鉀聚磺壓濾液對再配制鉆井液的性能影響

李茂森，范 勁*，趙 艷

(1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司，四川 成都 610051; 2.西南石油大學化學化工學院，四川 成都 610500)

鉀聚磺鉆井液具有性能穩(wěn)定、適應(yīng)性強的特點，廣泛應(yīng)用于深井、復雜地層的鉆井[1]。但鉀聚磺鉆井液在使用過程中產(chǎn)生的廢棄鉆井泥漿是一種非常穩(wěn)定的膠體，存在破膠難、成分復雜、對環(huán)境污染大等問題[2]。隨著環(huán)保要求的提高，鉆井平臺提出了隨鉆減量化處理要求。破膠-壓濾分離的濾液中不僅含有多種無機鹽離子，還含有多種水溶性有機物質(zhì)，同時由于不同的鉆井液體系組成不同，破膠劑類型或加量不同，導致壓濾的成分極其復雜、色度深、COD值高且難去除，如處理不當，將嚴重污染環(huán)境[3-4]。目前鉆井、完井過程中的壓濾液主要是由污水處理廠集中處理，但這種處理模式運輸、處置費用高，存在安全、環(huán)保隱患[5]。同時，鉆井過程中配制鉆井液需要水，鉆井液循環(huán)中需要補充水。因此，需要開發(fā)一種針對深井、復雜地層使用的鉀聚磺鉆井液所產(chǎn)生的壓濾液的再利用技術(shù)。

本工作對鉀聚磺壓濾液進行了離子分析，考察了其對基漿水化分散性能和對鉆井液添加劑的影響。該技術(shù)實現(xiàn)了鉆井過程中壓濾液循環(huán)再利用，減少水資源浪費和對生態(tài)環(huán)境的影響。

1 實 驗

1.1 主要試劑及儀器

ZNJ、JLSJ-1、JLSJ-2、膨潤土、重晶石(密度4.2 g/cm3),工業(yè)級，重慶聚購科技發(fā)展有限公司；碳酸鈉、氯化鉀、氧化鈣、氫氧化鈉,分析純，成都科龍化工試劑廠；PBJ-1自制；鉀聚磺壓濾液，某油田現(xiàn)場提供。

GJS-B12K型雙軸變頻高速攪拌機，青島同春石油儀器有限公司；HTD-6ST型數(shù)顯六速旋轉(zhuǎn)黏度計、HTD-GL4型高溫滾子加熱爐、GGS42-2A型高溫高壓濾失儀，青島恒泰達機電設(shè)備有限公司；AIM-9000型紅外光譜儀，北京瑞利分析儀器公司；Quant450型環(huán)境掃描電子顯微鏡，美國FEI。

1.2 鉀聚磺鉆井液的配制

基漿配制：在水樣中攪拌加入一定質(zhì)量的膨潤土，繼續(xù)加入適量的Na2CO3，在2 500 r/min下充分攪拌2 h后靜置水化24 h。

鉀聚磺鉆井液配制：將基漿轉(zhuǎn)至高攪杯中，依次加入0.5% ZNJ和0.5% JLSJ-1并各自攪拌10 min，繼續(xù)依次加入3% JLSJ-2、7% KCl、0.5% CaO和0.3% NaOH并各自攪拌5 min，最后加入重晶石(調(diào)節(jié)密度至1.8 g/cm3)攪拌20 min。處理劑添加結(jié)束之后，繼續(xù)攪拌40 min。以上攪拌速率均為11 000 r/min。

1.3 表征與測試方法

離子分析：采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀和離子色譜儀分別對鉀聚磺壓濾液的陽離子和陰離子成分進行測定。

結(jié)構(gòu)特征：采用紅外光譜法進行表征。

Zeta電位：采用Zeta電位儀測得電泳遷移率，并轉(zhuǎn)化為ζ電位。

SEM：采用環(huán)境掃描電子顯微鏡對濾餅進行掃描。

2 結(jié)果與討論

2.1 鉀聚磺壓濾液分析

實驗鉀聚磺壓濾液的基本特性如下：外觀呈深紅色、有刺鼻味、無沉淀和絮狀物，色度為200倍，懸浮物含量為0.69%，含油量為0.06 mg/L，pH值為6.66，密度為1.08 g/cm3。離子檢測結(jié)果見表1。

表1 鉀聚磺壓濾液離子檢測結(jié)果

2.2 清水、壓濾液配制鉀聚磺鉆井液性能評價

鉀聚磺鉆井液按照1.2中方法進行配制，在100 ℃熱滾16 h后性能見表2。

表2 清水、壓濾液配制鉀聚磺鉆井液性能

由表2可知，清水配制鉀聚磺鉆井液其各項性能指標均較優(yōu)。壓濾液配制的鉀聚磺鉆井液塑性黏度偏低，說明鉆井液中黏土分散程度低，其攜帶鉆屑、護壁能力差；泥漿中形成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強度低；鉆井液無法有效輸送鉆屑和清潔井眼，會引起循環(huán)系統(tǒng)過載的問題；初、終切數(shù)值小，說明靜止時形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不牢固，對固相的懸浮能力不強。綜上所述，清水和壓濾液配制的鉆井液性能差異較大，說明鉀聚磺壓濾液不能直接配制鉆井液。

2.3 鉀聚磺壓濾液對基漿水化分散影響

基漿按照1.2中方法進行配制，其水化分散情況見圖1。

圖1 基漿水化分散

由圖1可知，清水配制的基漿其水化分散均勻、造漿能力強，未發(fā)生沉降且所形成的溶膠-懸浮體具有良好的流動性；而壓濾液水化形成的基漿產(chǎn)生了絮凝，造漿率低。由于在壓濾液中高礦化度的離子影響下，蒙脫石晶格置換產(chǎn)生的負電荷要吸附電性相反的離子來平衡溶液的電性。這些電性相反的離子是以水化離子形式存在于溶液當中，帶負電荷的蒙脫石顆粒吸附水化陽離子形成雙電層[6-7]。而壓濾液中的部分離子進入后壓縮擴散雙電層，抑制膨潤土的分散，甚至使膨潤土產(chǎn)生凝聚和聚結(jié)，在重力的作用下沉降，從而造成基漿絮凝現(xiàn)象的發(fā)生。

采用Zeta電位儀對清水和壓濾液配制的基漿ζ電位測定結(jié)果見圖2。

由圖2可知，清水配制基漿的ζ電位高于壓濾液，說明膨潤土在清水中分散后形成的體系更穩(wěn)定。由于膨潤土帶負電，壓濾液中含有多種高價金屬離子，靠近膨潤土表面的抗衡離子的積聚屏蔽了表面電荷，壓縮雙電層厚度[8]。因而使ζ電位降低，當其降低到一定程度時，膠體分散被破壞而發(fā)生凝聚下沉。

2.4 鉀聚磺壓濾液對鉆井液添加劑影響

2.4.1 ZNJ

清水和壓濾液中加入0.5%ZNJ高速攪拌并靜置后的狀態(tài)見圖3。

圖2 基漿ζ電位

圖3 清水和壓濾液中加入ZNJ后的對比

在清水和壓濾液中加入ZNJ后，如圖3所示，清水中溶解性較好，呈果凍膠狀，在100 r/min下其黏度為131.7 mPa·s；壓濾液中呈絮狀沉淀并有明顯的分層現(xiàn)象，在100 r/min下其黏度僅為3.3 mPa·s。在壓濾液的作用下ZNJ發(fā)生絮凝沉淀而失去增黏效果。

采用紅外光譜法對絮狀沉淀進行測試，所得結(jié)果見圖4。

圖4 ZNJ在清水和壓濾液中的紅外光譜

由圖4可知，在壓濾液中加入ZNJ，3 428 cm-1處的酰胺基、1 659 cm-1處的不飽和酮羰基以及670 cm-1處較尖的苯環(huán)吸收峰明顯增強，1 401 cm-1處的羧酸峰消失，出現(xiàn)了新的累積雙鍵吸收峰2 082 cm-1。說明在壓濾液影響下，ZNJ分子結(jié)構(gòu)中羧基與高價離子作用形成了沉淀，使ZNJ在溶液中溶解性及增黏效果降低。

2.4.2 JLSJ-1

清水和壓濾液中加入0.5%JLSJ-1高速攪拌并靜置后的狀態(tài)見圖5。

圖5 清水和壓濾液中加入JLSJ-1后的狀態(tài)

在清水和壓濾液中加入JLSJ-1后，其流動性均好；如圖5所示，清水中的沉淀相對于壓濾液偏多，JLSJ-1與壓濾液中的金屬離子反應(yīng)，增大了JLSJ-1在壓濾液中的溶解度。

采用紅外光譜法對沉淀進行測試，所得結(jié)果見圖6。

圖6 JLSJ-1在清水和壓濾液中的紅外光譜

由圖6可知，在壓濾液中加入JLSJ-1，3 432 cm-1處的酰胺基吸收峰明顯增強，2 870 cm-1處的甲基、2 518 cm-1處的磺酸基、1 422 cm-1處的羧酸鹽以及874 cm-1的苯環(huán)吸收峰消失，出現(xiàn)了新的吸收峰，2 075 cm-1處的吸收峰為累積雙鍵(—N=C=S)、1 635 cm-1處的吸收峰為酮羰基、1 100 cm-1處的吸收峰為醇羥基，苯環(huán)的吸收峰發(fā)生了偏移。

2.4.3 JLSJ-2

清水和壓濾液中加入3%JLSJ-2高速攪拌并靜置后的狀態(tài)見圖7。

圖7 清水和壓濾液中加入JLSJ-2后的對比

在清水和壓濾液中加入JLSJ-2后，其流動性均好。如圖7所示，壓濾液中底部的沉淀較清水中多。由于JLSJ-2是一種高分子聚合物，其親水基團與壓濾液中的高價金屬離子反應(yīng)，生成了沉淀。

圖8是JLSJ-2在清水和壓濾液中的紅外光譜。由圖8可知，在壓濾液中加入JLSJ-2，3 445 cm-1處的酰胺基、1 635 cm-1處的酮羰基吸收峰明顯增強，672 cm-1處的苯環(huán)吸收峰消失，出現(xiàn)了新的吸收峰，1 395 cm-1處較尖的吸收峰為叔丁基，1 195、1 039 cm-1這2個吸收峰為縮酮分子內(nèi)部中發(fā)生振動耦合。

圖8 JLSJ-2在清水和壓濾液中的紅外光譜

2.5 鉀聚磺壓濾液再配制鉆井液工藝

從2.3和2.4可知，鉀聚磺壓濾液對基漿和鉆井液的性能存在較大影響，因此，對鉀聚磺壓濾液再配制鉆井液進行新工藝研究。用PBJ-1處理后的鉀聚磺壓濾液稀釋清水配制的6%基漿，將基漿濃度稀釋至3%，再按照鉀聚磺鉆井液優(yōu)化配方配制鉆井液。鉀聚磺鉆井液優(yōu)化配方：基漿+0.3%ZNJ+0.5%JLSJ-1+3%JLSJ-2+7%KCl+0.5%CaO+0.3%NaOH+重晶石。鉆井液在100 ℃下熱滾16 h后的性能見表3。

表3 稀釋膠液法配制鉀聚磺鉆井液性能

由表3可知，采用PBJ-1處理壓濾液后稀釋高濃度基漿再配制鉀聚磺鉆井液，其流變性、動塑比、初終切以及HTHP濾失量等指標均優(yōu)于清水配制的鉆井液。說明采用高濃度基漿稀釋后再配制鉀聚磺鉆井液可以實現(xiàn)壓濾液回用再配制鉆井液要求。PBJ-1的加量為0.5%～0.6%。

清水、壓濾液和PBJ-1處理壓濾液稀釋高濃度基漿后再配制鉆井液高溫高壓濾失后形成濾餅的微觀形貌見圖9。由圖9可知，使用壓濾液配制的鉆井液濾餅相較于清水配制的而言，表面上黏土顆粒大量聚結(jié)在一起，導致其表面存在有較大的裂縫、孔洞及微孔隙，在濾失過程中成為失水的主要通道。而加入PBJ-1處理壓濾液后再配制的鉆井液形成致密網(wǎng)狀的濾餅，未出現(xiàn)明顯的失水孔隙，并且表面出現(xiàn)的少量突觸狀突起與褶皺，很好地與下部基底部分連接，使黏土顆粒與之在體系中形成結(jié)構(gòu)致密的濾餅，從而有效降低體系的濾失量。

圖9 鉆井液濾餅的微觀形貌

3 結(jié) 論

a.鉀聚磺壓濾液配制鉆井液的流變性、切力、HTHP濾失量均較清水配制的鉆井液性能差，由于壓濾液離子組成復雜，礦化度高達88 344 mg/L，因而對鉆井液性能影響較大，增加了壓濾液的處理難度。

b.在壓濾液中高價金屬離子的影響下，靠近膨潤土表面的抗衡離子的積聚屏蔽了表面電荷，壓縮雙電層厚度，因而使ζ電位降低，抑制膨潤土的分散，造成基漿絮凝現(xiàn)象的發(fā)生。

c.鉀聚磺壓濾液回用再配制鉆井液的新工藝。稀釋膠液法和螯合屏蔽法，螯合屏蔽劑PBJ-1的加量為0.5%～0.6%，得到了鉀聚磺鉆井液優(yōu)化配方：基漿+0.3%ZNJ+0.5%JLSJ-1+3%JLSJ-2+7%KCl+0.5%CaO+0.3%NaOH+重晶石。