油基岩屑处理利用技术研究分析

许云川,张 磊,欧海湖,郭马赟

(四川蜀渝石油建筑安装工程有限责任公司,四川 成都 610000)

油基岩屑是在油气开采过程中产生的含油固体废弃物,含油率很高,远远超出排放标准,难以直接使用,若不妥善处理,会对生态环境造成危害。中国油页岩资源十分丰富,随着油页岩资源的大力开采,会产生大量的油基岩屑。油基岩屑的安全高效处理己成为制约石油企业环保生产的重要问题之一。目前国内外对油基岩屑研究主要是无害化处理和资源化利用。

1 油基岩屑处理技术现状

1.1 固化技术

固化处理就是利用固化剂如石灰、水泥、有机聚合物、塑料等将油基岩屑固化,锁住油基岩屑中的有害离子和有机物,减少对土壤的侵蚀。除了传统的固化剂,宋明全[1]等研制了针对井场废弃物的固化剂HB-1,废弃物可在1-2d后固化完全,效果较好。

油基岩屑经过固化处理后,通常需征用土地进行填埋,处理成本高,且造成土地资源的浪费,没有从根本上解决问题,因此处理量少时可考虑选用。

1.2 干化技术

干化技术就是对油基岩屑进行干燥处理。乔莎莎[2]等研究了油基岩屑分级真空干燥技术,针对含柴油和含水的油基岩屑进行了不同温度下干燥速率变化情况以及不同压力对油基岩屑干燥程度的影响研究。研究表明,在特定条件下,干燥后的油基岩屑含油量均低于1%。

1.3 物化分离技术

物化分离法是一种较为成熟的处理方法,取得了较好的经济效应[3]。物化分离法一般采用药剂或机械分离回收油基岩屑中的油类物质。分离前,首先要对岩屑进行筛选,然后加水拌和均匀,最后进行多级分离实现油、岩屑和水的三相分离[4]。通常经过二级分离就能达到较好的处理效果。

1.4 焚烧技术

焚烧技术是国外较为常用的一种处理技术,方法较为简单。对油基岩屑焚烧处理前一般还要经过脱水、干燥等程序,回收可循环使用的油类物质,减少岩屑含水率,使燃烧更加充分。焚烧过程会产生大量气体,这些气体须经过除尘装置和有害气体吸收装置以使烟气达到环保要求。对于焚烧过程产生的热能可以进行回收利用,焚烧后的岩屑可用于生产陶粒等建材。

郑婷婷[5]等采用了热解析和焚烧技术综合处理油基岩屑,经现场试验验证,处理后的油基岩屑能达到污染物排放要求。

经过焚烧处理,油基岩屑中的大量有害物质被消除,但是焚烧过程中产生的有害气体、颗粒物等可能会造成二次污染[6]。

1.5 高温裂解技术

高温裂解技术是在绝氧和一定温度条件下进行,首先油基岩屑中的水和轻组分油类物质会蒸发出来；重组分油类不能直接蒸发,在热分解作用下逐渐裂解成轻组分,也从岩屑中分离出来,从而实现固液分离[7]。

高温裂解技术操作过程复杂、反应条件苛刻,需要较高的技术含量,而且热消耗大,成本较高[8]。经过高温裂解,油基岩屑被分解为H2、CH4和CO等为主的气体；汽油、柴油和水为主的液体以及岩屑和残碳为主的固体。经过处理的岩屑含油率可低于0.01%(100 mg/kg),处理后的残留固相物达到排放要求,可以直接填埋。

1.6 生物处理技术

生物处理技术是利用微生物降解油基岩屑中的油类等有害物质,使其达到可耕种土壤的标准,是一种绿色环保技术[9]。国外已经开始利用生物处理技术处理油基岩屑,国内的部分油田也进行了应用性试验。油基岩屑的生物处理技术主要有地耕法、堆肥处理法和生物反应器法。

1.7 萃取技术

萃取技术一般采用溶剂将油基岩屑中的油类物质提取出来,然后再将溶剂与油分离,实现油类的回收。

除了传统的有机溶剂外,单海霞[10]等用离子液体对油类进行萃取,取得了良好的试验效果。此外超流体萃取技术由于处理效果好,除油率高达98.9%[11],有大量学者对此进行了研究。超流体是介于气、液之间的一种物质形态,具有较强的穿透力、较大的密度和较高的溶解度[12],理想的萃取剂有二氧化碳和丙烷等。

1.8 填埋法

填埋法就是将油基岩屑密封在一个固定空间或者注入安全地层。坑内密封是在一个固定空间将油基岩屑密封起来,需要征收土地,并且必须保证空间的密闭性,不能发生泄漏。处理后有害物质并未消除,此方法并未从根本上解决问题,而且处理成本高。

岩屑回注技术[13]是近年来国外较为青睐的一项新技术,是将油基岩屑注入安全地层或者地下环形区间。这种方法首先要在地层中加压产生一条裂缝,然后将油基岩屑与海水的混合物通过机械处理碾磨成黏性浆液,再通过井泵将其送到井下后加压注入裂缝中,最后用水泥把井密封起来。但是回注的浆液有发生渗漏,污染地下水和地下油层的隐患。

1.9 超声波处理法

超声波处理法是利用机械振动和超声空化作用,破坏油基岩屑内部结构,降低石油类物质的粘度,实现岩屑、水和油的三相分离[14]。

王新强等[15]对超声处理法处理油基岩屑进行了研究。研究表明,在弱空化状态下该项技术的除油率最高,高于90%。

超声处理法能迅速提供较高的反应温度和较强的冲击力,有效降低石油类物质的粘度,促使油和岩屑的分离。

1.10 化学热洗法

化学热洗法首先要将油基岩屑加水稀释,然后加入化学试剂,充分搅拌均匀后,再将溶液加热到一定的温度,使油与岩屑分离,将油回收后再进行脱水处理,完成固液分离。化学热洗法操作较为简单、投资较少,是美国环保公司优先采用的一种处理方法。

化学热洗法对油的回收率较高,但是化学药剂需要根据油基岩屑的性质进行选取,有一定的难度,而且可能还需要二次处理方能达到排放标准[16]。

2 油基岩屑资源化利用现状

2.1 用于建筑

徐海彬[17]等人将油基岩屑进行固化处理后用于建造泵房的主体,铝合金作支撑框架。其中固化剂与油基岩屑质量比为1.5∶1。

巴西某石油企业的R.L.C. Vaqueiro[18]等将油基岩屑加入粘土中用于制造烧结砖,并对烧结砖进行了抗拉和弯曲度试验。试验表明,油基岩屑用于制造烧结砖、瓦片等建筑材料是可行的。

但是由于各井场使用的油基泥浆以及地下岩屑存在差异,直接利用未处理过的油基岩屑制造的建筑材料的性质在使用过程中可能发生变化,对周边环境造成影响。

2.2 用于生产水泥

油基岩屑中的固体部分主要包含粘土和地底岩屑、矿屑,主要成分有氧化铝、氧化铁、氧化硅等,这些正是生产水泥的主要成分。将油基岩屑用于生产水泥,岩屑中的无机物质可以补充水泥生产必要的元素。

2.3 用于湿地改善

在近海或者深海进行石油开采中,一方面,为满足生产需求,需要钻大量的井,会产生大量的油基岩屑；另一方面,开采会造成大面积的湿地减少。因此有部分学者提出将油基岩屑用于湿地改造。

美国南路易斯安那州海岸上,由于发展石油工业,每年丧失64.75～90.65km2的湿地面积。同时为了解决油基岩屑的无害化处理问题,政府投资了大量资金,东南路易斯安那大学的学者启用了油基岩屑修复湿地的研究,取得了阶段性成功。但是由于受到法律的限制,该项研究很难得到大规模推广应用。

中科院沈阳生态研究所的籍国东[19]等人对油基岩屑应用于辽河油田某井场附近的芦苇区进行了试验研究。研究表明,芦苇能有效净化矿物油,而且在实验剂量范围内投放油基岩屑越多,净化效率越高。将油基岩屑应用于芦苇湿地对深层土壤和深层地下水影响较小,可以通过防渗漏措施解决其对浅层地下水的影响。而且油基岩屑对芦苇的品质没有影响,仅影响其发芽率、生物量等,研究表明油基岩屑用于湿地改造是可行的。

2.4 用于MTC水泥浆技术

MTC技术就是将油基岩屑与矿渣混合之后,加入分散剂,把它转变为固井用水泥,利用碱金属、无机盐或盐来控制水泥浆的稠化时间和抗压强度的技术。

国内外对于MTC技术都有较为广泛的研究和应用。这项技术使油基岩屑成为一种可利用的资源,减少了水泥用量,节约成本。但是这项技术专业性较强,需要针对不同的性质的油基岩屑制定专门的配方,操作难度大,而且油基岩屑的转化率较低。

2.5 配制三元型煤

陈忠[20]等用四川宜宾地区出产的贫煤、大安寨地区的油基岩屑以及废泥浆生产三元型煤,通过研究得到最优配合比为56∶35∶9,生产出来的三元型煤满足洁净型煤标准。

3 结语

油基岩屑的处理技术多种多样,但是某些处理技术可能会造成资源的浪费或者造成二次污染。并且在实际应用时,仅用一种方法往往无法将油基岩屑处理彻底,通常都是采取多种处理技术相结合的方式,因此寻找到技术可行、处理高效且无二次污染的预处理方案尤为重要。油基岩屑的资源化利用,主要是利用其固相成分,可将其进行预处理(脱油和脱水)后作为固体废弃物使用。