鉆井廢棄物分離用高效絮凝劑的研發及應用

夏 曄

（中國石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000）

隨著國家對環保工作的重視，2015年起各大油田全面推行了鉆井廢棄物不落地和減量化工作，除了使用抑制環保的鉆井液配方，在后續過程中需要配套固液分離設備進行廢棄物的脫液減量[1]。在上部底層快速鉆進的過程中，會產生大量的鉆井廢棄物，中下部地層由于鉆井液本身的性質產生鉆井廢棄物又大多具有較強的乳化穩定性，難以依靠物理方式完全分離，需要配套可以快速使其脫穩絮凝的高效絮凝劑，市場上的此類絮凝劑產品，大多存在加量大，絮凝效果差，價格昂貴的問題，因此開發與設備配套同時可滿足各種工況的鉆井廢棄物分離用絮凝劑是必要的。

本文針對鉆井廢棄物分離用高效絮凝劑的研發開展了相關實驗，并進行了有針對性的絮凝劑配套實驗，得到高效絮凝劑兩套，同時在勝利油區開展了相關現場實驗，系統的評價了絮凝劑的絮凝效果。

1 實驗

1.1 實驗原理

現有的常用絮凝劑主要有有機高分子絮凝劑和無機高分子絮凝劑兩大類[2]，其中有機高分子絮凝劑主要成分為有機高分子聚合物，通常具有發達的鏈狀結構和自由基團，可以將顆粒物有效的吸附在表面，并通過各種顆粒之間形成架橋作用，同時形成大顆粒的絮團，加快沉降速度，同時絮凝劑本身攜帶的電性離子降低了膠團的電位，中和了膠團微粒表面的電荷，使膠體粒子由原來的相斥變成了相吸，加速了膠體粒子的碰撞沉降，達到了絮凝的目的。而無機絮凝劑多為水溶性無機高分子聚合物，這類產品具有較強的架橋吸附性能，在水解過程中伴隨著發生凝聚、吸附和沉淀等物理化學過程，其水解過程會增加液體中的離子含量，與有機高分子絮凝劑配合使用時可增加絮凝的強度。

因此，實驗選擇了幾種有機高分子絮凝劑、無機高分子絮凝劑及其他處理劑進行了系統性的考察，以確定高效絮凝劑的配方。

1.2 實驗材料

有機高分子絮凝劑：PAM-1白色粉末狀顆粒，相對分子質量大于450萬，山東寶莫化工；PAM-2白色粉末狀顆粒，相對分子質量大于300萬，化工品；PAM-3白色粉末狀顆粒，水解度14%，山東寶莫化工。

無機高分子絮凝劑：JA白色混淡黃色粉末狀固體，化工品，瑞星凈水原料有限公司。

pH調節劑：無機酸，固體，化工品。

膨潤土：符合GB/T 5005鉆井液材料規范要求。

鉆井液：勝利油區現場取樣，取樣井段3 200 m～3 580 m。

1.3 實驗儀器

離心機：可調速臺式離心機。

壓濾設備：實驗室自制，可提供0～1.0 MPa的氣壓。

鉆井液用旋轉黏度計：青島海通達公司。

天平：FA2004N型。

色度儀：WGZ2000臺式色度儀，上海昕瑞公司。

COD測試儀：ET791型，德國羅威邦儀器公司。

2 實驗及結果分析

2.1 高效絮凝劑配方實驗

2.1.1 有機高分子絮凝劑絮凝效果實驗 實驗針對選擇的三種常用的有機高分子絮凝劑，通過考察其在同一加量下對6%含量的膨潤土漿的絮凝效果，篩選出效果較高的有機高分子絮凝劑。此實驗模擬鉆進過程中上部地層快速鉆進情況下，評價當鉆屑主要成分為黏土時，大處理量工況下絮凝劑的快速絮凝效果。

實驗方法為將絮凝劑置于水中緩慢的攪拌，使其完全溶解后，將絮凝劑的水溶液加入到已水化穩定的6%含量的膨潤土漿中，邊加邊緩慢的攪拌，充分攪拌5 min后，可發現大顆粒絮團開始沉降。待絮團充分沉降后，將其倒入壓濾裝置，在0.2 MPa壓力下進行壓濾，考察其濾餅的含水量，以確定添加量對固相沉降和脫水后固相含水率的影響（見表1）。

表1 有機高分子絮凝劑添加量對固相含水率的影響

從表1可知，隨著有機高分子絮凝劑的添加，絮凝劑PAM-1形成的濾餅的含水量先減小后增加，存在最優加量0.15%，超過此加量后，濾餅的含水量有所增加并趨于穩定；PAM-2號絮凝劑形成的濾餅的含水量在其加入量為0.2%時達到最小，為75.39%。其后有所增加。PAM-3的添加量在超過2%后才趨于穩定。同時比較形成的濾餅可以發現，PAM-1、PAM-2形成的濾餅較為緊實，表面較為規整，手觸摸時表面較為光滑，有黏滯感。PAM-3的則較為蓬松，表面松散不規則，黏滯感強。

因此由以上結論可知，在處理清水鉆進時的鉆井液及其中的固相廢物時，相同相對分子質量下，PAM-2效果較好。因此在單獨使用有機高分子絮凝劑時推薦PAM-2絮凝劑，加量為0.2%即可。

2.1.2 復配絮凝劑絮凝效果實驗 針對上部地層快速鉆進的工況，單獨使用PAM-2絮凝劑即可滿足需求，但中下部地層由于鉆井安全及油氣層保護需求，使用的鉆井液多為穩定體系，實驗室前期實驗發現單純使用高分子絮凝劑時，無法單純的依靠吸附架橋絮凝穩定鉆井液及中下部地層乳化穩定的鉆屑。因此在現有絮凝劑的基礎上對配方進行復配實驗。

使用PAM-2號絮凝劑，加量在0.1%，然后復配不同質量分數的無機高分子絮凝劑JA，重復上述實驗，觀察復配絮凝劑對6%含量的膨潤土漿絮凝效果的影響。實驗結果（見表2）。

表2 復配絮凝劑對絮凝效果的影響

從以上實驗數據可知，在無機絮凝劑時，可以增強絮凝效果，降低濾餅的含水率，添加量在0.3%時，其濾餅的含水率較單獨使用干粉時下降了10%，達到最佳的加量。實驗中觀察實驗現象發現，JA的加入，使得大顆粒絮團出現的時間變短，絮凝速度加快，達到完全絮凝的時間縮短至1 min之內，但是其加入量過多會導致濾液顏色發黃，且渾濁不澄清，對濾液的質量有一定的影響，因此復配時需要控制其加量，既能滿足絮凝要求，又能保證濾液質量。

JA的添加能加快絮凝速度的原因是因為其溶于水后析出大量的高價陽離子，達到了快速壓縮黏土顆粒表面擴散雙電層，同時中和了黏土表面的負電荷，通過電性作用，破壞了體系的穩定性，加速了黏土的絮凝沉降。

在此實驗的基礎上，開展了實驗室模擬現場鉆井液的絮凝實驗，實驗模擬的勝利油區3 000 m左右井深時鉆井液配方，配方如下：

4%土漿+2%碳酸鈉+0.5%LV-CMC+0.5%改性銨鹽+0.5%氯化鈣+1%無熒光白瀝青+0.1%FA367+1%SMP-1+3%超細碳酸鈣，養護16 h。

表3 實驗室模擬用鉆井液常規性能

取50 mL上述鉆井液，向其中加入不同質量的PAM-2與JA的混合物，混和比例為1：2，使用0.4 MPa的壓力下進行壓濾至無濾液析出時，計算其濾餅的含水率，發現當絮凝劑加入量為鉆井液質量的0.5%時，其濾餅含水率開始低于80%，為77.10%；加入量為0.75%時，濾餅含水率達到64.18%。濾餅表面干燥，餅體緊實，但壓濾時間較久，現場使用無法滿足實際工況。

綜合考慮壓濾時間及絮凝劑成本，為加速絮凝時間同時降本增效，需要向配方中添加可更快速脫穩絮凝的成分，通過實驗室實驗發現，使用酸降低鉆井液pH值至7左右時，既可以快速打破黏土晶格結構，同時中和鉆井液的堿性環境，使鉆井液配方中的處理劑失去效果，加速鉆井液的破膠脫穩，有效的釋放出鉆井液中的結合水，可有效的減少過濾的時間，同時降低濾餅的含水率。

因此實驗時，先向50 mL鉆井液中加入無機酸，調節其pH值至6.5～7.0后，向其中加入鉆井液質量0.5%的絮凝劑（PAM-2與JA的混合物，混和比例為1：2）使用0.4 MPa的壓力下進行壓濾至無濾液析出時，測定濾餅含水率為62.17%，過濾時間縮短至30 min以內。基本可滿足現場工況。

因此得到鉆井廢棄物分離用高效絮凝劑配方為：上部地層快速鉆進時使用處理量0.2%的PAM-2型絮凝劑，中下部地層使用1份PAM-2加上2份JA再加入適量的無機酸，其中無機酸加入量通過廢棄物pH值確定，PAM-2及JA絮凝劑的加量為處理量的0.5%。

2.2 現場實驗

2.2.1 辛37區塊叢式井 辛37區塊6口井無大循環池，固相脫液后拉運至東營市磚廠燒磚，液相循環使用；實驗用PAM-2型絮凝劑最大加量0.2%，脫出液相后固相含水量最低可達58.71%，濾液pH6.5～7.0，色度最低60達到國家二級水排放標準，最高147，滿足循環使用要求，濾液回用配漿，未出現鉆井液不穩定情況（見圖1）。

圖1 辛37-斜6井離心機出口固相及液相情況

2.2.2 辛161-斜32井 此井在鉆井過程中出現了下部地層廢棄物固液分離困難分離速率低，使用井隊原有絮凝劑分離后液相色度偏高且有絮凝劑殘留，無法回用，固相含水高于85%，無法拉運。實驗時在2 100 m井深加入復配的高效絮凝劑，快速對乳化穩定的體系進行了脫穩絮凝，分離后固相含水低于65%，液相色度正常，COD值小于150 mg/L，正常回用，未出現鉆井液不穩定情況。現場固液分離效率滿足工況需求（見圖2）。

圖2 高效絮凝劑與現場原用絮凝劑絮凝分離后液相對比

3 結論

（1）上部地層快速鉆進大處理量的情況下，使用PAM-2型絮凝劑，加量為處理量的0.2%時即可滿足需求。

（2）中下部地層鉆井液穩定，廢棄物乳化難脫穩的情況下，使用高效絮凝劑配方為1份PAM-2加上2份JA再加入適量的無機酸，其中無機酸加入量通過廢棄物pH值確定，PAM-2及JA絮凝劑的加量為處理量的0.5%。

（3）鉆井廢棄物快速分離用高效絮凝劑配方在現場實際使用12口井，配合離心機或壓濾機設備，均可快速的分離鉆井廢棄物，效果滿意。

參考文獻：

[1]孫景新，劉曉燕，等.油田含油污泥處理技術研究進展[J].中國資源綜合利用，2006，24（6）：18-22.

[2]張瓊，李國斌，蘇毅，等.水處理絮凝劑的應用研究進展[J].化工科技，2013，21（2）：49-52.