海上油基鉆屑熱脫附裝置研制與應(yīng)用

陳海濤

(中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518000)

油基鉆井液廣泛地應(yīng)用在頁巖氣井、大位移井、深井、高溫高壓井的作業(yè)中，鉆井過程中，固相控制系統(tǒng)會分離出大量的油基鉆屑[1]。油基鉆屑內(nèi)含有粒徑大小不一的碎屑、礦物油、乳化劑、化學(xué)添加劑等物質(zhì)，成分復(fù)雜，屬于HW08類危險(xiǎn)廢棄物[2]。油基鉆屑中含有大量的礦物油成分，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，若能回收利用，不僅能減少油基鉆屑帶來的環(huán)境污染，還能變廢為寶[3-5]。針對海上平臺鉆井產(chǎn)生的油基鉆屑，若運(yùn)回陸地處理，成本高昂，且受危廢處理單位限額制約，若能在海上平臺就地處理，不僅能實(shí)現(xiàn)油基鉆屑的無害化處理和資源化利用，還能大幅度降低處理成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。

1 技術(shù)路線

20世紀(jì)80年代，國內(nèi)外陸續(xù)開始對油基鉆屑處理技術(shù)進(jìn)行研究，形成了一系列有效的油基鉆屑處理技術(shù)，大致分為物理處理技術(shù)、化學(xué)處理技術(shù)和生物處理技術(shù)3類[6]。各種處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1。

表1 油基鉆屑處理技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對比

巖屑回注法[7]在我國渤海、南海等海域油基鉆屑的處理中有過應(yīng)用，該方法對回注地層和回注裝置的要求較高，適用范圍小。2011-06，渤海灣蓬萊19-3油田發(fā)生漏油事故，調(diào)查結(jié)果顯示與巖屑回注有一定的關(guān)系。此后國內(nèi)石油公司對巖屑回注法的選擇越來越謹(jǐn)慎。密封回填法[8]未實(shí)現(xiàn)無害化處理，回填占用大量的土地，且需要將油基鉆屑運(yùn)回陸地處理，不適合海上平臺油基鉆屑處理。溶劑萃取法[9]是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的一種處理方法，在國內(nèi)外油田都有著許多的應(yīng)用案例，海上平臺空間狹小，存放能力有限，能否及時(shí)地處理產(chǎn)生的油基鉆屑關(guān)系到鉆井作業(yè)是否能持續(xù)地進(jìn)行。該方法萃取時(shí)間長、處理量小的缺點(diǎn)限制了其在海上平臺的應(yīng)用與推廣。焚燒法[10]裝置占地面積大，無法滿足海上平臺裝置安裝要求，且無法實(shí)現(xiàn)油基鉆屑的資源化利用。微生物降解法[11]占地面積大，降解周期長，不滿足海上平臺油基鉆屑的處理要求。熱脫附法[12-13]具有占地面積小，處理效果好，處理量可觀，經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，適合海上平臺油基鉆屑的處理，常見的加熱方式有電磁加熱、電阻加熱、微波加熱等[14]。

2 熱脫附技術(shù)分析

圖1為熱脫附技術(shù)路線圖，油基鉆屑被送到熱脫附反應(yīng)釜，真空泵將反應(yīng)釜內(nèi)抽成負(fù)壓狀態(tài)，在絕氧條件下采用電磁加熱反應(yīng)釜，反應(yīng)釜內(nèi)轉(zhuǎn)子緩慢攪拌油基鉆屑，使鉆屑受熱均勻防結(jié)焦。隨著加熱溫度不斷升高，在溫度上升至300～320 ℃，保持溫度恒定脫附40 min，油基鉆屑含油率可以達(dá)到2%設(shè)計(jì)值以下。

在熱脫附運(yùn)行過程中，油基鉆屑內(nèi)的水、烴類物質(zhì)揮發(fā)，蒸餾出的油、氣、水氣體混合物通過氮?dú)獯祾哌M(jìn)入冷凝換熱裝置。由于水、烴類物質(zhì)的冷凝點(diǎn)不同，在冷凝過程的不同階段依次被分離出來[15]。水和烴類物質(zhì)經(jīng)過離心機(jī)分離后分別回收到不同的容器內(nèi)，水經(jīng)檢測合格后，直接排放，烴類物質(zhì)可以重復(fù)利用，用于配制新的油基鉆井液，實(shí)現(xiàn)資源化利用[16]。一部分氣體，例如CO、NO、H2等，在經(jīng)過冷凝換熱裝置后，仍然以氣體的形式存在，進(jìn)入尾氣處理裝置，經(jīng)脫硫、堿洗、催化燃燒處理后達(dá)標(biāo)排放[17]。

油基鉆屑經(jīng)過熱脫附處理后，剩余的干渣，經(jīng)排渣泵排出至渣土冷卻箱中進(jìn)行冷卻，冷卻過程中逸出的氣體進(jìn)入尾氣處理裝置，處理達(dá)標(biāo)后排放。冷卻后的干渣，含油率檢測滿足海域排放要求，排入海中，或者回收利用，用于鋪路路基材料、燒制陶粒、制作免燒磚等[18]。若含油率檢測不合格，則再次進(jìn)入反應(yīng)釜進(jìn)行熱脫附處理。

圖1 油基鉆屑熱脫附技術(shù)路線

3 熱脫附裝置研制

3.1 第1代裝置

第1代熱脫附裝置主要由制氮裝置、上料裝置、熱脫附裝置、尾氣處理裝置、冷凝換熱裝置、白油罐、渣土冷卻箱、管線、電纜、集成控制系統(tǒng)等組成。制氮裝置主要由制氮機(jī)、風(fēng)機(jī)組成；上料裝置主要由上料漏斗、輸送螺旋、上料柱塞泵組成；熱脫附裝置主要由反應(yīng)釜、超導(dǎo)電磁加熱器及控制系統(tǒng)、真空泵、排渣泵組成；尾氣處理裝置主要由堿洗罐、脫硫罐、尾氣凈化裝置組成；冷凝換熱裝置主要由冷凝器、壓縮機(jī)、循環(huán)水泵、三相離心機(jī)組成。各裝置之間通過管線連接，進(jìn)行氣、液、固相介質(zhì)的傳輸。安裝周期需7 d，裝置占地面積約150 m2。

2016-06，第1代熱脫附裝置在南海A平臺開展海上測試，共處理離心機(jī)出口油基鉆屑約100 t。裝置運(yùn)行期間暴露出不少問題：故障率高，系統(tǒng)不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響處理效率；裝置設(shè)計(jì)處理量小，處理速度慢，與鉆井作業(yè)中油基鉆屑的產(chǎn)生速度相差較多，造成油基鉆屑在海上平臺大量堆積；裝置集成度低，占地面積大，拆裝耗時(shí)較長，零散件多，吊裝工作量大。

表2匯總了第1代熱脫附裝置在A平臺測試期間，遇到的裝置故障問題。從表2中可以看出，裝置故障集中在反應(yīng)釜、上料系統(tǒng)和冷凝器上，常見的問題有：反應(yīng)釜內(nèi)主軸異響，內(nèi)壁焦結(jié)，刮板損壞及真空度不達(dá)標(biāo)；上料系統(tǒng)不穩(wěn)定，柱塞泵易堵塞；反應(yīng)釜到冷凝器的氣體入口易被飛塵堵塞，蒸餾出的氣相物質(zhì)無法進(jìn)入冷凝器。

針對測試過程中遇到的問題，提出改進(jìn)方案，為熱脫附裝置的升級改造指明方向。

表2 第1代裝置運(yùn)行常見故障及改進(jìn)方案

3.2 第2代裝置

針對第1代熱脫附裝置在海上平臺測試期間遇到的問題，主要在以下3個(gè)方面進(jìn)行升級改造。

3.2.1 增加巖屑箱翻轉(zhuǎn)架

海上平臺一般用巖屑箱回收油基鉆屑，第1代裝置中，由于沒有自動上料裝置，需要作業(yè)人員先將油基鉆屑從巖屑箱中挖出來，再填料上料，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，后期改用油污垃圾袋回收油基鉆屑，省去了挖油基鉆屑的環(huán)節(jié)，但油污垃圾袋的塑料內(nèi)襯容易脫落，堵塞柱塞泵，油污垃圾袋的消耗相應(yīng)地增加了油基鉆屑的處理成本。

在第1代裝置上料系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加巖屑箱翻轉(zhuǎn)架，將巖屑箱放到翻轉(zhuǎn)架內(nèi)，予以固定，翻轉(zhuǎn)巖屑箱將油基鉆屑倒入上料漏斗內(nèi)，大幅提高了上料速度，減輕作業(yè)人員勞動強(qiáng)度，避免了油污垃圾袋內(nèi)襯脫落堵塞柱塞泵的情況發(fā)生，省去了油污垃圾袋的費(fèi)用。

3.2.2 雙反應(yīng)釜設(shè)計(jì)

從第1代熱脫附裝置的運(yùn)行情況來看，反應(yīng)釜是故障率最高的部件。由于采用的是單反應(yīng)釜設(shè)計(jì)，如果反應(yīng)釜出現(xiàn)故障，整個(gè)熱脫附處理裝置都需要停工，嚴(yán)重影響處理速度。在第2代的熱脫附裝置中，采用雙反應(yīng)釜設(shè)計(jì)，可以單反應(yīng)釜獨(dú)立運(yùn)行，也可以雙反應(yīng)釜同時(shí)運(yùn)行，雙反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)大大提高了處理速度，也避免了因維修反應(yīng)釜導(dǎo)致整個(gè)處理系統(tǒng)全停的情況發(fā)生。

3.2.3 撬裝化改造

第2代熱脫附裝置被加工制造成5大撬塊：制氮裝置撬、上料裝置撬、熱脫附裝置撬、尾氣處理裝置撬、冷凝換熱裝置撬，如圖2所示。第2代裝置大幅提高了裝置的集成度，大幅減少了吊裝工作量，安裝周期由原來的7 d縮短至3 d；并且在增加巖屑箱翻轉(zhuǎn)架、反應(yīng)釜等裝置的情況下，占地面積由原來的150 m2減小至120 m2。

1—制氮裝置撬；2—上料裝置撬；3—熱脫附裝置撬；4—尾氣處理裝置撬；5—冷凝換熱裝置撬。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2019-09—12，第2代熱脫附裝置在南海B平臺開展現(xiàn)場應(yīng)用，B平臺位于三級海域，根據(jù)GB4914―2008《海洋石油勘探開發(fā)污染物濃度限值》要求，鉆屑含油率在8%以下，可以直接排入海中。本次熱脫附裝置處理對象為固控系統(tǒng)離心機(jī)出口的油基鉆屑，密度2.16 g/cm3，粒徑35～74 μm，含油率16%。第2代熱脫附裝置運(yùn)行86 d，處理油基鉆屑1 116.4 t，平均日處理量13.0 t/d，最大日處理量達(dá)21.7 t/d，能滿足鉆井作業(yè)對于鉆屑處理速度的要求，保證鉆井作業(yè)的連續(xù)性；在雙反應(yīng)釜運(yùn)行的情況下，一次進(jìn)料約1 t，脫附溫度300～320 ℃，脫附時(shí)間40 min，處理后的鉆屑干渣含油率在1.3 %～1.7 %，達(dá)到三級海域排放要求，直接排入海中。如圖3所示。

5 結(jié)論

1) 熱脫附法具有裝置占地面積小，處理效果好，處理量可觀，經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，是適合海上平臺油基鉆屑處理的技術(shù)方式。

2) 油基鉆屑在熱脫附反應(yīng)釜內(nèi)，通過電磁加熱的方式，升溫到300～320 ℃，恒溫脫附40 min，蒸餾出的烴類、氣、水氣體混合物經(jīng)氮?dú)獯祾哌M(jìn)入冷凝換熱裝置，烴類物質(zhì)、水冷凝成液相后，經(jīng)離心機(jī)分離成單獨(dú)的烴類物質(zhì)和油，剩余的CO、NO、H2等氣體進(jìn)入尾氣處理裝置，經(jīng)堿洗、脫硫、催化燃燒處理后達(dá)標(biāo)排放，處理后的鉆屑干渣含油率在2 %設(shè)計(jì)值以下。

3) 第1代熱脫附裝置存在著故障率高，系統(tǒng)不穩(wěn)定；設(shè)計(jì)處理量小，處理速度慢；裝置集成度低，占地面積大的局限性。第2代熱脫附裝置在此基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造：增加巖屑箱翻轉(zhuǎn)架，提高上料速度；雙反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高處理速度，減少因反應(yīng)釜維修導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，提高裝置運(yùn)行效率；將熱脫附裝置集裝成制氮裝置撬、上料裝置撬、熱脫附裝置撬、尾氣處理裝置撬、冷凝換熱裝置撬五大撬塊，安裝周期由7 d縮短至3 d，占地面積由150 m2減小至120 m2。

圖3 南海B平臺油基鉆屑熱脫附處理參數(shù)曲線

4) 第2代熱脫附裝置在南海B平臺應(yīng)用期間，86 d共處理1 116.4 t油基鉆屑，平均日處理量13.0 t/d，最大日處理量21.7 t/d，處理后鉆屑干渣含油率1.3 %～1.7 %，滿足三級海域排放要求。