非常规油气开发含油钻屑处理技术研究进展_白羽.pdf

2023年第 43卷第 1期化工环保ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY9非常规油气开发含油钻屑处理技术研究进展白 羽1，2，程远鹏1，2，荣家洛1，李 州1，李晓煜1，唐善法1，2（1.长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100；2.长江大学 油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北 武汉 430100）摘要 多分支井、大斜度大位移定向井、深井与超深井等非常规油气藏开发钻井过程中由于使用油基钻井液而产生大量的含油钻屑，其组成复杂、处理难度大，成为影响油田及周边环境质量的主要难题之一。对含油钻屑减量化无害化、资源化处理技术进行了综述，介绍了填埋、固化处理、回注地层、焚烧、甩干离心处理、微生物降解、化学清洗、热解析、溶剂萃取、超声波和微波处理等技术的研究进展及应用现状，并对含油钻屑处理技术未来发展方向和趋势进行了展望。关键词 含油钻屑；处理技术；无害化处理；资源化利用 中图分类号 TE254 文献标志码 A 文章编号 1006-1878（2023）01-0009-09 DOI 10.3969/j.issn.1006-1878.2023.01.002Research progress of oil-bearing drilling cuttings treatment technologies in unconventional oil and gas developmentBAI Yu1，2，CHENG Yuanpeng1，2，RONG Jialuo1，LI Zhou1，LI Xiaoyu1，TANG Shanfa1，2（1.School of Petroleum Engineering，Yangtze University，Wuhan 430100，China；2.Hubei Key Laboratory of Drilling and Production Engineering for Oil and Gas，Wuhan 430100，China）Abstract：A large number of oil-bearing drilling cuttings are produced due to the use of oil-based drilling fluid in the development and drilling of unconventional oil and gas reservoirs，such as multi-branch wells，directional wells with large deflection and large displacement，deep wells and ultra-deep wells.The oil-bearing drilling cuttings are complicated in composition and difficult to dispose，and become one of the main problems affecting the quality of oilfield and surrounding environment.The treatment technologies for harmless reduction and resource utilization of oil-bearing drilling cuttings are reviewed.The research progress and application status of the treatment technologies are introduced，such as landfill，solidification treatment，formation injection，incineration，spin dry-centrifugation，microbial degradation，chemical cleaning，thermal desorption，solvent extraction，ultrasonic and microwave，etc.，and the future development direction and trend of oil-bearing drilling cuttings treatment technology are proposed.Key words：oil-bearing drilling cutting；treatment technology；harmless treatment；resource utilization 收稿日期 2022-03-06；修订日期 2022-10-08。作者简介 白羽（1981），女，辽宁省阜新市人，硕士，讲师，电话 13971040769，电邮 。通讯作者：唐善法，电话18627874020，电邮。基金项目 国家自然科学基金项目（51774049）；中石油直属院所基础科学研究和战略储备技术研究基金项目（2017D-5008）。近年来，针对多分支井、大斜度大位移定向井、深井与超深井等复杂钻井过程中出现的井壁失稳、油气损害问题，现场钻井过程中普遍使用油基钻井液，经钻井液固控系统固液分离后会产生大量的含油钻屑。含油钻屑属于危险固体废物，如不加处理直接排放会对自然环境、身体健康和社会经济带来危害1-2，对含油钻屑的合理处置已成为制约石油工业绿色开发的严重问题，为此世界各国根据自身特点开发出了很多有针对性的处理工艺技术。目前国内外含油钻屑的处理技术主要有3-5：填埋、固化处理、回注地层、焚烧、甩干离心、微生物降解、化学清洗、热解析、溶剂萃取等，另外102023年第 43卷化工环保ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY还有一些方法正处在实验研究阶段6-7。由于钻屑来源广、成分复杂和钻井液的多样性，各种处理技术并不完善，均存在一定的缺点和适用范围，且不具备普适性，从而限制了大规模应用，甚至无法普遍推广。因此，针对油气田生产中的含油钻屑处理问题，本文综述了国内外现有含油钻屑减量化无害化处理技术、资源化处理技术的研究和应用情况，总结了各种处理技术的优缺点和适用条件，展望了未来处理技术的发展趋势和方向，以期更好地为含油钻屑处理技术应用和发展提供理论基础与技术支持。1 含油钻屑的类型及危害1.1 含油钻屑的类型现场使用的钻井液主要是水基钻井液和油基钻井液等。油基钻井液具有耐高温、耐盐钙侵蚀，润滑性好、对油气层损伤小、有利于稳定井壁等优点，在油气田勘探开采中大量使用。目前，含油钻屑可根据钻井液类型不同分为水基钻屑和油基钻屑两大类。由于水基钻井液成分通常对环境较为友好，水基钻屑在符合国家和国际环境标准下可直接排放。而油基钻屑成分比较复杂，除含有不同的复合油类（如白油、柴油、原油、合成油、动物油、植物油等）和各种化学添加剂、加重材料、黏土等成分外，还含有蒽、芘、苯系物及酚类等恶臭有毒物质。油基钻屑含水率为10%20%，含油率为10%40%，是一个由水包油、油包水和大量悬浮固体构成的多相体系，油类物质是最主要的环境污染物。根据使用的油类物质不同，油基钻屑可以分为白油基钻屑、柴油基钻屑等。由于含油钻屑来源和组成性质不同，其处理方法和工艺设备也不尽相同。1.2 含油钻屑的危害含油钻屑是有毒有害的固体废弃物，己被列入国家危险废物名录，大量研究表明，含油钻屑对周围土壤、水体和人类的影响及危害主要体现在以下几个方面8。1）含油钻屑对土壤的影响和危害：长期室外堆放使其中的有害物质渗入土壤中，降低土壤的通透性，改变土壤的内部结构，阻碍植物的生长代谢，造成植物枯萎死亡。2）含油钻屑对水体的影响和危害：废弃含油钻屑中的重金属、油类等有毒有害物质会由于雨水的冲刷而流入周围的溪流、湖泊、江河等地表水甚至渗入地下水中，导致水质变差，影响水生动植物的生长发育。3）含油钻屑对身体健康的影响和危害：含油钻屑中含有的多环芳烃是一种致癌物，可经由土壤、地下水以及大气等由食物链循环最终侵害和影响到人体健康。研究表明，由于直接或间接接触含油钻屑，使人体患上各种皮肤病、呼吸道疾病等的概率大幅增加。近60年来，世界各国的科研机构和学者们开展了大量的研究，探索和开发出了一系列有效的废弃含油钻屑处理工艺技术。大体可以分为两类：一类是减量化无害化处理技术，该技术主要关注环境治理与保护，侧重于消除含油钻屑对环境的影响，或将其与自然环境完全隔离；另一类是资源化利用技术，该技术侧重于回收含油钻屑中的石油类等污染物，实现石油类等有机物的资源化利用。2 含油钻屑减量化无害化处理技术2.1 填埋法 直接填埋法经济易操作，多用于油类、盐类和重金属含量均较低的含油钻屑减量化无害化处理。填埋前先进行物理沉降、机械脱液预处理，分离出的液体处理达标排放，分离出的固体自然风干固化后封存在填埋坑中。为防止封存固体泄漏而污染周边土壤和水体，可在普通填埋坑中增加固化层或者衬里。该方法安全可靠、工艺简单，在西方发达国家，如美国、英国、加拿大、德国等应用广泛9。填埋法采用自然风干固化耗时长（23个月），处理不当易渗漏污染土壤和水体。另外，该方法要求配套工艺完善，处理费用较高。2.2 固化处理法固化处理前需要对含油钻屑进行脱水干燥预处理，然后通过物理或化学方法将钻屑中的危险污染物稳定在固化剂中，由前苏联的技术人员最早使用10，常用的固化剂一般有水泥、沥青、塑料、玻璃等11。国内许多学者使用固化法处理钻井固废并取得了良好效果，何升平12采用混相固化法处理油田废弃钻井液和岩屑，其浸出液呈透明澄清状态，COD为75.8 mg/L，石油类质量浓度1.138 mg/L，固11第1期化效果良好。刘宇程等13优选了一步法处理废弃混合物的固化剂，使用该固化剂处理后，浸出液的COD、pH、石油类等均满足相关排放标准限值要求。许晴14采用活化粉煤灰进行含油钻屑的固化处理，研究了固化剂掺量和球磨时间对固化体稳定性的影响，结果表明：固化剂掺量45%、球磨时间5 h时，相同条件下粉煤灰固化体抗压强度明显优于水泥固化体，浸出液含油率及COD低于国家标准限值，固化效果良好。固化法可以将含油钻屑与周围土壤和水体隔离，减少了对周围环境的污染和人体伤害，是目前一种比较实用的处理技术，但仍然存在处理费用高、不能回收油品资源的缺点。2.3 回注地层法回注地层法是将含油钻屑通过研磨、剪切浆化后使用高压注入泵回注到安全地层中的一种油气田废弃物处理技术，以减少自然环境被含油钻屑污染的几率。美国和加拿大等石油公司对该技术的研究比较系统与成熟，并对该技术进行了推广应用。我国在蓬莱油田开发中曾使用了钻屑回注地层技术，但是受地层地质条件因素被迫停止。截至目前，只有美国ConocoPhillips公司在中国使用了钻屑回注地层技术，且实现了海上零污染排放15。该技术在国内仍处于起步阶段。高飞等16实验发现，钻屑含量会明显改变回注浆体密度、流变参数、滤失量等性能指标，使用优选的回注浆体配方制浆可满足钻屑回注要求。钻屑回注地层技术需要井下特种工具，工艺设备与施工要求高、处理成本大。该技术对回注地层存在伤害，还有泄漏污染隐患，许多国家都限制或者明确禁止使用。2.4 焚烧法焚烧法通过高温燃烧去除钻屑上的石油类污染物，从而实现含油钻屑的减量化无害化处理。该方法可以大批量处理含油钻屑，减少对周围土壤和地下水体等自然环境的危害，属于相对安全的处置方式。SANKARAN等17采用流化床焚烧法处理印度南部炼油厂的3种不同油泥，在流化床焚烧系统中进行的试验表明，3种油泥的燃烧效率均98%，焚烧效率均99%，处理方法安全有效。中国海油集团使用焚烧法处理运至陆地的含油钻屑，焚烧时产生大量飞灰、炉渣等固体颗粒以及含二英、呋喃等有毒致癌物的废气15。焚烧法需要高温处理能耗大，投资运行成本高，焚烧过程产生的有毒废气处理工艺复杂，