1. 研究目的与意义（文献综述）
| 目的及意义 我国对于能源的需求正随着经济社会的发展而不断提高，由于不可再生能源储量有限，积极开发无污染的清洁能源势在必行。页岩气是一种非常规的天然气资源，具有清洁高效的特点，我国页岩气储量大，开发潜力高，目前正在被大范围开采[1]。油基钻屑主要为油基钻井液钻井时现场固控设备、循环罐底以及甩干减量化设备等所产生的油基钻井液和岩屑的混合物，是一种含有基础油、表面活性剂、无机盐、钻屑、污水、沥青类和褐煤类添加剂、重金属等的复杂多相体系[2]，一般具有较高的含水率（10%~20%）和含油率（6%~40%）[3]。 油基钻屑中含有病原菌、寄生虫等微生物，铜、铅、汞、铬等重金属，以及一定量的苯系物、蒽、芘、酚类等有毒物质，甚至还伴有放射性物质，如果不经过处理直接排放，会占用大量的土地资源，破坏土壤，影响作物生长的营养环境条件及品质；污染地表水和地下水，使水体CODCr和色度升高，阻碍水体复氧过程，严重破坏生态平；直接排放的废弃泥浆由于自然消解会散发有毒气态污染物，而重金属等有害物质会保留在土壤中，通过植物的富集作用，最终进入人体，危害健康[4]，已被列入《国家危险废弃物名录》[5]。 处理油基钻屑的常用方法有填埋法、微生物法、焚烧法、萃取法、热解法等，其中热解法应用最为广泛。热解技术具有处理彻底，能源回收率高，减量效果好等特征，是含油污泥无害化、能源化处理的一种有效的方法[6]热解终温、终温保持时间、升温速率、氮气流量都会对油基钻屑的热解效果产生影响[3]。生物质指二氧化碳和水在光合作用下生成的有机体，其主要成分包括纤维素、半纤维素、木质素、少量有机萃取物及灰分，具有储量大、生长快、零碳排放、低硫低氮等优点，但与传统燃料相比，生物质能源能量密度低，品位低，不利于充分开发利用。经过实验研究发现，热解灰渣具有一定的燃烧性能，具备作为燃料的潜力，而由于生物质H/C比高，将油基钻屑的热解灰渣和生物质炭以一定的比例混合，辅以一定的添加剂制备成型燃料，可能会具有较好的燃烧性能和环境友好性。 |
因此本课题拟以页岩气田油基钻屑热解灰渣和桉树炭为原料制备成型燃料。采用热解法处理页岩气田油基钻屑，设计正交试验探究热解终温、终温保持时间、升温速率、氮气流量等热解条件对处理效果的影响；在优化原料处理条件的基础上，利用正交试验优化生物质炭（桉树炭化物）、水、粘结剂、固硫剂、助燃剂的投加量，并利用热重、热量分析、元素分析、工业分析等对其燃烧过程及特性进行研究，以期能够形成一套完整的制备成型燃料的工艺组合系统，生产出一种具有较高的实用性、稳定性的成型燃料，实现对油基钻屑的规范化处理和资源化利用，最终达到安全处置的目的。
| 国内外研究现状分析 目前，油基钻屑处理的主要难点在于成本高，海上油田油基钻屑甩干处理成本在90-120万/口井[7]，且处理方式无法满足当前的技术需求。处理油基钻屑的技术方法常见的有填埋法、回注法、热解析法、焚烧法、溶剂萃取法、超临界流体抽提法、化学破乳法、超声空化处理技术和生物处理法等[8]。刘欢[9]等采用低温热解吸法（LTTD）处理油基钻屑，发现高含油钻屑在处理后几乎没有残留石油烃。徐亚红[10]在探究机械力降解法与固化油基钻屑的基础上，利用油基钻屑制备免烧陶粒，作品可应用于建筑、路基、过滤材料多方面。美国环保公司优先采用化学热洗法，此法只有在油基钻屑含油率高的情况下处理效果较好[11]。邓双辉[12]等利用差示扫描量热法研究了含油污泥和生物质的共燃烧过程，发现在不同温度下含油污泥与生物质共燃过程存在不同的相互作用，在280-390℃下会减缓燃烧，在3900-620℃下会加速燃烧。孙文杨[13]利用玉米秆、水稻秆、豆秆同含油污泥混合制备成型燃料，发现在燃烧温度800℃，原料粒径8mm时能够达到最大燃烧速率0.0019g/s。卢辛成[14]等分别探究了羧甲基纤维素和淀粉作为粘结剂制备成型燃料的最优添加量，得到最优的工艺条件为粘结剂添加量6%，200℃下处理1h，热值可达30.6kJ/g，强度可达99.83%。国内外相关研究主要集中在对对单一油基钻屑或是生物质热解[14]、燃烧的过程中[15]，而对于油基钻屑和生物质制备混合燃料的燃烧性能及成型特性的研究鲜有报道。 |
2. 研究的基本内容与方案
| 基本内容 （1）查阅油基钻屑热解、油基钻屑热解灰渣制备成型燃料的国内外研究进展。 （2）利用量热仪测量油基钻屑及油基钻屑热解灰渣的热值，衡量其制备成型燃料的可行性。 （3）设计正交试验，探究热解终温、升温速度、终温时间等热解条件对油基钻屑热解效果的影响，找出最佳热解条件。 （4）以最佳热解条件下的油基钻屑热解灰渣和桉树炭为原料制备成型燃料，设计正交试验探究不同的原料及添加剂配比对成型燃料燃烧性质和成型性质的影响，找到最佳的原料预处理、原料及添加剂配比、成型条件。 （5）利用热重、热量分析、元素分析、工业分析等研究成型燃料的燃烧过程及特性。
1.1 热解实验装置 采用管式电解炉氮气气氛热解处理实验装置 1.2 工业分析 工业分析测试在工业煤质分析仪上进行，干燥基为基准，固定碳含量由总含量与灰分含量及挥发分含量相减得到。 1.3 元素分析 元素分析由元素分析仪测定，CHNS模式（实验条件有限，氧含量无法检测），仪器内炉温维持在950℃。因为油基钻屑热解炭化物中除C、H、N、S之外还含有其他大量元素，因此，油基钻屑热解炭化物的氧含量无法测定，同时本实验也不需要测定氧含量。 1.4 热值分析 热值由型氧弹量热仪测定，测定结果为样品的高位热值（HHV）。 1.5 Ｘ射线荧光光谱测定（XRF） Ｘ射线荧光光谱由荷兰PANalytical.BV厂商制造的Zetium型Ｘ射线荧光光谱仪测定。对不同热解条件下产生的油基钻屑热解灰渣进行X射线荧光光谱分析
2.1 油基钻屑与桉树炭的配比探究 根据添加物质的种类和文献检索，确定定生物质炭和油基钻屑热解灰渣的比例为1:1、2:1、3:1三个水平进行探究，作为正交设计的一个影响因子进行实验。通过对成品材料的工业分析和热值测定，对比不同水平下样品的热值，可确定最优比例水平。 2.2 最佳水量的探究 通过比较加入不同水量样品的烘干前成型状况与烘干后的强度、孔隙率等决定最佳水量。 称取5.0 g生物质，5.0 g油基钻屑热解灰渣，4.96 g淀粉、0.5 g氢氧化钠、0.06 g 高锰酸钾，9.92 g羧甲基纤维素于500ml烧杯中，玻璃棒搅匀。按相同方法进行三次，将所得到的三个样品编号为水-1、水-2、水-3。按照水:碳为1.5:1、1.2:1、1.0:1的水碳比分别向水-1、水-2、水-3三个样品中加入24ml、15ml、10ml蒸馏水，少量多次，边加边搅匀，观察混合物粘结情况。原料混匀后倒入小型模具中人工压制成实心圆柱型，放于烘箱中在100℃下烘干24h。 2.3 最佳粘结剂配比的探究
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3. 研究计划与安排
| 2.24-3.25：确定选题方向，查阅与课题有关的资料并对所收集的资料进行整理，明确研究内容，了解与确定研究方案，撰写开题报告，同时完成外文翻译。 3.25-4.15：了解课题组现研究成果，研究所采取的实验方案，根据现有成果开始着手论文的写作。 4.15-5.31：总结研究的相关成果，对各种数据进行汇总分析，完成毕业论文的初稿与定稿。 5.31-6.02：完成论文查重任务。 6.02-6.08：准备毕业答辩。 |
4. 参考文献（12篇以上）
| [1]徐亚红.页岩气油基钻屑降解固化处理及其制备免烧陶粒的技术研究[D].西南科技大学,2018. [2]左京杰,张鑫,杨勇.含油钻屑处理技术现状及发展趋势[J].油气田环境保护,2019,29(06):11-15 64. [3]王嫣云.页岩气开发油基钻屑-单组份生物质共热解特性研究[D].武汉理工大学,2018. [4]黄维巍.涪陵页岩气开发油基钻屑热解处理与结焦试验研究[D].武汉理工大学,2017. [5]王丽芳.废弃油基钻屑焚烧处理特征研究[D].陕西科技大学,2017. [6]莫榴,林顺洪,李玉,柏继松,李长江,吕全伟.含油污泥与玉米秸秆共热解协同特性[J].环境工程学报,2018,12(04):1268-1276. [7]李鑫.油基泥浆钻屑处理技术发展现状及展望[J].化工管理,2019(32):122. [8]张明昭.油基泥浆钻屑处理技术发展现状及展望[J].石化技术,2016,23(06):61. [9]HuanLiu,Jianbing Li,Min Zhao,Yubao Li,Yimeng Chen. Remediation of oil-based drillcuttings using low-temperature thermal desorption: Performance and kinetics modeling[J].Chemosphere,2019,235. [10]ShuanghuiDeng,Xuebin Wang,Houzhang Tan,Hrvoje Mikuli,Fuxin Yang,ZhifengLi,Neven Dui. Thermogravimetric study on the Co-combustioncharacteristics of oily sludge with plant biomass[J]. ThermochimicaActa,2016,633. [11]孙文杨.秸秆与油泥混合成型燃料燃烧特性研究[D].黑龙江八一农垦大学,2017. [12]卢辛成,蒋剑春,孟中磊,孙康,谢新苹.生物质成型炭的制备及其性能研究[J].林产化学与工业,2013,33(02):81-84. [13]符丹.废弃油基钻屑除油及回收污油净化工艺研究[D].陕西科技大学,2017. [14]ZhongChen,Zhijian Zheng,Dongyuan Li,Hongzhen Chen,Yuanjian Xu. Continuous supercriticalwater oxidation treatment of oil-based drill cuttings using municipal sewagesludge as diluent[J]. Journal of Hazardous Materials,2020,384. [15]PerezP. Araka,Reuben N. Okparanma,Josiah M. Ayotamuno. Diagnostic screening oforganic contaminant level in solidified/stabilized pre-treated oil-baseddrill cuttings[J]. Heliyon,2019,5(10). |
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