的處理，焚燒處理后殘渣混合鋼渣作為水泥輔料用于水泥生產(chǎn)，布袋中所收集飛灰經(jīng)過處理后得到氧化鋅。在方案設(shè)定工藝條件下，尾氣經(jīng)地方環(huán)保部門監(jiān)測，達到《工業(yè)窯爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，尾渣、飛灰、煙氣等滿足環(huán)保各項要求。

2 三種脫油處理技術(shù)對比分析

按單井處理600 噸油基巖屑，對比常溫萃取、熱脫附及回轉(zhuǎn)窯煅燒瓦斯灰協(xié)同處理三種技術(shù)的綜合成本及技術(shù)先進性等[2]。

2.1 綜合成本對比

(1)設(shè)備費：常溫萃取、熱脫附及回轉(zhuǎn)窯煅燒瓦斯灰協(xié)同利用工藝的處理能力分別為200t/d、80 t/d、100 t/d；故處理600 噸油基巖屑分別需要3d、7.5d、6d；三項技術(shù)設(shè)備及廠區(qū)投入分別約4000 萬、2000 萬、4000 萬，均按5 年折舊，折合處理周期內(nèi)設(shè)備折舊費6.58 萬、8.22 萬、13.15 萬。

(2)藥劑費：萃取藥劑計2 萬元/方，每處理1 噸油基巖屑損耗5%，則藥劑損耗0.1 萬元。

(3)能耗：萃取技術(shù)總裝機功率800kW，實際運行功率500kW，設(shè)備使用網(wǎng)電(計1 元/度)；鍋爐2 臺(規(guī)格分別為2t/h、3t/h)，折合處理1 噸油基巖屑用天然氣50 方，600 噸需3 萬方(天然氣計3 元/方，則能耗12.6 萬；熱脫附設(shè)備與回轉(zhuǎn)窯煅燒瓦斯灰協(xié)同利用設(shè)備實際運行功率分別250kW、400kW，則處理600噸油基巖屑能耗分別4.5 萬、5.76 萬。

(4)人工費：按操作人員及特種作業(yè)人員500 元/天計，常溫萃取、熱脫附及回轉(zhuǎn)窯煅燒瓦斯灰協(xié)同利用設(shè)備及廠區(qū)人員分別為8 人、6 人、12 人；人工費分別為1.2 萬、2.25 萬、3.6 萬。

(5)回收價值：因三種工藝處理后固相均可用于建材等資源化利用，此處對比液相回收價值，常溫萃取工藝可回收10%的油基鉆井液，按4000 元/噸計，折合價值24 萬；熱脫附工藝回收10%基礎(chǔ)油，按4000 元/噸計，折合價值24 萬；回轉(zhuǎn)窯煅燒瓦斯灰協(xié)同利用技術(shù)無液相回收。

不考慮固相回用效益，萃取及熱脫附分別產(chǎn)生效益3.52 萬元、9.03 萬元；回轉(zhuǎn)窯煅燒瓦斯灰協(xié)同利用成本22.51 萬元。

2.2 技術(shù)先進性及社會效益對比

(1)技術(shù)原理：常溫萃取是常溫常壓條件下用溶劑改變固相界面性質(zhì)，實現(xiàn)油基鉆井液物理萃取分離；熱脫附是通過摩擦等生熱，達到各種烴類揮發(fā)溫度，降低巖屑含油量；回轉(zhuǎn)窯煅燒瓦斯灰協(xié)同利用通過加熱燃燒，達到分解油類、有機物等物質(zhì)，降低巖屑含油量。

(2)技術(shù)先進性：常溫萃取—安裝方便，可隨鉆配備，降低轉(zhuǎn)運風(fēng)險；熱脫附—工藝簡單、對污染區(qū)種類無選擇性、設(shè)備可移動；回轉(zhuǎn)窯煅燒瓦斯灰協(xié)同利用--油基巖屑進行高溫焚燒，焚燒后的爐渣可作為水泥原料。

(3)社會環(huán)境效應(yīng)：常溫萃取—處理過程中不產(chǎn)生新的化學(xué)物質(zhì)，處理后巖屑含油率＜1%，可按政策用于建材原料，回收油基鉆井液滿足回用要求；熱脫附--修復(fù)周期短、能有效防止二次污染，處理后油基巖屑含油率＜1%，可按政策用于建材原料，回收基礎(chǔ)油可回收利用；回轉(zhuǎn)窯煅燒瓦斯灰協(xié)同利用--焚燒后的爐渣可做水泥為原料，實現(xiàn)資源化利用。

3 結(jié)語

綜合考慮，常溫萃取、熱脫附及回轉(zhuǎn)窯煅燒瓦斯灰協(xié)同利用技術(shù)均能滿足目前頁巖氣開發(fā)中油基巖屑脫油處理的需求，且技術(shù)成熟。對比單井油基巖屑處理成本，常溫萃取最高，回轉(zhuǎn)窯煅燒瓦斯灰協(xié)同利用工藝次之，熱脫附工藝最低，但成本隨著處理量增大而差異減小[1]。同時，三種工藝處理后固相均可用于建材等資源化利用。對比三種工藝的安全環(huán)保性、經(jīng)濟性、技術(shù)先進性等，推薦采用常溫萃取及熱脫附工藝在頁巖氣區(qū)塊內(nèi)集中建站，對油基巖屑中高附加值的油基鉆井液及基礎(chǔ)油實現(xiàn)分離回收，同時控制處理后固相的含油率，降低后續(xù)安全環(huán)保風(fēng)險，便于下一步資源化利用。