长宁、威远页岩气开发国家示范区采用平台式钻井完井方式，在同一井场一般完钻6口井。由于页岩地层裂缝发育，为避免发生井漏、垮塌、泥页岩水化、膨胀、缩径等问题，一般上部直井段采用水基钻井液，下部造斜段及水平段(目的层页岩段)采用油基钻井液。水平段长达1 500 m以上，产生的大量油基岩屑成分复杂，一般都由油、水、沥青、钻屑、高分子化合物及其他杂质组成，这些物质通常难以在环境中降解，如不妥善处理，会对生态环境造成严重危害[1]。
国外对油基岩屑处理的研究开始较早，初期比较有代表性的处理技术有固化法、坑内密封填埋法、焚烧法、注入安全地层或环形空间法等[2]，后来逐步发展形成脱干法+微生物代谢降解法、化学清洗法等(表 1)。
上述方法的目的均是为了环保达标，属于环保末端治理思路，一方面难以从根本上消除环境污染的隐患[3]，另一方面造成了对可利用资源的浪费。从上世纪90年代开始，热解析技术因其高效、稳定、可回收油资源等优势逐步取代了部分传统工艺技术，成为目前国际上应用较广的废弃油基钻井液处理技术。此外，萃取技术以安全高效环保的特点，越来越引起人们的重视。塔里木油田与新瑞石油科技有限公司合作开发的LRET技术，首次在25口超深井投入工程应用，处理后的含油岩屑油含量能达到0.6%(ω，下同)[4]。
国内外油基岩屑无害化处理方法如图 1所示。
油基岩屑结构如图 2所示。
油基岩屑处理的主要目标是实现废弃物无害化处理和基础油的回收再利用，最重要的技术指标是处理后废弃物中的油含量，其实质是油的脱除(破乳分离)，处理过程可大致分为以下4个步骤[8]：
(1) 破乳，即用物理、化学、生物等方法破坏废弃油基钻井液中的乳液状态。
(2) 分离，即用离心、絮凝、萃取或蒸发冷凝等方法实现液固二相分离或油水固“三相”分离。
(3) 净化，即分别对各相的物质进行净化处理，使其达到可回用或外排的程度。
(4) 回用，即对净化处理后的产物进行资源化利用。
矿物油在环境中自然降解困难，因此，业界把油基岩屑油含量作为环境危害大小的评价指标。HJ 607-2011《废矿物油回收利用控制标准》要求“含油岩屑经油屑分离后油含量应小于5%，分离后的岩屑宜采用焚烧处置”。因为焚烧方式环境危害依然大，故实际操作中主要参照GB 4914-2008《海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》的一级要求(油含量小于1%)执行。
长宁、威远页岩气开发国家示范区块主要采用白油基钻井液体系，所含芳香烃的量低，毒性小[9]，为环保型油基钻井液基液。中石油结合长宁、威远页岩气开发国家示范区块实际，在长宁区块采用LRET技术、威远区块采用热解析技术，开展油基岩屑资源化利用实践。通过推行废物“资源化利用工艺”，最终达到实现工业废物“循环利用、资源化、减量化、无害化”的目的。
热解析处理工艺流程如图 3所示。
油基钻屑的热解析过程就是在绝氧或缺氧环境中，将油基钻屑放入回转炉，间接加热至420~450 ℃(高于白油终馏点，低于裂化温度)，从而将钻屑中的水和油类蒸馏出来，再通过冷凝装置收集蒸气，分离水和油后，回收油类。同时，油基钻屑经过热解处理后，可得到无害化废渣。主要流程(见图 4)介绍如下：
(1) 自动进/出料。通过螺旋传输器将油基钻屑送入/出回转炉腔体。
(2) 热解处理。进料完成后，密封回转炉，通过外部热源对回转炉腔体进行加热，加热燃料可用柴油或天然气，在天然气生产井站宜用天然气作燃料，且天然气做燃料更便于控制热解温度。
(3) 冷凝回收。油基钻屑热解析过程产生水蒸气和油蒸汽，其中也混有少量粉尘颗粒。首先将蒸汽通入分气包进行过滤，将其中部分重油、粉尘颗粒和水蒸气分离出来并收集至重油罐，然后再将蒸汽通入两级阻尼装置进行二次过滤，最后再将多次过滤之后的蒸气通入水冷循环冷凝管道进行液化，并将液体储存在储油罐里，通过后续油水分离，可回收油类。
(4) 烟气净化。供热柴油或天然气燃烧导致的烟雾，采用喷淋塔烟气净化系统(碱液洗涤烟气)进行烟雾过滤，除去烟气中的粉尘颗粒物、二氧化硫、沥青烟、铅等，达到GB 16297-1996《大气污染物综合排放标准》的要求。洗涤液用NaOH和Na2CO3等药剂配制。其主要的化学反应为：
Na2CO3+SO2＝Na2SO3+CO2 (Ⅰ)
2NaOH+SO2＝Na2SO3+H2O (Ⅱ)
Na2SO3+SO2+H2O＝2NaHSO3 (Ⅲ)
(5) 安全配置。配置有氮气发生器，热解过程中，充入氮气降低氧气浓度。对氧含量实时检测，控制含氧量低于8%，高位报警设置在10%，且配置有高压二氧化碳气体自动灭火系统，信号与氧含量控制点建立了通讯，实现自动控制。热解腔配置有安全阀，防止腔体油气燃烧导致压力升高。
(1) 处理能力达到设计处理量40 t/d要求，油含量小于1%，油回收率大于95%。
(2) 处理过程中不需要添加任何化学药剂，不凝气体闭式处理后回用，利用燃料燃烧产生的热源对物料间接加热，燃料及不凝气燃烧产生的烟气，通过喷淋塔烟气净化系统，处理后达到国家外排标准再行排放。
(3) 油基钻屑处理达标后，进行资源化利用，整个过程安全、环保、高效。
萃取剂的研制是LRET技术的核心，其作用原理是吉布斯函数在表面吸附与脱除过程中的应用。萃取药剂的设计应选择脱附过程中吉布斯自由能变化最为显著的药剂体系。吉布斯自由能也可以看作是垂直作用在单位长度界面上的力即表面张力[10]。
吉布斯等温吸附方程表达式[11]：
式中：Γ为界面吉布斯吸附量；γ为表面张力；c为溶质在主体溶液中的平衡浓度；R为气体常数；T为绝对温度；dγ/dc可以方便地从实验结果中的γ-c关系曲线的斜率得到。
定温条件下，dγ/dc<0，Γ>0，正吸附；dγ/dc>0，Γ<0，负吸附；dγ/dc=0，Γ=0，无吸附作用。随萃取剂浓度的变化，两相界面张力变化，在某一点达到临界值dγ/dc= 0，当dγ/dc>0，则白油被快速吸附入萃取剂[12]。
针对油基钻井废物中的颗粒固相物、基油、水等形成的混合体系，药剂液相脱附具有复杂的反应机理。脱附过程一般包括以下一些步骤：①药剂从药剂主体传递到固体颗粒的表面；②药剂扩散渗入固体内部和内部微孔隙内；③溶质溶解进入药剂；④通过固体微孔隙通道中的溶液扩散至固体表面并进一步进入药剂主体。
LRET技术现场处置流程见图 5所示：①利用了油基钻井液中成分的密度差，采用多级多效变频耦合离心技术，甩干处理，经处理后形成的油基固体物油含量约10%；②在密闭稳定系统中，采用基于物理辅以处理剂的回收技术(萃取技术)，实现液相和固相的高效分离，固相岩屑油含量低于1%；③用80 ℃的蒸汽加热炉，实现液相中的钻井液体系(油水及钻井液添加剂)与萃取剂的分离；④回收的钻井液体系(油水及钻井液添加剂)经处理后可再用，回收萃取剂可循环利用。
(1) 采用专门针对油基固体废物的LRET高效反应系统，能快速实现钻井液添加剂、油与钻屑固相物的分离，处理能力达到设计处理150 t/d要求，油回收率达到98%，处理后岩屑油含量低于1%，深度脱附可在15 min内达到效果。
(2) 整套工艺只产生合格油基钻井液产品和泥土固体物，不产生新的污染物质，无二次污染，消除了环境污染风险，且在常温(回收萃取剂需要约80 ℃的蒸汽温度)常压条件下运行，不破坏油基钻井液中的钻井化学药剂性能，也不破坏油基钻井液性能，使之能循环利用。回收的油基钻井液经处置后性能优良(见表 2)，能很好满足现场要求。
(3) 处理后，经有资质的单位试验表明，浸出液毒性、易燃性、腐蚀性、反应性、急性毒性等指标检测均合格(见表 3)。
用上述方法将油基岩屑处理至油含量小于1%，再委托具有危险废物鉴定资质的机构进行鉴定，各项指标达标后，判定为一般工业固体废物，并在环保主管部门备案，此过程实现了废物的资源化。因此，可在后续的井场建设中，用以制砖、修筑井场、堡坎或人行道等。
(1) 长宁、威远页岩气开发国家示范区主要采用白油基钻井液体系，芳香烃含量较低，为环保型油基钻井液体系，钻井过程中产生的油基岩屑毒性较小。从保护环境和废物资源化利用角度考虑，现场采用LRET技术与热解析技术对产生的油基岩屑进行处理，热解析法设计处理能力40 t/d，LRET法设计处理能力150 t/d。
(2) 热解析法油回收率达到95%以上，LRET法油回收率达到98%，回收的油及钻井液经处理后，各项指标均能满足现场需要；处理后的岩屑油含量均小于1%(ω)(LRET技术能处理至油含量小于0.6%(ω))，且检测显示，浸出液毒性、易燃性、腐蚀性、反应性、急性毒性等指标均合格。
(3) LRET及热解析技术在长宁、威远地区油基岩屑处理实践中也暴露出了一些问题，如钻屑中有其他杂质及袋装供料影响LRET技术处理效率，热解析烟气净化系统有时运行不稳定等。建议在推广应用LRET及热解析技术过程中，开展适应性研究，总结经验，优化设计，提升管理，降低成本，提高效益，形成川渝地区示范性的油基岩屑处理工艺。
(4) 建议开展适用于页岩气水平段钻井的环保型钻井液体系的研究。目前，西南油气田公司正在探索在水平段采用高效能水基钻井液体系替代油基钻井液体系，从根本上解决油基岩屑导致的环保风险问题。
2016, Vol. 45 Issue (2): 62-66
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