論影響廢棄鉆井完井液固液分離效果因素分析

楊智生

摘要：通過加入適當的絮凝劑和助凝劑可以改變鉆井液體系的物理、化學性質，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，讓更細的顆粒產生聚結，使其在機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、提高水的循環利用率和解決環境污染問題的最基本步驟，也是目前行之有效的技術之一。

關鍵詞：鉆井工程;絮凝劑;護膠劑

根據鉆井工程技術的要求，鉆井液中常常加人許多不同種類和性能的添加劑，多種護膠劑協同作用使鉆井完井液膠體體系十分穩定。經過固控設備處理后，廢漿中的固相主要是粒徑小于20μm的超細顆粒，它們與殘余的添加劑構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。通過加入適當的絮凝劑和助凝劑可以改變鉆井液體系，破壞鉆井液膠體體系，改變廢鉆井液中黏土顆粒表面性質，讓更細的顆粒產生聚結，使其在機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然是絮凝劑及其優化加量。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。分子中水化基團離解成—COO-離子，增強了分子鏈節間的靜電斥力，卷曲的分子得以伸展。而當溶液中加入酸后，使水化基團—COONa變成—COOH，不利于大分子鏈伸展，同時HPAM分子內、分子間可發生亞胺化作用，使得HPAM大分子鏈產生嚴重卷曲，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，充分體現了大分子的卷掃作用，從而實現固液分離的目的。

不同分子量的HPAM對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，這樣會增大絮凝劑的體積，給施工帶來不便。因此，建議現場選用分子量為300萬～500萬的HPAM，即能基本達到固液分離要求。另外，還可通過調節HPAM的水解度控制它的吸附、帶電、水化的能力和分子鏈形態，從而獲得不同的絮凝能力。一般來說，水解度在50%左右時，分子中的—COONa基團和—CONH基團比例剛好既能滿足溶解快的要求，又使分子整體具有較強的吸附性，試驗證實的自然出水率和抽濾出水率均可達到最大值。

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，HPAM的加量與廢鉆井液中的固相含量成線性正相關，因此，為提高絮凝脫水效率，在實施固液分離時，應先向體系加入水進行稀釋。

單一的有機絮凝劑和單一的無機絮凝劑用于處理鉆井完井廢液固液分離時均有一些缺點，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，而對以中強堿性為主的鉆井完井廢液來說，強酸是一種性能良好的廉價助凝劑。對多數絮凝劑來說，無論是有機型、無機型還是復合型，一般其最佳作用范圍均在中性附近，此處其用量相對較少，絮凝處理效果較好，且處理后的水呈中性，便于利用。但是，若想進一步提高廢棄鉆井液固液分離的質量，僅靠強酸作助凝劑是不夠的，畢竟酸不像無機絮凝劑那樣可在水中水解生成聚合態水合物，并吸附于膠體顆粒上使之脫穩。

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，這是很令人費解的。在絕大多數情況下，不加入水是不可能脫出水的。廢棄鉆井液的黏稠性嚴重地妨礙著絮凝劑在其內部的分散和絮凝，加入絮凝劑和助凝劑以前對其進行加水稀釋處理是必要的。未經稀釋的廢鉆井液無法進一步使固液分離。因為當固體顆粒上的電荷被中和或部分中和的同時，也起了破壞水化層保護膜的作用，使水化程度降低。這時，黏土顆粒開始聚結，連接成網狀結構，并把水包在網狀結構之中。稀釋加大了顆粒間的距離，加入絮凝劑之后，就減少了形成網狀結構的可能性。不同的廢液體系和脫水條件，最佳稀釋比不同。

4絮凝動力學

絮凝動力學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出水量的要求，因而才具有實際意義，所以絮凝動力學是水處理絮凝學的重要研究內容。膠體微粒間存在吸引作用，而在微粒相互接近時因雙電層的重疊又產生排斥作用，膠體的穩定性就決定于此二者的相對大小。根據DLVO理論可知，膠體之所以穩定是由于綜合位能曲線上有勢壘存在;倘若勢壘為零，每次碰撞必導致聚沉，稱為快速絮凝;若勢壘不為零，則僅有一部分碰撞會引起聚沉，稱為慢速絮凝。無論是對快速絮凝還是對慢速絮凝，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運動引起的。造成這種相對運動的原因可以是微粒的布朗運動，也可以是產生速度梯度的流體運動，前者導致的微粒聚沉稱為異向絮凝，后者導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動造成，碰撞頻率決定于微粒的熱擴散運動。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的情況下，異向絮凝過程也是極其緩慢的。依靠布朗運動的異向絮凝速度太慢，不能單獨應用，特別是當微粒相互碰撞聚集變得較大后，布朗運動就會減弱甚至停止，絮凝作用就會減弱甚至不再會發生。但是，長期以來人們觀察到，緩慢地攪動會助長絮凝，這是因為攪動會引起液體中速度梯度的形成，從而引起微粒之間的相對運動而造成微粒的相互碰撞。當體系中的粒子體積濃度太小，有可能影響其碰撞效率時，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與較慢沉降的粒子碰撞，而導致聚集，由于聚集使粒子質量增大，聚集體就會更快地沉降，并可能與其它粒子進一步碰撞和聚集，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。絮凝過程動力學的研究指出，快速絮凝和慢速絮凝的結合，以及梯度絮凝和多級串連絮凝的結合，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計提供了理論依據。通過優化絮凝動力學條件，在絮體（絮花或礬花）的形態、結構、粒度、密度、強度等方面獲得最佳組合，才能實現鉆井完井廢液強化固液分離的過程。

參考文獻：

[1]王戰衛，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.