含油钻屑热解析处理技术研究进展＊

徐 军 张新发 李世勇

(1.中国石油川庆钻探工程有限公司工程技术研究院；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室)

0 引 言

随着页岩气等非常规油气的大规模开发，油基钻井液以其优良的性能得到越来越广泛的应用，同时，油基钻井液可重复利用，但在使用油基钻井液钻井过程中也产生了大量的含油钻屑，含油钻屑中含有油等有害物质，若处理不当将造成环境污染。欧洲自1993年起要求固体废物中油类物质的含量应小于1%[1]。我国也已明确将含矿物油废物列为危险废物。

含油钻屑处理方法主要有热解析法、焚烧法、填埋法、生物降解法、地层回注法等，其中含油钻屑热解析处理技术具有处理后钻屑含油量低、油资源可回收利用、设备可撬装化等优点，目前该技术在国内含油钻屑处理领域得到快速发展，文章重点对热解析技术研究现状进行论述。

1 热解析处理技术简介

含油钻屑热解析处理技术是20世纪90年代由土壤污染治理领域而引入到石油工业污染防治中，并得到迅速发展。Brandt石油公司从1999年开始，已采用热解析处理技术完成50万t含油钻屑的处理任务，取得了良好的效果[2]。

热解析处理技术主要通过加热方式对污染物进行去除并对资源收集回用。主要特征是热解析过程中热量“间接”作用于待处理污染物，没有直接接触燃烧，热解析是物理分离过程，污染物仅发生物相转变，不产生有机物的深度破坏[3]。热解析技术可以避免直接接触燃烧带来的系统控制难、资源浪费、环境污染加重等一系列的问题[4]。基于热解析处理技术的原理，含油钻屑热解析处理技术在污染物减量的同时可以实现资源回收利用。

热解析处理过程处于中低温还原氛围下，所以不易生成二嗯英等有害物质，且有利于回收油质量的提高，也有利于重金属的稳定化作用[5]。根据加热方式不同，热解析处理技术主要分为燃烧加热式热解析技术、电加热式热解析技术、电磁加热式热解析技术、微波加热式热解析技术、摩擦生热式热解析技术等。

2 含油钻屑热解析处理技术概况

2.1 燃烧加热式热解析技术

以柴油、天然气等为燃料进行燃烧加热的热解析技术称为燃烧加热式热解析技术。该技术采用常规热源作为加热方式，具有装置成熟、处理量大、燃料易得的优点，但由于其采用螺旋推进方式可能存在物料受热不均、温度控制困难等缺点。

王超等[6]对海上含油钻屑的热解析除油技术进行了研究，处理后钻屑的石油烃含量降至0.07%，回收油可用于钻井液复配。据谢江浩等[7]论述，长庆油田在榆林建有一座集中处理站，采用燃气加热，处理效果稳定，处理后残渣含油率能够达到0.1%。

2.2 电加热式热解析技术

采用电能进行加热的热解析技术称为电加热式热解析处理技术。该技术与燃烧加热式热解析处理技术类似，具有装置成熟、处理量大等优点，但存在物料受热不均、温度控制困难等缺点，但采用电加热消除了燃料燃烧过程中的环境污染风险。

苏凯等[8]以电加热式热解析技术为基础，采用热红联用技术(TG-FTIR)对含油钻屑进行热重实验研究。马蒸钊等[9]进行了海上油田含油钻屑热解处理实验，实验采用电阻丝加热，结果显示当温度高于350℃时，有机物发生裂解。黄维巍等[10]进行了页岩气开发油基钻屑真空热解资源化处理研究，研究结果表明在最优条件下处理后残渣含油率为0.135%。

2.3 电磁加热式热解析技术

采用电磁装置进行加热的热解析技术称为电磁加热式热解析处理技术。该技术具有占地面积小，可撬装化，设备安全可靠等优点，但存在物料受热不均、温度控制困难、电磁辐射等缺点。

中国石油集团安全环保技术研究院有限公司开发的电磁加热脱附技术已在某页岩气示范区开展现场试验。据孙静文等[11-12]的研究，该试验证明电磁加热脱附工艺处理含油钻屑具有良好的效果。

2.4 微波加热式热解析技术

采用微波对含油钻屑进行加热的热解析技术称为微波加热式含油钻屑热解析处理技术。微波加热原理是微波电磁场与物质分子之间相互作用，微波加热具有穿透性、瞬时性和选择性加热的特点[13]。受限于钻屑在处理腔体内的推进方式，该技术也存在物料受热不均、温度控制困难等缺点。

陈晓琳等[14]对微波热解析处理油基钻屑的可行性进行了研究，研究发现经微波处理后钻屑含油量为0.436 4%。Robinson等[15]研究了微波处理含油钻屑的商业价值，研究结果显示处理后含油钻屑含油量小于1%，回收油性能与配制油基钻井液的油的性能非常接近。

2.5 摩擦加热式热解析技术

采用摩擦生热的方式进行加热的热解析技术称为摩擦加热式热解析处理技术。该技术通过研磨装置与钻屑摩擦生热的方式对含油钻屑进行处理，有机物质挥发并对其进行收集，处理前需对处理系统进行隔氧或低氧[16](氧气体积含量小于8%)处理，以保证装置的安全性及热解析处理过程的顺利进行。该技术具有装置撬装化，处理结果稳定、处理后钻屑粒径均一、处理彻底等优点；由于加热方式的限制，该装置技术要求较高，如研磨装置需尽量减小磨损、装置动密封性能要求高等。

Stephenson等[17]对摩擦加热式热解析技术进行了研究，研究表明处理过程中产生摩擦和热量，使得处理后60%钻屑颗粒粒径小于50 μm，处理温度一般可达240～260℃，最高达到300℃，经该技术处理后钻屑石油烃类含量小于0.1%。黄志强等[18]建立了以“处理效果”“能耗”“处理量”为评价指标的含油钻屑锤磨热解析处理性能评价体系和评价准则，有效实现了油资源的再利用。杨建荣等[19]进行了含油钻屑热解析处理技术研究，采用摩擦加热式热解析技术对含油钻屑进行处理试验，取得了良好的效果，处理后钻屑含油量为0.14%，回收液可循环利用，环保与经济效益显著。

3 热解析技术处理效果研究

含油钻屑经热解析处理后主要产物有干钻屑、回收油及少量不凝气体，对处理产物进行研究可以验证处理技术的适应性，依据对处理产物的要求及时调整处理技术或处理参数，达到最优处理效果。

周浩等[20]进行了含油钻屑热解特性的研究，结果表明回收油与含油钻屑中所提取的石油烃类物质组成相似，可用于钻井循环利用。Wait等[21]对含油钻屑低温热解析处理后回收油特性进行了研究，结果表明回收油成分基本没有变化，热解析过程无大量多环芳烃、多氯联苯、甲苯产生，但会形成低水平的芳香族化合物，采用回收油配制的油基钻井液流变性能无明显变化。张建等[22]在申请的专利《一种利用热解析油基钻屑残渣的亲油陶粒及其制备方法》中对处理后残渣进行了研究，利用热解析处理后残渣制备了亲油陶粒，该陶粒孔隙率较高、吸水率适宜、抗压强度大、耐酸碱腐蚀好、除油效果好。

4 热解析技术发展建议及展望

4.1 发展建议

含油钻屑热解析处理技术作为含油钻屑处理及资源化利用技术，近年来得到快速发展，结合现有技术研究提出以下几点建议。

1)加强不同类型热解析技术理论研究，建立相应动力学及热力学模型，推动含油钻屑热解析处理技术在理论层面的发展。

2)应根据含油钻屑特性选择适用处理技术，最大程度实现污染物减量化，提高资源再利用水平。

3)利用先进技术手段深入分析处理后产物污染特性及危害，指导处理工艺，真正实现含油钻屑无害化处理。

4)制定相应技术规范及标准，推动含油钻屑热解析处理技术健康、有序发展。

4.2 技术展望

随着非常规油气开采的逐年加速，含油钻屑的产生量也随之增加，含油钻屑热解析处理技术能在处理污染物的同时可实现资源的回收利用，且处理过程不引入其他污染物，不会造成二次污染，受得到越来越多的重视和研究。通过目前研究现状可知摩擦加热式热解析技术加热方式相比于其他热解析处理技术，具有独特的技术优势，相信在相关技术难题得到攻克后将具有广阔的应用前景。