黃志強(qiáng) 徐子揚(yáng) 權(quán)銀虎 李前春 張新發(fā) 郭 亮 陳 振 李佳南

1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院

0 引言

頁巖氣開采過程中多采用油基鉆井液以保護(hù)頁巖地層，由此伴隨產(chǎn)生大量的含油鉆屑。研究表明，含油鉆屑在堆放180 d后，被生物降解量不足5%[1]，并且內(nèi)含的廢棄鉆井液的96-h LC50（Lethal Concentration 50，半數(shù)致死濃度）可達(dá)到105μg/g[2]，不僅會嚴(yán)重污染土壤、水體，甚至將危害動植物以及人類健康。因此，含油鉆屑已被列入國家危險(xiǎn)廢物名錄（編號：HW08），其資源化處理也成為頁巖氣開發(fā)的環(huán)保重點(diǎn)之一[3-4]。

目前，國內(nèi)外含油鉆屑處理技術(shù)主要有固化技術(shù)[5]、焚燒技術(shù)[6]、溶劑萃取技術(shù)[7]、微生物處理技術(shù)[8]等，這些技術(shù)有一定的處理效果，但存在局限性：固化與焚燒技術(shù)無法回收含油鉆屑中的基礎(chǔ)油，造成資源浪費(fèi)；溶劑萃取技術(shù)工藝復(fù)雜，藥劑費(fèi)用高；微生物處理技術(shù)存在處理周期長，占地面積大等缺陷。而錘磨熱解析技術(shù)利用錘磨葉片與含油鉆屑摩擦產(chǎn)生的熱量，使鉆屑表面的液相氣化，并將石油烴類回收，不僅具有較高的處理效率，而且配套設(shè)備占地面積較小，同時(shí)中低溫氛圍遏制了二噁英等有害物質(zhì)的生成[9]，已被意大利石油總公司（AGIP）確定為最佳可利用技術(shù)。

自Thermtech公司較早提出了錘磨熱解析技術(shù)后[10]，國外學(xué)者在系統(tǒng)開發(fā)實(shí)踐、產(chǎn)物分析及應(yīng)用等方面開展了一系列的研究。Murray等[11]研究了系統(tǒng)處理含油鉆屑的可行性，并于哈薩克斯坦的Karachaganak油田開展了現(xiàn)場試驗(yàn)，處理殘?jiān)吐市∮?%，滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。Kleppe等[12]利用GC/MS方法分析了回收油的物化特性，分析表明錘磨熱解析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基油的高質(zhì)量回收。Aboutabikh等[13]對摻入處理殘?jiān)乃酀{的性能進(jìn)行了研究，認(rèn)為處理殘?jiān)勺鳛樗嗟纳a(chǎn)原料。然而，國內(nèi)關(guān)于錘磨熱解析技術(shù)的研究起步較晚，且錘磨熱解析機(jī)等核心設(shè)備及相關(guān)配套技術(shù)受到國外廠商的封鎖，研究工作多為錘磨熱解析技術(shù)的綜述報(bào)道[14-15]。目前中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院（以下簡稱川慶鉆采院）已研制錘磨熱解析工程樣機(jī)[16]，但缺乏綜合處理性能評價(jià)的有效手段和方法，難以準(zhǔn)確描述含油鉆屑錘磨熱解析處理性能。

基于此，筆者建立了以“處理效果”“能耗”“處理量”為評價(jià)指標(biāo)的含油鉆屑錘磨熱解析處理性能評價(jià)體系，采用含油鉆屑錘磨熱解析試驗(yàn)評價(jià)了處理效果，建立系統(tǒng)能量平衡方程評價(jià)了能耗，利用正交試驗(yàn)方法評價(jià)了處理量，形成了一套有效的含油鉆屑錘磨熱解析處理性能研究方法。研究成果為提高含油鉆屑錘磨熱解析處理性能提供了科學(xué)指導(dǎo)。

1 含油鉆屑錘磨熱解析處理性能的評價(jià)指標(biāo)體系

錘磨熱解析技術(shù)是解決頁巖氣含油鉆屑處理難題的新型環(huán)保技術(shù)，其能否形成規(guī)模應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)化處理，主要取決于以下3項(xiàng)關(guān)鍵評價(jià)指標(biāo)。

1）處理效果。處理效果是評價(jià)錘磨熱解析技術(shù)能否達(dá)標(biāo)處理含油鉆屑的核心指標(biāo)，其由固相殘?jiān)吐屎突厥沼秃搪时碚鳌８鶕?jù)現(xiàn)行的含油殘?jiān)幚順?biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)外處理實(shí)踐，一般要求固相殘?jiān)吐市∮?%，回收油含固率小于0.3%[17]。

2）能耗。熱效率與熱利用率兩項(xiàng)參數(shù)決定了含油鉆屑錘磨熱解析處理的能耗，其中熱效率的節(jié)能評價(jià)值大于88%[18]；熱利用率參考先進(jìn)節(jié)能的電磁熱解析技術(shù)[19]，其熱利用率大于95%。

3）處理量。這項(xiàng)參數(shù)決定含油鉆屑錘磨熱解析處理的經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)國外處理數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般情況下錘磨熱解析機(jī)單位功率的處理量大于4.23×10－3t/（h·kW）[20]。基于行業(yè)采用的處理量計(jì)算方法，根據(jù)單位時(shí)間的輸入能量以及單位質(zhì)量含油鉆屑的處理所需能量，處理量可以表示為

2 處理效果的評價(jià)

為評價(jià)錘磨熱解析技術(shù)處理含油鉆屑的處理效果，在威遠(yuǎn)國家級頁巖氣開發(fā)示范區(qū)某平臺建成含油鉆屑錘磨熱解析處理站，開展含油鉆屑錘磨熱解析試驗(yàn)。

2.1 錘磨熱解析試驗(yàn)材料和方法

2.1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品選用威遠(yuǎn)頁巖氣開發(fā)某區(qū)塊的含油鉆屑，基礎(chǔ)油為白油。經(jīng)測定樣品含油率22.3%，含水率8.6%，含固率69.1%，各比率均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2.1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用川慶鉆采院自主研制的1～2 t/h錘磨熱解析系統(tǒng)，其主要由螺旋輸送器、錘磨熱解析機(jī)、旋風(fēng)分離器、冷凝器、油水分離器等裝置組成，如圖1所示。其中，錘磨熱解析機(jī)是系統(tǒng)核心，其軸上嵌套有錘磨葉片，軸在電動機(jī)的帶動下轉(zhuǎn)動，使含油鉆屑與錘磨葉片摩擦接觸并產(chǎn)熱，實(shí)現(xiàn)含油鉆屑的熱解析。熱解生成的氣體首先通過旋風(fēng)分離器除塵，然后進(jìn)入冷凝器，不凝氣從冷凝器頂排出，經(jīng)過引風(fēng)機(jī)后在系統(tǒng)出口處收集。而冷凝液則進(jìn)入油水分離器，在重力作用下完成分離。試驗(yàn)分析設(shè)備包括離心機(jī)、快速溶劑萃取儀、溫度傳感器、電子天平等。

圖1 含油鉆屑錘磨熱解析系統(tǒng)原理圖

2.1.3 試驗(yàn)方法

通常，油基鉆井液用白油干點(diǎn)低于310 ℃[21]，且部分白油在毛細(xì)管力的作用下吸附在鉆屑顆粒內(nèi)部，只有足夠的工作溫度和處理時(shí)間才能使鉆屑顆粒內(nèi)部的白油擴(kuò)散至鉆屑顆粒表面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)白油的分離。因此，設(shè)計(jì)錘磨熱解析機(jī)工作溫度為320 ℃、含油鉆屑處理時(shí)間為12 min，對含油鉆屑進(jìn)行錘磨熱解析試驗(yàn)，以達(dá)到較好的白油熱解析效果。均勻取12份固相殘?jiān)鼧悠罚治鰳悠返暮吐?。對于回收油，根?jù)懸浮物含量測定其含固率，并進(jìn)行物化性質(zhì)分析，測定其密度、沸點(diǎn)、閃點(diǎn)等，綜合評價(jià)回收油是否可再利用。

2.2 含油鉆屑處理效果與回收油利用分析

處理前的含油鉆屑為黑色黏稠狀固液混合體，有刺激性氣味，處理后的固相殘?jiān)鼮楹谏煞蹱罟腆w，無味，如圖2所示。經(jīng)測定12份固相殘?jiān)鼧悠返暮吐式橛?.39%～0.58%，平均含油率為0.48%，樣品含油率均低于1%，滿足固相殘?jiān)吐实脑O(shè)計(jì)要求。而對于回收油，測定含固率為0.21%，低于回收油含固率的設(shè)計(jì)要求（0.3%）。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2538—1988對回收油主要性能指標(biāo)進(jìn)行了檢測，并與現(xiàn)場用油基鉆井液的基礎(chǔ)油進(jìn)行比較，檢測結(jié)果如表1所示。

圖2 含油鉆屑處理效果照片

由表1可知：

1）回收油的沸點(diǎn)區(qū)間低于工作溫度320 ℃，說明該工作溫度下，含油鉆屑中的油液可以充分揮發(fā)。

2）回收油與基礎(chǔ)油的主要性能沒有明顯變化，表明錘磨熱解析技術(shù)通過物理變化回收含油鉆屑中的基礎(chǔ)油，而未破壞基礎(chǔ)油的物理化學(xué)特性，具有良好的基礎(chǔ)油回收效果。

用回收油配置油基鉆井液（QL1），按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16783.2—2012石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場測試 第2部分：油基鉆井液對其基本性能進(jìn)行檢測，并與現(xiàn)場用油基鉆井液（QL2）的性能指標(biāo)進(jìn)行比較，檢測結(jié)果如表2所示。

表1 回收油和基礎(chǔ)油的主要性能指標(biāo)表

表2 兩種油基鉆井液基本性能表

由表2可以看出，油基鉆井液QL1與QL2的流變性及高溫高壓濾失量波動較低，塑性黏度和切力適中，且穩(wěn)定性和潤滑性良好，表明回收油未破壞油基鉆井液體系，滿足頁巖氣現(xiàn)場鉆井的要求，實(shí)現(xiàn)了含油鉆屑中油資源的再利用。

2.3 錘磨熱解析關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

率先蒸發(fā)的水組分會形成過熱蒸汽流，包裹鉆屑周圍的層狀油蒸汽，使油沸點(diǎn)低于其標(biāo)準(zhǔn)工況下的沸點(diǎn)[20]，故處理時(shí)間過長和工作溫度過高都將造成能量的浪費(fèi)。因此，綜合考慮處理效果和能耗，優(yōu)化錘磨熱解析2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：處理時(shí)間與工作溫度。

2.3.1 處理時(shí)間

由于工作溫度320 ℃的含油鉆屑錘磨熱解析試驗(yàn)取得了良好的處理效果。因此，在該溫度條件下，對不同處理時(shí)間的錘磨熱解析試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，如圖3所示。

圖3 不同處理時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果圖

由圖3可知：

1）隨著處理時(shí)間的增加，殘?jiān)吐食掷m(xù)降低，并在處理時(shí)間8 min時(shí)低于閾值1.0%，且超過14 min后，殘?jiān)吐史€(wěn)定在0.45%左右，降低效果不明顯，說明工作溫度320 ℃下的錘磨熱解析處理能力趨于飽和。

2）回收油含固率在處理時(shí)間10～12 min時(shí)低于閾值0.3%，隨著處理時(shí)間的增加，油氣中的粉塵量增加造成回收油含固率增大。并且，處理時(shí)間的增加將增大處理工藝的能耗。

因此，選擇10 min作為優(yōu)化處理時(shí)間，使殘?jiān)吐屎突厥沼秃搪示鶟M足設(shè)計(jì)要求，以實(shí)現(xiàn)良好的含油鉆屑錘磨熱解析效果，同時(shí)盡可能降低熱解析能耗。

2.3.2 工作溫度

根據(jù)處理時(shí)間的優(yōu)化結(jié)果，即在處理時(shí)間為10 min的條件下，開展290 ℃、300 ℃、310 ℃、320 ℃、330 ℃這5種溫度的含油鉆屑錘磨熱解析試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出：

1）在310～330 ℃的工作溫度范圍內(nèi)，回收油含固率低于閾值0.3%；

圖4 不同工作溫度試驗(yàn)結(jié)果圖

2）隨著工作溫度升高殘?jiān)吐式档停⒃诠ぷ鳒囟?10 ℃時(shí)低于閾值1%。然而，殘?jiān)吐实慕档退俾试诠ぷ鳒囟?20～330 ℃間放緩，這與錘磨熱解析的機(jī)理有關(guān)。錘磨熱解析技術(shù)依靠增大錘磨葉片轉(zhuǎn)速以增加工作溫度，勢必增大對含油鉆屑的剪切力，使固體鉆屑不斷破碎，導(dǎo)致鉆屑粒徑不斷減小。但是，固體鉆屑過于細(xì)小會引起床層堆積空隙減小，使得鉆屑內(nèi)的油更難擴(kuò)散出去，減緩了殘?jiān)吐实慕档退俾?，這與張曉亮的研究結(jié)果一致[22]。

因此，選擇310 ℃作為優(yōu)化工作溫度，處理后的固相殘?jiān)吐蕿?.88%，回收油含固率為0.28%，達(dá)到了處理效果滿足環(huán)保要求和經(jīng)濟(jì)節(jié)能的目的。

3 能耗評價(jià)

能量平衡是能耗評價(jià)的理論支撐。由于錘磨熱解析的溫度不超過330 ℃，遠(yuǎn)低于白油的裂解溫度，且進(jìn)料和產(chǎn)物排放速度較低。因此，假設(shè)錘磨熱解析過程沒有明顯的化學(xué)變化，并忽略進(jìn)料以及產(chǎn)物的動能與勢能變化[11]?；谝陨霞僭O(shè)，錘磨熱解析的能量變化可分為4部分：①系統(tǒng)輸入能量，用于系統(tǒng)工作的供電量（QInput）；②固相殘?jiān)鼣y帶能量，消耗在固相升溫的能量（QSolid）；③烴類和水蒸氣攜帶能量，消耗在液相（油和水）升溫、汽化及其氣相過熱的能量（QVapour與QHC）；④損失熱量（QLost），如圖5所示。則建立的能量平衡關(guān)系式如下：

其中，各物質(zhì)攜帶的能量Qi{i∈(Soild, HC, Vapour)}由其顯熱和相變潛熱組成[23]，即

圖5 能量平衡圖

式中mi表示物質(zhì)質(zhì)量，kg；cpi表示物質(zhì)各相態(tài)的比熱容，kJ/（kg·K）；ΔTpi表示各相態(tài)溫度變化，K；Hi表示物質(zhì)的相變焓，kJ/kg。

對于通過筒壁、保溫層與鍍鋅鐵皮組成的3層圓管的穩(wěn)態(tài)傳熱過程，假設(shè)錘磨熱解析溫度為圓管內(nèi)側(cè)溫度，各層材料的熱導(dǎo)率均為常數(shù)，層間無接觸熱阻[24]，則工作時(shí)間t內(nèi)系統(tǒng)損失熱量（QLost）的表達(dá)式：

式中Rλj（j=1，2，3）分別表示筒壁、保溫層以及鍍鋅鐵皮的導(dǎo)熱熱阻，K/W；Rh表示圓管外側(cè)的復(fù)合換熱熱阻，K/W；ΔTm表示傳熱溫差，K。

含油鉆屑中的固相與油分別采用石灰?guī)r與白油的熱力學(xué)參數(shù)值[12]，環(huán)境溫度與進(jìn)料溫度均為25 ℃，錘磨熱解析溫度為310 ℃。表3為連續(xù)處理1 t含油鉆屑的能量數(shù)據(jù)，其中供電量QInput與實(shí)際供電量的誤差在7%以內(nèi)，推測主要的誤差產(chǎn)生原因如下：①石灰?guī)r、白油以及水不能完整描述含油鉆屑的組分；②能量形式的簡化，忽略了破碎鉆屑顆粒能量、鉆屑動能等，不能完整描述錘磨熱解析的能量變化；③忽略了熱解氣體的化學(xué)變化。如考慮以上簡化條件，該誤差可以被接受。

表3 連續(xù)處理1 t含油鉆屑消耗能量數(shù)據(jù)表 MJ

熱效率為系統(tǒng)有效輸出能量與輸入能量之比，而熱利用率則為有效熱量在系統(tǒng)有效輸出能量中的占比。在建立的錘磨熱解析能量系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸入能量為實(shí)際供電量，系統(tǒng)有效輸出能量則包括各物質(zhì)攜帶能量與熱損失量兩部分，而有效熱量僅為各物質(zhì)攜帶能量。因此，分析能量數(shù)據(jù)（表3）可以看出：

1）熱損失量僅占實(shí)際供電量的1.10%，說明錘磨熱解析機(jī)保溫效果較好，將熱損失控制在一個(gè)較低的水平。

2）實(shí)際供電量主要消耗在加熱含油鉆屑各組分，熱效率高達(dá)93.39%，高于節(jié)能評價(jià)值。

3）相較于電磁熱解析技術(shù)，錘磨熱解析技術(shù)利用鉆屑自身摩擦產(chǎn)熱，具有更高的熱利用率，其值高達(dá)98.82%。

以上3點(diǎn)表明，錘磨熱解析技術(shù)不僅能夠高效處理含油鉆屑，而且節(jié)能降耗優(yōu)勢明顯。

4 處理量的評價(jià)

采用正交試驗(yàn)以評價(jià)處理量并研究其主要影響參數(shù)。處理量由式（1）表征，在既定的試驗(yàn)系統(tǒng)（錘磨熱解析機(jī)最大功率280 kW）以及工作溫度310 ℃、處理時(shí)間10 min的試驗(yàn)條件下，系統(tǒng)的處理量取決于含油鉆屑組分與溫度，而水、油組分含量是含油鉆屑組分的主要影響因素。因此，選用L9（34）正交表，進(jìn)行正交分析以考察含水率、含油率及進(jìn)料溫度對處理量的影響，設(shè)計(jì)因素水平表如表4所示。

表4 設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)的因素水平表

圖6表征了各因素對系統(tǒng)處理量的影響規(guī)律和趨勢。由圖6-a可知，含油率與含水率之間沒有交互作用。由圖6-b、6-c可知，處理量隨著含水率與含油率的增加均呈降低趨勢，且含水率影響下的處理量降低速率更快，反之，若降低含水率10%將提高處理量33.79%。原因是水的比熱容和汽化焓均大于白油，其液相汽化及過熱消耗的能量更高，對處理量的影響更大。由圖6-d可知，含油鉆屑的進(jìn)料溫度越高處理量就越高，但升溫30 ℃僅提高處理量3.47%。

圖6 處理量效應(yīng)曲線圖

因此，分析數(shù)據(jù)極差可以看出，3因素對處理的影響程度為含水率＞含油率＞進(jìn)料溫度，且各因素影響下錘磨熱解析工程樣機(jī)單位功率的處理量均大于4.23×10－3t/（h·kW），滿足處理量評價(jià)準(zhǔn)則。然而，極差分析不能估計(jì)誤差的大小，所以通過方差分析精確評估各因素的重要程度[25]，處理量的方差分析結(jié)果如表5所示。

表5 處理量的方差分析表

由表5可知，含水率與含油率的影響顯著，進(jìn)料溫度的影響不顯著，因素影響的主次順序?yàn)楹?、含油率、進(jìn)料溫度，這與極差分析的結(jié)果一致。因此，預(yù)處理含油鉆屑以降低其液相組分，尤其是降低含水率，將顯著提高處理量，而預(yù)熱含油鉆屑提高處理量的效果不顯著。

依據(jù)HJ/T 397-2007固定源廢氣檢測技術(shù)規(guī)范，以檢測2 d、每天3次的頻次采樣排氣筒處的不凝氣，采樣儀器為3012H自動煙塵（氣）測試儀和嶗應(yīng)2050型空氣/智能TSP綜合采樣器。并按照HJ 644—2013、HJ/T 57—2000、HJ 693—2014等 相 關(guān)氣體檢測方法，使用GC-400A型氣相色譜儀、UV-5500PC紫外可見分光光度計(jì)對不凝氣進(jìn)行檢測，檢測項(xiàng)目包括總揮發(fā)性有機(jī)物TVOC（Total Volatile Organic Compounds）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、硫化氫（H2S）以及非甲烷總烴。檢測結(jié)果如表6所示，分析可知不凝氣的各檢測項(xiàng)目均滿足限值要求，表明系統(tǒng)處理后的不凝氣可以直接排放，但后續(xù)仍將加裝凈化設(shè)備以控制NOx、SO2等物質(zhì)的排放濃度，進(jìn)一步降低其對環(huán)境的不利影響。

5 結(jié)論

1）建立了以“處理效果”“能耗”“處理量”為評價(jià)指標(biāo)的含油鉆屑錘磨熱解析處理性能評價(jià)體系和評價(jià)準(zhǔn)則。

表6 不凝氣檢測結(jié)果表

2）采用含油鉆屑錘磨熱解析試驗(yàn)評價(jià)了處理效果，處理后的固相殘?jiān)吐?、回收油含固率處理效果滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)；利用回收油重配的油基鉆井液滿足現(xiàn)場鉆井要求，有效實(shí)現(xiàn)了油資源的再利用。

3）錘磨熱解析技術(shù)經(jīng)其系統(tǒng)能量平衡方程評價(jià)，熱效率、熱利用率，節(jié)能降耗優(yōu)勢明顯。

4）利用正交試驗(yàn)方法評價(jià)了含水率、含油率以及進(jìn)料溫度3因素影響下的處理量，單位功率的處理量均大于4.23×10－3t/（h·kW），且預(yù)處理含油鉆屑以降低含水率，將顯著提高處理量。