2.2 页岩气油基岩屑处理与处置技术

页岩气油基岩屑的无害化与资源化处理技术主要有热脱附、溶液萃取、生物处理、化学清洗、固化填埋、水泥窑协同及高温烧结制陶粒等。

2.2.1 热脱附

热脱附是指通过加热使水、有机组分等挥发分从油基岩屑中分离，达到净化油基岩屑的目的。油基岩屑热脱附生产工艺主要由进料、加热、旋风分离、油水分离等组成。其具体工艺流程如图 2.1 所示。热脱附处理油基岩屑效果好（处理后油基岩屑含油率低于 1%），可回收 75%左右的油分用于油基钻井液的配置，二次污染小。但是，热脱附处理过程中能耗高，工艺参数控制难度大，温度控制要求极高。温度偏高，则可能会导致油品性质发生改变，无法重复利用，大幅降低油品价值；温度偏低，则可能导致油基岩屑中的油分回收率低。

2.2.2 化学清洗法

化学清洗法是利用表面活性剂降低油基岩屑中油相与清洗液的界面张力，提高油分在液相的溶解度，同时将固相的润湿性从亲油变为亲水，降低油分和岩屑的结合力，以达到油分和固相分离的目的。化学清洗法处理油基岩屑工艺流程如图 2.2 所示。化学清洗法可将油基岩屑的含油率降至 2%以下。该方法成本低，工艺简单，可实现油分回收。因各地区开采工艺不同，故油基岩屑成分差异较大。目前，尚缺乏一种适应范围广的高效化学清洗剂。化学清洗后的废水处理提高了该工艺的处理成本。将化学清洗技术与微生物处理技术结合，可降低成本，提高处理效率，减少二次污染。

2.2.3 溶液萃取法

溶液萃取法是利用“相似相溶”原理，将有机溶剂按配比加入油基岩屑中，提取油基岩屑中的油类物质，然后使用蒸馏法分离溶剂与油的混合物，实现油分与固相分离回收。溶液萃取法的工艺流程主要为：油基岩屑与溶剂在反应器中充分混合后，溶剂选择性溶解岩屑中的油相组分，未被溶解的固体杂质由于密度差沉降在反应器底部；油分与溶剂的混合物进入蒸馏系统实现溶剂与油的分离；分离的溶剂经压缩冷凝系统处理后可再次循环使用。具体工艺流程如图2.3 所示。

该处理方法的主要优点是：油基岩屑含油率可降至 1%以下，油分回收率可达98%，可实现油基钻井液和萃取剂多次重复利用。但是，该工艺需在 18 ~ 25 MPa的高压环境中运行，设备要求高。部分萃取剂有毒，可能对操作人员的健康带来威胁。目前，超临界CO ₂ 流体由于其低毒、不燃等优点受到广泛关注。其原理是通过CO ₂ 的排出与排入改变溶剂的极性、亲水性和疏水性，实现有机物的萃取和油分回收。但是，该技术尚未成熟，未实现规模化应用。

2.2.4 微生物处理法

微生物处理法是利用自然界的微生物（如红酵母菌、芽孢杆菌、白腐真菌等）在适宜的温度、湿度和氧气条件下，通过其新陈代谢将油基岩屑中的有机污染物分解为CO ₂ ,H2O等小分子物质的方法。主要操作步骤：将油基岩屑、菌株和添加剂均匀混合后平铺放置在适宜温度和湿度的环境下；定期加入磷、氮等无机营养元素，以改善微生物的生存环境，促进其对石油污染物的分解。其具体工艺流程如图 2.4 所示。在微生物处理过程中，通常会加入少量木屑、秸秆、锯末或草屑等物质作为添加剂，既可为微生物提供有机物和氮源，还能在油基岩屑中支撑形成空隙为微生物的降解活动提供氧气，加快微生物的代谢。

微生物处理法具有成本低、环境友好、反应条件温和等显著优点，但处理周期过长，缺乏适用范围广的菌株，处理效果难以满足要求。中国石油天然气集团有限公司、中国石油化工集团有限公司开发了一种由化学清洗、机械除油和微生物处理联用的新型处理工艺，能有效地分离岩屑、水分和油分。

2.2.5 固化填埋

固化填埋是基于无机或有机胶凝材料的物理化学阻滞作用，将油基岩屑与胶凝材料混合形成密实固化体后运至危废填埋场填埋的一种无害化处理方法。常见的固化方式有沥青固化、水泥固化、玻璃固化及塑料固化等。该方法处理成本低，操作简单，应用广泛。但是，固化填埋不仅占用大量土地，而且未从根本上消除污染源，存在二次污染的风险，仍需进一步开发油基岩屑资源化利用技术。

2.2.6 水泥窑协同处置

油基岩屑的固相成分中含有一定量SiO ₂ 和Al ₂ O ₃ ,具备作为掺合料生产水泥的潜力。《水泥窑协同处置固体废物环境保护技术规范》(HJ 662—2013)和《水泥窑协同处置固体废物技术规范》(GB / T 30760—2014)对固体废物中重金属、硫、氟和氯的含量进行了严格限定。因油基岩屑中氯盐和油分含量高，在利用水泥窑协同处理前需进行脱油和水洗预处理。在水泥窑协同处置过程中（图2.5），油基岩屑中的挥发性重金属可在预热系统和窑系统中分离，难挥发的重金属 90%被固化在熟料中。焚烧过程产生的酸性气体能与水泥熟料中的CaO反应生成盐类而被固定。同时，窑内高温和碱性的环境能促进有机污染物分解，遏制二噁英产生。

值得注意的是，油基岩屑中的重晶石在高温环境下分解产生BaO和SO ₃ 。BaO会阻碍Ca ₃ Al ₂ O ₆ 、4CaO·Al ₂ O ₃ ·Fe ₂ O ₃ 等吸收f-CaO生成硅酸盐矿物(C ₂ S,C ₃ S等），且部分BaO与Al ₂ O ₃ 和SiO ₂ 形成共熔物BaAl ₂ Si ₂ O ₈ ,从而产生结块现象。 SO ₃ 可能腐蚀生产设备和管道，降低生产设备的使用寿命。水泥窑协同处置是一种实现油基岩屑资源化利用的有效途径，但油基岩屑在水泥生产中添加比例需有效控制。