頁巖氣井油基鉆屑新型環保無害化處理技術

李惠心，周慶元，陳 容，林 輝，李邵楠，王博學

1 長江大學石油工程學院 2 中國石油集團渤海鉆探工程有限公司井下作業分公司3 中國石油新疆油田公司生產運行處 4 中國石油長慶油田分公司第二采油廠工藝研究所5 中國石油華北油田公司經濟技術研究院 6 中國石油玉門油田分公司油田作業公司

0 引言

頁巖氣儲層由于其獨特的成藏特點，通常需要采用水平井的開發方式，這就要求鉆井液體系必須具有良好的潤滑性能。同時頁巖氣儲層的水敏性一般較強，并且發育微裂縫，容易誘發井下復雜事故，要求鉆井液體系必須具有良好的抑制性能［1-3］。因此，油基鉆井液體系由于具有良好的潤滑性、抑制性、耐溫性以及安全性等優點被廣泛應用在頁巖氣儲層鉆井過程中。而油基鉆井液在使用過程中產生的大量油基鉆屑通常會成為各大頁巖氣田環保處理的難點，油基鉆屑一般含有大量的礦物油組分、重金屬以及其他多環芳烴等毒性物質，如果不能對其進行合理的處理，不僅會造成資源浪費，還會對環境造成嚴重的污染［4-8］。

目前，針對油基鉆屑的處理方法主要包括填埋法、熱解法、固化法、溶劑萃取法、生物修復法以及化學清洗法等，但這些方法大多都由于成本、操作工藝等條件的限制，在實際應用過程中存在一定的局限性［9-12］。而化學清洗法由于具有成本低廉、操作工藝簡單等特點，成為國內外研究的重點［13-15］。本文以四川盆地某頁巖氣區塊現場油基鉆屑為研究對象，通過大量處理劑優選評價實驗，研究出一種適用于頁巖氣井油基鉆屑的新型化學復合清洗液體系，能夠實現頁巖氣井油基鉆屑的環保無害化處理，室內對該體系的性能進行了評價，并成功在四川盆地某頁巖氣區塊進行了現場試驗。

1 新型化學復合清洗液作用機理及配方

1. 1 新型化學復合清洗液體系作用機理

研制的新型化學復合清洗液體系主要由高效除油劑SCY-6、生物表面活性劑SWS-3和潤濕反轉劑STJ-2組成，其中高效除油劑SCY-6屬于陰離子型表面活性劑和非離子型表面活性劑的混合物，兩種表面活性劑具有良好的協同增效作用，配合使用可以產生優良的乳化和增溶效果，能夠很好地去除油基鉆屑中的油相組分。生物表面活性劑SWS-3屬于微生物在代謝過程中分泌的一種具有一定表面活性的產物，其分子結構中既含有極性的親水基團，又含有非極性的親油基團，可以在油水界面上整齊排列吸附，有效降低油水界面張力，使原本存在油基鉆屑內部及縫隙中的油相組分更容易分散排出。潤濕反轉劑STJ-2能使油基鉆屑表面由親油性轉變成親水性，從而使更多的液相能夠進入油基鉆屑內部，起到更好的洗油效果。以上幾種處理劑在發揮各自功能的同時，還能產生良好的協同效應，進一步提高油基鉆屑的除油效率。

1. 2 新型化學復合清洗液體系配方

通過對除油劑、生物表面活性劑以及滲透劑的優選及評價實驗，研制出一種適合頁巖氣井油基鉆屑的新型化學復合清洗液體系，其具體配方為：2.5%高效除油劑SCY-6+1.0%生物表面活性劑SWS-3+0.5%潤濕反轉劑STJ-2。

2 新型化學復合清洗液體系處理條件優化

2. 1 油基鉆屑化學清洗實驗方法

取一定質量的油基鉆屑加入新型化學復合清洗液體系中，在一定溫度條件下混合攪拌一定時間后，采用離心法在轉速為2 000 r/min條件下離心5 min，將清洗離心后的鉆屑采用索氏抽提差量法測定其含油率，并與未清洗的油基鉆屑含油率進行對比，計算除油率。

2. 2 液固比對油基鉆屑除油率的影響

在實驗溫度30 ℃、攪拌速度200 r/min、攪拌時間20 min的實驗條件下，評價了不同液固比（質量比）對油基鉆屑除油率的影響，實驗結果見圖1。

圖1 液固比對油基鉆屑除油率的影響

由圖1結果可知，隨著新型化學復合清洗液體系和油基鉆屑液固比的不斷增大，除油率逐漸升高，當液固比為3:1時，除油率可以達到85%以上，再繼續增大液固比，除油率提高幅度不大。這是由于當液固比較低時，隨著液相比例的逐漸增大，混合體系中有效除油成分占比逐漸增大，更容易除去油基鉆屑中的含油組分；而當液固比達到一定比例時，鉆屑表面吸附的表面活性劑等有效除油成分逐漸達到飽和，除油率很難再大幅度地提升。因此，綜合考慮工藝成本等因素，選擇液固比為3:1最為合適。

2.3 溫度對油基鉆屑除油率的影響

在液固比為3:1、攪拌速度為200 r/min、攪拌時間為20 min的實驗條件下，評價了實驗溫度對油基鉆屑除油率的影響，實驗結果見圖2。

圖2 溫度對油基鉆屑除油率的影響

由圖2結果可知，隨著實驗溫度的不斷升高，除油率先略有增大，當實驗溫度為50 ℃時，除油率達到最大，繼續升高實驗溫度，除油率出現一定程度的下降現象。這是由于當溫度大于50 ℃后，化學清洗體系中部分有效組分可能會揮發或者性能有所下降，從而導致除油率有所降低。可以看出，溫度對除油率的影響較小，并且由于溫度越高，能耗就越大，升高實驗溫度使后期處理流程增多，處置難度加大，變相導致油基鉆屑處理成本的增大，因此，綜合分析，應盡可能降低實驗溫度，所以選擇最佳實驗溫度為30 ℃。

2. 4 攪拌速度對油基鉆屑除油率的影響

在液固比為3:1、實驗溫度為30 ℃、攪拌時間為20 min的實驗條件下，評價了攪拌速度對油基鉆屑除油率的影響，實驗結果見圖3。

圖3 攪拌速度對油基鉆屑除油率的影響

由圖3可知，隨著攪拌速度不斷增大，新型化學復合清洗液體系對油基鉆屑的除油率呈現出先增大后減小的趨勢，當攪拌速度為300 r/min時，除油率達到最大為90.65%，再繼續增大攪拌速度，除油率有所下降。這是由于隨著攪拌速度的增大，油基鉆屑與化學復合清洗體系的混合更加均勻，表面活性劑等除油有效成分更多的吸附在固液界面上，降低了界面張力，使油類物質更容易從鉆屑表面分離；而當攪拌速度過大時，會使已經分離出來的油相產生乳化作用，形成水包油乳狀液，不利于后期的油水分離，導致除油率出現一定程度的下降現象。因此，應選擇最佳的攪拌速度為300 r/min。

2. 5 攪拌時間對油基鉆屑除油率的影響

在液固比為3:1、實驗溫度為30 ℃、攪拌速度為300 r/min的實驗條件下，評價了攪拌時間對油基鉆屑除油率的影響，實驗結果見圖4。

圖4 攪拌時間對油基鉆屑除油率的影響

由圖4結果可知，隨著攪拌時間的延長，新型化學復合清洗液體系對油基鉆屑的除油率逐漸增大，當攪拌時間為30 min時，除油率可以達到95%以上，再繼續延長攪拌時間，除油率增加幅度不大。這是由于新型化學復合清洗體系對油基鉆屑混合初期，在攪拌時間較短的條件下除油率較低，隨著攪拌時間的延長，鉆屑和化學清洗劑的接觸更加充分，除油率逐漸增大，當攪拌時間增大到一定值后，鉆屑中的含油成分基本被清洗出來，再延長攪拌時間除油率的變化不再明顯。因此，應選擇最佳的攪拌時間為30 min。

3 礦場試驗結果

使用研究的新型化學復合清洗液體系對四川盆地某頁巖氣區塊內3口井的油基鉆屑進行了現場清洗試驗，并與前期采用復合溶劑萃取法（萃取劑為復合烴類）處理的鄰井HM-109進行油基鉆屑清洗效果對比。其中使用新型化學復合清洗液的3口井共計處理油基鉆屑12 m3，試驗工藝條件為：液固比為3:1，試驗溫度為30 ℃，攪拌速度為300 r/min，攪拌時間為30 min。清洗試驗后測定油基鉆屑的含油量，計算除油率均在90%以上，將處理后的鉆屑按照國家標準GB 5085.6—2016 《危險廢物鑒別標準-毒性物質含量鑒別》的方法和規定測定了其中的重金屬和浸出液毒性物質含量等指標，結果見表1，并與國家標準GB 4284—2018 《農用污泥污染物控制標準》中B級污泥產物要求的污染物濃度限值進行對比。

由表1可以看出，使用新型化學復合清洗液體系的3口頁巖氣井（HM-1、HM-2和HM-3井）油基鉆屑處理后的重金屬含量以及其他毒性物質含量均低于國家標準中規定的濃度限值，達到了B級污泥產物規定的級別；而使用復合溶劑萃取法處理后的HM-109井油基鉆屑重金屬含量雖能達到國家標準的規定，但其含量明顯高于使用新型化學復合清洗體系處理后的油基鉆屑，并且其礦物油含量超過了國家標準規定的濃度限值。這說明研制的新型化學復合清洗液體系更適合目標區塊頁巖氣井油基鉆屑的清洗，其能達到油基鉆屑環保無害化處理的目的，具有一定的推廣應用前景。

表1 處理后鉆屑的重金屬及其他毒性物質含量

4 結論

（1）研制了一種由高效除油劑SCY-6、生物表面活性劑SWS-3和潤濕反轉劑STJ-2組成的新型化學復合清洗液體系，其能通過乳化、增溶、降低界面張力和改變潤濕性等作用對油基鉆屑中油相組分起到良好的清洗作用。

（2）工藝條件優化實驗結果表明，當液固比為3:1、實驗溫度為30 ℃、攪拌速度為300 r/min、攪拌時間為30 min時，新型化學復合清洗液對油基鉆屑的除油效率最高，可以達到95%以上。

（3）礦場試驗結果表明，使用新型化學復合清洗液體系處理后3口頁巖氣井油基鉆屑的重金屬和其他毒性物質的含量均能滿足國家標準的要求，油基鉆屑的處理效果好于使用復合溶劑萃取法的鄰井，實現了頁巖氣井油基鉆屑環保無害化處理的目的。