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.