勝利油田鉆井液固液分離用絮凝劑的優(yōu)選實(shí)驗(yàn)及相關(guān)分析

董懷榮，李宗清，夏 曄，李 琴，郭 振，陳志禮，李亞偉

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng)257000）

勝利油田地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其是二開(kāi)上部地層清水快速鉆進(jìn)工藝，具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，該階段鉆井速度快，可以大大縮短鉆井周期、降低鉆井成本；但是這個(gè)過(guò)程中機(jī)械鉆速快（機(jī)械鉆速甚至超過(guò)100m/h）、泵排量大（100～250m3/h）、井底上返的鉆屑量大、泥餅多、巖屑細(xì)小、固液分離難度大。細(xì)泥、細(xì)砂易板結(jié)、易堵塞，造漿強(qiáng)烈，鉆頭易起泥包，這個(gè)階段是鉆井液不落地處理工藝的關(guān)鍵階段也是最難處理的階段。以往主要采取大循環(huán)方式鉆進(jìn)，將鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)水敏粘土鉆屑絮凝沉降在大循環(huán)池里，然后用漂浮泵從大循環(huán)池上面抽取清液到固控系統(tǒng)中進(jìn)行循環(huán)使用，固相直接留在大循環(huán)池中，完井以后進(jìn)行就地固化掩埋處理。隨著環(huán)保法的實(shí)施，對(duì)石油工程施工環(huán)境治理提出了更高的要求，要求鉆井過(guò)程中全井段實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井液及鉆屑現(xiàn)場(chǎng)不落地，不再挖大循環(huán)池，需要采用鉆井液不落地工藝及配套相關(guān)設(shè)備進(jìn)行鉆井施工[1-3]。

為配合鉆井液不落地鉆井工藝的順利實(shí)施以及設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，加速固控系統(tǒng)中廢棄物的脫穩(wěn)及固相的絮凝沉降，確保在清水快速鉆進(jìn)的條件下，達(dá)到快速分離固液相的效果，保證施工進(jìn)度，需要選擇合適的絮凝劑，添加到快速沉降裝置中，將其中的鉆屑及土相進(jìn)行絮凝分離以分成水相和含水較低的固相。其中對(duì)絮凝劑種類(lèi)進(jìn)行篩選并對(duì)絮凝劑影響作用進(jìn)行研究，選擇合適的絮凝劑、絮凝劑添加方式和絮凝劑的加量是至關(guān)重要的[4]。

1 絮凝機(jī)理研究

為了加速鉆井液中固相粒子的沉降，必須要破壞粒子在體系中的穩(wěn)定性，促使其發(fā)生碰撞及團(tuán)聚，從而發(fā)生沉降，這就是絮凝作用的基本機(jī)理。一般認(rèn)為長(zhǎng)鏈絮凝劑的絮凝作用機(jī)理是：在穩(wěn)定的膠體分散體系中，一個(gè)長(zhǎng)鏈大分子可同時(shí)吸附2個(gè)或是幾個(gè)膠粒，因此形成架橋的形式把膠粒包裹起來(lái)而發(fā)生沉降作用；也可能是大分子鏈中的極性基團(tuán)在膠粒表面上進(jìn)行無(wú)規(guī)則吸附而使膠粒聚沉。

為了配合鉆井液不落地工藝的實(shí)施及快速沉降裝置的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井液及鉆屑減量化，克服油田常規(guī)絮凝劑鏈短、用量大、絮凝效果差的問(wèn)題，篩選并改性研發(fā)了鉆井液減量化用的高效全絮凝劑，目的是通過(guò)合適的分子量的選擇、大幅度地減少絮凝劑用量，同時(shí)提升絮凝效果，在不影響正常鉆井液性能和鉆井安全的情況下，可適度水解后起到抑制劑效果，控制上部地層吸水膨脹，在加速膠體粒子沉降的同時(shí)，在源頭上抑制粘土造漿，降低固液分離設(shè)備的處理難度[5]。

2 絮凝劑種類(lèi)篩選

目前用于鉆井液固液分離的絮凝劑由于用量大、結(jié)構(gòu)不合理和電荷密度低等原因，勝利油田廢棄鉆井液固液分離脫水后的污泥含水率高，達(dá)不到拉運(yùn)和排放標(biāo)準(zhǔn)，因此優(yōu)選一種高效、水溶性好、電性適宜的鉆井液固相分離用高效絮凝劑非常重要。

鉆井用絮凝劑主要分為有機(jī)高分子絮凝劑和無(wú)機(jī)高分子絮凝劑2大類(lèi)。有機(jī)高分子絮凝劑中較為常見(jiàn)且價(jià)廉易得的主要是聚丙烯酰胺干粉，其又分為陰離子型、陽(yáng)離子型及非離子性3大類(lèi)。無(wú)機(jī)高分子絮凝劑中較為常用的是聚合氯化鋁。這2類(lèi)產(chǎn)品都有較好的絮凝分離效果，因此在本次實(shí)驗(yàn)中作為備篩絮凝劑進(jìn)行了重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)分析[6-7]。

2.1 聚丙烯酰胺絮凝原理分析

聚丙烯酰胺這種有機(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)。憑借于這種發(fā)達(dá)的鏈狀結(jié)構(gòu)和自由基團(tuán)，濾料和懸浮顆粒能被聚合物比較牢固地吸附在表面，并在各種顆粒之間形成架橋作用。絮凝作用是指這些加入帶有許多能吸附微粒的有效官能團(tuán)的線(xiàn)狀高分子化合物，它像一條長(zhǎng)繩一樣能將許多微粒吸附在一起，形成一個(gè)絮團(tuán)，加速沉降。長(zhǎng)鏈的高分子化合物在微粒之間起的橋梁作用稱(chēng)為“架橋”作用，同時(shí)還會(huì)發(fā)生物理變化，降低膠團(tuán)的電位，中和膠體微粒及懸浮物表面的電荷。因而，膠體粒子由原來(lái)的相斥變成相吸，破壞膠團(tuán)的穩(wěn)定性，使膠體和微粒相互碰撞，形成沉淀，達(dá)到了固液分離快速沉降的目的。

聚丙烯酰胺作為常用的絮凝劑，在使用時(shí)應(yīng)遵循以下原則：①為了充分發(fā)揮絮凝劑的作用，一般現(xiàn)配現(xiàn)用；②鐵的氧化會(huì)導(dǎo)致絮凝劑性能降低，因此，絮凝劑不宜用鐵質(zhì)容器長(zhǎng)期貯存；③絮凝劑在添加時(shí)需要充分?jǐn)嚢?；④絮凝劑溶液的濃度和用量要適中。

其中，離子型聚丙烯酰胺（CPAM)是線(xiàn)型高分子化合物，由于它具有多種活潑的基團(tuán)，可與許多物質(zhì)親和、吸附形成氫鍵。主要是絮凝帶負(fù)電荷的膠體，具有除濁、脫色、吸附、粘合等功能，適用于冶金、選礦、煤粉、油田等有機(jī)膠體含量較高的廢水處理，特別適用于城市污水、城市污泥、造紙污泥及其它工業(yè)污泥固相的脫水處理。陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的陽(yáng)離子度一般與其分子量有關(guān)，表征其分子結(jié)構(gòu)上帶正電荷的陽(yáng)離子的量，針對(duì)帶負(fù)電荷的固相，陽(yáng)離子度與其絮凝效果有較大的聯(lián)系。陰離子聚丙烯酰胺可用于pH值在7～14的環(huán)境下，水解狀態(tài)下釋放出帶負(fù)電荷的陰離子，可用于帶正電荷固相顆粒的沉降分離，常用的陰離子聚丙烯酰胺的水解度一般在20%～30%之間，具有較好的絮凝效果。而非離子聚丙烯酰胺可以加速懸浮液中粒子的沉降，有非常明顯的加快溶液的澄清、促進(jìn)過(guò)濾等效果，廣泛用于化學(xué)工業(yè)廢水、廢液的處理、市政污水處理。尤其當(dāng)污水呈酸性時(shí)，尤其適宜使用此類(lèi)聚丙烯酰胺為絮凝劑[8]。

2.2 聚合氯化鋁絮凝原理分析

聚合氯化鋁簡(jiǎn)稱(chēng)PAC，通常也稱(chēng)作堿式氯化鋁或混凝劑，是介于AlCl3和Al(OH)3之間的一種水溶性無(wú)機(jī)高分子聚合物，顏色多呈黃色或淡黃色粉末狀固體。該產(chǎn)品有較強(qiáng)的架橋吸附性能，在水解過(guò)程中，伴隨發(fā)生凝聚、吸附和沉淀等物理化學(xué)過(guò)程。傳統(tǒng)無(wú)機(jī)混凝劑為低分子結(jié)晶鹽，而聚合氯化鋁的結(jié)構(gòu)是由形態(tài)多變的多元素基絡(luò)合物組成，適用pH值的范圍寬，對(duì)管道和設(shè)備無(wú)腐蝕性，絮凝沉淀的速度快，凈水效果明顯，并能有效除去水中色質(zhì)SS、COD、BOB及砷、汞等重金屬離子。聚合氯化鋁適宜與聚丙烯酰胺等高分子絮凝劑復(fù)配使用，效果更好。

表1 實(shí)驗(yàn)用絮凝劑

在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，考慮鋁離子在進(jìn)入水體后可能因其在人體內(nèi)的富集影響人體健康導(dǎo)致大腦退行性疾病，因此主要用于考察其與有機(jī)高分子絮凝劑復(fù)配后對(duì)絮凝效果的影響。

針對(duì)勝利油田清水快速鉆進(jìn)階段固相含量高、鉆速快的特點(diǎn)，配合鉆井液不落地用快速沉降設(shè)備，有針對(duì)性地選擇了以上8種絮凝劑（表1），包含聚丙烯酰胺和聚合氯化鋁2大類(lèi)絮凝劑。分子量在1000萬(wàn)～2000萬(wàn)之間的絮凝劑，可以在加量小于1%的情況下即可快速的絮凝沉降固相，達(dá)到固液初步分離的效果。

3 絮凝劑對(duì)鉆井液性能的影響實(shí)驗(yàn)

在高速攪拌條件下，向經(jīng)配漿養(yǎng)護(hù)16h后的6%的膨潤(rùn)土漿中緩慢添加5‰的聚丙烯干粉絮凝劑，高速攪拌60m in后測(cè)定其流變性，并將以上漿液加入到轉(zhuǎn)速3000r/m in的離心機(jī)中，高速離心分離30m in后觀察其穩(wěn)定性，同時(shí)將剩余漿液靜置16h，觀察其析出液高度以評(píng)價(jià)其膠體穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 絮凝劑對(duì)鉆井液性能影響實(shí)驗(yàn)

從表2數(shù)據(jù)可知，在加入5‰的聚丙烯酰胺后，膨潤(rùn)土漿的粘度增大了，同等加量對(duì)土漿粘度增大的影響效果由高到低排列分別為：1～3＜4～6＜7，即陽(yáng)離子＜陰離子＜非離子。且同樣的分子量，且隨著陽(yáng)離子度的增加，陽(yáng)離子聚丙烯酰胺對(duì)膨潤(rùn)土漿的影響越明顯。三類(lèi)聚丙烯酰胺的加入對(duì)體系的pH值沒(méi)有影響，其添加會(huì)使土漿的膠體性能更穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)間放置和高速離心情況下膠體不分層。

根據(jù)鉆井液不落地工藝及裝置的設(shè)計(jì)要求，聚丙烯酰胺干粉會(huì)替代原大循環(huán)池在裝置內(nèi)添加后完成固相與液相的分離，分離后的固相經(jīng)過(guò)高速離心機(jī)脫液分離后被運(yùn)移至指定地點(diǎn)，液相會(huì)回收返回到固控系統(tǒng)中繼續(xù)循環(huán)使用。存留在液相內(nèi)的聚丙烯酰胺酰胺干粉作為絮凝劑，仍然可以進(jìn)行鉆井液固液相快速分離。但是其添加可在一定程度上起到穩(wěn)定鉆井液體系，提高體系粘切力的效果。因此使用聚丙烯酰胺干粉作為絮凝劑對(duì)鉆井液性能的影響可控，實(shí)驗(yàn)方案可行，但其添加方式和加量需通過(guò)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行進(jìn)一步的確定。

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，我們選擇了代號(hào)為2、3、5的3種聚丙烯酰胺干粉進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，選擇原因?yàn)椋菏紫绕鋵?duì)鉆井液的流型影響可以接受；其次粘土顆粒的表面帶有負(fù)電荷，因此應(yīng)重點(diǎn)考查陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺干粉的使用效果，且在可接受的范圍內(nèi)應(yīng)適當(dāng)?shù)倪x擇陽(yáng)離子度較高的產(chǎn)品，以通過(guò)較強(qiáng)的電性作用加速粘土顆粒的聚合沉降；再次考慮需對(duì)比陰陽(yáng)離子聚丙烯酰胺干粉的不同影響，也選擇了一個(gè)陰離子型產(chǎn)品進(jìn)行考察。因非離子型聚丙烯酰胺干粉因其對(duì)鉆井液體系影響較大，且市場(chǎng)上此類(lèi)產(chǎn)品較少，因此未選擇。

4 絮凝劑的加量及添加方式的確定

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可知，將聚丙烯酰胺干粉直接加入鉆井液中，不會(huì)使固相顆粒沉降，反而會(huì)使其中膠體顆粒的結(jié)合更為牢固，從而增加了體系的粘度和穩(wěn)定性。因此在進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將聚丙烯酰胺干粉在水中完全溶解，其中帶極性的陽(yáng)離子被充分水解游離，有機(jī)長(zhǎng)鏈展開(kāi)，相互交疊形成適宜捕捉土相顆粒的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，再加入到鉆井液中才能起到充分絮凝的效果。

4.1 絮凝劑的加量對(duì)絮凝效果的影響

將不同質(zhì)量的絮凝劑緩慢地?cái)嚢瑁蛊渫耆芙獾剿泻?，將絮凝劑的水溶液加入到鉆井液中，邊加邊緩慢地?cái)嚢瑁ìF(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中可使用折流板實(shí)現(xiàn)），充分?jǐn)嚢韬?，可發(fā)現(xiàn)大顆粒絮團(tuán)開(kāi)始沉降。待絮團(tuán)充分沉降后，將其倒入壓濾裝置，在0.2個(gè)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。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要注意，攪拌不能劇烈，需要保證絮凝劑水溶液和鉆井液的接觸時(shí)間充分，才能保證絮凝效果。

表3 絮凝劑添加量對(duì)固相含水率的影響

從表3可知，隨著絮凝劑的添加，絮凝劑2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(guò)此加量后，濾餅的含水量有所增加并趨于穩(wěn)定；3號(hào)絮凝劑形成的濾餅的含水量在其加入量為0.1%時(shí)達(dá)到最小，為75.41%。其后有所增加并趨于穩(wěn)定。5號(hào)的添加量在超過(guò)2%后才達(dá)到穩(wěn)定。同時(shí)比較形成的濾餅可以發(fā)現(xiàn)，2號(hào)、3號(hào)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，有粘滯感。5號(hào)的則較為蓬松，表面松散不規(guī)則，粘滯感強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)所得濾液為無(wú)色無(wú)味的透明液體。

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)，陽(yáng)離子型的聚丙烯酰胺效果好于陰離子型。相同分子量下，陽(yáng)離子度高的干粉效果較好。因此在單獨(dú)使用有機(jī)高分子絮凝劑時(shí)，推薦陽(yáng)離子度在30%，分子量在1200萬(wàn)的陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺干粉，加量為0.1%即可。

4.2 復(fù)配絮凝劑對(duì)絮凝效果的影響

使用3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(wú)機(jī)高分子絮凝劑8即聚合氯化鋁，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，觀察復(fù)配絮凝劑對(duì)絮凝效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 復(fù)配絮凝劑對(duì)絮凝效果的影響

從表4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在加入無(wú)機(jī)絮凝劑聚合氯化鋁時(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。無(wú)機(jī)絮凝劑聚合氯化鋁的加入，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，但是其加入會(huì)導(dǎo)致濾液顏色發(fā)黃，且渾濁不澄清，因此在使用時(shí)需仔細(xì)考慮驗(yàn)證后添加，其對(duì)水質(zhì)環(huán)保指標(biāo)的影響需要進(jìn)一步考慮。因此在可以達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)要求的情況下，推薦單獨(dú)使用3號(hào)陽(yáng)離子絮凝劑。考慮成本問(wèn)題時(shí)，可適當(dāng)添加無(wú)機(jī)絮凝劑。

3號(hào)絮凝劑即為篩選出的高效全絮凝劑，代號(hào)QA型絮凝劑。目前已經(jīng)在勝利油田鉆井液不落地施工的永55-斜2井等42口井上使用，現(xiàn)場(chǎng)使用效果較好，添加到快速沉降裝置后能夠快速沉降實(shí)現(xiàn)固液分離，而且現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程測(cè)得濾餅含水率小于60%，完全達(dá)到拉運(yùn)和排放要求。

5 結(jié)論及建議

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)分析和現(xiàn)場(chǎng)使用效果跟蹤，在二開(kāi)清水快速鉆進(jìn)時(shí)，處理鉆井液及其中的固相廢物時(shí)，陽(yáng)離子型的聚丙烯酰胺效果好于陰離子型；相同分子量下，陽(yáng)離子度高的干粉效果較好。因此在單獨(dú)使用有機(jī)高分子絮凝劑時(shí)，推薦陽(yáng)離子度在30%，分子量在1200萬(wàn)的陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺干粉，加量為0.1%即可。絮凝劑在使用時(shí)盡量配成膠液，嚴(yán)格控制加量。同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)及時(shí)采樣、及時(shí)監(jiān)控，控制水相質(zhì)量和固相含水率。

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