一种生化联合处理油基岩屑工艺的研究

陈红硕，薛广海，刘庆，李强

（北京矿冶研究总院，北京100160）

一种生化联合处理油基岩屑工艺的研究

陈红硕，薛广海，刘庆，李强

（北京矿冶研究总院，北京100160）

本文在实验室条件下开发出一套针对国内某油田油基钻井岩屑高效、实用的生化联合处理工艺，在岩屑无害化处理的同时，可实现有用资源的回收再利用。钻井岩屑含油33.4%，含水29.1%，含固37.5%。实验结果表明：经过第一阶段的物化收油处理，96%以上的油分可被富集回收，尾砂干基含油率可降低至2.5%；经过第二阶段的生物深度处理后，尾砂含油率可进一步降低至0.12%，达到了“GB4284-1984”规定的复垦标准（含油量需小于0.3%）。

钻井岩屑；物化处理；生物处理；油分回收

在石油的开采、集输以及后续的加工炼制过程中，经常会伴随着一种危废副产物－含油固废的产生，主要包括钻井岩屑、罐底泥、落地泥以及“炼厂三泥”[1]。由于其数量大、危害大、治理难度高的特点，成为长期困扰油田业主以及科研工作者的一个难题[2]。

近年来，经过世界各国科研工作者的孜孜以求、团结协作，使得含油固废的神秘面纱逐渐浮出水面，针对含油固废的处理工艺、处理方式呈现出百花齐放的态势，主要集中在热化学清洗工艺、溶剂萃取工艺、固化工艺、电化学分解工艺、高级氧化降解工艺、热脱附工艺、高温焚烧工艺以及比较前沿的生物处理工艺等。但无论哪一种工艺，其最终目的均是实现含油固废的“减量化、无害化、资源化”。

单纯的物化工艺在回收含油固废的油分方面具有较强优势[3]，多用于高含油固废（干基含油量>10%）的处理领域，但对于含油量较低的固废（干基含油量<5%），由于成本方面的原因，其适用性大大受限；单纯生物处理工艺具有成本低的优势，多用于低含油量固废的处理[4]，但对于高含油固废，由于其处理周期长、难以实现资源回收以及生物毒性等方面的短板，此工艺难有作为。

本文在综合对比物化和生物两工艺优缺点的基础上，针对国内某油田含油固废中的一种-高含油钻井岩屑，开发出一套生化联合处理工艺，在高效回收钻井岩屑中油分的同时，可实现最终尾砂的达标外排。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

钻井岩屑为国内某油田高含油钻井岩屑，从外观来看：呈油黑色，含油量较高，具有一定的黏度，且伴有明显的油类特征气味。在物化过程中，使用到的药剂为分散剂，表面活性剂1，黏土抑制剂以及油分捕收剂；在生物过程中使用到的药剂为表面活性剂2，用到的生物培养基为石油无机盐培养基，LB培养基以及斜面培养基。使用到的仪器主要有831 KF实用型库仑法卡氏水分测定仪，瑞士万通Metrohm；EA3000元素分析仪，利曼中国；欧陆ET1200红外测油仪，上海欧陆科仪；TGL-10B台式离心机，上海安亭。

1.2 工艺流程

经过预处理后的钻井岩屑首先进入物化收油阶段，该阶段主要包含高效剥离，强化浮选以及油分回收三个工序；之后尾砂进入到生物深度处理阶段，该阶段可实现尾砂的达标外排。原则工艺流程（见图1）。

图1 原则工艺流程图

1.3 分析方法

以四氯化碳为抽提剂，用索氏抽提法提出样品中的油分，再采用红外测油仪进行含油量的测试[5]；采用卡尔费休法进行含水率的测试[6]；用元素分析仪，通过燃烧色谱法定量分析样品中的C、H、N、S含量，再采用差量法测定出样品中的O含量；通过四组分分析（ASTM D4124）测定钻井岩屑中油分的族组成。

2 结果与讨论

2.1 钻井岩屑的特性

从钻井岩屑的整体组成（含油、含水、含固）、pH值（见表1）；钻井岩屑油分黏度、密度、四组分组成、元素分析（见表2，表3）；以及钻井岩屑固相矿物学组成（见图2），几个方面对钻井岩屑进行了表征、测试、分析。结果表明该钻井岩屑干基含油率高达47.1%，H/C比为1.88，ρ20密度为0.916 5 g/cm3，具有很好的回收利用价值；由于其整体pH偏碱性，黏度仅为62.5 cP，且固相矿物学组成方面无重矿成分，决定了水基收油工艺对其的适用性，但固相中碳酸钙的存在，会使得油分中的部分阴离子（如羧基离子）与固相表面的钙离子稳定结合，给油相与固相的分离带来困难，采用高效剥离与药剂添加的方法可消除此部分的副作用。

表1 钻井岩屑的整体组成及pH

表2 钻井岩屑油分四组分组成、黏度及密度

表3 钻井岩屑油分元素分析

2.2 物化处理实验

2.2.1 实验方法与步骤取适量混合均匀的钻井岩屑，去除其中的枯草、大石块等杂物，岩屑、新鲜水按1：1的比例加入到高效剥离装置中进行油固分离，分散剂用量为岩屑质量的0.2%，表面活性剂1的用量为岩屑质量的0.5%，剥离温度50℃，剥离时间15 min；所得矿浆进入到浮选槽中进行强化浮选，捕收剂投加量0.05%，抑制剂加量0.3%，浮选温度常温，浮选时间30 min，所得浮渣进行油分回收操作，所得尾砂进入到后续的生物深度处理环节。

图2 钻井岩屑固相矿物学组成

2.2.2 实验结果与讨论经过第1阶段的处理，共得到两种产品，尾砂以及油类产品，油类产品的回收率可高达96%以上，含水率低于0.5%，具有很高的回用价值；尾砂的干基含油率为2.5%，具体指标（见表4，表5）。

表4 尾砂组成分析

表5 回收油类产品的组成及回收率情况

2.3 生物处理实验

钻井岩屑经过第1阶段的物化处理后尾砂仍具有2.5%含油量（干基），针对这部分物料，若进一步采用物化手段进行处理，虽可达到相关环保要求，但其经济性大大降低，工程化意义不大。所以对其开展第2阶段的生物深度处理实验，使其达到相关的外排标准。

2.3.1 高效菌种的筛选经过富集培养、分离、纯化，从钻井岩屑中分离得到6株能以石油为唯一碳源的菌株，将菌株编号为Y1～Y6；将6种菌株分别接种到50 mL含油量为2 000 mg/L的无机盐培养基中，在35℃，200 r/min摇床上振荡培养5 d；各菌种对石油无机盐培养液的降解情况（见表6）。

表6 各筛选菌株对石油的降解率情况

从表6可知，各种菌株对石油的降解能力不同，相对于其他几种菌株，Y3、Y6两株菌在石油的降解方面具有明显优势，对石油的降解率均在60%以上，因此选取这两株菌种作为生物深度处理环节的优势菌株，通过查阅细菌分类手册及相关文献，并根据生理生化实验，鉴定出Y3、Y6为假单胞菌属。

2.3.2 堆肥实验方法与步骤针对尾砂出料共设计4种对比方案（见表7）。分别考察膨松剂（秸秆）、营养因素、微生物（Y3、Y6）对生物堆肥处理尾砂的影响。尾砂与填充秸秆的质量比为99：1；微生物对营养因素要求很高，C：N：P=25：1：0.5（质量比）为最佳比例。

表7 堆肥实验方案设计情况

堆肥实验过程中，通过湿度调节装置控制反应器中尾砂含水在40%左右。实验在室温平均30℃条件下进行，未对堆肥反应器保温。堆肥实验总时间50 d，每隔10 d取样一次，进行含油量的测试。

2.3.3 实验结果与讨论不同堆肥实验方案对尾砂含油量的去除情况（见图3），从图3中可以看出实验4在降解尾砂含油率方面的效果最为明显，特别是在反应初始阶段，其能够快速发挥降解效果，这主要是由于在秸秆与营养物的作用下，菌剂能够更快的适应堆肥环境。秸秆有助于提高系统的保水性，增加了菌剂与油类的接触机会，通过共代谢的作用，使得含油量快速降低；而营养物则保证了菌剂的迅速繁殖、扩大，并且这种作用在反应初始阶段尤为重要。经过50 d的处理，实验4中的尾砂含油率可降低到0.12%，达到了“GB4284-1984”规定的复垦标准（含油量需小于0.3%）。

图3 尾砂含油量去除率情况

3 结论

（1）通过对钻井岩屑的物性分析及表征，得出其干基含油率高达47.1%，具有较高的回收利用价值；由于其固相组成中不含重矿物成分，且pH略偏碱性，从理论上具备了与水基收油工艺的匹配性。

（2）钻井岩屑固相中碳酸钙的存在，使得油分中的部分阴离子（如羧基离子）与固相表面的钙离子稳定结合，给油相与固相的分离带来困难，通过分散剂、表面活性剂的合理投加，可有效消除此影响。

（3）通过第1阶段的“高效剥离-强化浮选-油分回收”三个工序的处理后，油类回收率可高达96%以上，尾砂含油率可降低至2.5%。

（4）针对第1阶段含油量2.5%的尾砂，若进一步采用物化方法处理，经济成本会大大提高，工程转化意义不大，采用低成本的生物方法对其进行了50 d的堆肥处理，其含油量可降低至0.12%，达到了“GB4284-1984”规定的复垦标准（含油量需小于0.3%）。

（5）“物化+生物”联合处理钻井岩屑工艺，在有效回收油类资源的同时，可实现尾砂的达标外排，成本低、效果好，是一种较优的组合工艺。

［1］宋绍富，魏强.含油污泥处理技术进展［J］.石油化工应用，2015，34（11）：3-7.

［2］祝威.油田含油污泥热解产物分析及性能评价［J］.环境化学，2010，29（1）：127-131.

［3］魏彦林，吕雷，杨志刚，等.含油污泥回收处理技术进展［J］.油田化学，2015，32（1）：151-157.

［4］杨丽芹，蒋继辉.微生物对石油烃类的降解机理［J］.油气田环境保护，2011，21（2）：24-26.

［5］杜坤泉，黎小敏，何良汉.红外分光法测定水中石油类［J］.工业水处理，2003，23（7）：47-48.

［6］张万.油中含水量测试方法浅析［J］.内燃机与配件，2011，（2）：19-20.

A study on oil-based drilling mud treatment using biochemical method

CHEN Hongshuo，XUE Guanghai，LIU Qing，LI Qiang
（Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100160，China）

A effective method to treat the oil-based drilling mud in one oilfield of China was studied under commom laboratory conditions,which can recycle the oil content and make the tailings meet the control standards for pollutants.The oil-based drilling mud was made up of solid phase（37.5 wt%）,water phase（29.1 wt%）and oil phase（33.4 wt%）.The oilbased drilling mud was firstly treated by chemical method and then treated by biological method.In the first stage,oil recovery rate can reach 96 wt%,in the second stage,the residual oil rate of tailings was 0.12 wt%,which perfectly met the control standards for pollutants in sludges from agricultural use（GB4284-1984）.

oil-based drilling mud；physicochemical treatment；biological treatment；oil recovery

TE992.3

A

1673-5285（2016）12-0126-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.12.031

2016－11-10

北京矿冶研究总院科研基金资助项目，项目编号：YJ-2015-04。

陈红硕，男（1988-），工程师，从事含油固废处理工艺研发工作，邮箱：chenhongshuo@bgrimm.com。