油基钻屑热解吸处理装置的现场应用

郭 亮, 翟永帆, 葛思佳, 朱 璐， 张新发, 王 玉

(1中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 3中石油玉门油田分公司老君庙采油厂)

页岩气开发过程中，油基钻井液凭借其稳定井壁、降低井筒复杂、保护储层等优良性能，在提高钻井安全性的同时有效保护了储层。但是，在钻井过程中会产生废弃油基钻屑[1-4]，其中含有大量的基础油及其他有害物质，如处理不当将对环境产生巨大的危害，也会造成基础油资源的极大浪费[5]。

目前，国内外针对油基钻屑的处理方式主要有溶剂萃取法、地层深度回注法、生物修复法、离心法和焚烧法等[6-7],其处理方式优缺点见表1。

表1 油基钻屑处理方式优缺点

一、热解吸处理技术

1. 热解吸技术原理

热解吸指的是将废弃油基钻屑加热直至达到或适当超过废弃钻屑中的水和油的挥发温度，然后保持这一温度不变，收集油水蒸汽，并把蒸汽和油冷凝、分离。待废弃钻屑中污染物都蒸发后，得到清洁的固相[8-12]。热解吸法因其高效、稳定、可回收资源等优势逐步取代了部分传统工艺技术。

传统的热解吸工艺按照加热方式的不同可分为鼓式间接热解吸、螺钉式热解吸、化学热解吸等[13]，均采用外部加热，需要很大的加热面积，系统体积庞大，也耗费了大量热能[14-15]。为了解决这些问题，哈里伯顿的研究人员开发了摩擦热解吸系统，取得了良好的效果[16-17]。相对于传统的热解吸技术，该技术改变了系统产热方式，减小了设备体积，降低了能耗，成为一个新的研究方向。

2. 热解吸处理工艺

采用摩擦式热解吸原理，设计研制出油基钻屑热解吸处理装置用于废弃油基钻屑的处理。在该装置中，摩擦式热解吸分离器是油基钻屑环境安全处理工程的主要部分，内部腔体中均匀分布着研磨棒。其功能是通过油基钻屑中约70%(质量百分比)钻屑固形物与研磨棒在高速旋转状态下，经过相互碰撞和接触摩擦，同时钻屑在研磨棒搅动下高速抛射，自身碰撞和相互摩擦产生大量的热能，用于油水混合物的热解吸过程[18-20]。

该装置的处理工艺是将预处理后的废弃油基钻屑通过上料装置泵入到热解吸分离器中，当腔体温度升高至各类挥发烃类挥发温度(230℃～350℃)时，油基钻屑中油与水两相物质气化蒸发，从而完成了固液分离。处理后的固相物通过卸料装置受控条件下排出热分离器。产生的油水混合蒸汽借助出口负压的作用进入后续冷凝分离设备，冷凝回收的油基本保持了基础油的品质，可以进行再利用。这一过程实现了废弃油基钻屑的环境安全处理和资源的回收再利用。具体的工艺流程见图1。

图1 工艺流程图

二、处理装置配套

1. 装置组成配套

油基钻屑热解吸处理装置共由六大系统组成，分别是：

(1)上料系统。对废弃油基钻屑进行预处理，去掉杂物，搅拌均匀，并按照要求的排量将物料送入热解吸处理系统中。

(2)热解吸处理系统。在热解吸分离器中，将钻屑加热至油水挥发温度，保持温度和压力，产生的油水混合蒸汽借助出口负压的作用进入后续冷凝分离设备。

(3)高温除尘及冷凝分离系统。油水混合蒸汽经高温除尘后，进行冷凝和油水分离。

利用混合高斯模型提取运动目标,仅对目标区域进行HOG特征提取而不需要对整幅图片进行计算,从而提高算法运行速度。混合高斯模型(GMM)的思想是使用K个高斯模型表示图像中每个像素的颜色特征,通常K的取值范围是3～5。将像素点的颜色特征X视为随机变量,每个时刻t=1,2,…,T所得到每帧视频图像的像素值是随机变量X的采样值。

(4)卸料系统。将热解吸处理系统及旋风分离器下的钻屑干粉外输。

(5)加热保温系统。对热解吸主体、排气管线、旋风分离器、一级出料螺旋等配套装置进行加热保温。

(6)监测控制系统及动力系统。为整套装置提供动力，采集各测点数据，并对各系统进行远程控制。

2. 装置基本参数

油基钻屑热解吸处理装置经过系统组装、单机调试、空转运行、处理试运行、参数调整等工序，已具备连续处理能力。该装置的基本性能参数见表2。

三、现场应用

油基钻屑热解吸处理装置在四川威远页岩气示范区威远钻井平台开展了应用。对钻井过程中产生的油基钻屑进行了无害化处理，累计处理油基钻屑约1 000余t，处理后的钻屑干粉平均含油量为0.42%，回收油满足二次配制钻井液性能要求。

1. 干钻屑含油量测试

对2个处理后钻屑干粉样品进行含油量检测，含油量分别为0.43%和0.45%(见表3),满足GB 4914-2008《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》要求的排放范围。

表3 油基钻屑成分及处理后钻屑干粉含油量

2. 回收油性能测试

回收油的主要成分为基础油，由于处理温度低，回收油颜色清亮、澄清透明、无杂质[21]。分别对基础油和回收油的主要性能指标进行检测对比，检测结果见表4。

表4 回收油性能指标检测结果

由表4的实验结果可以看出，回收油主要性能指标和基础油相比，没有发生明显变化，回收油可继续用于油基钻井液的配置使用。

3. 回收油配制钻井液实验

使用回收油配制油基钻井液，并对钻井液性能进行检测，检测结果见表5。

表5 油基钻井液性能指标测试结果

由表5可以看出，回收油配制的油基钻井液性能指标与现场用油基钻井液指标相近，性能稳定，完全满足现场钻井要求。目前已有150 m3回收油经四川射洪油基泥浆站重新配浆使用。

4. 不凝气检测

在油基钻屑热解吸处理装置使用过程中，对不凝气进行了取样检测。检测装置：GC-4000A型气相色谱仪、UV-5500PC紫外可见分光光度计；检测方法及依据：HJ/T 397-2007《固定源废气检测技术规范》、HJ/T 373-2007《固定污染源监测质量保证与质量控制技术规范》、GB 16297-1996 《大气污染物综合排放标准》；检测频率：检测2 d，每天3次，经过计算，平均测试结果见表6。

表6 不凝气检测结果

表6中所检出的各项检测项目均未达到大气污染物最高允许排放浓度，该装置的不凝气排放符合环保相关要求。

四、结论

(1)采用摩擦式热解吸原理，设计研制出油基钻屑热解吸处理装置用于废弃油基钻屑的处理。

(2)处理后的钻屑干粉含油量达到了GB 4914-2008《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》中<1%的要求，回收油基本性能不变，满足二次配置钻井液要求，不凝气符合排放要求。

(3)油基钻屑热解吸处理装置的现场应用取得较好的效果，解决了油基钻屑排放中的污染问题，满足了页岩气钻井使用油基钻井液的环境保护要求。