含油钻屑海上无害化处理技术在大位移井中的应用

杜庆杰，张伟国，覃建宇，马溢，高永海

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司深水工程技术中心，广东 深圳 518000； 2. 中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580)

0 引言

油基钻井液因具有抗高温、润滑性好、有利于井壁稳定及储层保护效果好等一系列优势，已成为钻高温深井、大斜度定向井、大位移井及各种复杂地层的重要手段之一[1-2]，但钻井过程产生的大量含油钻屑，造成巨大的环保风险压力和高昂的含油钻屑处理费用。随着南海东部边际油田不断开发，大位移井和油基钻井液得到广泛应用，如何经济有效地进行含油钻屑的海上无害化处理，已成为摆在海洋钻井工作者面前的重要课题。

1 海上油田含油钻屑处理现状

海上钻井过程中，含油钻屑主要包括甩干机及离心机液固分离后的两部分固相。由于油基钻井液中含有大量基础油(主要是柴油或白油)、主辅乳化剂、亲油固体、金属离子和无机盐等，体系性能稳定[3]，因此导致含油钻屑性质异常稳定。但是，这些含油钻屑含有大量矿物油、重金属及较多化学污染物，若不经过彻底处理随意排放入海，将对生态环境产生直接或间接危害[4-6]。

1.1 海上油田含油钻屑常用处理方式

1.1.1 含油钻屑回注

含油钻屑回注地层是实现大规模集中处理的有效方法[7]。该方法简单直接，但需在平台加装高压注入设备及研磨调制工序，同时也在回注工艺选择、安全地层评估及工程风险控制等方面对技术提出极高要求。相对于其他技术，若处理不当，轻则影响回注周边井开采，重则导致压裂地层引起泄漏、溢油等环境污染。在2001年，康菲石油公司与中国海油在蓬莱19-3油田合作实施国内首次含油钻屑回注作业，该项工艺无需对含油钻屑进行预处理，共成功处理 4 800 m3油基钻屑和720 m3油泥。但在作业实施中，康菲石油公司因回注导致溢油事故出现后，此种含油钻屑处理方式已较少使用。

1.1.2 海上回收陆地处理

大多数海上的平台由于资金短缺、技术受限制等原因放弃回注技术，所以将油基钻屑通过岩屑箱、拖轮转运方式运回陆地处理基本是目前海上含油钻屑处理的唯一选择。但此种方式存在吊装转运过程中含油钻屑落海等环保及人员安全风险，且陆地相关环保公司处理额度受限导致现场作业无法有效连续进行回收处理。

1.2 含油钻屑陆地处理技术

1.2.1 热处理法

热处理法是处理油基钻井液和钻井废弃物的一种有效方法，处理后固体废弃物中含油量可低于1%。目前，多为专业处理厂应用，基于运输及热处理法工艺要求，岩屑需要进行预脱水处理(可使用干燥筛脱干法)、将含水质量分数控制在40%以内。岩屑通过进料系统进入燃烧室进行高温加热，加热过程产生的蒸汽经过过滤器、多级热交换器后再利用油水分离器进行油水分离。回收的原油可重新用于钻井液，或者可以作为系统本身的燃料油。处理过的固相物质可用于填海或工程用材料[8-9]。

1.2.2 萃取法

溶剂萃取技术用螺杆泵和供油泵分别将经过前期处理的钻井废弃物和溶剂油按一定比例打入搅拌混合罐并进行预加热，形成均匀流动性较好的物流后送人萃取塔，加入己烷、乙酸乙醋或氯代烃等低沸点有机溶剂进行萃取脱水，水和轻组分油从塔顶排出冷凝器和油水分离罐，油和固体物转移到溶剂相并送沉降罐进行沉降分离。罐底沉降下来的固体物达到一定量后送脱油干燥系统进行脱油干燥，得到湿粉状固体物。此法适用于含油泥砂处理，目的是实现原油的提取[10-11]。原理上可用于含油钻屑的处理，采用此法存在的主要问题是溶剂挥发性大，安全要求严格，成本非常高且易产生二次污染，且萃取后剩余的固体废物依然需要处理。

1.2.3 焚烧法

焚烧法对专业设备要求较高，需通过以高温 (1 200～1 500 ℃)的方式，彻底氧化含油钻屑的有机物质，最终实现含油钻屑处理的减量化和无害化。

焚烧法是采用专业设备，在1 200～1 500 ℃的高温下，将油基钻屑中的有机物彻底氧化，实现减量化和无害化的技术[12]。通过焚烧可以使钻井废弃物氧化分解， 能迅速大幅度地减容(一般体积可减少80%～90%)，可彻底消除有害细菌和病毒，破坏毒性有机物，回收能量及副产品，同时残渣稳定安全。但耗能大、费用高，且有二次污染。

1.2.4 固化法

该技术是在填埋坑的底部和四周覆盖有机土，然后在其上面铺一层防渗垫层，再盖一层有机土，也可以在底部和四周加固化层，以防渗漏。再将基本干燥的废弃油基钻井液填充在池内，上表面用土将其覆盖密封，然后恢复地貌。特点是形成抗水固体，减少有害成分扩散和迁移，操作相对简单；但易二次污染，难恢复土壤特性[13-14]。

通过对海上油田含油钻屑常用处理方式进行对比分析，相关处理方式存在应用风险高、环保风险大、处理费用高、产生二次污染、处理额度受限等问题。

2 含油钻屑海上无害化处理技术

2.1 技术原理

含油钻屑海上无害化处理技术将机械除油处理工艺、电磁感应热脱附处理工艺2种除油处理技术实现海上有机集成。首先通过离心法回收钻屑中大部分油基钻井液，在较大程度上可实现固相和液相的分离，其中达到国家排放标准的含油钻屑可直接排放至海洋或进行回收作业。而未达到国家排放标准的含油钻屑通过高温热解析装置进行处理后，使其产生的固相含油量、尾气及水污染物含量达到国家规定排放标准，最终实现含油钻屑海上回收及无害化处理[15]。处理过程产生的气体达到GB 14554—93《恶臭污染物排放标准》二级标准，并有效完成油水分离与提纯，提高回收率，且可二次利用。

2.2 系统构成

含油钻屑海上无害化处理技术工艺系统主要包含2类，机械处理装置(力学)和电磁感应热脱附装置(电磁学)。

2.2.1 机械处理装置

机械处理含油钻屑装置中的设备主要包括：震动筛等常规固控设备、用于固液分离的岩屑甩干机、运送岩屑的螺旋输送器、离心机、供液泵、液相缓冲罐、岩屑箱等设备。

甩干机及离心机是机械除油装置实现液固分离的关键设备，甩干机主要用于处理固控系统排出的大颗粒含油钻屑，经甩干机离心分离处理后，油基钻井液固相含油率可低于6%；离心机主要用于处理油基钻井液中粒径2～10 μm的固相物质，形成含油率15%～50%的含油钻屑固相。

2.2.2 电磁感应热脱附装置

电磁感应热脱附装置主要的作用就是解决机械处理流程完成后未达到国家排放标准的部分含油钻屑，该部分含油钻屑经电磁感应高温加热处理后，岩屑中含油率可降低至1%，满足直接排海要求，并实现含油钻屑的无害化处理。该装置主要包括：钻屑输送系统及热解析系统。

含油钻屑输送系统主要作用为通过柱塞泵向反应釜供料。热解析系统是该套装置的核心系统，其主要包括：用于高温加热的反应釜、加速气体分离的真空泵、用于油水液化的冷凝器、保持装置运转的冷却系统、回收油水及净化尾气等装置。反应釜采用高频电磁感应电源加热，含油钻屑逐步裂解、碳化，分解成残渣和裂解气。

2.3 工艺流程

2.3.1 机械除油处理工艺流程

钻井过程中，油基钻井液通过井口、高架槽等流程进入震动筛、除砂器等常规固相处理设备，初步实现含油钻屑和油基钻井液之间的分离，油基钻井液通过回流管线重新进入循环系统，而初步分离出的含油钻屑通过主螺旋输送器送入两台甩干机进行液固分离，分离出的液相并流至液相缓冲罐，经1台离心供液泵输送至两台甩干机进行系统循环清洗，另1台离心供液泵输送至沉沙池和离心机进液口，甩干机固相直排至螺旋输送器，含油钻屑测定达标后排海或回收，离心机固相直排至甲板岩屑箱进行回收。

2.3.2 电磁感应热脱附处理工艺流程

电磁感应热脱附装置针对钻井过程中出来的含油钻屑、钻井废弃物，通过螺旋输送泵或柱塞泵将其输送至减压热解釜装置内，在高温真空状态下，加热至400～500 ℃，含油钻屑、钻井废弃物在容器内发生热解反应，分解成残渣和裂解气。

油基钻井液中以一定比例混合的基础油和水，在高温加热下，以气体形式分离后通过冷凝器液化形成液态油和水，最终通过油水回收装置加以回收利用；残渣冷却后回收，裂解气经冷凝装置处理后，分离出含油污水和不凝有机气体，处理过程中产生的含硫及有机类气体等，需通过碱洗、脱硫及催化高温燃烧达标后排放，实现无害化处理。

2.4 技术特点

(1)含油钻屑海上无害化处理技术实现含油钻屑回收及无害化处理全部在海上进行，相比海上回收+陆地处理方式，降低运输周转压力、环保风险，并且无处理量限制，减少后顾之忧；

(2)含油钻屑海上无害化处理技术具有广泛适用性，可对各类含油钻屑进行无害化处理，并有效地回收基础油，实现钻屑处理的资源化；

(3)含油钻屑经油、水、泥的三相分离后，不产生二次污染，处理后的残渣表面碳化，各项指标均符合国家环保要求，实现含油钻屑处理的无害化；

(4)钻屑处理系统整体采用密闭流程设计，提高系统运行的可靠性、安全性，实现清洁生产。

3 南海东部大位移井中技术应用

3.1 南海东部某油田大位移井概况

南海东部某油田位于珠江口盆地，油田所在海域水深95 m，属于三级海区，主要目标层位于中新统，属于正常的温度及压力系统。由于该油田含油构造较小，利用A平台钻2口大位移井进行开发，该2口大位移开发井12-1/4”及8-1/2”井段采用油基钻井液钻进。2口大位移井基本参数如表1所示。

表1 南海东部2口井基本参数

3.2 现场应用

A1、A2H两口大位移井作业期间，12-1/4"和8-1/2"井段均使用油基钻井液钻进，按井眼体积计算，两口井所产生的含油钻屑地下重量超1 620 t，为减少对海洋环境的影响，该两口大位移井作业期间使用含油钻屑海上无害化处理技术对含油钻屑进行处理。由于该技术所采用设备及装置占地面积较大，因此，将机械除油装置及电磁感应热脱附装置分别安装于A平台及与之邻近的B平台。

钻井作业中，产生的含油钻屑通过A平台上机械除油装置进行处理，分离出的油基钻井液循环使用，经甩干机分离出的钻屑含油率≤6%，低于国家规定的三级海区排放限值，经监测达标，并经主管部门批准后排放，该部分排放钻屑重量占到总岩屑重量的60%左右。而经离心机分离出的固相含油率在15%～50%无法直接排海的含油钻屑则装入岩屑箱，转运至B平台电磁感应热脱附装置进行处理。除去经甩干机处理后可直接排放的含油钻屑，该两口大位移井作业过程中，共产生需进行电磁感应热脱附处理的含油钻屑共计达到近500岩屑箱(每岩屑箱含油钻屑重约2.5 t)，该部分含油钻屑经电磁感应热脱附处理后，钻屑含油量降至0.95%，远低于三级海区排放限值；回收白油约180 m3；产生的裂解气经尾气净化装置处理后，达到GB 14554—93《恶臭污染物排放标准》二级标准，可直接排放。

综上，在含油钻屑海上无害化处理全过程中：固相直接排海、油品回收利用、废水给设备散热和为固相加湿减少粉尘、气体达标排放，真正实现含油钻屑海上处理零排放。

此种“海上回收处理”方式与目前常用的“海上回收+陆地处理”方式相比，两井次共降低船舶使用频率8趟、减少岩屑箱使用量、节省岩屑箱清理费2 100元/立方米及陆地运输等直接费用。经综合测算，两口大位移井作业采用含油钻屑海上无害化处理技术，直接节约含油钻屑处理费用约500万元，有效降低含油钻屑处理成本，并达到资源回收再利用的效果。

实践表明：含油钻屑海上无害化处理技术在A1、A2H两口大位移井的应用实现含油钻屑海上处理的零排放，并可较大幅度节约含油钻屑直接处理费用，有效回收油类，成功降低环保压力，带来较高的经济和社会效益(如图1所示)。

图1 电磁感应热脱附装置B平台安装现场及 减压热解固体废弃物

4 结语

(1)含油钻屑海上无害化处理技术改变了传统含油钻屑的处理模式，将船舶费用、环保风险有效降低，同时减少陆地运输、岩屑箱使用量，可有效降低含油钻屑处理成本及环保压力；

(2)含油钻屑海上无害化处理技术是一种有效的含油钻屑无害化处理及油类回收利用技术，如应用于环保要求更高的一级、二级海区，将产生更高的的社会效益和经济效益；

(3)含油钻屑海上无害化处理技术在采用油基钻井液的南海东部大位移井中成功应用为后续类似井含油钻屑处理提供新思路和解决方法；

(4)含油钻屑海上无害化处理技术所采用设备及装置占地面积较大，需在邻近生产平台管甲板放置并作业，因此，在施工作业前应做好相应评估。