胡祖彪， 王清臣， 陳廷廷

基于現(xiàn)有固控設(shè)備的廢鉆井液處理及利用技術(shù)

胡祖彪， 王清臣， 陳廷廷

（川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司，西安710021）

胡祖彪， 王清臣， 陳廷廷.基于現(xiàn)有固控設(shè)備的廢鉆井液處理及利用技術(shù)[J].鉆井液與完井液， 2017， 34（1）：92-95.

HU Zubiao, WANG Qingchen, CHEN Tingting.Treatment and use of waste drilling fluid with existing solids control equipment[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（1）：92-95.

為了達(dá)到環(huán)境保護(hù)要求，長(zhǎng)慶鉆井采用破膠-固液分離的技術(shù)，對(duì)廢棄鉆井液進(jìn)行后期處理。針對(duì)常見破膠劑多為單一作用，破膠速度慢，效率低，自制一種復(fù)合型破膠劑CQPJ-1為一種破膠劑，其能夠使黏土膠體和懸浮顆粒整體的電荷量減小，聚結(jié)穩(wěn)定性下降，同時(shí)能夠使高分子材料氧化分解，產(chǎn)生初級(jí)自由基，并引發(fā)連鎖自動(dòng)氧化反應(yīng)，使分子量急劇降低。同時(shí)優(yōu)選了一種分子量適中的高分子絮凝劑CQXN-1，它具有的陽(yáng)離子和長(zhǎng)分子鏈可將失穩(wěn)的黏土顆粒包裹起來，形成的聚集體較無機(jī)絮凝劑所形成的絮凝聚集體更加緊密牢固，因而更有利于機(jī)械脫水。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)同時(shí)對(duì)雙氧水、高錳酸鉀、亞磷酸鈉和CQPJ-1等破膠劑以及聚合氯化鋁、聚合氯化鐵、硫酸鋁和CQXN-1等絮凝劑進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)廢棄鉆井液的pH值調(diào)整為6.0～6.5，加入2%破膠劑CQPJ-1，破膠3 h，最后加入0.15%絮凝劑CQXN-1，利用鉆井隊(duì)配備的離心機(jī)進(jìn)行固液分離，選擇離心機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，分離效率和效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。處理后的液相污染指標(biāo)大幅下降，重復(fù)利用配制鉆井液后各項(xiàng)指標(biāo)也符合鉆井施工要求。

環(huán)境保護(hù)；廢鉆井液；破膠；固液分離；重復(fù)利用；長(zhǎng)慶氣田

鉆井生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄鉆完井液，隨著“新環(huán)保法”的實(shí)行，要求“鉆屑、鉆井液不落地”，對(duì)廢棄鉆完井液進(jìn)行無害化處理，變得非常必要。通過破膠-絮凝-離心的方式可以達(dá)到對(duì)廢棄鉆完井液固液分離的目的，這種分離方式可以使固相體積最小化，液相經(jīng)處理后可循環(huán)使用，達(dá)到減量排放要求。要實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井液固液分離，首先需要破壞鉆井液中通過黏土和各種處理劑形成的穩(wěn)定膠體結(jié)構(gòu)，使穩(wěn)定的膠體分解成固相顆粒和自由水，由于分解成的固相顆粒極其微小，使用常規(guī)的鉆井用離心機(jī)無法直接清除，因此還需要通過絮凝作用使細(xì)小的黏土顆粒聚集，通過顆粒再造，形成較大粒徑的絮凝體，從而達(dá)到通過鉆井用離心機(jī)實(shí)現(xiàn)鉆完井液固液分離的目的。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑的選擇

破膠劑：次氯酸鈉、 過硫酸鈉、 檸檬酸和CQPJ-1；絮凝劑：聚合氯化鋁、 聚合氯化鐵、 硫酸鋁和CQXN-1。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

1.2.1 不同破膠劑對(duì)鉆井液效果的影響

在常溫常壓、破膠時(shí)間為2 h的條件下，對(duì)幾種破膠劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)選，見圖1。

圖1 不同類型破膠劑的出水率對(duì)比

由圖1可知，過硫酸鈉的出水率最高，破膠效果最好，CQPJ-1次之，但過硫酸鈉破膠后的固相中含有大量自由水，破膠后的固相呈稀泥狀，鉆井用離心機(jī)無法清除，而CQPJ-1加入鉆井液后，很快就能發(fā)生破膠作用，并且隨著其加量的增加，出水率相應(yīng)提高。因而優(yōu)選CQPJ-1作為破膠劑，最經(jīng)濟(jì)的加量為2%。

1.2.2 pH值對(duì)破膠效果的影響

酸液的加入可以使鉆井液中部分有機(jī)乳化官能團(tuán)“失活”，打破鉆井液的堿性穩(wěn)定環(huán)境，特別是高分子與黏土之間的結(jié)合穩(wěn)定性，H+的介入中和了黏土表面的負(fù)電荷，減弱了—COONa等有機(jī)官能團(tuán)的分散乳化能力，有利于鉆井液整體的“化學(xué)失穩(wěn)”，導(dǎo)致局部收縮，膠結(jié)，脫水現(xiàn)象發(fā)生。鉆井液在不同pH值下的出水率見圖2。

圖2 鉆井液出水率隨pH值變化

由圖2可知，隨著pH值降低，鉆井液的出水率越來越大，但是考慮設(shè)備腐蝕等綜合因素，將鉆井液的pH值調(diào)整為6.0～6.5。

1.2.3 氧化時(shí)間對(duì)破膠效果的影響

CQPJ-1破膠劑不同作用時(shí)間的出水率見圖3。

圖3 破膠時(shí)間與出水率的關(guān)系

由圖3可知，隨著破膠劑加入的時(shí)間增加， 出水率不斷升高， 當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到3 h后， 出水率上升速度減慢， 趨于穩(wěn)定，說明已達(dá)到最佳破膠效果，因此破膠時(shí)間定為3 h。

1.2.4 絮凝劑的優(yōu)選

絮凝劑能夠提供大量的絡(luò)合離子，強(qiáng)烈吸附膠體顆粒，通過黏附、架橋和交聯(lián)作用促使膠體聚集；同時(shí)還能中和膠體顆粒的電荷，破壞zeta電位，使膠體顆粒由相斥變成相吸，形成絮狀沉淀物。不同絮凝劑對(duì)出水率的影響見圖4。由圖4可知，聚合氯化鋁、聚合氯化鐵、硫酸鋁對(duì)鉆井液的出水率均不如CQXN-1效果好，因此，選用CQXN-1作為鉆井液絮凝劑。加量較少時(shí)，出水率隨著絮凝劑加量的增加而增大，但是加量繼續(xù)增大時(shí)，絮凝劑中過量的陽(yáng)離子進(jìn)入黏土顆粒表面的吸附層，使顆粒又帶正電，電位由負(fù)變正，產(chǎn)生了“再帶電”現(xiàn)象，使鉆井液返膠穩(wěn)定，出水率反而降低，因此確定CQXN-1的最佳加量為0.15%。

圖4 不同絮凝劑對(duì)鉆井液出水率的影響

現(xiàn)場(chǎng)使用中速離心機(jī)對(duì)破膠后的鉆井液進(jìn)行固液分離，離心機(jī)對(duì)固體顆粒的最小分離點(diǎn)為2 μm，分離效果最好的分離點(diǎn)應(yīng)大于10 μm，使用CQPJ-1破膠后的鉆井液微粒粒徑非常細(xì)小，需要加入絮凝劑將黏土微粒聚集，使粒徑變大，使離心機(jī)固液分離的效果最大化。破膠后加入CQXN-1處理劑前后的鉆井液粒徑分布見圖5和圖6。

圖5 破膠后鉆井液粒徑分布

圖6 破膠后加入CQXN-1處理劑的鉆井液粒徑分布

由圖5可知， 小于2 μm的顆粒物占總體積的50.38%，小于10 μm的顆粒物占總體積的87.86%。說明顆粒物粒徑太小， 不便于離心機(jī)清除。由圖6可知，加入CQXN-1后， 立即發(fā)生固相顆粒變粗的變化，沒有小于2 μm的顆粒物， 小于5 μm的顆粒物占總體積的7.89%， 大于10 μm的顆粒物占總體積的54.69%。絮凝劑CQXN-1能增大顆粒粒徑，使離心機(jī)進(jìn)行固液分離的能力更趨于完全。

1.3 作用機(jī)理

1.3.1 CQPJ-1的作用機(jī)理

CQPJ-1為一種復(fù)合型破膠劑，部分成分含有的H+能夠使黏土膠體和懸浮顆粒整體的電荷量減小，降低Zeta電位，聚結(jié)穩(wěn)定性下降；另外部分成分能夠使鉆井液中的高分子材料氧化分解，產(chǎn)生初級(jí)自由基，并引發(fā)連鎖自動(dòng)氧化反應(yīng)，使分子量急劇減少。通過這2方面的作用，使鉆井液膠體失穩(wěn)，從而達(dá)到破膠的目的。

1.3.2 CQXN-1的作用機(jī)理

CQXN-1為分子量適中的高分子絮凝劑，其具有的陽(yáng)離子和長(zhǎng)分子鏈可將失穩(wěn)的黏土顆粒包裹起來， 通過“架橋” 作用使破膠后的懸浮微粒聚集成大絮凝體、 大顆粒， 且形成的聚集體較無機(jī)絮凝劑所形成的絮凝聚集體更緊密牢固， 因而更有利于機(jī)械脫水。同時(shí)適量金屬陽(yáng)離子也可以同鉆井液中的有機(jī)物形成溶解度比較小甚至不溶的結(jié)合體或絡(luò)合物。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 鉆井液固液分離

離心機(jī)轉(zhuǎn)速越高離心力越大，鉆井液中被甩到直筒桶壁上的固相越多，但是離心機(jī)轉(zhuǎn)速太高，離心力超過一定范圍后，鉆井液中形成的絮凝體被離心力撕裂，體積急劇減小，在鉆井液本身黏度的束縛下，無法被甩到直筒桶壁上，導(dǎo)致固相清除效率降低。因此，適當(dāng)?shù)碾x心機(jī)轉(zhuǎn)速能夠清除更多固相。用CQPJ-1和CQXN-1對(duì)蘇東XX1井廢棄完井液進(jìn)行破膠處理，并將其用鉆井現(xiàn)場(chǎng)使用的離心機(jī)進(jìn)行固液分離處理。離心效率見表1。由表1可知，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200 r/min時(shí)，分離效果最好，分離效率最高，因此最佳離心機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)選擇為2 200 r/min。

表1 鉆井液離心效果對(duì)比

2.2 固液分離后的液相數(shù)據(jù)分析

2.2.1 液相污染指標(biāo)分析

將蘇東XX1井鉆井液通過固液分離后，液相的主要污染指標(biāo)大幅下降，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 鉆井液固液分離前后污染指標(biāo)對(duì)比

2.2.2 液相配漿性能分析

完井液分離后的液相能否進(jìn)行重復(fù)配漿使用是判斷固液分離效果的重要標(biāo)準(zhǔn)。將分離后的液相進(jìn)行重新配漿實(shí)驗(yàn)，配方如下，結(jié)果見表3。

表3 液相和清水配制鉆井液性能對(duì)比

由表4可知，用固液分離后的液相重新配制鉆井液，與用清水配制的鉆井液相比，流變性略有下降，但是濾失量更低，回收率更高。因此用固液分離后的液相重復(fù)使用配制鉆井液，完全可行。

3 結(jié)論

1.優(yōu)選CQPJ-1作為鉆井液的破膠劑，最優(yōu)加量為2%，破膠時(shí)間為3 h，優(yōu)選CQXN-1為絮凝劑，最優(yōu)加量為0.15%。鉆井液的pH值對(duì)破膠效果影響較大，pH值越小，破膠效果越好，但是考慮設(shè)備腐蝕問題，選擇最佳pH值為6～7。破膠后的顆粒粒徑較小，增加離心機(jī)清除的難度，通過加入絮凝劑，再造顆粒粒徑，能夠提高離心機(jī)清除的效果。固液分離時(shí)，離心機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為2 200 r/min時(shí)，清除效率最高，清除效果最好。

2.固液分離后的液相的污染指標(biāo)大幅下降，并且其配制的鉆井液性能也能夠達(dá)到實(shí)際使用要求，完全能夠?qū)⑵渲貜?fù)使用，重新配制鉆井液。

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Treatment and use of Waste Drilling Fluid with Existing Solids Control Equipment

HU Zubiao, WANG Qingchen, CHEN Tingting
(Changqing Drilling Company of CCDC,Xi’an,Shannxi 710021)

Waste drilling fl uids in Changqing gas fi eld are treated with gel-breaking and solid-liquid separation technologies to conform to the environment protection requirements. In gel-breaking the drilling fl uids, a new gel-breaking agent, CQPJ-1, was developed to replace the single-purpose, slow and low-eff i ciency conventional gel-breaking agents. CQPJ-1 is able to reduce the quantity of electric charge of clay colloids and suspended particles, thereby decreasing the coagulation stability of the suspension system. By oxygenolysis, CQPJ-1 decomposes polymer materials, producing primary radicals and initiating a chain oxidation reaction, thereby dramatically reducing the molecular weight of polymer. CQXN-1, a cationic polymeric fl occulant with moderate molecular weight, was selected to fl occulate destabilized clay particles through its cationic group and long molecular chain, making the fl ocs much easier to mechanically dewater than fl ocs fl occulated with inorganic fl occulants. Laboratory evaluation has been conducted on the performance of gel-breaking agents, including H2O2, potassium permanganate, sodium phosphite and CQPJ-1, and the performance of fl occulants such as poly aluminum chloride, poly ferric chloride, aluminum sulfate and CQXN-1. It was found that, using existing solids-control equipment, a waste drilling fl uid with pH adjusted between 6.0-6.5, after treatment with 2%CQPJ-1 for 3 hours and then adding 0.15%CQXN-1, can be solid-liquid separated at 2,200 r/min. The separation eff i ciency and results have achieved the expected goal. Contamination index of the liquid phase from the treated waste drilling fl uid was greatly reduced, and drilling fl uids prepared with the liquid obtained had properties conforming to the requirements of drilling operation.

Environment protection; Waste drilling fl uid; Gel breaking; Solid-liquid separation; Reuse; Changqing gas fi eld

TE92 TE254.3

A

1001-5620（2017）01-0092-04

2016-11-5；HGF=1605M3；編輯 馬倩蕓）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.01.017

胡祖彪，高級(jí)工程師，1991年畢業(yè)于承德石油?？茖W(xué)校油田應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，一直從事鉆井液技術(shù)工作。電話 18629057518；E-mail：huzubiao123@sohu.com。