PEC鉆井液體系固液分離技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

耿學(xué)禮 ，邢希金 ，張 杰 ，蘇延輝 ，王 超 ，左 凱 ，江 安

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；3.海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028）

海上平臺因排放受限、距離陸地較遠(yuǎn)、平臺空間有限等因素的影響，廢棄鉆井液的處理一直是海上油田的一項(xiàng)重大難題。我國海上油田廢棄鉆井液的處理模式主要為“部分排放+陸地集中處理”的模式。其中非儲層段廢棄鉆井液多在海上平臺直接排放，儲層段廢棄鉆井液需要運(yùn)回陸地集中處理[1，2]。但隨著環(huán)保意識的逐漸增強(qiáng)與環(huán)境保護(hù)法律法規(guī)的不斷嚴(yán)格，海上油田鉆完井廢棄物的排放標(biāo)準(zhǔn)逐年提高，尤其是在渤海地區(qū)，部分海域已經(jīng)嚴(yán)格要求“零排放”。因此，之前可直接排海的非儲層段鉆井液也需要進(jìn)行無害化處理[3，4]。

針對海上油田目的層所用的鉆井液體系，前人已經(jīng)做了大量的研究和生產(chǎn)工作，但對非目的層所用的鉆井液體系的無害化處理研究較少[5，6]。PEC鉆井液體系是海上油田非目的層常用的一種水基鉆井液體系。其主要由水、鉆屑、黏土和聚合物處理劑以及少量油組成。該體系膠體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，需要經(jīng)過化學(xué)破膠、絮凝等處理工藝，再結(jié)合機(jī)械方法才能實(shí)現(xiàn)固液分離。而鉆井液的固液分離是實(shí)現(xiàn)無害化處理的重要步驟，本文以渤海油田渤中地區(qū)的PEC鉆井液為處理對象，對其進(jìn)行固液分離技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[7，8]。

1 PEC鉆井液基本性能分析及處理設(shè)計(jì)思路

1.1 PEC鉆井液基本性能分析

PEC鉆井液為渤海油田上部非目的層常用的鉆井液體系，其主要組成為：海水膨潤土漿+燒堿+純堿+降濾失劑PAC-LV+降濾失劑RS-1+封堵劑LPF+防塌劑DYFT+黏土穩(wěn)定劑HAS+提切降濾失劑VIF＋包被劑PLH（重晶石或石灰石加重）。

對從渤海油田渤中地區(qū)某井取回的PEC鉆井液的密度、流變、固液比等進(jìn)行檢測分析，PEC鉆井液狀態(tài)及其測試結(jié)果（見表1，圖1）。

從PEC鉆井液的外觀及性能指標(biāo)看，鉆井液體系膠體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，外觀呈黏稠狀，表面有光澤，黏度高、含水率高，礦化度高。從鉆井液體系組成看，鉆井液主要由膨潤土、聚合物、加重劑、防塌劑、地層巖屑及少量油組成，成分復(fù)雜，且有不易脫水的特點(diǎn)。

圖1 PEC鉆井液

1.2 PEC鉆井液固液分離技術(shù)思路

基于上述對PEC鉆井液的初步分析，對于PEC鉆井液可嘗試通過破膠、絮凝、機(jī)械分離的方式實(shí)現(xiàn)固液分離。對分離后的固相可進(jìn)行深度的固廢處理，分離后的液相可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行回用或深度處理后排放。PEC鉆井液體系的無害化處理技術(shù)思路（見圖 2）。

2 PEC鉆井液固液分離實(shí)驗(yàn)研究

2.1 固液分離評價(jià)指標(biāo)

對添加完處理劑后的PEC鉆井液，用離心機(jī)在1 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心處理2 min，然后讀取上層清液的體積，與總體積進(jìn)行比值計(jì)算，得出脫水率。

下文中采用脫水率對鉆井液的固液分離效果進(jìn)行評價(jià)。

2.2 破膠研究

PEC鉆井液中含有部分聚合物處理劑，其與鉆井液中的黏土顆粒等形成穩(wěn)定的膠體溶液。常用的氧化破膠劑或酶破膠劑對其很難破膠，而降低pH值是一種有效的方法。采用在鉆井液中加入鹽酸的方式對鉆井液的pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)。針對PEC鉆井液進(jìn)行不同pH值的脫水實(shí)驗(yàn)，結(jié)果（見表2）。

表1 PEC鉆井液基本性能

圖2 PEC鉆井液處理思路流程圖

表2 pH值對PEC鉆井液脫水率的影響

隨著pH值的降低，鉆井液逐漸失去膠體穩(wěn)定性，當(dāng)pH值達(dá)到6以下時(shí)，脫水率達(dá)到16%以上，pH值越低，脫水率越高。但低pH值對設(shè)備存在一定腐蝕，出于對設(shè)備的保護(hù)考慮，選擇pH值為5～6對鉆井液進(jìn)行破膠。

2.3 絮凝劑優(yōu)選及加量研究

通過酸化破膠后的PEC鉆井液雖然失去了部分膠體穩(wěn)定性，但脫水率較低，還需要添加絮凝劑才能進(jìn)一步提高脫水效果。

2.3.1 無機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑的種類優(yōu)選 取廢棄PEC鉆井液300 mL，首先酸化破膠（調(diào)節(jié)pH值到5）。然后分別加入不同種類的無機(jī)絮凝劑（加量為1 000 mg/L）和不同種類的有機(jī)絮凝劑（溶液濃度10%，加量為10 mg/L），測試鉆井液的脫水率，結(jié)果（見表3、表4）。

表3 不同無機(jī)絮凝劑對PEC鉆井液脫水率的影響

表4 不同有機(jī)絮凝劑對PEC鉆井液脫水率的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，無機(jī)絮凝劑PFS較適合于PEC鉆井液體系的絮凝，絮凝后的脫水率最高。有機(jī)絮凝劑YJX-2較適合于PEC鉆井液體系的絮凝，絮凝后的脫水率最高。選擇PFS為無機(jī)絮凝劑，選擇YJX-2為有機(jī)絮凝劑，進(jìn)行下一步的加量優(yōu)選。

2.3.2 無機(jī)絮凝劑PFS和有機(jī)絮凝劑YJX-2的加量優(yōu)選 取廢棄PEC鉆井液300 mL，首先酸化破膠（調(diào)節(jié)pH值到5）。然后加入不同量的無機(jī)絮凝劑PFS和有機(jī)絮凝劑YJX-2（溶液濃度10%），測試鉆井液的脫水率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表5）。

表5 絮凝劑的篩選

隨著無機(jī)絮凝劑PFS加量的增加，脫水率逐漸升高，當(dāng)加量為3 000 mg/L時(shí)，脫水率出現(xiàn)拐點(diǎn)，當(dāng)加量再繼續(xù)增大脫水率升高的幅度逐漸趨于平緩，故選擇無機(jī)絮凝劑PFS的加量為3 000 mg/L。隨著有機(jī)絮凝劑YJX-2加量的增加，脫水率逐漸升高，加量達(dá)到10 mg/L時(shí)脫水率最高，再隨著有機(jī)絮凝劑YJX-2的增加，脫水率逐漸降低，故選用10 mg/L為有機(jī)絮凝劑YJX-2的加量。

3 離心參數(shù)優(yōu)選

經(jīng)過酸化破膠、絮凝分離后的PEC鉆井液達(dá)到了初步固液分離的效果，但離心參數(shù)的變化對分離效果也至關(guān)重要，下面實(shí)驗(yàn)針對經(jīng)過破膠、絮凝后的PEC鉆井液進(jìn)行離心機(jī)分離參數(shù)的研究。

分別考察不同離心時(shí)間、不同離心機(jī)轉(zhuǎn)速對固液分離效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表6、表7）。

表6 離心分離時(shí)間的影響

表7 離心機(jī)轉(zhuǎn)速的影響

隨著離心時(shí)間的增長，脫水率逐漸升高，說明延長離心時(shí)間，有助于提高鉆井液的固液分離效率。現(xiàn)場施工時(shí)可適當(dāng)增加離心時(shí)間。

隨著離心機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，脫水率逐漸升高，說明增加離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，有助于提高固液分離效率。根據(jù)現(xiàn)場施工設(shè)備的現(xiàn)狀，可以選擇3 000 r/min作為離心機(jī)的轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)論

（1）調(diào)節(jié)PEC鉆井液的pH值可以破壞鉆井液的膠體穩(wěn)定性，出于對設(shè)備腐蝕的考慮，采用調(diào)節(jié)PEC鉆井液pH值至5～6的方式進(jìn)行破膠。

（2）優(yōu)選無機(jī)絮凝劑PFS加量為3 000 mg/L、有機(jī)絮凝劑YJX-2加量為10 mg/L，通過二者配合使用，可實(shí)現(xiàn)鉆井液的固液分離。

（3）優(yōu)選離心機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，盡量增加離心處理時(shí)間的方式，進(jìn)一步提高了PEC鉆井液的固液分離效率，為現(xiàn)場離心工藝提供了必要的參數(shù)依據(jù)。

（4）通過實(shí)驗(yàn)室對PEC鉆井液固液分離技術(shù)的研究，可為PEC鉆井液體系的無害化處理及現(xiàn)場施工提供必要的技術(shù)支撐。