王之學(xué) 李 孟 唐建穩(wěn) 林傳鋼 張 巖

（杰瑞環(huán)?？萍加邢薰?，山東 煙臺(tái) 264003）

0 引言

在油氣資源開發(fā)作業(yè)中，油基鉆井液因其潤(rùn)滑性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、耐高溫和耐鹽鈣腐蝕而被廣泛應(yīng)用于油田井場(chǎng)和鉆井平臺(tái)，從而產(chǎn)生了大量的油基鉆屑。油基鉆屑屬于《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》中的HW08類廢礦物油與含礦物油廢物，其成分復(fù)雜多變，若不加以處理或處理不當(dāng)，將對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的影響和危害。當(dāng)今環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，該物料的處理迫在眉睫。

1 油基鉆屑處理技術(shù)方案

1.1 技術(shù)方案對(duì)比

目前，油基鉆屑的處理方法主要包括焚燒法、氧化法、熱相分離法、熱化學(xué)清洗法和生物處理法等。油基鉆屑處理方法對(duì)比見表1。

表1 油基鉆屑處理方法對(duì)比

1.2 熱相分離技術(shù)加熱方式

在各類處理方法中，熱相分離法在絕氧或無氧條件下可將油基鉆屑所含油氣資源在高溫下分離，在進(jìn)一步處置的同時(shí)還可經(jīng)后續(xù)裝置進(jìn)行回收或再利用。隨著研究的不斷深入，熱相分離法的加熱方式主要包括以下幾種：天然氣或燃油加熱、電磁加熱、微波加熱以及導(dǎo)熱油加熱等。目前微波加熱多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，工業(yè)化應(yīng)用較少，而油氣田井場(chǎng)或海上鉆井半臺(tái)均屬于高度敏感區(qū)，杜絕使用明火作業(yè)裝置工作，且多數(shù)油氣田位于較偏遠(yuǎn)地區(qū)，燃料供應(yīng)設(shè)施不完善，交通不便利，運(yùn)輸成本非常高，因此不適用天然氣或燃油、導(dǎo)熱油加熱方式。相比之下，電磁加熱因無明火、升溫速率快、加熱效率高和控溫方便等優(yōu)點(diǎn)，更適合在井場(chǎng)或鉆井平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)開展油基鉆屑熱相分離處理，以節(jié)省場(chǎng)站對(duì)油基鉆屑委外處理和運(yùn)輸費(fèi)用，大幅度降低了油基鉆屑的綜合處置成本。此外，經(jīng)固控系統(tǒng)處理的油基鉆屑可直接進(jìn)設(shè)備處理，能達(dá)到泥漿不落地的處理要求。綜上所述，通過對(duì)多種工藝方案和加熱方式的對(duì)比可知，電磁加熱式熱相分離工藝具有可以直接在鉆井現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、安全性高、處理效果好、可資源化利用以及投資低等優(yōu)勢(shì)，綜合評(píng)估應(yīng)采用電磁加熱式熱相分離方法處理油基鉆屑。

2 技術(shù)方案

2.1 工作原理

電磁感應(yīng)原理是指在高頻率的交變磁場(chǎng)中，被加熱金屬不斷切割交變磁場(chǎng)的磁力線，改變經(jīng)過金屬的磁通量，使金屬內(nèi)部形成交變電流（渦流），金屬原子在渦流作用下進(jìn)行無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，不斷碰撞和摩擦，使金屬物體內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱能。電磁加熱原理示意圖如圖1所示。

圖1 電磁加熱原理圖

2.2 處理工藝流程

在熱相分離設(shè)備外圈增加保溫層，再包覆電磁感應(yīng)線圈，將油基鉆屑輸送至爐體內(nèi)部。處理時(shí)接通高頻交變電流，加熱爐體周圍會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，爐體外壁切割磁力線形成渦流，產(chǎn)生電磁感應(yīng)和大量熱能，間接加熱處理爐體內(nèi)部油基鉆屑。電磁加熱設(shè)備將爐體最高加熱至350℃，攪拌器可確保爐內(nèi)物料加熱均勻。整個(gè)處理過程均處于絕氧或無氧的狀態(tài)下，且經(jīng)過真空裝置抽吸，使反應(yīng)釜內(nèi)負(fù)壓達(dá)到-85kPa。隨著釜內(nèi)溫度的升高，油基鉆屑中的水、油類物質(zhì)在不同的溫度下?lián)]發(fā)而出，經(jīng)冷凝換熱依次分離、收集。

通過試驗(yàn)分析可知，由于水、油類物質(zhì)的揮發(fā)溫度不同，先是物料中的水達(dá)到沸點(diǎn)揮發(fā)，其次為液態(tài)油，最后殘存的H、CO、CO、CH等小分子物質(zhì)不凝氣經(jīng)氣處理裝置凈化后收集或外排。設(shè)置加熱溫度分為120℃和350℃兩個(gè)階段，可實(shí)現(xiàn)水蒸氣和油氣（不凝氣）的分別提取，并通過冷凝系統(tǒng)將其冷凝。經(jīng)過處理后的固相進(jìn)行取樣檢測(cè)，達(dá)標(biāo)后外運(yùn)處理，可制磚、做路基材料或制備生物炭。電磁加熱式熱相分離技術(shù)處理油基鉆屑工藝流程圖如圖2所示。

圖2 熱相分離技術(shù)工藝流程圖

3 油基鉆屑處理試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)物料及設(shè)備

處理物料為中海油某井場(chǎng)油基鉆屑，物料樣品如圖3所示。處置設(shè)備為電磁加熱式熱相分離設(shè)備，主要由加熱裝置、加熱爐體、攪拌裝置、冷凝裝置、液體收集裝置以及真空系統(tǒng)等組成，使用電磁加熱，可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到反應(yīng)溫度，且真空裝置可維持處理時(shí)的真空負(fù)壓狀態(tài)，設(shè)備如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)物料

圖4 電磁加熱小試設(shè)備

3.2 試驗(yàn)方法

該試驗(yàn)中的加熱爐體中的油基鉆屑填充率為70%左右，通過真空裝置控制維持爐體內(nèi)負(fù)壓，并使用電磁加熱設(shè)備對(duì)加熱爐體內(nèi)油基鉆屑進(jìn)行加熱處理，直至集液瓶中沒有液體和氣體產(chǎn)生，繼續(xù)保溫20min～30min，待爐體降溫后回收處理后固體殘?jiān)?，并觀察爐體內(nèi)是否存在板結(jié)。該試驗(yàn)采用質(zhì)量法計(jì)算油基鉆屑的三相組分，并根據(jù)《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》（CJT221—2005）中的“礦物油的測(cè)定 紅外分光光度法”檢測(cè)處理后固相的含油率，操作要求可根據(jù)試驗(yàn)步驟進(jìn)行。

3.3 小試試驗(yàn)

在加熱溫度為350℃的情況下，考察不同真空度下油基鉆屑的處理效果。試驗(yàn)結(jié)果見表3。圖5為相應(yīng)條件下獲得的回收液體。通過觀察試驗(yàn)現(xiàn)象可知，隨著釜內(nèi)負(fù)壓上升，冷凝管中出現(xiàn)水滴的溫度依次為60℃、80℃、95℃左右，出現(xiàn)油滴的溫度依次為150℃、200℃、280℃左右，可見負(fù)壓狀態(tài)可降低油基鉆屑中的水分和油分沸點(diǎn)，從而加快反應(yīng)進(jìn)行。由表3中數(shù)據(jù)可知，在相同溫度下，隨著真空度的增加，所獲得的回收油（含不凝氣）含量增加，回收固相含量減少。其中常壓和負(fù)壓條件下獲得回收油體積分別為95mL、110 mL、120mL，且固相含油率減少，表明在相同溫度下，提高真空度可增加從物料中脫附而出的油氣量，經(jīng)冷凝后可獲得更多的回收油，并滿足處理后固相含油率＜1%的要求。

圖5 相應(yīng)條件下獲得的回收液體

表3 在350℃和不同真空度下處理油基鉆屑所獲各組分含量

在相同真空度-0.1MPa～-0.08MPa條件下，考察在不同溫度下處理油基鉆屑的效果，試驗(yàn)結(jié)果見表4和表5。由表中數(shù)據(jù)可知，在相同真空度下處理油基鉆屑，處理后獲得的含油率和含水率會(huì)隨溫度的升高而升高，而含固率則隨溫度的升高而降低，表明在相同真空度下，溫度升高可加快油基鉆屑的處理，獲得更多的回收油。

表4 不同溫度下處理油基鉆屑所獲各組分含量

根據(jù)上述試驗(yàn)考察因素，選取真空度為-0.1MPa～-0.08MPa，試驗(yàn)溫度分別為300℃、350℃和400℃下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可知，隨著加熱溫度的升高，所獲得的的回收油含量逐漸增加，回收固相含量及其含油率降低。但在400℃下獲得的回收油含量下降，而該溫度下的不凝氣含量增加，表明溫度過高導(dǎo)致油基鉆屑中的部分油氣發(fā)生裂解形成小分子氣體。圖6為處理溫度350℃實(shí)驗(yàn)條件下的原料及獲得的回收液相和回收固相。

圖6 350℃下獲得的回收液體和回收固相

表5 不同溫度下處理油基鉆屑所獲各組分含量

綜上所述，在加熱溫度為350℃、負(fù)壓為-85kPa的情況下，可得到較好的回收油和回收水。

4 結(jié)論

隨著環(huán)保要求不斷提高，對(duì)油田井場(chǎng)或海上鉆井平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的油基鉆屑、含油廢棄物等的處理要求也日趨嚴(yán)格。很多油田井場(chǎng)采用多級(jí)固控系統(tǒng)處理鉆井泥漿，但處理后的固體廢物及其現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的含油廢棄物依然需要委外處理，這極大地增加了井場(chǎng)負(fù)擔(dān)。該文結(jié)合現(xiàn)有“泥漿不落地”、井場(chǎng)內(nèi)杜絕明火的要求，考慮到現(xiàn)場(chǎng)還有種類與性質(zhì)復(fù)雜多變的含油廢棄物需要處理，研究了應(yīng)用電磁加熱間歇熱脫附工藝處理油基鉆屑的可行性，并通過利用小試設(shè)備處理井場(chǎng)的含油污泥，初步分析有關(guān)真空度和溫度對(duì)處理效果的影響。結(jié)果表明，該工藝可實(shí)現(xiàn)油基鉆屑的減量化和資源化，提高加熱溫度和真空度可達(dá)到處理后物料含油率小于1%的要求。