鉆井廢棄物分離用高效絮凝劑的研發(fā)及應(yīng)用

夏 曄

（中國石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000）

隨著國家對(duì)環(huán)保工作的重視，2015年起各大油田全面推行了鉆井廢棄物不落地和減量化工作，除了使用抑制環(huán)保的鉆井液配方，在后續(xù)過程中需要配套固液分離設(shè)備進(jìn)行廢棄物的脫液減量[1]。在上部底層快速鉆進(jìn)的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的鉆井廢棄物，中下部地層由于鉆井液本身的性質(zhì)產(chǎn)生鉆井廢棄物又大多具有較強(qiáng)的乳化穩(wěn)定性，難以依靠物理方式完全分離，需要配套可以快速使其脫穩(wěn)絮凝的高效絮凝劑，市場(chǎng)上的此類絮凝劑產(chǎn)品，大多存在加量大，絮凝效果差，價(jià)格昂貴的問題，因此開發(fā)與設(shè)備配套同時(shí)可滿足各種工況的鉆井廢棄物分離用絮凝劑是必要的。

本文針對(duì)鉆井廢棄物分離用高效絮凝劑的研發(fā)開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了有針對(duì)性的絮凝劑配套實(shí)驗(yàn)，得到高效絮凝劑兩套，同時(shí)在勝利油區(qū)開展了相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的評(píng)價(jià)了絮凝劑的絮凝效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

現(xiàn)有的常用絮凝劑主要有有機(jī)高分子絮凝劑和無機(jī)高分子絮凝劑兩大類[2]，其中有機(jī)高分子絮凝劑主要成分為有機(jī)高分子聚合物，通常具有發(fā)達(dá)的鏈狀結(jié)構(gòu)和自由基團(tuán)，可以將顆粒物有效的吸附在表面，并通過各種顆粒之間形成架橋作用，同時(shí)形成大顆粒的絮團(tuán)，加快沉降速度，同時(shí)絮凝劑本身攜帶的電性離子降低了膠團(tuán)的電位，中和了膠團(tuán)微粒表面的電荷，使膠體粒子由原來的相斥變成了相吸，加速了膠體粒子的碰撞沉降，達(dá)到了絮凝的目的。而無機(jī)絮凝劑多為水溶性無機(jī)高分子聚合物，這類產(chǎn)品具有較強(qiáng)的架橋吸附性能，在水解過程中伴隨著發(fā)生凝聚、吸附和沉淀等物理化學(xué)過程，其水解過程會(huì)增加液體中的離子含量，與有機(jī)高分子絮凝劑配合使用時(shí)可增加絮凝的強(qiáng)度。

因此，實(shí)驗(yàn)選擇了幾種有機(jī)高分子絮凝劑、無機(jī)高分子絮凝劑及其他處理劑進(jìn)行了系統(tǒng)性的考察，以確定高效絮凝劑的配方。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

有機(jī)高分子絮凝劑：PAM-1白色粉末狀顆粒，相對(duì)分子質(zhì)量大于450萬，山東寶莫化工；PAM-2白色粉末狀顆粒，相對(duì)分子質(zhì)量大于300萬，化工品；PAM-3白色粉末狀顆粒，水解度14%，山東寶莫化工。

無機(jī)高分子絮凝劑：JA白色混淡黃色粉末狀固體，化工品，瑞星凈水原料有限公司。

pH調(diào)節(jié)劑：無機(jī)酸，固體，化工品。

膨潤土：符合GB/T 5005鉆井液材料規(guī)范要求。

鉆井液：勝利油區(qū)現(xiàn)場(chǎng)取樣，取樣井段3 200 m～3 580 m。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

離心機(jī)：可調(diào)速臺(tái)式離心機(jī)。

壓濾設(shè)備：實(shí)驗(yàn)室自制，可提供0～1.0 MPa的氣壓。

鉆井液用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)：青島海通達(dá)公司。

天平：FA2004N型。

色度儀：WGZ2000臺(tái)式色度儀，上海昕瑞公司。

COD測(cè)試儀：ET791型，德國羅威邦儀器公司。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 高效絮凝劑配方實(shí)驗(yàn)

2.1.1 有機(jī)高分子絮凝劑絮凝效果實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)針對(duì)選擇的三種常用的有機(jī)高分子絮凝劑，通過考察其在同一加量下對(duì)6%含量的膨潤土漿的絮凝效果，篩選出效果較高的有機(jī)高分子絮凝劑。此實(shí)驗(yàn)?zāi)M鉆進(jìn)過程中上部地層快速鉆進(jìn)情況下，評(píng)價(jià)當(dāng)鉆屑主要成分為黏土?xí)r，大處理量工況下絮凝劑的快速絮凝效果。

實(shí)驗(yàn)方法為將絮凝劑置于水中緩慢的攪拌，使其完全溶解后，將絮凝劑的水溶液加入到已水化穩(wěn)定的6%含量的膨潤土漿中，邊加邊緩慢的攪拌，充分?jǐn)嚢? min后，可發(fā)現(xiàn)大顆粒絮團(tuán)開始沉降。待絮團(tuán)充分沉降后，將其倒入壓濾裝置，在0.2 MPa壓力下進(jìn)行壓濾，考察其濾餅的含水量，以確定添加量對(duì)固相沉降和脫水后固相含水率的影響（見表1）。

表1 有機(jī)高分子絮凝劑添加量對(duì)固相含水率的影響

從表1可知，隨著有機(jī)高分子絮凝劑的添加，絮凝劑PAM-1形成的濾餅的含水量先減小后增加，存在最優(yōu)加量0.15%，超過此加量后，濾餅的含水量有所增加并趨于穩(wěn)定；PAM-2號(hào)絮凝劑形成的濾餅的含水量在其加入量為0.2%時(shí)達(dá)到最小，為75.39%。其后有所增加。PAM-3的添加量在超過2%后才趨于穩(wěn)定。同時(shí)比較形成的濾餅可以發(fā)現(xiàn)，PAM-1、PAM-2形成的濾餅較為緊實(shí)，表面較為規(guī)整，手觸摸時(shí)表面較為光滑，有黏滯感。PAM-3的則較為蓬松，表面松散不規(guī)則，黏滯感強(qiáng)。

因此由以上結(jié)論可知，在處理清水鉆進(jìn)時(shí)的鉆井液及其中的固相廢物時(shí)，相同相對(duì)分子質(zhì)量下，PAM-2效果較好。因此在單獨(dú)使用有機(jī)高分子絮凝劑時(shí)推薦PAM-2絮凝劑，加量為0.2%即可。

2.1.2 復(fù)配絮凝劑絮凝效果實(shí)驗(yàn) 針對(duì)上部地層快速鉆進(jìn)的工況，單獨(dú)使用PAM-2絮凝劑即可滿足需求，但中下部地層由于鉆井安全及油氣層保護(hù)需求，使用的鉆井液多為穩(wěn)定體系，實(shí)驗(yàn)室前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單純使用高分子絮凝劑時(shí)，無法單純的依靠吸附架橋絮凝穩(wěn)定鉆井液及中下部地層乳化穩(wěn)定的鉆屑。因此在現(xiàn)有絮凝劑的基礎(chǔ)上對(duì)配方進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)。

使用PAM-2號(hào)絮凝劑，加量在0.1%，然后復(fù)配不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的無機(jī)高分子絮凝劑JA，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，觀察復(fù)配絮凝劑對(duì)6%含量的膨潤土漿絮凝效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表2）。

表2 復(fù)配絮凝劑對(duì)絮凝效果的影響

從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在無機(jī)絮凝劑時(shí)，可以增強(qiáng)絮凝效果，降低濾餅的含水率，添加量在0.3%時(shí)，其濾餅的含水率較單獨(dú)使用干粉時(shí)下降了10%，達(dá)到最佳的加量。實(shí)驗(yàn)中觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，JA的加入，使得大顆粒絮團(tuán)出現(xiàn)的時(shí)間變短，絮凝速度加快，達(dá)到完全絮凝的時(shí)間縮短至1 min之內(nèi)，但是其加入量過多會(huì)導(dǎo)致濾液顏色發(fā)黃，且渾濁不澄清，對(duì)濾液的質(zhì)量有一定的影響，因此復(fù)配時(shí)需要控制其加量，既能滿足絮凝要求，又能保證濾液質(zhì)量。

JA的添加能加快絮凝速度的原因是因?yàn)槠淙苡谒笪龀龃罅康母邇r(jià)陽離子，達(dá)到了快速壓縮黏土顆粒表面擴(kuò)散雙電層，同時(shí)中和了黏土表面的負(fù)電荷，通過電性作用，破壞了體系的穩(wěn)定性，加速了黏土的絮凝沉降。

在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展了實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的絮凝實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M的勝利油區(qū)3 000 m左右井深時(shí)鉆井液配方，配方如下：

4%土漿+2%碳酸鈉+0.5%LV-CMC+0.5%改性銨鹽+0.5%氯化鈣+1%無熒光白瀝青+0.1%FA367+1%SMP-1+3%超細(xì)碳酸鈣，養(yǎng)護(hù)16 h。

表3 實(shí)驗(yàn)室模擬用鉆井液常規(guī)性能

取50 mL上述鉆井液，向其中加入不同質(zhì)量的PAM-2與JA的混合物，混和比例為1：2，使用0.4 MPa的壓力下進(jìn)行壓濾至無濾液析出時(shí)，計(jì)算其濾餅的含水率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)絮凝劑加入量為鉆井液質(zhì)量的0.5%時(shí)，其濾餅含水率開始低于80%，為77.10%；加入量為0.75%時(shí)，濾餅含水率達(dá)到64.18%。濾餅表面干燥，餅體緊實(shí)，但壓濾時(shí)間較久，現(xiàn)場(chǎng)使用無法滿足實(shí)際工況。

綜合考慮壓濾時(shí)間及絮凝劑成本，為加速絮凝時(shí)間同時(shí)降本增效，需要向配方中添加可更快速脫穩(wěn)絮凝的成分，通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用酸降低鉆井液pH值至7左右時(shí)，既可以快速打破黏土晶格結(jié)構(gòu)，同時(shí)中和鉆井液的堿性環(huán)境，使鉆井液配方中的處理劑失去效果，加速鉆井液的破膠脫穩(wěn)，有效的釋放出鉆井液中的結(jié)合水，可有效的減少過濾的時(shí)間，同時(shí)降低濾餅的含水率。

因此實(shí)驗(yàn)時(shí)，先向50 mL鉆井液中加入無機(jī)酸，調(diào)節(jié)其pH值至6.5～7.0后，向其中加入鉆井液質(zhì)量0.5%的絮凝劑（PAM-2與JA的混合物，混和比例為1：2）使用0.4 MPa的壓力下進(jìn)行壓濾至無濾液析出時(shí)，測(cè)定濾餅含水率為62.17%，過濾時(shí)間縮短至30 min以內(nèi)。基本可滿足現(xiàn)場(chǎng)工況。

因此得到鉆井廢棄物分離用高效絮凝劑配方為：上部地層快速鉆進(jìn)時(shí)使用處理量0.2%的PAM-2型絮凝劑，中下部地層使用1份PAM-2加上2份JA再加入適量的無機(jī)酸，其中無機(jī)酸加入量通過廢棄物pH值確定，PAM-2及JA絮凝劑的加量為處理量的0.5%。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

2.2.1 辛37區(qū)塊叢式井 辛37區(qū)塊6口井無大循環(huán)池，固相脫液后拉運(yùn)至東營市磚廠燒磚，液相循環(huán)使用；實(shí)驗(yàn)用PAM-2型絮凝劑最大加量0.2%，脫出液相后固相含水量最低可達(dá)58.71%，濾液pH6.5～7.0，色度最低60達(dá)到國家二級(jí)水排放標(biāo)準(zhǔn)，最高147，滿足循環(huán)使用要求，濾液回用配漿，未出現(xiàn)鉆井液不穩(wěn)定情況（見圖1）。

圖1 辛37-斜6井離心機(jī)出口固相及液相情況

2.2.2 辛161-斜32井 此井在鉆井過程中出現(xiàn)了下部地層廢棄物固液分離困難分離速率低，使用井隊(duì)原有絮凝劑分離后液相色度偏高且有絮凝劑殘留，無法回用，固相含水高于85%，無法拉運(yùn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)在2 100 m井深加入復(fù)配的高效絮凝劑，快速對(duì)乳化穩(wěn)定的體系進(jìn)行了脫穩(wěn)絮凝，分離后固相含水低于65%，液相色度正常，COD值小于150 mg/L，正常回用，未出現(xiàn)鉆井液不穩(wěn)定情況?，F(xiàn)場(chǎng)固液分離效率滿足工況需求（見圖2）。

圖2 高效絮凝劑與現(xiàn)場(chǎng)原用絮凝劑絮凝分離后液相對(duì)比

3 結(jié)論

（1）上部地層快速鉆進(jìn)大處理量的情況下，使用PAM-2型絮凝劑，加量為處理量的0.2%時(shí)即可滿足需求。

（2）中下部地層鉆井液穩(wěn)定，廢棄物乳化難脫穩(wěn)的情況下，使用高效絮凝劑配方為1份PAM-2加上2份JA再加入適量的無機(jī)酸，其中無機(jī)酸加入量通過廢棄物pH值確定，PAM-2及JA絮凝劑的加量為處理量的0.5%。

（3）鉆井廢棄物快速分離用高效絮凝劑配方在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用12口井，配合離心機(jī)或壓濾機(jī)設(shè)備，均可快速的分離鉆井廢棄物，效果滿意。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫景新，劉曉燕，等.油田含油污泥處理技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國資源綜合利用，2006，24（6）：18-22.

[2]張瓊，李國斌，蘇毅，等.水處理絮凝劑的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].化工科技，2013，21（2）：49-52.