何煥杰 單海霞 馬雅雅 馬　金 位　華 王中華

中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院

油基鉆屑常溫清洗—微生物聯(lián)合處理技術(shù)

何煥杰 單海霞 馬雅雅 馬金 位華 王中華

中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院

何煥杰等．油基鉆屑常溫清洗—微生物聯(lián)合處理技術(shù). 天然氣工業(yè)，2016,36(5):122-127.

油基鉆井液因具有抑制性強、潤滑性好、抗高溫、抗污染、安全和鉆速快等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用在對非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)工作中，而其鉆屑礦物油含量高、乳化嚴重、不易回收等缺點也成為環(huán)保治理的難點。為此，針對不同類型油基鉆屑的物性特點，將高效清洗劑破乳清洗處理、油—水—固三相分離和石油微生物消除等3種工藝有機集成，試制出一套油基鉆屑現(xiàn)場處理裝置，形成了油基鉆屑常溫清洗—微生物聯(lián)合處理技術(shù)。經(jīng)過對4口井的油基鉆屑進行放大試驗，結(jié)果表明：油相回收率超過85 %，清洗后廢渣總石油烴含量小于2 %，再經(jīng)生物深度處理30天后，廢渣中總石油烴含量降至0.3%以下，均達到相關(guān)標準的要求。結(jié)論認為：該聯(lián)合處理技術(shù)實現(xiàn)了油相的回收再利用以及廢渣的無害化處理，不僅有效解決了油基鉆屑環(huán)保治理難題，而且還節(jié)約了鉆井工程綜合成本，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

非常規(guī)油氣 油基鉆屑 清洗劑 破乳清洗 微生物處理 無害化 油相回收率

油基鉆井液因具有抑制性強、潤滑性好、抗高溫、抗污染、安全和鉆速快等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用在非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)工作中。與此同時，合理處理油基鉆井液使用過程中產(chǎn)生的油基鉆屑也成為環(huán)保治理的難點[1-4]。

在頁巖氣的開發(fā)過程中，油基鉆屑的治理主要存在以下問題：①油基鉆屑礦物油含量高（逾5 %），已被列入國家危險廢物名錄，存在著巨大的環(huán)境風險[5-8]；②處理難度大，油基鉆屑中的基礎(chǔ)油與瀝青、表面活性劑等經(jīng)長時間地層循環(huán)，相互作用加強，體系乳化嚴重[9-13]；③數(shù)量多，以國家級頁巖氣示范區(qū)——中國石化涪陵頁巖氣田為例，其焦石壩、丁山、南川等工區(qū)，每年產(chǎn)生量為 50 000 m3。隨著新環(huán)保法實施，加強對油基鉆屑的環(huán)保達標治理和安全處置勢在必行。

目前油基鉆屑處理技術(shù)主要有回注地層法、熱解法和溶劑萃取法等，這些技術(shù)在應(yīng)用過程中存在一定的局限性：回注地層法是通過水力壓裂方式把油基鉆屑回注到地層，但是成本高、回注地層選層要求苛刻，浪費了基礎(chǔ)油資源；熱解法雖然回收了基礎(chǔ)油資源，但是油基鉆屑粘附鉆井液中的瀝青質(zhì)等物質(zhì)易結(jié)膠，造成設(shè)備堵塞，能耗增加，致使運行費用較高；溶劑萃取法雖然工藝簡單易自動化，但存在有機萃取溶劑揮發(fā)性大，萃取藥劑昂貴，對設(shè)備安全要求嚴格等缺陷。

中石化中原石油工程有限公司針對不同類型油基鉆屑物性特點，自主開發(fā)出一套油基鉆屑常溫清洗—微生物聯(lián)合處理技術(shù)[14]，處理后礦物油回收率大于85 %，廢渣中總石油烴含量(TPH)小于0.3 %，達到《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》（GB 4284—1984）要求，固廢物達到《一般固體廢物貯存、處置場污染控制技術(shù)規(guī)范》（GB 18599—2001）要求。

1　技術(shù)思路

1.1技術(shù)原理

油基鉆屑常溫清洗—微生物聯(lián)合處理技術(shù)的原理為：首先利用高效復(fù)合清洗劑的反乳化作用，將油基鉆屑體系由穩(wěn)定的W/O型轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的O/W型，使油相脫離出來；然后利用三相離心作用，實現(xiàn)油基鉆屑的油—水—固分離；最后利用自主研制的降解菌進行石油烴深度降解，將廢渣中的石油烴和非石油烴有機物進行同步降解，生成小分子物質(zhì)或CO2、H2O，最終實現(xiàn)油基鉆屑的達標處理和安全處置。

1.2工藝流程

油基鉆屑常溫清洗—微生物聯(lián)合處理的工藝流程如圖1所示。油基鉆井液從井口流出時，首先通過振動篩、除砂器等固控設(shè)備進行逐級固液分離，液相進入循環(huán)系統(tǒng)繼續(xù)使用，油基鉆屑流入接收罐暫存收集并及時運至回收處理站。油基鉆屑通過螺旋推進器輸送至調(diào)質(zhì)罐中，并依次加入復(fù)合清洗劑OCQJ-1、絮凝劑OCXJ，混合均勻后泵入三相離心分離系統(tǒng)進行油—水—固分離，分離出的水相再次泵入調(diào)質(zhì)罐進行循環(huán)清洗配液再利用。其中，未回用完的廢水經(jīng)混凝分離—催化氧化—過濾組合工藝進行深度處理后，水質(zhì)達到GB 8978—1996的1～2級排放標準，分離的油相泵入儲油罐用于配制油基鉆井液，固相廢渣運輸至微生物處理場地進行深度處理，最終達到油基鉆屑綜合利用和無害化處理的目的。

2　油基鉆屑常溫清洗—微生物聯(lián)合處理工藝研究

2.1油基鉆屑清洗配方配制

技術(shù)采用自主研制的高效復(fù)合清洗劑OCQJ-1，利用表面活性劑的反乳化作用，將油基鉆屑由W/O型轉(zhuǎn)變?yōu)镺/W型，便于后續(xù)實現(xiàn)油水固三相分離。最優(yōu)清洗配方為5%的復(fù)合清洗劑OCQJ-1+0.4%的絮凝劑OCXJ。

2.2油基鉆屑常溫清洗效果的影響因素

2.2.1 復(fù)合清洗劑OCQJ-1用量對清洗效果的影響

準確稱取一定質(zhì)量的油基鉆屑，維持OCXJ用量為0.4%，保持常溫狀態(tài)，攪拌速度為200 r/min，攪拌時間為10 min，離心速度為3 000 r/min，離心時間5 min，考察復(fù)合清洗劑OCQJ-1不同用量對清洗效果的影響（圖2）。由圖2可以看出，隨著復(fù)合清洗劑OCQJ-1用量的增加，廢渣中TPH逐漸降低，當OCQJ-1用量增加到5%時，TPH降至最低，為1.72 %；之后，隨著OCQJ-1用量的增加，TPH逐漸升高。其原因是復(fù)合清洗劑本身也是表面活性劑，當用量超過一定限度時，會產(chǎn)生“二次乳化”現(xiàn)象。因此清洗能力下降。最終確定OCQJ-1用量為5%。

2.2.2 絮凝劑OCXJ加量對清洗效果的影響

維持OCQJ-1用量為5%，保持常溫狀態(tài)，攪拌速度為200 r/min，攪拌時間為10 min，離心速度為3 000 r/min，離心時間為5 min，考察絮凝劑OCXJ不同用量對清洗效果的影響（圖3）。由圖3可見，隨著絮凝劑OCXJ用量的增加，廢渣中TPH逐漸降低，當OCXJ用量增加至0.4%時達到最低值，為1.64%；繼續(xù)增加絮凝劑用量，TPH逐漸升高。這是由于OCXJ在鉆屑處理過程中起著吸附架橋和電荷中和作用，當其用量太大時，膠體顆粒被包裹，重新帶上電荷，出現(xiàn)“再穩(wěn)現(xiàn)象”，致使TPH升高。由此確定絮凝劑OCXJ的用量為0.4%。

圖2　復(fù)合清洗劑OCQJ-1不同用量對清洗效果的影響圖

圖3　絮凝劑OCXJ不同加量對清洗效果的影響圖

2.2.3 攪拌速度和時間對清洗效果的影響

維持OCQJ-1用量為5%、OCXJ用量為0.4%，保持常溫狀態(tài)，離心速度為3 000 r/min，離心時間為5 min，考察不同攪拌速度和攪拌時間對清洗效果的影響（圖4）。由圖4可見，在100～400 r/min的攪拌速度和0～20 min的攪拌時間范圍內(nèi)，隨著攪拌速度的增加和攪拌時間的增加，廢渣中TPH均呈現(xiàn)先降低后趨于平衡，在200 r/min、10 min時，廢渣中TPH降至最低。為此，確定油基鉆屑清洗時的攪拌速度為200 r/min，攪拌時間為10 min。

圖4　攪拌速度和攪拌時間對清洗效果的影響圖

2.2.4 離心速度和時間對清洗效果的影響

維持OCQJ-1用量為5%，保持常溫狀態(tài)，攪拌速度為200 r/min，攪拌時間為10 min，考察不同離心速度和離心時間對清洗效果的影響（圖5）。由圖5可見，隨著離心速度增加，廢渣中TPH逐漸降低，當離心速度為3 00 r/min時，TPH為1.59%，繼續(xù)增加離心速度，TPH降低幅度很小，考慮到實際生產(chǎn)中的離心速度設(shè)計水平，優(yōu)選離心速度為3 000 r/min。圖5同時顯示，當離心時間為5 min時，TPH為最低，隨著時間延長，TPH維持不變，所以離心時間定為5 min。

圖5　離心速度和離心時間對清洗效果的影響圖

綜上所述，清洗藥劑和清洗工藝參數(shù)分別為：OCQJ-1用量為5 %，OCXJ用量為0.4 %、攪拌速度為200 r/min、攪拌時間為 10 min、離心速度為 3 000 r/min、離心時間為5 min。

2.3常溫清洗殘渣微生物處理技術(shù)研究

固相廢渣運送至微生物處理場地后，分別加入BSG菌種和營養(yǎng)劑，并通過定期補加的維護方式進行微生物深度處理，使石油烴和非石油烴有機物降解成為無害的小分子物質(zhì)或無機物。其中，BSG由天然土著菌（細菌、桿菌和鏈球菌等）通過菌群構(gòu)建、固定化等技術(shù)研制而成，為非基因工程菌。其具體處理的過程為：首先將分離廢渣與培育擴繁的BSG混合均勻，在廠區(qū)地面鋪開，在特定的溫度和濕度環(huán)境下定期噴灑營養(yǎng)物，并通過翻動廢渣，提高透氣性，為微生物提供足夠的氧氣，加速石油污染物和非石油烴有機物分解，并最終轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)或CO2、H2O。

2.4油基鉆屑清洗處理裝置設(shè)計

設(shè)計研制出油基鉆屑高效清洗調(diào)質(zhì)反應(yīng)系統(tǒng)，試驗優(yōu)選了液壓驅(qū)動式三相離心分離機，設(shè)計研制出兩套PLC防爆自動控制系統(tǒng)，集成一套油基鉆屑處理撬裝裝置（圖6）。主體裝置占地面積為30 m2，動力負荷為100 kW，處理量為20～30 m3/d，自動化程度高，維護成本低。

圖6　油基鉆屑常溫清洗處理裝置圖

3　放大試驗

對4口井油基鉆屑進行常溫清洗—微生物聯(lián)合處理技術(shù)放大試驗，分別處理油基鉆屑5 m3，試驗條件為：OCQJ-1復(fù)合清洗劑用量為5%、OCXJ絮凝劑用加量為0.4%、攪拌速度為200 r/min、攪拌時間為10 min，離心速度為3 000 r/min、離心時間為5 min、生物處理30 d。清洗處理后油相回收率和生物降解后廢渣中TPH檢測結(jié)果如表1所示。表1結(jié)果顯示，油基鉆屑清洗處理后，油相回收率為86.35 %～91.76%，廢渣中TPH為1.59%～1.98%，小于2 %，達到《廢礦物油回收利用污染控制技術(shù)規(guī)范》（HJ 607—2011）的要求；清洗后廢渣經(jīng)生物降解處理30 d后，TPH為0.11%～0.24%，小于0.3%，達到《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》（GB 4284—1984）的要求。

表1　油基鉆屑清洗—微生物聯(lián)合處理技術(shù)放大試驗結(jié)果表

廢渣中重金屬、浸出液毒性檢測結(jié)果如表2所示。表2結(jié)果顯示，油基鉆屑常溫清洗—生物處理后廢渣中的重金屬含量、揮發(fā)性、非揮發(fā)性有機物均低于國標的限值，其他指標按照GB 5085.6—2007《危險廢物鑒別標準 毒性物質(zhì)含量鑒別》的方法和要求監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果全部不超標，處理后的油基鉆屑廢渣可進行填埋處置。

油基鉆屑常溫清洗—微生物處理過程中，離心機分離出油、出水、分離廢渣以及廢渣的微生物降解情況如圖7所示。該技術(shù)用于4口井的油基鉆屑處理，油、水、固分離穩(wěn)定，技術(shù)穩(wěn)定，操作簡便，具備較大的現(xiàn)場應(yīng)用潛力。

表2　油基鉆屑處理后重金屬及浸出液毒性的指標分析結(jié)果表　mg/L

圖7　油基鉆屑常溫清洗—微生物聯(lián)合處理過程圖

4　結(jié)論及建議

1）開發(fā)出一種油基鉆屑常溫清洗—微生物綜合利用及無害化處理技術(shù)，該技術(shù)先進、裝置設(shè)計合理、工藝簡單、操作性強、穩(wěn)定性好、處理效率高，安全可靠。

2）油基鉆屑無害化處理工藝技術(shù)，實現(xiàn)了油相的回收再利用以及廢渣的無害化處理，不僅有效解決了油基鉆屑環(huán)保治理難題，而且節(jié)約了鉆井工程綜合成本，具有良好的應(yīng)用推廣前景。

3）建議推廣油基鉆屑清洗—微生物處理技術(shù)，同時注重油基鉆屑清洗技術(shù)與熱解析技術(shù)的集成應(yīng)用，提高油基鉆屑和廢油基鉆井液的適應(yīng)性，實現(xiàn)其無害化環(huán)保治理和綜合利用，保障頁巖氣等非常規(guī)清潔能源的綠色開發(fā)。

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（修改回稿日期 2016-03-25編 輯 陳嵩）

A combined technology of normal temperature cleaning and microbial treatment for oil-based drilling cuttings

He Huanjie, Shan Haixia, Ma Yaya, Ma Jin, Wei Hua, Wang Zhonghua
(Drilling Engineering Technology Research Institute, Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Co., Ltd., Puyang, Henan 457001, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 5, pp.122-127,5/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Oil-based drilling fluids are widely used in the exploration and development of unconventional oil and gas resources owing to their advantages of strong inhibition, good lubricity, high temperature resistance, contamination resistance, safety and high-speed drilling. However, the cuttings are seriously emulsified and cannot be recovered easily with high content of mineral oil, so they are challenges to treatment and environmental protection. Based on the physical properties of different types of oil-based drilling cuttings, a device for field processing of oil-based drilling cuttings was developed experimentally by integrating three technologies, including demulsification cleaning by high-efficiency cleaning agent, oil–water–solid separation and microbial oil elimination. Correspondingly, a combined technology of normal temperature cleaning and microbial treatment was formed.Test on the oil-based cuttings of 4 wells indicates that the oil recovery ratio is above 85%, and total petroleum hydrocarbon content (TPH) of residues is less than 2% after the cleaning. After it is treated further with microbes for 30 days, the TPH of residues drops to below 0.3%. All these results meet the related requirements. To sum up, this combined technology contributes to the recycling of oil and the harmless disposal of residues. With this technology, the environmental protection problems involved inoil-based drilling cuttings are solved effectively, and the composite cost of drilling engineering is reduced. Therefore, this technology is promising in its popularization and application.

Unconventional oil and gas; Oil-based drilling cuttings; Cleaning agent; Demulsification cleaning; Microbial processing; Harmless disposal; Oil recovery ratio

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.05.018

中國石油化工集團公司重點科技項目“頁巖氣鉆井油基鉆屑和廢液處理技術(shù)研究”（編號：JP12006）。

何煥杰，1962年生，高級工程師；主要從事油氣田廢水（廢液）和廢渣綜合利用及無害化處理研究工作。地址：（457001）河南省濮陽市中原油田中原路462號。ORCID:0000-0002-6948-706X。E-mail:zyytzjyhhj@126.com

單海霞，1982年生，女，高級工程師，博士；主要從事精細化學(xué)合成及油氣田環(huán)保處理方面的研究工作。地址：（457001）河南省濮陽市中原油田中原路462號。ORCID:0000-0001-8171-5662。E-mail:shanhaixia1983@163.com