勝利油田鉆井液固液分離用絮凝劑的優選實驗及相關分析

董懷榮，李宗清，夏 曄，李 琴，郭 振，陳志禮，李亞偉

（中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營257000）

勝利油田地質條件復雜，尤其是二開上部地層清水快速鉆進工藝，具有獨特的技術優勢，該階段鉆井速度快，可以大大縮短鉆井周期、降低鉆井成本；但是這個過程中機械鉆速快（機械鉆速甚至超過100m/h）、泵排量大（100～250m3/h）、井底上返的鉆屑量大、泥餅多、巖屑細小、固液分離難度大。細泥、細砂易板結、易堵塞，造漿強烈，鉆頭易起泥包，這個階段是鉆井液不落地處理工藝的關鍵階段也是最難處理的階段。以往主要采取大循環方式鉆進，將鉆井過程中產生的強水敏粘土鉆屑絮凝沉降在大循環池里，然后用漂浮泵從大循環池上面抽取清液到固控系統中進行循環使用，固相直接留在大循環池中，完井以后進行就地固化掩埋處理。隨著環保法的實施，對石油工程施工環境治理提出了更高的要求，要求鉆井過程中全井段實現廢棄鉆井液及鉆屑現場不落地，不再挖大循環池，需要采用鉆井液不落地工藝及配套相關設備進行鉆井施工[1-3]。

為配合鉆井液不落地鉆井工藝的順利實施以及設備的正常運轉，加速固控系統中廢棄物的脫穩及固相的絮凝沉降，確保在清水快速鉆進的條件下，達到快速分離固液相的效果，保證施工進度，需要選擇合適的絮凝劑，添加到快速沉降裝置中，將其中的鉆屑及土相進行絮凝分離以分成水相和含水較低的固相。其中對絮凝劑種類進行篩選并對絮凝劑影響作用進行研究，選擇合適的絮凝劑、絮凝劑添加方式和絮凝劑的加量是至關重要的[4]。

1 絮凝機理研究

為了加速鉆井液中固相粒子的沉降，必須要破壞粒子在體系中的穩定性，促使其發生碰撞及團聚，從而發生沉降，這就是絮凝作用的基本機理。一般認為長鏈絮凝劑的絮凝作用機理是：在穩定的膠體分散體系中，一個長鏈大分子可同時吸附2個或是幾個膠粒，因此形成架橋的形式把膠粒包裹起來而發生沉降作用；也可能是大分子鏈中的極性基團在膠粒表面上進行無規則吸附而使膠粒聚沉。

為了配合鉆井液不落地工藝的實施及快速沉降裝置的應用，實現廢棄鉆井液及鉆屑減量化，克服油田常規絮凝劑鏈短、用量大、絮凝效果差的問題，篩選并改性研發了鉆井液減量化用的高效全絮凝劑，目的是通過合適的分子量的選擇、大幅度地減少絮凝劑用量，同時提升絮凝效果，在不影響正常鉆井液性能和鉆井安全的情況下，可適度水解后起到抑制劑效果，控制上部地層吸水膨脹，在加速膠體粒子沉降的同時，在源頭上抑制粘土造漿，降低固液分離設備的處理難度[5]。

2 絮凝劑種類篩選

目前用于鉆井液固液分離的絮凝劑由于用量大、結構不合理和電荷密度低等原因，勝利油田廢棄鉆井液固液分離脫水后的污泥含水率高，達不到拉運和排放標準，因此優選一種高效、水溶性好、電性適宜的鉆井液固相分離用高效絮凝劑非常重要。

鉆井用絮凝劑主要分為有機高分子絮凝劑和無機高分子絮凝劑2大類。有機高分子絮凝劑中較為常見且價廉易得的主要是聚丙烯酰胺干粉，其又分為陰離子型、陽離子型及非離子性3大類。無機高分子絮凝劑中較為常用的是聚合氯化鋁。這2類產品都有較好的絮凝分離效果，因此在本次實驗中作為備篩絮凝劑進行了重點實驗分析[6-7]。

2.1 聚丙烯酰胺絮凝原理分析

聚丙烯酰胺這種有機高分子聚合物，通常具有發達的鏈狀結構和自由基團。憑借于這種發達的鏈狀結構和自由基團，濾料和懸浮顆粒能被聚合物比較牢固地吸附在表面，并在各種顆粒之間形成架橋作用。絮凝作用是指這些加入帶有許多能吸附微粒的有效官能團的線狀高分子化合物，它像一條長繩一樣能將許多微粒吸附在一起，形成一個絮團，加速沉降。長鏈的高分子化合物在微粒之間起的橋梁作用稱為“架橋”作用，同時還會發生物理變化，降低膠團的電位，中和膠體微粒及懸浮物表面的電荷。因而，膠體粒子由原來的相斥變成相吸，破壞膠團的穩定性，使膠體和微粒相互碰撞，形成沉淀，達到了固液分離快速沉降的目的。

聚丙烯酰胺作為常用的絮凝劑，在使用時應遵循以下原則：①為了充分發揮絮凝劑的作用，一般現配現用；②鐵的氧化會導致絮凝劑性能降低，因此，絮凝劑不宜用鐵質容器長期貯存；③絮凝劑在添加時需要充分攪拌；④絮凝劑溶液的濃度和用量要適中。

其中，離子型聚丙烯酰胺（CPAM)是線型高分子化合物，由于它具有多種活潑的基團，可與許多物質親和、吸附形成氫鍵。主要是絮凝帶負電荷的膠體，具有除濁、脫色、吸附、粘合等功能，適用于冶金、選礦、煤粉、油田等有機膠體含量較高的廢水處理，特別適用于城市污水、城市污泥、造紙污泥及其它工業污泥固相的脫水處理。陽離子聚丙烯酰胺的陽離子度一般與其分子量有關，表征其分子結構上帶正電荷的陽離子的量，針對帶負電荷的固相，陽離子度與其絮凝效果有較大的聯系。陰離子聚丙烯酰胺可用于pH值在7～14的環境下，水解狀態下釋放出帶負電荷的陰離子，可用于帶正電荷固相顆粒的沉降分離，常用的陰離子聚丙烯酰胺的水解度一般在20%～30%之間，具有較好的絮凝效果。而非離子聚丙烯酰胺可以加速懸浮液中粒子的沉降，有非常明顯的加快溶液的澄清、促進過濾等效果，廣泛用于化學工業廢水、廢液的處理、市政污水處理。尤其當污水呈酸性時，尤其適宜使用此類聚丙烯酰胺為絮凝劑[8]。

2.2 聚合氯化鋁絮凝原理分析

聚合氯化鋁簡稱PAC，通常也稱作堿式氯化鋁或混凝劑，是介于AlCl3和Al(OH)3之間的一種水溶性無機高分子聚合物，顏色多呈黃色或淡黃色粉末狀固體。該產品有較強的架橋吸附性能，在水解過程中，伴隨發生凝聚、吸附和沉淀等物理化學過程。傳統無機混凝劑為低分子結晶鹽，而聚合氯化鋁的結構是由形態多變的多元素基絡合物組成，適用pH值的范圍寬，對管道和設備無腐蝕性，絮凝沉淀的速度快，凈水效果明顯，并能有效除去水中色質SS、COD、BOB及砷、汞等重金屬離子。聚合氯化鋁適宜與聚丙烯酰胺等高分子絮凝劑復配使用，效果更好。

表1 實驗用絮凝劑

在本實驗過程中，考慮鋁離子在進入水體后可能因其在人體內的富集影響人體健康導致大腦退行性疾病，因此主要用于考察其與有機高分子絮凝劑復配后對絮凝效果的影響。

針對勝利油田清水快速鉆進階段固相含量高、鉆速快的特點，配合鉆井液不落地用快速沉降設備，有針對性地選擇了以上8種絮凝劑（表1），包含聚丙烯酰胺和聚合氯化鋁2大類絮凝劑。分子量在1000萬～2000萬之間的絮凝劑，可以在加量小于1%的情況下即可快速的絮凝沉降固相，達到固液初步分離的效果。

3 絮凝劑對鉆井液性能的影響實驗

在高速攪拌條件下，向經配漿養護16h后的6%的膨潤土漿中緩慢添加5‰的聚丙烯干粉絮凝劑，高速攪拌60m in后測定其流變性，并將以上漿液加入到轉速3000r/m in的離心機中，高速離心分離30m in后觀察其穩定性，同時將剩余漿液靜置16h，觀察其析出液高度以評價其膠體穩定性，實驗結果見表2。

表2 絮凝劑對鉆井液性能影響實驗

從表2數據可知，在加入5‰的聚丙烯酰胺后，膨潤土漿的粘度增大了，同等加量對土漿粘度增大的影響效果由高到低排列分別為：1～3＜4～6＜7，即陽離子＜陰離子＜非離子。且同樣的分子量，且隨著陽離子度的增加，陽離子聚丙烯酰胺對膨潤土漿的影響越明顯。三類聚丙烯酰胺的加入對體系的pH值沒有影響，其添加會使土漿的膠體性能更穩定，長時間放置和高速離心情況下膠體不分層。

根據鉆井液不落地工藝及裝置的設計要求，聚丙烯酰胺干粉會替代原大循環池在裝置內添加后完成固相與液相的分離，分離后的固相經過高速離心機脫液分離后被運移至指定地點，液相會回收返回到固控系統中繼續循環使用。存留在液相內的聚丙烯酰胺酰胺干粉作為絮凝劑，仍然可以進行鉆井液固液相快速分離。但是其添加可在一定程度上起到穩定鉆井液體系，提高體系粘切力的效果。因此使用聚丙烯酰胺干粉作為絮凝劑對鉆井液性能的影響可控，實驗方案可行，但其添加方式和加量需通過實驗需要進行進一步的確定。

通過以上實驗，我們選擇了代號為2、3、5的3種聚丙烯酰胺干粉進行進一步的實驗，選擇原因為：首先其對鉆井液的流型影響可以接受；其次粘土顆粒的表面帶有負電荷，因此應重點考查陽離子型聚丙烯酰胺干粉的使用效果，且在可接受的范圍內應適當的選擇陽離子度較高的產品，以通過較強的電性作用加速粘土顆粒的聚合沉降；再次考慮需對比陰陽離子聚丙烯酰胺干粉的不同影響，也選擇了一個陰離子型產品進行考察。因非離子型聚丙烯酰胺干粉因其對鉆井液體系影響較大，且市場上此類產品較少，因此未選擇。

4 絮凝劑的加量及添加方式的確定

通過上述實驗可知，將聚丙烯酰胺干粉直接加入鉆井液中，不會使固相顆粒沉降，反而會使其中膠體顆粒的結合更為牢固，從而增加了體系的粘度和穩定性。因此在進行沉降實驗時，首先將聚丙烯酰胺干粉在水中完全溶解，其中帶極性的陽離子被充分水解游離，有機長鏈展開，相互交疊形成適宜捕捉土相顆粒的網狀結構，再加入到鉆井液中才能起到充分絮凝的效果。

4.1 絮凝劑的加量對絮凝效果的影響

將不同質量的絮凝劑緩慢地攪拌，使其完全溶解到水中后，將絮凝劑的水溶液加入到鉆井液中，邊加邊緩慢地攪拌（現場實驗中可使用折流板實現），充分攪拌后，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個壓力下進行壓濾，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。實驗過程中需要注意，攪拌不能劇烈，需要保證絮凝劑水溶液和鉆井液的接觸時間充分，才能保證絮凝效果。

表3 絮凝劑添加量對固相含水率的影響

從表3可知，隨著絮凝劑的添加，絮凝劑2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；3號絮凝劑形成的濾餅的含水量在其加入量為0.1%時達到最小，為75.41%。其后有所增加并趨于穩定。5號的添加量在超過2%后才達到穩定。同時比較形成的濾餅可以發現，2號、3號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，有粘滯感。5號的則較為蓬松，表面松散不規則，粘滯感強。實驗所得濾液為無色無味的透明液體。

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，陽離子型的聚丙烯酰胺效果好于陰離子型。相同分子量下，陽離子度高的干粉效果較好。因此在單獨使用有機高分子絮凝劑時，推薦陽離子度在30%，分子量在1200萬的陽離子型聚丙烯酰胺干粉，加量為0.1%即可。

4.2 復配絮凝劑對絮凝效果的影響

使用3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8即聚合氯化鋁，重復上述實驗，觀察復配絮凝劑對絮凝效果的影響。實驗結果見表4。

表4 復配絮凝劑對絮凝效果的影響

從表4實驗數據可知，在加入無機絮凝劑聚合氯化鋁時，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。無機絮凝劑聚合氯化鋁的加入，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，但是其加入會導致濾液顏色發黃，且渾濁不澄清，因此在使用時需仔細考慮驗證后添加，其對水質環保指標的影響需要進一步考慮。因此在可以達到現場要求的情況下，推薦單獨使用3號陽離子絮凝劑。考慮成本問題時，可適當添加無機絮凝劑。

3號絮凝劑即為篩選出的高效全絮凝劑，代號QA型絮凝劑。目前已經在勝利油田鉆井液不落地施工的永55-斜2井等42口井上使用，現場使用效果較好，添加到快速沉降裝置后能夠快速沉降實現固液分離，而且現場應用過程測得濾餅含水率小于60%，完全達到拉運和排放要求。

5 結論及建議

通過以上實驗分析和現場使用效果跟蹤，在二開清水快速鉆進時，處理鉆井液及其中的固相廢物時，陽離子型的聚丙烯酰胺效果好于陰離子型；相同分子量下，陽離子度高的干粉效果較好。因此在單獨使用有機高分子絮凝劑時，推薦陽離子度在30%，分子量在1200萬的陽離子型聚丙烯酰胺干粉，加量為0.1%即可。絮凝劑在使用時盡量配成膠液，嚴格控制加量。同時在現場應用時及時采樣、及時監控，控制水相質量和固相含水率。

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