煤層氣鉆井廢液無害化處理優(yōu)化工藝室內(nèi)研究

范 莉 龐紅斌 郭 威 許詩雪

(西南石油大學(xué))

1 概述

1.1 煤層氣鉆井液類型及特點

煤層氣與常規(guī)油氣層鉆井相比較具有井淺、鉆井周期短、儲層特殊、鉆井液體系不復(fù)雜等特點，煤儲層與常規(guī)油氣儲層相比較，具有機(jī)械強(qiáng)度低、破碎、微孔隙和裂隙發(fā)育等特點，其滲透率一般遠(yuǎn)低于常規(guī)油氣儲層。因此易于受鉆井液、完井液、固井水泥或壓裂液污染，從而導(dǎo)致煤層裂隙很容易被堵塞而傷害儲層。根據(jù)上述特點，為了保護(hù)儲層，對煤層氣鉆井液性能具有較高要求，其中對鉆井液密度、固相含量有相當(dāng)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，要具有低密度、低失水、低固相含量、低粘及良好的觸變性等特點[1，2]。目前我國煤層氣井所采用的鉆井液主要有聚合物鉆井液、無粘土鉆井液、清水及空氣泡沫鉆井液。

1.2 鉆井廢液組成與危害

根據(jù)鉆井液組成及鉆井工藝特點可知，煤層氣鉆井時間短、單井鉆井廢液產(chǎn)生量較少，鉆井廢液組成較簡單、污染程度不大，單井鉆井投資成本較低。在鉆完井過程中產(chǎn)生廢液主要由含有排放的巖屑及從井筒中排放的鉆井液組成，從成分上來說是一種含有粘土、化學(xué)處理劑、無機(jī)鹽、油類、可溶性的微量元素和鉆屑等多組份膠體溶液。鉆井廢液中含多種有害物質(zhì)，主要是油類、鉆井液添加劑、鹽類及某些可溶性微量元素。鉆井廢液儲存在井場的廢液池中，由于滲漏、溢出、淹沒等原因會混入或侵入地下水、地表水及周圍生態(tài)環(huán)境污染地面水、沼澤、地下水及動植物的生長、生存，對人體健康及環(huán)境構(gòu)成一定的直接危害或潛在危害，造成污染，甚至造成污染事故[3，4]。

2 主要藥品及儀器

2.1 主要藥品

破膠混凝劑：PAL、ALS、PC-1、PFL(均為工業(yè)級，四川淼源油氣田工程公司)；

混凝助劑：PA、HPA、CPA、QP(均為工業(yè)級，四川淼源油氣田工程公司)；

氧化劑：H2O2(化學(xué)純、成都科龍試劑廠)、YH、Fenton、KM、NC(均為工業(yè)級，四川淼源環(huán)?？萍脊?；

固化主劑：FMH、SN、FS、KZ、FSK(均為工業(yè)級，四川淼源油氣田工程公司)；

固化催化劑：CPCA、CPF、CAL、CF、CPAL(均為工業(yè)級，四川淼源環(huán)保科技公司)。

2.2 主要儀器

變速離心機(jī)、CODcr自動測定儀、油分析儀、濁度儀、pH測定儀、原子吸收光譜儀及若干玻璃儀器。

3 煤層氣鉆井廢液主要污染物分析

見表1。

表1 鉆井廢液主要污染物指標(biāo)分析

從表1可以看出，煤層氣鉆井廢液的各項污染指標(biāo)除總鉻、pH值外，其他指標(biāo)均超標(biāo)(GB 8978-1996)污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 煤層氣鉆井廢液無害化處理破膠

混凝工藝研究

4.1 破膠混凝劑類型篩選

取一定量的鉆井廢液，分別加入不同破膠混凝劑7000mg/L，考察處理后絮體沉降速度、水色、SS、CODcr、pH、含油等指標(biāo)和現(xiàn)象。實驗結(jié)果如表2。

表2 破膠混凝劑對鉆井廢液破膠混凝效果影響

從表2實驗數(shù)據(jù)分析看出，不同的破膠混凝劑，對廢液的處理效果不同。在相同條件下，破膠混凝劑PC-1處理效果最好，固液分離較容易，液相色度低、SS、CODcr、Oil污染物質(zhì)去除率高。

4.2 破膠混凝劑加量對破膠混凝效果影響

取一定量的鉆井廢液，采用PC-1脫穩(wěn)混凝劑，在pH值、攪拌等條件相同情況下，改變PC-1加量，考察處理后水色、SS、CODcr、含油等指標(biāo)，實驗結(jié)果見圖1。

圖1 破膠混凝劑PC-1加量對破膠混凝效果影響

從圖1分析看出，采用PC-1破膠穩(wěn)混凝劑處理種廢泥漿，加量不同，處理效果不同，隨著處理劑加量增加，處理效果越好，當(dāng)處理劑加量達(dá)到8000mg/L時，再增加處理劑加量，處理效果變化不大，選擇PC-1加量為8000mg/L。

4.3 混凝助劑優(yōu)化工藝研究

以上述優(yōu)化的脫穩(wěn)混凝工藝條件為助凝實驗條件，通過對助凝劑種類、加量等工藝條件研究確定助凝劑的優(yōu)化工藝。

(1)混凝助劑種類對混凝效果的影響

取一定量的鉆井廢液，PC-1脫穩(wěn)混凝劑加量8000mg/L，助凝劑20mg/L，在 pH值等條件相同情況下，加入不同的混凝助劑，考察處理后絮體沉降速度、色度、SS、CODcr、pH、含油等指標(biāo)去除情況，實驗結(jié)果如表3。

表3 混凝助劑種類對脫穩(wěn)混凝效果影響

表3實驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)象分析看出，不同的混凝助劑對鉆井廢液作用效果不同，上述4種助凝劑，其中前三種是酰胺系列聚合物的不同離子狀態(tài)形式的聚合物，PA是非離子型，分子量1200萬；HPA是部分水解型，分子量1600萬；CPA是陽離子型，分子量500萬，陽離子度28%；QP是三種單體共聚而成的兩性離子高分子聚合物，分子量1800萬。從4種混凝助劑的處理效果看出，混凝助劑QP對鉆井廢泥漿處理效果最好。

(2)混凝助劑加量對混凝效果的影響

取一定量的鉆井廢液，PC-1破膠混凝劑加量8000mg/L，加入不同量的混凝助劑QP，考察不同加量QP處理后水色度、SS、CODcr、含油等指標(biāo)和現(xiàn)象。實驗結(jié)果見圖2。

圖2 助劑加量對鉆井廢液處理效果影響

圖2分析可看出，不同的混凝助劑加量處理效果不同，但總體情況分析顯示，混凝劑助劑加量對處理效果影響沒有破膠混凝劑突出?；炷鷦┑募恿吭?0mg/L～30mg/L時，處理效果最好；再增加處理劑加量會導(dǎo)致沉降速度減慢，處理后CODcr值增加，因此，混凝助劑加量定為30mg/L左右。

4.4 鉆井廢泥漿破膠混凝處理優(yōu)化工藝小結(jié)

通過上述研究可知，煤層氣鉆井廢液破膠混凝處理優(yōu)化工藝如下： PC-1破膠穩(wěn)混凝劑，加量為8000mg/L；QP混凝助劑，加量為30mg/L。采用上述優(yōu)化工藝處理后的CODcr=155.5mg/L。

5 煤層氣鉆井廢液破膠混凝處理后水相深度處理研究

深度處理研究主要是針對鉆井廢液產(chǎn)生的液相進(jìn)行處理。通過上述破膠混凝處理后的水樣分析可知，分離的水相主要超標(biāo)的污染指標(biāo)為CODcr，因此以處理后CODcr為最終指標(biāo)。

5.1 氧化劑種類優(yōu)選

分別取一定量的破膠混凝分離水樣(分離后的混合水樣CODcr=155.5mg/L)，加入不同氧化劑，在加量、pH(針對各自適宜的pH)、處理時間相同情況下，考察處理后CODcr指標(biāo)。實驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同處理劑對水相的處理效果

從表4可以分析看出， 5種不同的處理劑分別對分離的水樣進(jìn)行深度處理，各處理劑處理效果不同。其中YH處理效果最好，處理后CODcr濃度較小，處理時間短，為0.5h，，處理體系的pH值中性，對設(shè)備、管線腐蝕小，安全性能高，因此可以選擇YH處理劑進(jìn)行深度處理。

5.2 YH加量對氧化效果影響

分別取一定量水樣(水樣CODcr=155.5mg/L)，加入YH處理劑，在pH=5～6、處理時間0.5h，改變加量，考察處理后CODcr指標(biāo)。實驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 YH處理劑加量對處理效果影響

從數(shù)據(jù)表5看出，不同處理劑加量，對分離后水處理效果不同，隨著處理劑加量增加，處理效果逐漸變好。YH處理劑加量達(dá)到1000mg/L時，CODcr除去率較高，再繼續(xù)增加處理劑加量，CODcr除去率變化不大，同時CODcr數(shù)值已達(dá)到一級排放標(biāo)準(zhǔn)，可選取YH加量為2000mg/L。

5.3 YH作用時間對處理效果的影響

分別取一定量的水樣(水樣CODcr=155.5mg/L)，加入YH處理劑，加量為2000mg/L，pH=5～6情況下，調(diào)整作用時間，考察處理后CODcr指標(biāo)。實驗數(shù)據(jù)見表6。

表6 YH處理劑作用時間對處理效果影響

從表6看出，作用時間不同，對分離后水處理效果不同，隨著作用時間增加，處理效果逐漸變好。當(dāng)YH處理劑作用時間達(dá)到30min時，CODcr除去率較高，再繼續(xù)增加作用時間，CODcr除去率變化不大，同時CODcr數(shù)值達(dá)到一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

6 煤層氣鉆井廢液固化優(yōu)化工藝研究

6.1 固化劑主劑研究

(1)固化劑主劑種類優(yōu)選研究

分別取一定量前面實驗脫穩(wěn)混凝處理的固液分離后的絮體，加入6.0%的不同類型固化主劑，在催化劑種類、催化劑加量1.5%、固化時間等條件相同情況下，考察固化產(chǎn)物浸出液色度、pH、CODcr、Oil、SS等主要污染指標(biāo)。實驗結(jié)果見圖3。

圖3 固化劑主劑種類對鉆井廢泥漿固化效果的影響

由圖3可知，在相同條件下，改變主劑種類，對絮體的固化效果不同，但所有固化主劑固化后的浸出液中其色度、pH、石油類、SS等主要污染指標(biāo)均能達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)，而CODcr還是超標(biāo)，其中固化主劑FS固化效果最好，固化凝結(jié)時間較快，固化后所有的指標(biāo)均好于其它固化主劑，因此，固化主劑可以選擇FS。

(2)固化劑主劑FS添加量對固化效果影響

分別取一定量前面實驗脫穩(wěn)混凝處理的固液分離后的絮體，加入FS固化主劑，在催化劑種類、催化劑加量、固化時間等條件相同情況下，考察不同固化主劑加量對固化產(chǎn)物的浸出液色度、pH、CODcr、Oil、SS等主要污染指標(biāo)。實驗結(jié)果如圖4。

圖4 固化劑主劑FS加量對固化效果的影響

由圖4可以看出，不同固化劑主加量，其固化效果不同，隨著加量的增加，固化效果越好，但從實驗看出，加量增加，浸出液pH值也增加，超過標(biāo)準(zhǔn)，因此加量選擇在7%。

6.2 固化催化劑研究

(1)固化催化劑種類優(yōu)選研究

分別取一定量前面實驗脫穩(wěn)混凝處理的固液分離后的絮體，加入FS固化主劑，加量7%，催化劑加量為1.5%、固化時間等相同情況下，改變催化劑種類下，考察不同固化主劑加量對固化產(chǎn)物的固結(jié)現(xiàn)象、pH、CODcr等主要污染指標(biāo)。實驗結(jié)果如表7。

表7固化催化劑種類對鉆井廢泥漿固化效果的影響

催化劑種類CPCACPFCALCFCPALCODc(rmg/L)72.5115.5128.6137.0123.6pH8.27.89.37.67.8固結(jié)現(xiàn)象凝固快凝固較快凝固較快凝固較快凝固快

通過表7數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)分析可看出，固化劑催化劑不同，固化效果不同，其中催化劑CPCA的固化效果最好。因此可以選擇CPCA為固化催化劑。

(2)固化催化劑CPCA加量對固化效果影響

分別取一定量前面實驗脫穩(wěn)混凝處理的固液分離后的絮體，加入FS固化主劑，加量7%，固定CPCA催化劑種類，改變催化劑加量、固化時間等相同情況下，考察不同加量對固化產(chǎn)物的凝結(jié)現(xiàn)象、pH、CODcr等主要污染指標(biāo)的影響。實驗結(jié)果見表8。

表8催化劑CPCA加量對固化效果影響

加量(%)0.51.01.52.02.5CODc(rmg/L)145.5121.580.587.4148.3pH7.58.18.27.66.5固結(jié)現(xiàn)象凝固較慢凝固較快凝固快凝固快凝固較慢

從實驗數(shù)據(jù)分析看出，隨著加量的增加，各項指標(biāo)的變化不同，在加量為1.5%，各項指標(biāo)均能達(dá)到一級排放標(biāo)準(zhǔn)。加量過大，固化處理效果有變差的趨勢，因此可以選擇催化劑加量為1.5%～2%。

6.3 優(yōu)化固化方案對鉆井廢泥漿固化處理結(jié)果

通過上述影響固化的因素研究，可以確定出絮體固化的優(yōu)化工藝方案為：

固化劑：FS，加量7%；催化劑：CPCA，加量1.5%。

通過固化優(yōu)化工藝進(jìn)行的固化結(jié)果測試分析可知，固化后浸出液的所有指標(biāo)均能達(dá)到一級排放標(biāo)準(zhǔn)(表9)。

表9 固化優(yōu)化方案處理結(jié)果

7 研究結(jié)論

(1)無害化處理煤層氣鉆井廢液工藝包括破膠混凝和固化處理兩部分。研究得到優(yōu)化工藝主要參數(shù)為：①破膠混凝優(yōu)化工藝：PC-1脫穩(wěn)混凝劑，加量8000mg/L；QP混凝助劑，加量30mg/L；YH處理劑，加量1000mg/L； pH值5～6，作用時間30min。②固化處理優(yōu)化工藝：固化劑FS，加量7%；破膠催化劑CPCA，加量1.5%～2.0%。

(2)按照以上處理工藝方案處理煤層氣鉆井廢液，處理后主要污染指標(biāo)達(dá)到(GBS978-1996)一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

1 賴曉晴，樓一珊，屈沅治，等.我國煤層氣開發(fā)鉆井液技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展思路[J]. 石油天然氣學(xué)報(江漢石油學(xué)院學(xué)報).2009，31(5).

2 曾鐵軍,左明星,徐培武.煤層氣鉆井技術(shù)的應(yīng)用研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2005，11 (2)：24-27.

3 劉曉娟，劉靜，張寧生，等.油氣田污泥無害化處理途徑探討[J]，油氣田環(huán)境保護(hù)，2004，14(2):32-35.

4 Tuncan M T. Stabilization of Petroleum Contaminated Drilling Wastes By additives [J].Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference，1997：950-9533.