廢棄水基鉆井液低溫干燥處理實驗研究及經(jīng)濟性評價

李之軍，劉徐三，王 波，趙 威

廢棄水基鉆井液低溫干燥處理實驗研究及經(jīng)濟性評價

李之軍1，劉徐三2，王 波1，趙 威1

(1. 成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059；2. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

廢棄水基鉆井液是石油鉆井工程作業(yè)過程中的廢棄物，若直接排放，不但會使鉆井液成本居高不下，而且還會對環(huán)境造成極為不利的影響。對廢棄水基鉆井液進行低溫干燥處理后再利用，是既經(jīng)濟又符合現(xiàn)代發(fā)展趨勢的處理方法之一。通過對聚合物鉆井液體系、磺化鉆井液體系及四川2口頁巖氣井鉆井液體系低溫干燥技術(shù)實驗研究及經(jīng)濟性評價，結(jié)果表明：聚合物鉆井液體系在120℃條件下干燥處理后性能惡化嚴重，降低干燥溫度能降低其惡化程度；磺化鉆井液體系及四川2口頁巖氣井鉆井液體系在120℃條件下干燥處理后性能基本保持不變。這說明低溫干燥處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄水基鉆井液回收再利用，且處理成本低，處理后固體物質(zhì)便于儲存與運輸，能夠大幅降低鉆井液成本。同時，還能夠減少廢棄鉆井液排放量，降低石油鉆井工程污染環(huán)境的風險。

低溫干燥技術(shù)；廢棄水基鉆井液；回收再利用；環(huán)境保護

石油鉆井工程在作業(yè)過程中會產(chǎn)生大量的鉆井廢棄物[1]，其中水基鉆井液又是石油鉆井中遺留下的量最大的廢棄物[2-3]，主要含有黏土、鉆屑、加重材料、化學(xué)添加劑、無機鹽、油等，具有高色度、高COD值、高堿度等特點[4-5]。隨著環(huán)保要求越來越高，石油鉆井行業(yè)以往粗排濫放的管理模式已逐漸被禁止并取締[6]。國內(nèi)外處理廢棄鉆井液的方式多種多樣，包括直接排放法、固液分離法、固化法、廢棄水基鉆井液轉(zhuǎn)換為水泥漿固井技術(shù)(MTC)、微生物處理法、回注法、回填法、循環(huán)使用法、分散處理法、回收再利用法、破乳法、機械脫水法、坑內(nèi)密封法、焚燒回收法、運到指定地點集中處理法、填埋冷凍法、鹽穴法、吸附技術(shù)、電化學(xué)技術(shù)等多種方法[7-12]。不同的處理技術(shù)，其適用范圍、處理效果及處理成本具有很大的差異[1]，其中回收再利用法是一項既經(jīng)濟又符合現(xiàn)代發(fā)展趨勢的處理方法[8]。目前，應(yīng)用最普遍的是將完成井的優(yōu)質(zhì)鉆井液經(jīng)過簡單的處理，直接用于下一口井的施工[13-14]。此法需要建設(shè)大體積的液體儲存罐(站)，要不斷地對鉆井液進行處理(如攪拌、添加必要的處理劑等)，且回收的鉆井液不能長時間存放，容易滋生細菌，使鉆井液變質(zhì)、發(fā)臭。此外，大體積的鉆井液非常不利于長距離運輸。鑒于此，本文通過室內(nèi)實驗，探索利用低溫干燥技術(shù)，處理廢棄水基鉆井液，實現(xiàn)再回收再利用，并進行經(jīng)濟性評價，為今后廢棄水基鉆井液處理提供有益借鑒。

1 廢棄水基鉆井液低溫干燥處理實驗

低溫干燥技術(shù)是采用物理方法回收再利用廢棄鉆井液的一種新方法，是廢棄水基鉆井液回收再利用處理技術(shù)的關(guān)鍵。通過低溫干燥，蒸發(fā)掉鉆井液中的自由水，得到的干粉仍然保留鉆井液中的有用成分，并且易于儲存和運輸。在下一口井中使用時，再加入相應(yīng)的自由水，恢復(fù)原鉆井液性能，滿足鉆井施工要求。從而實現(xiàn)了廢棄鉆井液處理的零排放并降低鉆井液成本。

1.1 實驗方法

分別取不同類型水基鉆井液體系1 000 mL，置于恒溫干燥箱中，在一定溫度條件下干燥至恒重，將剩下的固體物質(zhì)自然冷卻后碾碎成粉末，再加適量的水恢復(fù)至干燥前的密度，充分攪拌，放置24 h，測試其性能，比較干燥前后鉆井液性能變化。

1.2 廢棄水基鉆井液低溫干燥處理實驗

選擇3種鉆井液體系，分別是室內(nèi)配制的聚合物鉆井液體系、磺化鉆井液體系及四川某兩口頁巖氣井高密度聚磺鉆井液體系。分別按照1.1節(jié)所述實驗方法，進行實驗處理。

1.2.1 聚合物鉆井液體系低溫干燥處理結(jié)果

室內(nèi)配制聚合物鉆井液體系，配方為：基漿+0.05%CMC-HV+0.05%GXS-1+0.05%PHP+重晶石，處理前后性能如表1所示。

表1 聚合物鉆井液體系低溫干燥處理前后性能

注：基漿配方：水+4%膨潤土+5%NaCO3(下同)；3、6分別表示六速旋轉(zhuǎn)黏度計在3 r/min、6 r/min時的讀數(shù)；AV、PV分別表示鉆井液表觀黏度和塑性黏度；FLAPI表示鉆井液中壓濾失量。表1—表4中的性能參數(shù)均為室溫條件下獲取。

從表1中可以看出，聚合物鉆井液體系經(jīng)過120℃低溫干燥處理后，流變性能與濾失造壁性能嚴重惡化。經(jīng)分析認為，該聚合物鉆井液體系中聚合物抗溫能力較弱，在120℃干燥過程中，聚合物被破壞失效，從而導(dǎo)致該聚合物鉆井液體系在干燥前后性能差異巨大。決定降低干燥溫度，對該聚合物鉆井液體系再次進行低溫干燥處理，結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，當干燥溫度下降至105℃以后，該聚合物鉆井液體系流變性能及濾失造壁性能在干燥后雖然仍然惡化嚴重，但其惡化程度已不及在120℃條件下干燥后的惡化程度，表明干燥溫度是低溫干燥處理技術(shù)的一個關(guān)鍵參數(shù)。

1.2.2 磺化鉆井液體系低溫干燥處理結(jié)果

室內(nèi)配制磺化鉆井液體系，配方為：基漿+0.05% CMC-HV+0.05%GXS-1+0.05%PHP+2~4%磺化劑+重晶石，磺化劑加量分別為2%和4%，密度均為1.8 g/cm3，處理前后性能見表3。

表2 聚合物鉆井液體系低溫干燥處理前后性能

表3 磺化鉆井液體系低溫干燥處理前后性能

由表3可以看出，經(jīng)過120℃低溫干燥處理后，磺化鉆井液體系性能變化不大，基本維持了原來的性能，表明磺化劑的加入有助于提高聚合物處理劑的抗溫能力。也證明了低溫干燥技術(shù)處理具有一定抗溫能力的廢棄水基鉆井液具有可行性。

1.2.3 頁巖氣井鉆井液體系低溫干燥處理結(jié)果

采自四川某兩口頁巖氣井鉆井液體系，分別為1號鉆井液和2號鉆井液。其中1號鉆井液的配方為：淡水+(30%~50%)1.06 g/cm3的預(yù)水化膨潤土漿+ (0.1%~0.3%)KOH(NaOH)+(0.05%~0.15%)KPAM+(0.05%~0.15%)FA367+(0.8%~1.5%)JSS-1(降濾失劑)+ (1%~1.5%)FDB-1(封堵劑)+加重劑，2號鉆井液的配方為：淡水+(30%~50%)1.06 g/cm3的預(yù)水化膨潤土漿+(0.1%~0.3%)KOH(NaOH)+(0.1%~0.3%)KPAM+(0.8%~ 1.2%)JSS-1(降濾失劑)+(2%~3%)FSD(剛性封堵劑)+ (1%~2%)KFD(柔性封堵劑)+(6%~8%)KCl+加重劑。處理前后性能見表4。

表4 頁巖氣井鉆井液體系低溫干燥處理前后性能

由表4可以看出，頁巖氣井鉆井液體系在120℃條件下低溫干燥處理后，性能變化不大，處理前后的各項指標十分接近。分析認為：1號和2號鉆井液體系本身具有較高的抗溫能力，其抗溫能力達150~180℃。而低溫干燥處理的溫度為120℃，低于這兩種鉆井液體系能抵抗的最高溫度。所以，在低溫干燥過程中，由于體系中抑制劑的抑制作用，確保了造漿黏土在高溫處理過程中不會發(fā)生進一步水化分散而增加了鉆井液中的黏土粒子濃度，避免了鉆井液體系再次恢復(fù)后其流變性發(fā)生惡化。此外，1號和2號鉆井液體系中的聚合物處理劑，也具有較高的抗溫能力。在120℃條件下低溫干燥處理過程中，處理劑的主鏈不會發(fā)生斷裂而降解，且主要的官能團(如親水基團)不會從分子鏈上斷裂而使得處理劑失效。加水重新充分攪拌后，處理劑又可以恢復(fù)其相應(yīng)的功能。因此，一口井的廢棄鉆井液經(jīng)過低溫干燥處理后，可以實現(xiàn)鉆井液的回收重復(fù)利用，對降低鉆井液成本、減少鉆井廢棄物排放、保護環(huán)境等具有重要的意義。

2 廢棄水基鉆井液低溫干燥處理經(jīng)濟性評價

2.1 低溫干燥處理熱交換計算

為保證廢棄水基鉆井液低溫干燥處理后性能恢復(fù)良好，控制干燥溫度非常重要。較高的溫度能使鉆井液更快干燥，但可能破壞鉆井液處理劑，造成鉆井液性能無法恢復(fù)。較低的溫度能保證鉆井液性能恢復(fù)良好，但干燥時間又會變長，耗時耗能。因此，應(yīng)將干燥溫度控制在合適的范圍內(nèi)，既節(jié)約成本又提高了效率。

混合物的比熱容計算公式如下：

式中為混合物的比熱容，J/(kg·℃)；∑為各種物質(zhì)的總質(zhì)量，kg；∑為各種物質(zhì)的總比熱容，J/(kg·℃)；1、2、3為各種物質(zhì)的質(zhì)量，kg；1、2、3為各種物質(zhì)的比熱容，J/(kg·℃)。

一般情況下，熱容與比熱容均為溫度的函數(shù)，在溫度變化不大時，可近似作為常量，那么：

=(1–2) (2)

式中為達到2溫度時所需熱量，kJ；1為起始溫度，℃；2為結(jié)束溫度，℃。

對前述幾種鉆井液體系進行熱交換計算，膨潤土與重晶石的比熱容等于干泥土的比熱容為0.84 kJ/(kg·℃)，水的比熱容為4.2 kJ/(kg·℃)，鉆井液中處理劑含量少，忽略不計，取1 L鉆井液進行低溫干燥處理熱交換計算，假定初始溫度為15℃，結(jié)束溫度為105℃，結(jié)果見表5。

由表5可見，對于不同鉆井液，低溫干燥所需熱量，與密度有關(guān)，整體上來看，密度高，所需熱量低。即同體積鉆井液，密度越高，所含自由水越少，故干燥所需的熱量就少。

表5 鉆井液低溫干燥處理熱交換計算結(jié)果

2.2 低溫干燥技術(shù)經(jīng)濟性分析

根據(jù)熱交換計算結(jié)果，并參考標準煤熱值標準，1 kg標準煤的低位熱值為29 307.6 kJ，考慮熱傳遞效率為10%~20%，每噸煤炭平均價格為550元，由此計算每干燥一方廢棄水基鉆井液所消耗標準煤量及燃料成本，見表6。

表6 低溫干燥1 m3廢棄水基鉆井液消耗的標準煤量及成本

由表6可見，低溫干燥1 m3不同鉆井液體系，燃料成本均不超過50元，考慮運輸、儲存等因素，1 m3鉆井液的綜合處理成本300~500元。通過低溫干燥處理技術(shù)，可以較大幅度地降低鉆井液的成本，而且能實現(xiàn)廢棄鉆井液少排放，減少廢棄鉆井液對環(huán)境的污染，具有較高的經(jīng)濟價值和社會價值。

3 結(jié)論

a. 聚磺鉆井液低溫干燥處理后，性能惡化嚴重，不再滿足鉆井要求，降低低溫干燥處理溫度，性能惡化程度降低。而磺化鉆井液及四川頁巖氣井所用的鉆井液體系，經(jīng)過低溫干燥處理后，性能基本維持不變。

b. 通過對廢棄水基鉆井液低溫干燥處理實驗研究及經(jīng)濟性分析，表明該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄水基鉆井液回收再利用，且處理成本低，處理后鉆井液固體物質(zhì)便于儲存、運輸，能大幅降低鉆井液成本。

c. 低溫干燥處理技術(shù)還能減少廢棄鉆井液排放，降低石油鉆井工程污染環(huán)境的風險。

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Experimental study and economic evaluation of low temperature drying treatment of abandoned water-based drilling fluid

LI Zhijun1, LIU Xusan2, WANG Bo1, ZHAO Wei1

(1. College of Environment and Civil Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China; 2.Xi’an Research Institute Co. Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077,China)

Abandoned water-based drilling fluids are the waste of oil drilling engineering operations. It will not only keep the cost of drilling fluid high, but also have a very adverse impact on the environment if it is directly discharged. Reusing of abandoned water-based drilling fluid after low-temperature drying treatment is one of treatment methods which is economic and conforms to the modern development trend. In this paper, the experimental study and economic evaluation of the low-temperature drying technology of polymer drilling fluid system, sulfonated drilling fluid system and Sichuan shale gas well drilling fluid system were conducted. The results show that the performance of polymer drilling fluid deteriorates seriously after being dried at 120℃, and decreasing the drying temperature can reduce the deterioration, but the performance of the sulfonated drilling fluid system and the drilling fluid system from 2 shale gas wells in Sichuan remained basically unchanged at 120℃. This shows that the low-temperature drying technology can recycle some abandoned water-based drilling fluid, and the processing cost is low, the solid matter after treatment is convenient for storage and transportation, and the drilling fluid cost can be greatly reduced. At the same time, it can also reduce the amount of waste drilling fluid emissions and reduce the risk of environmental pollution in oil drilling engineering.

low temperature drying technology; abandoned water-based drilling fluid; recycling and reusing; environmental protection

TE254.3

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.030

1001-1986(2019)04-0201-05

2019-01-20

國家自然科學(xué)基金項目(41702388)

National Natural Science Foundation of China(41702388)

李之軍，1984年生，男，四川閬中人，博士，從事井壁穩(wěn)定與鉆井液科研與教學(xué)工作. E-mail：lizhijun0613@126.com

李之軍，劉徐三，王波，等. 廢棄水基鉆井液低溫干燥處理實驗研究及經(jīng)濟性評價[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(4)：201–205.

LI Zhijun，LIU Xusan，WANG Bo，et al. Experimental study and economic evaluation of low temperature drying treatment of abandoned water- based drilling fluid[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：201–205.

(責任編輯 聶愛蘭)