海上油基鉆屑電磁熱脫附參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用評(píng)價(jià)

王志偉

(中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司)

0 引 言

油基鉆井液具有良好的流變性、高抑制性、高潤(rùn)滑性等特點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用在頁(yè)巖氣井、大位移井、深水井、高溫高壓井的作業(yè)中[2]。在使用油基鉆井液鉆井的過(guò)程中，固相控制系統(tǒng)分離出大量的油基鉆屑，油基鉆屑含有粒徑大小不一的碎屑、礦物油、乳化劑、化學(xué)添加劑等物質(zhì)，成分復(fù)雜，屬于HW08類(lèi)危險(xiǎn)廢物[3]。

根據(jù)GB 4914—2008《海洋石油勘探開(kāi)發(fā)污染物排放濃度限值》要求，一級(jí)海域(渤海、北部灣，國(guó)家劃定的其他海洋保護(hù)區(qū)域和其他距離最近陸地7 408 m(4 n mile)以?xún)?nèi)的海域)鉆井液和鉆屑的含油量不超過(guò)1%(渤海不得排放鉆井油層鉆屑和鉆井油層鉆井液)，二級(jí)海域(除渤海、北部灣，國(guó)家劃定的其他海洋保護(hù)區(qū)域外，其他距最近陸地大于7 408 m(4 n mile)且小于22 224 m(12 n mile)的海域)不超過(guò)3%，三級(jí)海域(一級(jí)和二級(jí)海區(qū)以外的其他海域)不超過(guò)8%。目前，國(guó)內(nèi)外油基鉆屑處理技術(shù)主要有離心分離技術(shù)、常溫化學(xué)脫附技術(shù)、微生物處理技術(shù)、熱脫附技術(shù)等[4-5]。電磁熱脫附是利用電磁加熱的方式，使油基鉆屑在高溫反應(yīng)釜內(nèi)發(fā)生熱解反應(yīng)，油基鉆屑中的基礎(chǔ)油和水以氣體餾分的形式分離出來(lái)，經(jīng)冷卻液化成液相加以回收，剩余的固態(tài)干渣自動(dòng)排出，檢驗(yàn)合格后達(dá)標(biāo)排?；蚧厥铡?/p>

1 油基鉆屑基本性質(zhì)

1.1 基本組成

油基鉆屑指在使用油基鉆井液鉆井過(guò)程中鉆頭切削地層中的巖石產(chǎn)生，并通過(guò)油基鉆井液攜帶至地面的碎屑[6]。油基鉆屑的成分與油基鉆井液性質(zhì)、地層中巖石性質(zhì)、固相控制設(shè)備相關(guān)[7]，其中，油基鉆井液由基礎(chǔ)油、水、乳化劑、有機(jī)黏土、穩(wěn)定劑、降濾失劑等添加劑配制而成[8-9]。

A平臺(tái)位于南海東部海域，距離陸岸約150 km，屬于三級(jí)海域，鉆井過(guò)程中使用油基鉆井液鉆進(jìn)，固相控制設(shè)備主要有振動(dòng)篩、離心機(jī)等。分離出的油基鉆屑主要分為兩部分：一部分是振動(dòng)篩分離出的粒徑較大的鉆屑，經(jīng)螺旋輸送器輸送到鉆屑甩干機(jī)，處理后的干渣含油量為3%～5%，滿足三級(jí)海域不超過(guò)8%的要求，直接排入海中；另一部分是離心機(jī)分離出的粒徑較小的鉆屑，含油量在15%左右，這部分鉆屑粒徑較小，甩干機(jī)無(wú)法處理，且鉆屑含油量超過(guò)8%，不能直接排海，需要回收再處理。

選取A平臺(tái)離心機(jī)出口的油基鉆屑進(jìn)行分析，密度2.16 g/cm3，粒徑35～74 μm，含水量4.49%，含油量16.01%，含固量79.50%。

1.2 熱穩(wěn)定性分析

A平臺(tái)離心機(jī)出口的油基鉆屑在實(shí)驗(yàn)室條件下熱解的TG-DTG曲線見(jiàn)圖1。

圖1 油基鉆屑熱解的TG-DTG曲線

由圖1可以看出：0～150℃，油基鉆屑質(zhì)量減少4.91%，失重較快，DTG曲線呈快速上升趨勢(shì)，此過(guò)程主要是油基鉆屑中的水分干燥與吸附氣體的脫除；150～250℃，油基鉆屑質(zhì)量減少9.49%，油基鉆屑急劇失重，DTG曲線出現(xiàn)波峰，此過(guò)程主要是油基鉆屑的輕質(zhì)油分揮發(fā)；250～600℃，油基鉆屑質(zhì)量減少3.32%，油基鉆屑失重緩慢，DTG曲線較為平緩，此過(guò)程主要是油基鉆屑的重質(zhì)油分發(fā)生熱解反應(yīng)和重質(zhì)油熱解半焦炭化；600～900℃，油基鉆屑質(zhì)量減少7.27%，油基鉆屑失重較快，DTG曲線逐漸上升，此過(guò)程主要是油基鉆屑的礦物成分分解，如碳酸鎂、碳酸鈣等。

由上述分析可知，油基鉆屑熱解過(guò)程由低溫至高溫依次經(jīng)歷：干燥脫氣、礦物油輕質(zhì)油分揮發(fā)、礦物油重質(zhì)油分熱解、礦物油熱解半焦炭化與礦物質(zhì)分解，其中水分干燥與吸附氣體的脫除占總失重的19.65%，礦物油引起的失重占總失重的51.26%，礦物油在油基鉆屑熱脫附引起的失重中起主要作用。

1.3 熱脫附產(chǎn)物分析

對(duì)于液相產(chǎn)物，回收烴類(lèi)液相呈淺黃色乳狀液體，其中含有較多的輕烴組分[10]。經(jīng)分析，油基鉆屑中的油相包括烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴、烯烴、瀝青質(zhì)及膠質(zhì)等[11]。烴類(lèi)在熱解作用下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，主要包括裂解反應(yīng)與縮合反應(yīng)，熱解產(chǎn)物有飽和烴、烯烴、芳香烴和環(huán)烷烴等多種有機(jī)物[12]。對(duì)于氣相產(chǎn)物，取樣化驗(yàn)，檢測(cè)出其中含有CO、CO2和H2，經(jīng)分析為熱解生成的C和CH4與H2O在高溫條件下反應(yīng)生成[13]。對(duì)于固相產(chǎn)物，雖然由于油基鉆屑中所含水分及有機(jī)物在熱解過(guò)程中脫出，固體產(chǎn)物質(zhì)量要遠(yuǎn)低于原油基鉆屑質(zhì)量，卻大于原油基鉆屑的固相質(zhì)量，這是由于烴類(lèi)大分子在裂解反應(yīng)的同時(shí)也發(fā)生縮聚反應(yīng)，發(fā)生結(jié)焦，焦炭的累積使固體產(chǎn)物量大于油基鉆屑原有的固相質(zhì)量[14]。

2 電磁熱脫附設(shè)備

2.1 工作原理

油基鉆屑在絕氧條件下采用電磁加熱反應(yīng)釜，隨著加熱溫度不斷升高，油基鉆屑內(nèi)的水、烴類(lèi)物質(zhì)揮發(fā)，蒸餾出的油、氣、水氣體混合物通過(guò)氮?dú)獯祾哌M(jìn)入冷凝換熱系統(tǒng)。由于水、各烴類(lèi)組分的冷凝點(diǎn)溫度不同，在冷凝過(guò)程的不同階段依次被分離出來(lái)，大體分為3類(lèi)：第一類(lèi)為液態(tài)水，冷凝后達(dá)標(biāo)排放；第二類(lèi)為烴類(lèi)液體，冷凝后進(jìn)入儲(chǔ)罐，回收再利用；第三類(lèi)為CO、NO、H2等，仍然以氣體的形式存在，進(jìn)入尾氣處理系統(tǒng)，經(jīng)脫硫、堿洗、催化燃燒處理后達(dá)標(biāo)排放。熱脫附反應(yīng)釜加熱后剩余的干渣，冷卻后，含油量檢測(cè)合格后，排海或回收處理。

2.2 電磁熱脫附設(shè)備組成

電磁熱脫附設(shè)備組成見(jiàn)圖2。電磁熱脫附設(shè)備由上料系統(tǒng)、熱脫附系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)、回收液處理系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、制氮系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)7部分組成，為了滿足海上運(yùn)輸及安裝的要求，設(shè)備由5個(gè)撬塊組成，各撬塊之間通過(guò)軟管或硬管連接，占地面積約120 m2。具有占地面積小、拆裝方便、處理能力強(qiáng)、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，能較好地適應(yīng)海上平臺(tái)作業(yè)環(huán)境。

圖2 電磁熱脫附設(shè)備組成

A平臺(tái)熱脫附設(shè)備主要操作流程為：①卸裝：將巖屑箱吊入翻轉(zhuǎn)支架，翻轉(zhuǎn)巖屑箱將油基鉆屑卸入柱塞泵料斗；②進(jìn)料：打開(kāi)進(jìn)料泵，柱塞泵將油基鉆屑泵入熱脫附反應(yīng)釜，進(jìn)料結(jié)束，關(guān)閉進(jìn)料閥；③熱脫附：?jiǎn)?dòng)真空泵，將反應(yīng)釜內(nèi)抽成-75 kPa負(fù)壓，開(kāi)啟電磁加熱，對(duì)鉆屑進(jìn)行熱脫附，期間蒸餾出的氣相物質(zhì)經(jīng)氮?dú)獯祾吆筮M(jìn)入冷凝系統(tǒng)，分離出液相物質(zhì)，余下的氣體進(jìn)入尾氣處理系統(tǒng)；④排渣：熱脫附反應(yīng)完成后，關(guān)閉真空泵，排出反應(yīng)釜內(nèi)干渣，如檢測(cè)達(dá)標(biāo)，排?；蚧厥?，如檢測(cè)不達(dá)標(biāo)，再次輸送至反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行熱脫附反應(yīng)。

3 電磁熱脫附工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 油基鉆屑電磁熱脫附實(shí)驗(yàn)

南海東部海域A平臺(tái)使用3#白油作為配制油基鉆井液的基礎(chǔ)油，3#白油的干點(diǎn)溫度約280℃，因此要使油基鉆屑中的油分脫附，反應(yīng)釜內(nèi)必須達(dá)到一定的溫度。在實(shí)驗(yàn)室條件下，選取300，350，400，450，500℃作為脫附溫度，分別對(duì)油基鉆屑樣品加熱20，40，60，80 min，對(duì)脫附后的油基鉆屑干渣進(jìn)行含油量檢測(cè)，得出圖3中的含油量與脫附溫度、脫附時(shí)間間的關(guān)系。

圖3 含油量與處理時(shí)間、溫度的關(guān)系

從圖3可以看出，脫附時(shí)間越長(zhǎng)，鉆屑含油量越低。溫度越高，能耗越高，且過(guò)高的溫度容易導(dǎo)致油基鉆屑的基礎(chǔ)白油發(fā)生裂解，影響冷凝回收油的品質(zhì)，進(jìn)而影響使用回收油配制油基鉆井液的品質(zhì)[15]。脫附時(shí)間越長(zhǎng)，日處理量越小。

3.2 油基鉆屑電磁熱脫附參數(shù)優(yōu)化

由于海上平臺(tái)甲板面積較小，存放場(chǎng)地有限，日處理量的大小決定著鉆井產(chǎn)生的油基鉆屑能否得到及時(shí)處理，進(jìn)而影響鉆井作業(yè)是否可以持續(xù)進(jìn)行。綜合考慮各種影響因素，選取脫附溫度300℃，脫附時(shí)間40 min，此條件下，干渣含油量可達(dá)0.84%，滿足小于1%的設(shè)計(jì)要求。熱脫附設(shè)備雙反應(yīng)釜運(yùn)行時(shí)，一次性進(jìn)料最多達(dá)1 t，電磁熱脫附設(shè)備理論上最大處理能力24 t/d，能滿足鉆井作業(yè)的要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用評(píng)價(jià)

4.1 基本情況

A平臺(tái)使用的電磁熱脫附設(shè)備為雙反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以單反應(yīng)釜運(yùn)行，也可以雙反應(yīng)釜同時(shí)運(yùn)行，雙反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少了停機(jī)檢修的時(shí)間，提高了處理速度。按照設(shè)計(jì)要求，當(dāng)雙反應(yīng)釜運(yùn)行時(shí)，一次性進(jìn)料1 t，加熱油基鉆屑物料到脫附溫度300～320℃，需要約20 min，然后脫附運(yùn)行40 min，蒸餾出的水分、烴類(lèi)等氣體混合物經(jīng)氮?dú)獯祾吆筮M(jìn)入冷凝換熱系統(tǒng)，在不同的冷凝溫度下依次分離出來(lái)，分離出的水經(jīng)檢測(cè)合格后，達(dá)標(biāo)排放，分離出的烴類(lèi)液相回收，用于配制新的油基鉆井液，實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，余下的一部分氣體進(jìn)入尾氣處理系統(tǒng)，經(jīng)脫硫、堿洗、催化燃燒后達(dá)標(biāo)排放。

電磁熱脫附設(shè)備在A平臺(tái)處理情況見(jiàn)圖4。設(shè)備運(yùn)行86 d，共處理油基鉆屑1 116.40 t，平均處理量12.98 t/d，最大處理量21.70 t/d，干渣含油量為1.30%～1.70%，滿足三級(jí)海域排放要求，該項(xiàng)目鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的油基鉆屑實(shí)現(xiàn)了全部在海上處理的目標(biāo)。

圖4 A平臺(tái)油基鉆屑處理情況

4.2 應(yīng)用評(píng)價(jià)

4.2.1 無(wú)害化處理

以往，海上平臺(tái)鉆井作業(yè)產(chǎn)生的油基鉆屑通過(guò)船舶運(yùn)到陸地，然后轉(zhuǎn)運(yùn)至危廢處理單位。在收集、吊裝、海上運(yùn)輸、儲(chǔ)存、陸地轉(zhuǎn)運(yùn)、處理的各個(gè)環(huán)節(jié)都存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)。油基鉆屑中含有大量的礦物油和重金屬，若處理不當(dāng)，極易造成水體污染和土壤污染，最終對(duì)人體健康造成危害。

油基鉆屑在海上平臺(tái)熱脫附處理，省去了海上運(yùn)輸、陸地轉(zhuǎn)運(yùn)、儲(chǔ)存等環(huán)節(jié)，降低了泄漏風(fēng)險(xiǎn)。熱脫附反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過(guò)尾氣處理系統(tǒng)凈化，污染物檢測(cè)數(shù)值均低于GB 18484—2001《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)果見(jiàn)表1。最大程度地減少了二次污染。

表1 油基鉆屑熱脫附處理后干渣、尾氣污染物檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)GB 4914—2008《海洋石油勘探開(kāi)發(fā)污染物排放濃度限值》規(guī)定，排入三級(jí)海域的非水基鉆井液鉆屑需滿足含油量≤8%，Hg≤1 mg/kg，Cd≤3 mg/kg。油基鉆屑經(jīng)熱脫附后，重金屬都富集在干渣中，重金屬形態(tài)發(fā)生了顯著改變，可交換態(tài)含量顯著降低，浸出濃度大大降低。干渣重金屬、含油量檢測(cè)數(shù)值均低于GB 4914—2008《海洋石油勘探開(kāi)發(fā)污染物排放濃度限值》三級(jí)海域排放限值，滿足處理要求。

4.2.2 資源化利用

油基鉆屑在海上平臺(tái)經(jīng)過(guò)熱脫附處理，1 t的油基鉆屑可以回收120～140 kg烴類(lèi)液相，回收的烴類(lèi)液相為淺黃色乳狀液體，主要是有機(jī)物裂解，部分殘?zhí)既芙庥谄渲袑?dǎo)致?；A(chǔ)油與回收的烴類(lèi)液相油品指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2。

從表2可以看出，熱脫附回收的烴類(lèi)液相中芳烴含量高于基礎(chǔ)油，其余油品指標(biāo)與基礎(chǔ)油相近，回收的烴類(lèi)液相可作為配制油基鉆井液的基礎(chǔ)油，實(shí)現(xiàn)資源化利用。處理后的鉆屑干渣經(jīng)回收后，可被加工成各種資源化產(chǎn)品，如鋪路路基材料、免燒陶粒、免燒磚等。

表2 基礎(chǔ)油與回收的烴類(lèi)液相油品指標(biāo)對(duì)比

4.2.3 經(jīng)濟(jì)效益最大化

經(jīng)濟(jì)效益最大化主要包含兩個(gè)方面，一方面，油基鉆屑處理成本的大幅度降低和回收物的利用價(jià)值。以南海東部海域?yàn)槔?，油基鉆屑運(yùn)回陸地危廢處理單位，僅處理費(fèi)一項(xiàng)就高達(dá)7 000元/t，其中不包含運(yùn)輸費(fèi)、倉(cāng)儲(chǔ)費(fèi)、人工費(fèi)、巖屑箱租賃費(fèi)等一系列費(fèi)用。油基鉆屑在海上平臺(tái)實(shí)現(xiàn)熱脫附處理，不僅省去了運(yùn)輸費(fèi)、倉(cāng)儲(chǔ)費(fèi)等費(fèi)用，處理成本也大幅度降低，綜合處理成本僅為運(yùn)回陸地處理成本的三分之一甚至更低。另一方面，熱脫附處理過(guò)程中回收的基礎(chǔ)白油，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，以A平臺(tái)為例，配制油基鉆井液的基礎(chǔ)油3#白油，市場(chǎng)價(jià)7 000～8 000元/t，若用回收的烴類(lèi)液相配制油基鉆井液，可大幅度降低新配制油基鉆井液的成本。

4.3 改進(jìn)方向

4.3.1 提高設(shè)備穩(wěn)定性

電磁熱脫附設(shè)備在南海東部海域A平臺(tái)安裝以來(lái)，共運(yùn)行86 d，其中約有34 d的時(shí)間是單反應(yīng)釜運(yùn)行，實(shí)際日處理量與設(shè)計(jì)額定處理量相差較大，嚴(yán)重影響處理速度。單反應(yīng)釜運(yùn)行的原因主要是維修和清理反應(yīng)釜，因此提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，減少設(shè)備維修和清理時(shí)間，可以大幅度提高處理速度。

4.3.2 增加預(yù)加熱模塊

電磁熱脫附設(shè)備為一次性進(jìn)料，進(jìn)入反應(yīng)釜后，預(yù)加熱20 min至設(shè)計(jì)脫附溫度300℃左右，然后在恒定溫度條件下脫附運(yùn)行40 min，排出反應(yīng)釜內(nèi)高溫干渣，繼續(xù)下一批次進(jìn)料操作。從實(shí)際運(yùn)行情況看，油基鉆屑進(jìn)入反應(yīng)釜的預(yù)加熱時(shí)間較長(zhǎng)，如果對(duì)上料系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，增加預(yù)加熱模塊，在對(duì)本批次進(jìn)料進(jìn)行熱脫附反應(yīng)的同時(shí)，對(duì)下一批次進(jìn)料進(jìn)行預(yù)加熱，這樣可以大大縮短反應(yīng)釜對(duì)物料預(yù)加熱的時(shí)間，提高反應(yīng)釜的運(yùn)行效率。

4.3.3 增加尾氣實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)

電磁熱脫附設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中，會(huì)產(chǎn)生CO、NO、H2等氣體。目前對(duì)尾氣成分的檢測(cè)，只能通過(guò)取樣化驗(yàn)的方式進(jìn)行，存在一定的監(jiān)管盲區(qū)，有環(huán)保違規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，CO、NO等有害氣體濃度過(guò)高，也會(huì)給作業(yè)人員的人身安全帶來(lái)威脅。如果在尾氣處理撬塊中增加實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，可以及時(shí)獲取尾氣的組分信息，實(shí)時(shí)調(diào)整尾氣處理撬塊的運(yùn)行參數(shù)，以保障作業(yè)人員的人身安全。

5 結(jié) 論

1)南海東部海域A平臺(tái)離心機(jī)出口油基鉆屑粒徑為35～74 μm，含水量4.49%，含油量16.01%，含固量79.50%，在室內(nèi)開(kāi)展熱脫附實(shí)驗(yàn)，礦物油引起的失重占總失重的51.26%，在油基鉆屑熱脫附引起的失重中起主要作用。

2)脫附溫度越高，脫附時(shí)間越長(zhǎng)，鉆屑干渣含油量越低，基于鉆屑干渣含油量與脫附溫度、脫附時(shí)間的規(guī)律，優(yōu)化電磁熱脫附參數(shù)為：脫附溫度300℃，脫附時(shí)間40 min，此條件下，鉆屑干渣含油量為0.84%。

3)在南海東部三級(jí)海域A平臺(tái)，對(duì)電磁熱脫附設(shè)備開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，設(shè)備運(yùn)行86 d，共處理油基鉆屑1 116.40 t，平均處理量12.98 t/d，最大處理量21.70 t/d，干渣含油量為1.30%～1.70%，鉆井產(chǎn)生的油基鉆屑實(shí)現(xiàn)了全部在海上處理的目標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得成功。

4)油基鉆屑在海上平臺(tái)經(jīng)熱脫附處理后，干渣和尾氣污染物檢測(cè)數(shù)值均低于GB 4914—2008《海洋石油勘探開(kāi)發(fā)污染物排放濃度限值》、GB 18484—2001《危險(xiǎn)廢物焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》；熱脫附回收的烴類(lèi)液相可以用于配制油基鉆井液，干渣可加工成各類(lèi)資源化產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)資源化利用；油基鉆屑在海上平臺(tái)熱脫附綜合處理成本僅為運(yùn)回陸地處理成本的三分之一或更低，回收的烴類(lèi)液相用于配制油基鉆井液，大大降低新配制油基鉆井液的成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

5)對(duì)電磁熱脫附設(shè)備在A平臺(tái)的應(yīng)用中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，需要在以下方面進(jìn)行改進(jìn)：提高設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性，減少維修清理時(shí)間，提高設(shè)備運(yùn)行效率；增加上料系統(tǒng)預(yù)加熱模塊，減少油基鉆屑在反應(yīng)釜內(nèi)的預(yù)加熱時(shí)間，提高處理速度；增加尾氣實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，保障作業(yè)人員安全。