油基鉆屑熱解吸處理裝置的現(xiàn)場應(yīng)用

郭 亮, 翟永帆, 葛思佳, 朱 璐， 張新發(fā), 王 玉

(1中石油川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院 2低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室 3中石油玉門油田分公司老君廟采油廠)

頁巖氣開發(fā)過程中，油基鉆井液憑借其穩(wěn)定井壁、降低井筒復(fù)雜、保護(hù)儲(chǔ)層等優(yōu)良性能，在提高鉆井安全性的同時(shí)有效保護(hù)了儲(chǔ)層。但是，在鉆井過程中會(huì)產(chǎn)生廢棄油基鉆屑[1-4]，其中含有大量的基礎(chǔ)油及其他有害物質(zhì)，如處理不當(dāng)將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生巨大的危害，也會(huì)造成基礎(chǔ)油資源的極大浪費(fèi)[5]。

目前，國內(nèi)外針對(duì)油基鉆屑的處理方式主要有溶劑萃取法、地層深度回注法、生物修復(fù)法、離心法和焚燒法等[6-7],其處理方式優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 油基鉆屑處理方式優(yōu)缺點(diǎn)

一、熱解吸處理技術(shù)

1. 熱解吸技術(shù)原理

熱解吸指的是將廢棄油基鉆屑加熱直至達(dá)到或適當(dāng)超過廢棄鉆屑中的水和油的揮發(fā)溫度，然后保持這一溫度不變，收集油水蒸汽，并把蒸汽和油冷凝、分離。待廢棄鉆屑中污染物都蒸發(fā)后，得到清潔的固相[8-12]。熱解吸法因其高效、穩(wěn)定、可回收資源等優(yōu)勢逐步取代了部分傳統(tǒng)工藝技術(shù)。

傳統(tǒng)的熱解吸工藝按照加熱方式的不同可分為鼓式間接熱解吸、螺釘式熱解吸、化學(xué)熱解吸等[13]，均采用外部加熱，需要很大的加熱面積，系統(tǒng)體積龐大，也耗費(fèi)了大量熱能[14-15]。為了解決這些問題，哈里伯頓的研究人員開發(fā)了摩擦熱解吸系統(tǒng)，取得了良好的效果[16-17]。相對(duì)于傳統(tǒng)的熱解吸技術(shù)，該技術(shù)改變了系統(tǒng)產(chǎn)熱方式，減小了設(shè)備體積，降低了能耗，成為一個(gè)新的研究方向。

2. 熱解吸處理工藝

采用摩擦式熱解吸原理，設(shè)計(jì)研制出油基鉆屑熱解吸處理裝置用于廢棄油基鉆屑的處理。在該裝置中，摩擦式熱解吸分離器是油基鉆屑環(huán)境安全處理工程的主要部分，內(nèi)部腔體中均勻分布著研磨棒。其功能是通過油基鉆屑中約70%(質(zhì)量百分比)鉆屑固形物與研磨棒在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，經(jīng)過相互碰撞和接觸摩擦，同時(shí)鉆屑在研磨棒攪動(dòng)下高速拋射，自身碰撞和相互摩擦產(chǎn)生大量的熱能，用于油水混合物的熱解吸過程[18-20]。

該裝置的處理工藝是將預(yù)處理后的廢棄油基鉆屑通過上料裝置泵入到熱解吸分離器中，當(dāng)腔體溫度升高至各類揮發(fā)烴類揮發(fā)溫度(230℃～350℃)時(shí)，油基鉆屑中油與水兩相物質(zhì)氣化蒸發(fā)，從而完成了固液分離。處理后的固相物通過卸料裝置受控條件下排出熱分離器。產(chǎn)生的油水混合蒸汽借助出口負(fù)壓的作用進(jìn)入后續(xù)冷凝分離設(shè)備，冷凝回收的油基本保持了基礎(chǔ)油的品質(zhì)，可以進(jìn)行再利用。這一過程實(shí)現(xiàn)了廢棄油基鉆屑的環(huán)境安全處理和資源的回收再利用。具體的工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

二、處理裝置配套

1. 裝置組成配套

油基鉆屑熱解吸處理裝置共由六大系統(tǒng)組成，分別是：

(1)上料系統(tǒng)。對(duì)廢棄油基鉆屑進(jìn)行預(yù)處理，去掉雜物，攪拌均勻，并按照要求的排量將物料送入熱解吸處理系統(tǒng)中。

(2)熱解吸處理系統(tǒng)。在熱解吸分離器中，將鉆屑加熱至油水揮發(fā)溫度，保持溫度和壓力，產(chǎn)生的油水混合蒸汽借助出口負(fù)壓的作用進(jìn)入后續(xù)冷凝分離設(shè)備。

(3)高溫除塵及冷凝分離系統(tǒng)。油水混合蒸汽經(jīng)高溫除塵后，進(jìn)行冷凝和油水分離。

利用混合高斯模型提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo),僅對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行HOG特征提取而不需要對(duì)整幅圖片進(jìn)行計(jì)算,從而提高算法運(yùn)行速度。混合高斯模型(GMM)的思想是使用K個(gè)高斯模型表示圖像中每個(gè)像素的顏色特征,通常K的取值范圍是3～5。將像素點(diǎn)的顏色特征X視為隨機(jī)變量,每個(gè)時(shí)刻t=1,2,…,T所得到每幀視頻圖像的像素值是隨機(jī)變量X的采樣值。

(4)卸料系統(tǒng)。將熱解吸處理系統(tǒng)及旋風(fēng)分離器下的鉆屑干粉外輸。

(5)加熱保溫系統(tǒng)。對(duì)熱解吸主體、排氣管線、旋風(fēng)分離器、一級(jí)出料螺旋等配套裝置進(jìn)行加熱保溫。

(6)監(jiān)測控制系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)。為整套裝置提供動(dòng)力，采集各測點(diǎn)數(shù)據(jù)，并對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2. 裝置基本參數(shù)

油基鉆屑熱解吸處理裝置經(jīng)過系統(tǒng)組裝、單機(jī)調(diào)試、空轉(zhuǎn)運(yùn)行、處理試運(yùn)行、參數(shù)調(diào)整等工序，已具備連續(xù)處理能力。該裝置的基本性能參數(shù)見表2。

三、現(xiàn)場應(yīng)用

油基鉆屑熱解吸處理裝置在四川威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)威遠(yuǎn)鉆井平臺(tái)開展了應(yīng)用。對(duì)鉆井過程中產(chǎn)生的油基鉆屑進(jìn)行了無害化處理，累計(jì)處理油基鉆屑約1 000余t，處理后的鉆屑干粉平均含油量為0.42%，回收油滿足二次配制鉆井液性能要求。

1. 干鉆屑含油量測試

對(duì)2個(gè)處理后鉆屑干粉樣品進(jìn)行含油量檢測，含油量分別為0.43%和0.45%(見表3),滿足GB 4914-2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》要求的排放范圍。

表3 油基鉆屑成分及處理后鉆屑干粉含油量

2. 回收油性能測試

回收油的主要成分為基礎(chǔ)油，由于處理溫度低，回收油顏色清亮、澄清透明、無雜質(zhì)[21]。分別對(duì)基礎(chǔ)油和回收油的主要性能指標(biāo)進(jìn)行檢測對(duì)比，檢測結(jié)果見表4。

表4 回收油性能指標(biāo)檢測結(jié)果

由表4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，回收油主要性能指標(biāo)和基礎(chǔ)油相比，沒有發(fā)生明顯變化，回收油可繼續(xù)用于油基鉆井液的配置使用。

3. 回收油配制鉆井液實(shí)驗(yàn)

使用回收油配制油基鉆井液，并對(duì)鉆井液性能進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果見表5。

表5 油基鉆井液性能指標(biāo)測試結(jié)果

由表5可以看出，回收油配制的油基鉆井液性能指標(biāo)與現(xiàn)場用油基鉆井液指標(biāo)相近，性能穩(wěn)定，完全滿足現(xiàn)場鉆井要求。目前已有150 m3回收油經(jīng)四川射洪油基泥漿站重新配漿使用。

4. 不凝氣檢測

在油基鉆屑熱解吸處理裝置使用過程中，對(duì)不凝氣進(jìn)行了取樣檢測。檢測裝置：GC-4000A型氣相色譜儀、UV-5500PC紫外可見分光光度計(jì)；檢測方法及依據(jù)：HJ/T 397-2007《固定源廢氣檢測技術(shù)規(guī)范》、HJ/T 373-2007《固定污染源監(jiān)測質(zhì)量保證與質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)范》、GB 16297-1996 《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》；檢測頻率：檢測2 d，每天3次，經(jīng)過計(jì)算，平均測試結(jié)果見表6。

表6 不凝氣檢測結(jié)果

表6中所檢出的各項(xiàng)檢測項(xiàng)目均未達(dá)到大氣污染物最高允許排放濃度，該裝置的不凝氣排放符合環(huán)保相關(guān)要求。

四、結(jié)論

(1)采用摩擦式熱解吸原理，設(shè)計(jì)研制出油基鉆屑熱解吸處理裝置用于廢棄油基鉆屑的處理。

(2)處理后的鉆屑干粉含油量達(dá)到了GB 4914-2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物排放濃度限值》中<1%的要求，回收油基本性能不變，滿足二次配置鉆井液要求，不凝氣符合排放要求。

(3)油基鉆屑熱解吸處理裝置的現(xiàn)場應(yīng)用取得較好的效果，解決了油基鉆屑排放中的污染問題，滿足了頁巖氣鉆井使用油基鉆井液的環(huán)境保護(hù)要求。