電磁加熱在油基鉆屑處理中的研究與應用

王之學 李 孟 唐建穩 林傳鋼 張 巖

（杰瑞環保科技有限公司，山東 煙臺 264003）

0 引言

在油氣資源開發作業中，油基鉆井液因其潤滑性強、穩定性好、耐高溫和耐鹽鈣腐蝕而被廣泛應用于油田井場和鉆井平臺，從而產生了大量的油基鉆屑。油基鉆屑屬于《國家危險廢物名錄》中的HW08類廢礦物油與含礦物油廢物，其成分復雜多變，若不加以處理或處理不當，將對周圍環境造成嚴重的影響和危害。當今環保要求日趨嚴格，該物料的處理迫在眉睫。

1 油基鉆屑處理技術方案

1.1 技術方案對比

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、熱化學清洗法和生物處理法等。油基鉆屑處理方法對比見表1。

表1 油基鉆屑處理方法對比

1.2 熱相分離技術加熱方式

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，在進一步處置的同時還可經后續裝置進行回收或再利用。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、微波加熱以及導熱油加熱等。目前微波加熱多處于實驗室研究階段，工業化應用較少，而油氣田井場或海上鉆井半臺均屬于高度敏感區，杜絕使用明火作業裝置工作，且多數油氣田位于較偏遠地區，燃料供應設施不完善，交通不便利，運輸成本非常高，因此不適用天然氣或燃油、導熱油加熱方式。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點，更適合在井場或鉆井平臺現場開展油基鉆屑熱相分離處理，以節省場站對油基鉆屑委外處理和運輸費用，大幅度降低了油基鉆屑的綜合處置成本。此外，經固控系統處理的油基鉆屑可直接進設備處理，能達到泥漿不落地的處理要求。綜上所述，通過對多種工藝方案和加熱方式的對比可知，電磁加熱式熱相分離工藝具有可以直接在鉆井現場作業、安全性高、處理效果好、可資源化利用以及投資低等優勢，綜合評估應采用電磁加熱式熱相分離方法處理油基鉆屑。

2 技術方案

2.1 工作原理

電磁感應原理是指在高頻率的交變磁場中，被加熱金屬不斷切割交變磁場的磁力線，改變經過金屬的磁通量，使金屬內部形成交變電流（渦流），金屬原子在渦流作用下進行無規則運動，不斷碰撞和摩擦，使金屬物體內部產生大量的熱能。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

在熱相分離設備外圈增加保溫層，再包覆電磁感應線圈，將油基鉆屑輸送至爐體內部。處理時接通高頻交變電流，加熱爐體周圍會產生交變磁場，爐體外壁切割磁力線形成渦流，產生電磁感應和大量熱能，間接加熱處理爐體內部油基鉆屑。電磁加熱設備將爐體最高加熱至350℃，攪拌器可確保爐內物料加熱均勻。整個處理過程均處于絕氧或無氧的狀態下，且經過真空裝置抽吸，使反應釜內負壓達到-85kPa。隨著釜內溫度的升高，油基鉆屑中的水、油類物質在不同的溫度下揮發而出，經冷凝換熱依次分離、收集。

通過試驗分析可知，由于水、油類物質的揮發溫度不同，先是物料中的水達到沸點揮發，其次為液態油，最后殘存的H、CO、CO、CH等小分子物質不凝氣經氣處理裝置凈化后收集或外排。設置加熱溫度分為120℃和350℃兩個階段，可實現水蒸氣和油氣（不凝氣）的分別提取，并通過冷凝系統將其冷凝。經過處理后的固相進行取樣檢測，達標后外運處理，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處理油基鉆屑工藝流程圖如圖2所示。

圖2 熱相分離技術工藝流程圖

3 油基鉆屑處理試驗

3.1 試驗物料及設備

處理物料為中海油某井場油基鉆屑，物料樣品如圖3所示。處置設備為電磁加熱式熱相分離設備，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等組成，使用電磁加熱，可在短時間內達到反應溫度，且真空裝置可維持處理時的真空負壓狀態，設備如圖4所示。

圖3 試驗物料

圖4 電磁加熱小試設備

3.2 試驗方法

該試驗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負壓，并使用電磁加熱設備對加熱爐體內油基鉆屑進行加熱處理，直至集液瓶中沒有液體和氣體產生，繼續保溫20min～30min，待爐體降溫后回收處理后固體殘渣，并觀察爐體內是否存在板結。該試驗采用質量法計算油基鉆屑的三相組分，并根據《城市污水處理廠污泥檢驗方法》（CJT221—2005）中的“礦物油的測定 紅外分光光度法”檢測處理后固相的含油率，操作要求可根據試驗步驟進行。

3.3 小試試驗

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。試驗結果見表3。圖5為相應條件下獲得的回收液體。通過觀察試驗現象可知，隨著釜內負壓上升，冷凝管中出現水滴的溫度依次為60℃、80℃、95℃左右，出現油滴的溫度依次為150℃、200℃、280℃左右，可見負壓狀態可降低油基鉆屑中的水分和油分沸點，從而加快反應進行。由表3中數據可知，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，試驗結果見表4和表5。由表中數據可知，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

根據上述試驗考察因素，選取真空度為-0.1MPa～-0.08MPa，試驗溫度分別為300℃、350℃和400℃下進行試驗，試驗結果見表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，表明溫度過高導致油基鉆屑中的部分油氣發生裂解形成小分子氣體。圖6為處理溫度350℃實驗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℃、負壓為-85kPa的情況下，可得到較好的回收油和回收水。

4 結論

隨著環保要求不斷提高，對油田井場或海上鉆井平臺現場產生的油基鉆屑、含油廢棄物等的處理要求也日趨嚴格。很多油田井場采用多級固控系統處理鉆井泥漿，但處理后的固體廢物及其現場產生的含油廢棄物依然需要委外處理，這極大地增加了井場負擔。該文結合現有“泥漿不落地”、井場內杜絕明火的要求，考慮到現場還有種類與性質復雜多變的含油廢棄物需要處理，研究了應用電磁加熱間歇熱脫附工藝處理油基鉆屑的可行性，并通過利用小試設備處理井場的含油污泥，初步分析有關真空度和溫度對處理效果的影響。結果表明，該工藝可實現油基鉆屑的減量化和資源化，提高加熱溫度和真空度可達到處理后物料含油率小于1%的要求。