含油鉆屑熱解析處理技術研究進展＊

徐 軍 張新發(fā) 李世勇

(1.中國石油川慶鉆探工程有限公司工程技術研究院；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室)

0 引 言

隨著頁巖氣等非常規(guī)油氣的大規(guī)模開發(fā)，油基鉆井液以其優(yōu)良的性能得到越來越廣泛的應用，同時，油基鉆井液可重復利用，但在使用油基鉆井液鉆井過程中也產(chǎn)生了大量的含油鉆屑，含油鉆屑中含有油等有害物質(zhì)，若處理不當將造成環(huán)境污染。歐洲自1993年起要求固體廢物中油類物質(zhì)的含量應小于1%[1]。我國也已明確將含礦物油廢物列為危險廢物。

含油鉆屑處理方法主要有熱解析法、焚燒法、填埋法、生物降解法、地層回注法等，其中含油鉆屑熱解析處理技術具有處理后鉆屑含油量低、油資源可回收利用、設備可撬裝化等優(yōu)點，目前該技術在國內(nèi)含油鉆屑處理領域得到快速發(fā)展，文章重點對熱解析技術研究現(xiàn)狀進行論述。

1 熱解析處理技術簡介

含油鉆屑熱解析處理技術是20世紀90年代由土壤污染治理領域而引入到石油工業(yè)污染防治中，并得到迅速發(fā)展。Brandt石油公司從1999年開始，已采用熱解析處理技術完成50萬t含油鉆屑的處理任務，取得了良好的效果[2]。

熱解析處理技術主要通過加熱方式對污染物進行去除并對資源收集回用。主要特征是熱解析過程中熱量“間接”作用于待處理污染物，沒有直接接觸燃燒，熱解析是物理分離過程，污染物僅發(fā)生物相轉(zhuǎn)變，不產(chǎn)生有機物的深度破壞[3]。熱解析技術可以避免直接接觸燃燒帶來的系統(tǒng)控制難、資源浪費、環(huán)境污染加重等一系列的問題[4]?；跓峤馕鎏幚砑夹g的原理，含油鉆屑熱解析處理技術在污染物減量的同時可以實現(xiàn)資源回收利用。

熱解析處理過程處于中低溫還原氛圍下，所以不易生成二嗯英等有害物質(zhì)，且有利于回收油質(zhì)量的提高，也有利于重金屬的穩(wěn)定化作用[5]。根據(jù)加熱方式不同，熱解析處理技術主要分為燃燒加熱式熱解析技術、電加熱式熱解析技術、電磁加熱式熱解析技術、微波加熱式熱解析技術、摩擦生熱式熱解析技術等。

2 含油鉆屑熱解析處理技術概況

2.1 燃燒加熱式熱解析技術

以柴油、天然氣等為燃料進行燃燒加熱的熱解析技術稱為燃燒加熱式熱解析技術。該技術采用常規(guī)熱源作為加熱方式，具有裝置成熟、處理量大、燃料易得的優(yōu)點，但由于其采用螺旋推進方式可能存在物料受熱不均、溫度控制困難等缺點。

王超等[6]對海上含油鉆屑的熱解析除油技術進行了研究，處理后鉆屑的石油烴含量降至0.07%，回收油可用于鉆井液復配。據(jù)謝江浩等[7]論述，長慶油田在榆林建有一座集中處理站，采用燃氣加熱，處理效果穩(wěn)定，處理后殘渣含油率能夠達到0.1%。

2.2 電加熱式熱解析技術

采用電能進行加熱的熱解析技術稱為電加熱式熱解析處理技術。該技術與燃燒加熱式熱解析處理技術類似，具有裝置成熟、處理量大等優(yōu)點，但存在物料受熱不均、溫度控制困難等缺點，但采用電加熱消除了燃料燃燒過程中的環(huán)境污染風險。

蘇凱等[8]以電加熱式熱解析技術為基礎，采用熱紅聯(lián)用技術(TG-FTIR)對含油鉆屑進行熱重實驗研究。馬蒸釗等[9]進行了海上油田含油鉆屑熱解處理實驗，實驗采用電阻絲加熱，結果顯示當溫度高于350℃時，有機物發(fā)生裂解。黃維巍等[10]進行了頁巖氣開發(fā)油基鉆屑真空熱解資源化處理研究，研究結果表明在最優(yōu)條件下處理后殘渣含油率為0.135%。

2.3 電磁加熱式熱解析技術

采用電磁裝置進行加熱的熱解析技術稱為電磁加熱式熱解析處理技術。該技術具有占地面積小，可撬裝化，設備安全可靠等優(yōu)點，但存在物料受熱不均、溫度控制困難、電磁輻射等缺點。

中國石油集團安全環(huán)保技術研究院有限公司開發(fā)的電磁加熱脫附技術已在某頁巖氣示范區(qū)開展現(xiàn)場試驗。據(jù)孫靜文等[11-12]的研究，該試驗證明電磁加熱脫附工藝處理含油鉆屑具有良好的效果。

2.4 微波加熱式熱解析技術

采用微波對含油鉆屑進行加熱的熱解析技術稱為微波加熱式含油鉆屑熱解析處理技術。微波加熱原理是微波電磁場與物質(zhì)分子之間相互作用，微波加熱具有穿透性、瞬時性和選擇性加熱的特點[13]。受限于鉆屑在處理腔體內(nèi)的推進方式，該技術也存在物料受熱不均、溫度控制困難等缺點。

陳曉琳等[14]對微波熱解析處理油基鉆屑的可行性進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)微波處理后鉆屑含油量為0.436 4%。Robinson等[15]研究了微波處理含油鉆屑的商業(yè)價值，研究結果顯示處理后含油鉆屑含油量小于1%，回收油性能與配制油基鉆井液的油的性能非常接近。

2.5 摩擦加熱式熱解析技術

采用摩擦生熱的方式進行加熱的熱解析技術稱為摩擦加熱式熱解析處理技術。該技術通過研磨裝置與鉆屑摩擦生熱的方式對含油鉆屑進行處理，有機物質(zhì)揮發(fā)并對其進行收集，處理前需對處理系統(tǒng)進行隔氧或低氧[16](氧氣體積含量小于8%)處理，以保證裝置的安全性及熱解析處理過程的順利進行。該技術具有裝置撬裝化，處理結果穩(wěn)定、處理后鉆屑粒徑均一、處理徹底等優(yōu)點；由于加熱方式的限制，該裝置技術要求較高，如研磨裝置需盡量減小磨損、裝置動密封性能要求高等。

Stephenson等[17]對摩擦加熱式熱解析技術進行了研究，研究表明處理過程中產(chǎn)生摩擦和熱量，使得處理后60%鉆屑顆粒粒徑小于50 μm，處理溫度一般可達240～260℃，最高達到300℃，經(jīng)該技術處理后鉆屑石油烴類含量小于0.1%。黃志強等[18]建立了以“處理效果”“能耗”“處理量”為評價指標的含油鉆屑錘磨熱解析處理性能評價體系和評價準則，有效實現(xiàn)了油資源的再利用。楊建榮等[19]進行了含油鉆屑熱解析處理技術研究，采用摩擦加熱式熱解析技術對含油鉆屑進行處理試驗，取得了良好的效果，處理后鉆屑含油量為0.14%，回收液可循環(huán)利用，環(huán)保與經(jīng)濟效益顯著。

3 熱解析技術處理效果研究

含油鉆屑經(jīng)熱解析處理后主要產(chǎn)物有干鉆屑、回收油及少量不凝氣體，對處理產(chǎn)物進行研究可以驗證處理技術的適應性，依據(jù)對處理產(chǎn)物的要求及時調(diào)整處理技術或處理參數(shù)，達到最優(yōu)處理效果。

周浩等[20]進行了含油鉆屑熱解特性的研究，結果表明回收油與含油鉆屑中所提取的石油烴類物質(zhì)組成相似，可用于鉆井循環(huán)利用。Wait等[21]對含油鉆屑低溫熱解析處理后回收油特性進行了研究，結果表明回收油成分基本沒有變化，熱解析過程無大量多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、甲苯產(chǎn)生，但會形成低水平的芳香族化合物，采用回收油配制的油基鉆井液流變性能無明顯變化。張建等[22]在申請的專利《一種利用熱解析油基鉆屑殘渣的親油陶粒及其制備方法》中對處理后殘渣進行了研究，利用熱解析處理后殘渣制備了親油陶粒，該陶?？紫堵瘦^高、吸水率適宜、抗壓強度大、耐酸堿腐蝕好、除油效果好。

4 熱解析技術發(fā)展建議及展望

4.1 發(fā)展建議

含油鉆屑熱解析處理技術作為含油鉆屑處理及資源化利用技術，近年來得到快速發(fā)展，結合現(xiàn)有技術研究提出以下幾點建議。

1)加強不同類型熱解析技術理論研究，建立相應動力學及熱力學模型，推動含油鉆屑熱解析處理技術在理論層面的發(fā)展。

2)應根據(jù)含油鉆屑特性選擇適用處理技術，最大程度實現(xiàn)污染物減量化，提高資源再利用水平。

3)利用先進技術手段深入分析處理后產(chǎn)物污染特性及危害，指導處理工藝，真正實現(xiàn)含油鉆屑無害化處理。

4)制定相應技術規(guī)范及標準，推動含油鉆屑熱解析處理技術健康、有序發(fā)展。

4.2 技術展望

隨著非常規(guī)油氣開采的逐年加速，含油鉆屑的產(chǎn)生量也隨之增加，含油鉆屑熱解析處理技術能在處理污染物的同時可實現(xiàn)資源的回收利用，且處理過程不引入其他污染物，不會造成二次污染，受得到越來越多的重視和研究。通過目前研究現(xiàn)狀可知摩擦加熱式熱解析技術加熱方式相比于其他熱解析處理技術，具有獨特的技術優(yōu)勢，相信在相關技術難題得到攻克后將具有廣闊的應用前景。