論影響廢棄鉆井完井液固液分離效果因素分析

楊智生

摘要：通過加入適當(dāng)?shù)男跄齽┖椭齽┛梢愿淖冦@井液體系的物理、化學(xué)性質(zhì)，徹底破壞鉆井液膠體體系，改變廢鉆井液中黏土顆粒表面性質(zhì)，讓更細(xì)的顆粒產(chǎn)生聚結(jié)，使其在機(jī)械輔助分離條件下更容易被除去。固液分離法，是減少鉆井廢棄物的排放量、提高水的循環(huán)利用率和解決環(huán)境污染問題的最基本步驟，也是目前行之有效的技術(shù)之一。

關(guān)鍵詞：鉆井工程;絮凝劑;護(hù)膠劑

根據(jù)鉆井工程技術(shù)的要求，鉆井液中常常加人許多不同種類和性能的添加劑，多種護(hù)膠劑協(xié)同作用使鉆井完井液膠體體系十分穩(wěn)定。經(jīng)過固控設(shè)備處理后，廢漿中的固相主要是粒徑小于20μm的超細(xì)顆粒，它們與殘余的添加劑構(gòu)成了水基廢漿的膠體分散體系。隨著顆粒粒徑的減小，破壞廢漿膠體體系的難度增大，固液分離也就更困難。通過加入適當(dāng)?shù)男跄齽┖椭齽┛梢愿淖冦@井液體系，破壞鉆井液膠體體系，改變廢鉆井液中黏土顆粒表面性質(zhì)，讓更細(xì)的顆粒產(chǎn)生聚結(jié)，使其在機(jī)械輔助分離條件下更容易被除去。

1絮凝劑

影響固液分離的首要因素當(dāng)然是絮凝劑及其優(yōu)化加量。作為絮凝劑最主要品種的聚丙烯酰胺及其衍生物，其在廢漿固液分離中具有良好的性能，其在堿性或中性溶液中可以很好地溶解。分子中水化基團(tuán)離解成—COO-離子，增強(qiáng)了分子鏈節(jié)間的靜電斥力，卷曲的分子得以伸展。而當(dāng)溶液中加入酸后，使水化基團(tuán)—COONa變成—COOH，不利于大分子鏈伸展，同時(shí)HPAM分子內(nèi)、分子間可發(fā)生亞胺化作用，使得HPAM大分子鏈產(chǎn)生嚴(yán)重卷曲，將已吸附的黏土顆粒和鉆井液添加劑緊緊地包裹在大分子中，充分體現(xiàn)了大分子的卷掃作用，從而實(shí)現(xiàn)固液分離的目的。

不同分子量的HPAM對(duì)固液分離自然出水率的影響不同。但分子量在700萬以上的HPAM配制時(shí)溶解困難，不易在黏稠的廢鉆井液中分散，只能使用很稀的溶液，這樣會(huì)增大絮凝劑的體積，給施工帶來不便。因此，建議現(xiàn)場(chǎng)選用分子量為300萬～500萬的HPAM，即能基本達(dá)到固液分離要求。另外，還可通過調(diào)節(jié)HPAM的水解度控制它的吸附、帶電、水化的能力和分子鏈形態(tài)，從而獲得不同的絮凝能力。一般來說，水解度在50%左右時(shí)，分子中的—COONa基團(tuán)和—CONH基團(tuán)比例剛好既能滿足溶解快的要求，又使分子整體具有較強(qiáng)的吸附性，試驗(yàn)證實(shí)的自然出水率和抽濾出水率均可達(dá)到最大值。

HPAM的吸附、架橋作用和絮凝固相顆粒的能力與廢鉆井液中的固相含量有關(guān)，HPAM的加量與廢鉆井液中的固相含量成線性正相關(guān)，因此，為提高絮凝脫水效率，在實(shí)施固液分離時(shí)，應(yīng)先向體系加入水進(jìn)行稀釋。

單一的有機(jī)絮凝劑和單一的無機(jī)絮凝劑用于處理鉆井完井廢液固液分離時(shí)均有一些缺點(diǎn)，一般將二者配合使用，這樣既可以降低絮凝劑的使用量，又可以提高固液分離的效率，還能提高分離出的水的質(zhì)量。

2助凝劑

前已述及，選擇合適的助凝劑可以改善絮凝劑的絮凝效果，降低固液分離出水的濁度，而對(duì)以中強(qiáng)堿性為主的鉆井完井廢液來說，強(qiáng)酸是一種性能良好的廉價(jià)助凝劑。對(duì)多數(shù)絮凝劑來說，無論是有機(jī)型、無機(jī)型還是復(fù)合型，一般其最佳作用范圍均在中性附近，此處其用量相對(duì)較少，絮凝處理效果較好，且處理后的水呈中性，便于利用。但是，若想進(jìn)一步提高廢棄鉆井液固液分離的質(zhì)量，僅靠強(qiáng)酸作助凝劑是不夠的，畢竟酸不像無機(jī)絮凝劑那樣可在水中水解生成聚合態(tài)水合物，并吸附于膠體顆粒上使之脫穩(wěn)。

3廢液稀釋比

既要脫出廢漿中的水，又要在廢漿中先加入一定量的水，這是很令人費(fèi)解的。在絕大多數(shù)情況下，不加入水是不可能脫出水的。廢棄鉆井液的黏稠性嚴(yán)重地妨礙著絮凝劑在其內(nèi)部的分散和絮凝，加入絮凝劑和助凝劑以前對(duì)其進(jìn)行加水稀釋處理是必要的。未經(jīng)稀釋的廢鉆井液無法進(jìn)一步使固液分離。因?yàn)楫?dāng)固體顆粒上的電荷被中和或部分中和的同時(shí)，也起了破壞水化層保護(hù)膜的作用，使水化程度降低。這時(shí)，黏土顆粒開始聚結(jié)，連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并把水包在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之中。稀釋加大了顆粒間的距離，加入絮凝劑之后，就減少了形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的可能性。不同的廢液體系和脫水條件，最佳稀釋比不同。

4絮凝動(dòng)力學(xué)

絮凝動(dòng)力學(xué)討論絮凝的速度問題，只有具有一定速度的絮凝過程才能滿足水處理對(duì)出水量的要求，因而才具有實(shí)際意義，所以絮凝動(dòng)力學(xué)是水處理絮凝學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。膠體微粒間存在吸引作用，而在微粒相互接近時(shí)因雙電層的重疊又產(chǎn)生排斥作用，膠體的穩(wěn)定性就決定于此二者的相對(duì)大小。根據(jù)DLVO理論可知，膠體之所以穩(wěn)定是由于綜合位能曲線上有勢(shì)壘存在;倘若勢(shì)壘為零，每次碰撞必導(dǎo)致聚沉，稱為快速絮凝;若勢(shì)壘不為零，則僅有一部分碰撞會(huì)引起聚沉，稱為慢速絮凝。無論是對(duì)快速絮凝還是對(duì)慢速絮凝，微粒之間的相互碰撞是首要條件，而它們的相互碰撞是由其相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的。造成這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原因可以是微粒的布朗運(yùn)動(dòng)，也可以是產(chǎn)生速度梯度的流體運(yùn)動(dòng)，前者導(dǎo)致的微粒聚沉稱為異向絮凝，后者導(dǎo)致的微粒聚沉稱為同向絮凝。在異向絮凝中微粒的碰撞是由布朗運(yùn)動(dòng)造成，碰撞頻率決定于微粒的熱擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。由于鉆井完井液中的固相粒子主要是直徑為10～20μm的膠體粒子，其自然聚沉過程非常慢，這就是說即使在完全脫穩(wěn)的情況下，異向絮凝過程也是極其緩慢的。依靠布朗運(yùn)動(dòng)的異向絮凝速度太慢，不能單獨(dú)應(yīng)用，特別是當(dāng)微粒相互碰撞聚集變得較大后，布朗運(yùn)動(dòng)就會(huì)減弱甚至停止，絮凝作用就會(huì)減弱甚至不再會(huì)發(fā)生。但是，長(zhǎng)期以來人們觀察到，緩慢地?cái)噭?dòng)會(huì)助長(zhǎng)絮凝，這是因?yàn)閿噭?dòng)會(huì)引起液體中速度梯度的形成，從而引起微粒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而造成微粒的相互碰撞。當(dāng)體系中的粒子體積濃度太小，有可能影響其碰撞效率時(shí)，就有必要加入一定量的所謂“助凝劑”。如果分散體系中的粒子以不同的速度沉降，較快沉降的粒子就會(huì)與較慢沉降的粒子碰撞，而導(dǎo)致聚集，由于聚集使粒子質(zhì)量增大，聚集體就會(huì)更快地沉降，并可能與其它粒子進(jìn)一步碰撞和聚集，這種聚沉稱為差速沉降絮凝（差降絮凝）。差降絮凝也可以看作是一種特殊形式的同向絮凝。絮凝過程動(dòng)力學(xué)的研究指出，快速絮凝和慢速絮凝的結(jié)合，以及梯度絮凝和多級(jí)串連絮凝的結(jié)合，有利于同向絮凝和差向絮凝的形成，這為固液分離裝置的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。通過優(yōu)化絮凝動(dòng)力學(xué)條件，在絮體（絮花或礬花）的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、粒度、密度、強(qiáng)度等方面獲得最佳組合，才能實(shí)現(xiàn)鉆井完井廢液強(qiáng)化固液分離的過程。

參考文獻(xiàn)：

[1]王戰(zhàn)衛(wèi)，王斌.新疆紅山油田廢棄鉆完井液的綜合處理[J].鉆井液與完井液，2014，31（04）：53-56+99.