一種頁巖氣井油基鉆屑浸取處理技術(shù)*

班 國

（中石化 江漢石油工程有限公司，湖北 潛江 433100）

我國頁巖氣可采資源量達2.18×1014m3，高居世界第一，大力發(fā)展非常規(guī)頁巖氣的開發(fā)有助于解決我國天然氣供氣短缺矛盾和能源安全問題[1]。截至2020年底，四川省頁巖氣探明儲量5.18×1013m3，占全國的27.4%，2020年產(chǎn)量達5.65×1011m3，占全國總產(chǎn)量的29%[2]。四川盆地頁巖氣資源的勘探與開采鉆遇地層一般以泥頁巖為主，地層微裂縫發(fā)育、水化作用較強，在鉆進過程中，常出現(xiàn)鉆頭泥包、卡鉆、井壁垮塌、井下漏失、井徑擴大、泥巖污染等復(fù)雜情況；開發(fā)主要采用淺層長水平大位移井方式，水平段較長，也會帶來井眼穩(wěn)定、摩阻扭矩、井眼清潔等問題。油基鉆井液具有水基鉆井液無法比擬的優(yōu)良潤滑性能和抑制性能，能夠有效地避免復(fù)雜事故的發(fā)生，被廣泛應(yīng)用于四川頁巖氣井的開發(fā)中[3-5]。但鉆井過程中使用的油基鉆井液會產(chǎn)生大量油基鉆屑，油基鉆屑中一般含有大量的基礎(chǔ)油成分、有機物和多種重金屬離子[6,7]?；A(chǔ)油成分如果不進行回收再利用，會造成資源的浪費；有機物中含有多環(huán)芳烴、苯系物、烷烴、烯烴等毒性物質(zhì)，容易黏附在巖石或土壤表面，對周邊生態(tài)環(huán)境造成持久性破壞；油基鉆屑中的超標(biāo)元素主要有As、Cd、Hg 和Zn 等，均對人體和自然環(huán)境的毒害作用較大。油基鉆屑其毒性物質(zhì)種類較多、含量較高，是頁巖氣井場的重點污染源，如果不能對其進行合理的處理，不僅會造成資源浪費，還會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。

頁巖氣井含油鉆屑的成分復(fù)雜，自然環(huán)境難降解，生物毒性大。目前，常用固化法、化學(xué)清洗法、超臨界萃取法、熱解法等方法進行處理，但都在應(yīng)用時存在能耗成本較高、處理不徹底、資源浪費大等不足。浸取劑處理方法處理成本低、工藝難度小，基礎(chǔ)油和浸取劑可重復(fù)利用，能夠?qū)崿F(xiàn)含油鉆屑的有效處理和回收利用[8,9]。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

BT224S 型精密電子天平（最大感量110g，分度值0.0001g，德國Sartorius 公司）；TGL-20B 型高速臺式離心機（最高轉(zhuǎn)速20000r·m-1，最大相對離心力24598×g，上海安亭科學(xué)儀器廠）；XD-SXT-06 型索氏提取器（上海析達儀器有限公司，每批提取樣品數(shù)為6 個，每個提取樣品量10g 以內(nèi)）；101-2ES 型電熱鼓風(fēng)干燥箱（電熱功率2.5kW，最高溫度300℃，北京市光明醫(yī)療儀器有限公司）；DV-20 型恒溫油浴鍋（最高溫度300℃，常州金壇良友儀器有限公司）；JB300-H 型電動攪拌器（轉(zhuǎn)速范圍：50～1500r·min-1，上海恒勤儀器設(shè)備有限公司）。

石油醚（沸程60～90℃，色譜級，國藥集團化學(xué)試劑有限公司）。

1.2 實驗方法

實驗參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T260-2016《石油產(chǎn)品水含量的測定蒸餾法》采用石油醚通過索氏抽提差量法測量油基鉆屑經(jīng)過浸取劑處理前后的含油率。具體實驗步驟為：通過索氏抽提法測量未處理含油鉆屑的含油率。取10g 含油鉆屑放入500mL 燒瓶中，加入一定體積的高效浸取劑，在一定溫度和速率下攪拌一定時間離心處理，然后取清洗離心鉆屑在105℃條件下烘干4h 至恒重，通過索氏抽提法確定處理后鉆屑的含油率。通過處理前后的含油鉆屑含油率，計算高效浸取劑的除油率。

2 新型高效浸取劑作用機理與配方

2.1 高效浸取劑作用機理

研制的新型高效浸取劑體系主要由高效聚醚除油溶劑PDS-2、高效陰離子表面活性劑AST-1 和潤濕反轉(zhuǎn)劑WRA-5 組成。其中高效聚醚除油溶劑PDS-2 的閃點較高而沸點較低，閃點較高能有效防止其使用過程中出現(xiàn)著火、爆炸等危險情況，沸點較低后期容易與基礎(chǔ)油分離，提高溶劑和基礎(chǔ)油的回收再利用率；PDS-2 中含氧基團較高，在自然環(huán)境中的降解能力強，生物毒性較小，對人體和環(huán)境危害較??；根據(jù)相似相容原理，PDS-2 的極性參數(shù)值與基礎(chǔ)油相近，能夠降低巖屑和含油成分之間的表面吸附能，從而脫附和溶解含油鉆屑上附著的油相組分。高效陰離子表面活性劑AST-1 的分子結(jié)構(gòu)中同時具有極性的親水基團和非極性的親油基團，可以降低含油鉆屑油水界面張力，使含油鉆屑內(nèi)部及縫隙中的油相組分更容易分散，從而提高除油溶劑PDS-2深入到巖屑內(nèi)部的孔隙中，實現(xiàn)在低能條件下的高效脫附作用。潤濕反轉(zhuǎn)劑STJ-2 能夠改變含油鉆屑表面的潤濕性能，防止油相成分在巖屑上的二次附著。幾種浸取劑成分能產(chǎn)生較好的協(xié)同作用，提高含油鉆屑的除油效率。

2.2 高效浸取劑體系配方

通過高效聚醚除油溶劑、高效陰離子表面活性劑和潤濕反轉(zhuǎn)劑的優(yōu)選及評價，研制出適用于四川盆地頁巖氣井油基鉆屑處理的新型高效浸取劑體系，配方為：96%高效聚醚除油溶劑PDS-2+3%高效陰離子表面活性劑AST-1+1%潤濕反轉(zhuǎn)劑WRA-5。

3 結(jié)果與討論

3.1 油基鉆屑處理與分析

油基鉆屑取自四川長寧區(qū)塊某頁巖氣井，室內(nèi)攪拌粉碎處理后，進行主要組分分析，結(jié)果見表1。

表1 含油鉆屑成分分析結(jié)果Tab.1 Composition analysis result of oil-bearing drilling cuttings

由表1 可以看出，實驗用的含油鉆屑含油率較高，在20%以上，含水率在13%以下，固相含量在66%左右。鉆屑顆粒呈絮凝狀態(tài)，說明鉆井液中油相和水相在表面活性劑的作用下呈乳化狀態(tài)吸附在巖屑固相上，這種充分乳化且黏附在鉆屑顆粒上的油基鉆井液清除比較困難。

3.2 浸取劑加量對除油效果影響

浸取劑和油基鉆屑的質(zhì)量比是處理工藝的重要參數(shù)，直接影響油基鉆屑工藝難度和處理成本，在實驗溫度為50℃，浸取時長為10min，攪拌速率為300r·min-1的條件下，評價不同液固比對油基鉆屑除油率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 不同液固比對除油率的影響Fig.1 Effect of different solid-liquid ratio on oil removal rate

由圖1 可以看出，當(dāng)液固比為2 時，油基鉆屑含油率較高，除油效率相對較低，隨著液固比逐漸提高到5，油基鉆屑的含油率下降速度較快，油基鉆屑含油率為1.68%，浸取劑除油效率為92.16%。繼續(xù)提高液固比，鉆屑含油率降低幅度較小，浸取劑除油效率提高不明顯。在保證除油效率的情況下，降低浸取劑成本，確定浸取劑體系和油基鉆屑最佳固液質(zhì)量比為5。

3.3 浸取攪拌時間對除油效果影響

為研究浸取攪拌時間對油基鉆屑除油效果的影響，固定液固比為5，實驗溫度為50℃，攪拌速率為300r·min-1的條件下，評價不同浸取攪拌時間對油基鉆屑除油率的影響，結(jié)果見圖2。

由圖2 可以看出，隨著浸取攪拌時間的增加，油基鉆屑含油率逐漸降低，除油效率逐漸升高。當(dāng)浸取攪拌時長達到8min 時，油基鉆屑含油率為1.73%，浸取劑的除油效率為91.93%，繼續(xù)增加浸取攪拌時長，浸取劑除油效率提高幅度較小，所以，最佳的浸取攪拌時間為8min。

圖2 不同浸取攪拌時長對除油率的影響Fig.2 Effect of different extraction stirring time on oil removal rate

3.4 攪拌速率對除油效果影響

固定液固比為5，實驗溫度為50℃，浸取攪拌時長為8min 的條件下，評價不同攪拌速率對油基鉆屑除油率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 不同攪拌速率對除油率的影響Fig.3 Effect of different stirring rates on oil removal rate

由圖3 可以看出，在初始100r·min-1的攪拌速率下，除油效率相對不高。攪拌速率逐漸提高，會使浸取劑與油基鉆屑混合均勻，表面活性劑吸附在固液界面，油性成分與鉆屑表面分離更容易；提高攪拌速度也能使含油鉆屑形成了沖刷作用較強的湍流結(jié)構(gòu)，能有效提高除油溶劑對鉆屑表面油性成分的吸附速率。當(dāng)攪拌速率達到250r·min-1后，油基鉆屑含油率為1.78%，浸取劑的除油效率為91.69%，進一步提高攪拌速率后除油效率反而有所減低，可能是因為攪拌速率過大時會導(dǎo)致分離出來組分有所乳化，所以最佳的攪拌速率為250r·min-1。

3.5 浸取溫度對除油效果影響

固定液固比為5，浸取攪拌時長為8min，攪拌速率為250r·min-1的條件下，評價不同浸取溫度對油基鉆屑除油率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 不同浸取溫度對除油率的影響Fig.4 Effect of different leaching temperature on oil removal rate

由圖4 可以看出，浸取溫度升高后，浸取劑的除油效率逐漸升高，當(dāng)溫度達到40℃后，油基鉆屑含油率為1.82%，浸取劑的除油效率為91.51%，進一步提高浸取溫度，除油效率提升幅度小，為節(jié)約能耗降低油基鉆屑處理成分，優(yōu)選最佳浸取溫度為40℃。

4 結(jié)論

（1）通過室內(nèi)實驗優(yōu)選及評價，研制出一種適用于四川盆地頁巖氣井油基鉆屑處理的新型高效浸取劑體系，配方為：96%高效聚醚除油溶劑PDS-2+3%高效陰離子表面活性劑AST-1+1%潤濕反轉(zhuǎn)劑WRA-5。

（2）通過對液固比、實驗溫度、浸取攪拌時長和攪拌速率等工藝條件的優(yōu)選，開發(fā)出一種綜合條件最優(yōu)的油基鉆屑處理工藝：固液比為5，實驗溫度為40℃，浸取攪拌時長為8min，攪拌速率為250r·min-1。處理后的油基鉆屑含油率從21.425%降到1.82%，浸取劑的除油效率為91.51%；進行第二次處理后的油基鉆屑含油率為0.86%，浸取劑的除油效率為95.99%，達到直接排放的標(biāo)準(zhǔn)。