海水鉆井液廢液處理技術(shù)研究

陳緣博 呂鵬 郭曉軒 趙志強 王秀平 喬三原

摘? ? ? 要： 海水鉆井液廢液需要進行減量化處理，必須進行固液分離。對于模擬的海水鉆井液廢液，優(yōu)選的混凝劑為PF-PCF，由一種陽離子雙子型聚丙烯酰胺（分子量300萬，陽離子度15%），使用濃度為7 500 mg/L，絮凝分離后上清液的pH=6.94，脫水率為55.7%，脫出水較清。使用Materials Studio 2017 R2軟件，分析了加入混凝劑前后，海水鉆井液廢液體系的能量絕對值由937.733 kcal/mol，降至390.518 kcal/mol，下降率為58.4%，有利于海水鉆井液廢液的固液分離。

關(guān)? 鍵? 詞：海水鉆井液廢液;混凝劑;脫水率;固液分離

中圖分類號：TQ 028.7? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）10-2273-04

Abstract： Reduction processing of seawater drilling fluid waste needs to be carried out， and solid-liquid separation is necessary. In this paper， simulated seawater drilling fluid waste was treated by 7 500 mg/L preferred coagulant PF-PCF， a cationic gemini polyacrylamide （molecular weight 3 million， cationicity 15%）. After flocculation separation， the pH of the supernatant was 6.94， the dehydration rate was 55.7%， and the water was clear. The absolute value of the energy of the seawater drilling fluid waste liquid system was analyzed by Materials Studio 2017 R2 software， it reduced from 937.733 kcal/mol to 390.518 kcal/mol， and the decrease rate was 58.4%， which was conducive to solid-liquid separation of seawater drilling fluid waste.

Key words： Seawater drilling fluid waste; Coagulant; Dehydration rate; Solid-liquid separation

隨著石油工業(yè)的快速發(fā)展，鉆井液的種類不斷增加，添加劑日益增多，使其組成極為復(fù)雜，其中有些成分對人身和環(huán)境均具有毒害作用[1-5]。渤海作為特殊的海域，隨著環(huán)保形勢的日益嚴峻，未來三年將逐步落實零排放政策，嚴格執(zhí)行陸地關(guān)于三廢國家標準及地方標準，因此，現(xiàn)場產(chǎn)生的鉆井液廢液必須通過船只運送至陸上進行處理，大量鉆井液廢液的運輸成本極高，減量化處理將是海上鉆井液廢液處理的發(fā)展趨勢，亟需解決海水鉆井液廢液固液分離及再利用難題[6，7]。本文對海水基鉆井液廢液進行固液分離，并分析了其固液分離機理[8]，通過對海水鉆井液廢液水相進行再回收利用，大幅減少鉆井廢棄物回收量[9-11]，有效降低鉆井液廢棄物回收成本，滿足環(huán)保要求和生產(chǎn)作業(yè)需求[12]。

1? 實驗材料及儀器

混凝劑PF-PCF，室內(nèi)自制，陽離子雙子型聚丙烯酰胺（分子量300萬，陽離子度15%）;混凝劑聚合氯化鋁鐵、氯化鐵、聚合氯化鋁;部分水解聚丙烯酰胺、黃原膠、海水、NaOH、NaOH、NaCl、KCl、重晶石等。

離心機、攪拌器、分析天平、pH計、Materials Studio2017R2軟件。

2? 結(jié)果與討論

2.1? 海水鉆井液廢液的配制

渤海油田應(yīng)用的KCl/PHPA 海水鉆井液體系，其基本配比見表1。

由表1可見，KCl/PHPA海水鉆井液體系中主要處理劑為部分水解聚丙烯酰胺、低黏聚陰離子纖維素、黃原膠、淀粉和膨潤土，部分水解聚丙烯酰胺是一種陰離子型聚合物，黃原膠、淀粉是一種非離子型聚合物，對于上述海水鉆井液體系的絮凝，選用室內(nèi)合成的混凝劑PF-PCF與其它三種混凝劑聚合氯化鋁鐵、氯化鐵、聚合氯化鋁進行對比。

2.2? 不同混凝劑的絮凝效果

取四只燒杯，各取60 mL模擬海水鉆井液，加入相同濃度、不同類型的混凝劑進行絮凝分離，混凝劑的種類為PF-PCF、聚合氯化鋁鐵、氯化鐵、聚合氯化鋁4種，基本配方為：60 mL模擬海水鉆井液+4 mL濃度為100 000 mg/L的混凝劑溶液，模擬海水鉆井液廢液中加入混凝劑后，攪勻，體系中混凝劑的濃度為6 250 mg/L。將四組實驗離心，如圖1所示。

由圖1可見，當(dāng)混凝劑濃度相同時，PF-PCF可以實現(xiàn)模擬海水鉆井液廢液固液完全分離，在同等濃度下其余三種混凝劑的絮凝效果并不理想。取出離心得到的上清液（見圖2），分別測定上清液的體積、pH值，計算脫水率，結(jié)果見表2。脫水率=（上清液體積-加入溶液體積）/處理的鉆井液廢液體積。

由表2可見，直接用混凝劑進行絮凝的模擬海水鉆井液廢液，PF-PCF在濃度為6 250 mg/L有良好的絮凝分離效果，在同等濃度下，其余混凝劑可以絮凝沉降鉆井液廢液中的部分固體，但并不能使固液完全分離。

2.3? 混凝劑PF-PCF使用濃度的測定

取4只燒杯，各取60 mL模擬海水鉆井液廢液，分別加入相同體積、不同濃度的PF-PCF溶液，具體配方如下：

60 mL鉆井液廢液+4 mL濃度分別為60 000、80 000、100 000、120 000 mg/L的PF-PCF溶液，攪勻。

此時體系1-4號中混凝劑PF-PCF的濃度分別為3 750、5 000、6 250、7 500 mg/L。將四組實驗離心，如圖3所示。

由圖3可見，當(dāng)PF-PCF的濃度達到6 250 mg/L時，才能取得較好的絮凝效果。隨著濃度升高，絮凝分離得到的上清液更加清澈。取出離心得到的上清液，測定各項數(shù)據(jù)，如表3所示。

由表3可見，當(dāng)體系中PF-PCF濃度達到6 250 mg/L時，就可以實現(xiàn)固液分離，且隨著濃度升高，固液分離的脫水率也有一定程度的升高。選擇使用PF-PCF濃度為7 500 mg/L，絮凝分離后上清液的pH=6.94，脫水率為55.7%，脫出水較清。

2.4? 海水鉆井液廢液脫穩(wěn)機理

模擬使用Materials Studio2017R2軟件，通過Geometry Optimization 工具對部分水解聚丙烯酰胺單分子模型進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選擇Compass（Version2.8）力場，靜電作用和范德華作用分別采用Ewald和Atom-based求和方法，使用Smart Minimization算法使分子達到能量最小化模型。部分水解聚丙烯酰胺單分子模型如圖4所示[19]。

采用Forcite模塊中的Dynamics工具對優(yōu)化好的圖層進行計算，選擇Ensemble為NVT（正則系綜），Temperature：278 K，Time Step：1 fs，Total Simulation Time：500 ps，Number of Steps：5 000，在Compass力場下進行分子動力學(xué)模擬，對每個模型重復(fù)多次計算，使每組數(shù)據(jù)的偏差在5%之內(nèi)。

2個部分水解聚丙烯酰胺分子與100個水分子進行結(jié)合，其構(gòu)象模型如圖5所示。

使用Materials Studio2017R2軟件對上述分子構(gòu)象中的能量進行模擬，數(shù)據(jù)如表4所示。

兩個部分水解聚丙烯酰胺分子、一個混凝劑分子與水分子以2∶1∶100構(gòu)建模型如圖6所示。

使用Materials Studio2017R2軟件對上述分子構(gòu)象中的能量進行模擬，數(shù)據(jù)如表5所示。

對比表4、表5中能量的變化，在加入混凝劑前，部分水解聚丙烯酰胺與水分子體系的總能量為-937.733 kcal/mol，加入混凝劑后，此混合體系的總能量為-390.518 kcal/mol，體系中能量的絕對值下降了547.215 kcal/mol，下降率為58.4%。體系能量的下降導(dǎo)致兩個部分水解聚丙烯酰胺分子相互靠近時，排斥能減小，體系不穩(wěn)定，發(fā)生絮凝。同樣可知，當(dāng)部分水解聚丙烯酰胺吸附混凝劑時，由于部分水解聚丙烯酰胺帶負電荷，而混凝劑帶正電荷，當(dāng)二者吸附后，部分正電荷與負電荷發(fā)生電性中和，使部分水解聚丙烯酰胺的負電荷減少，ξ電位降低，導(dǎo)致兩個部分水解聚丙烯酰胺分子之間的斥力減小。

綜合兩個部分水解聚丙烯酰胺分子間能量與ξ電位的變化，都呈現(xiàn)出降低的趨勢，因此兩個部分水解聚丙烯酰胺分子相互靠近，易于聚集，海水鉆井液廢液的穩(wěn)定性下降，產(chǎn)生絮凝。

3? 結(jié) 論

（1）通過對比實驗，對于海水鉆井液廢液，優(yōu)選的混凝劑為PF-PCF，濃度為7 500 mg/L，絮凝分離后上清液的pH=6.94，脫水率為55.7%，脫出水較清。

（2）Materials Studio2017R2軟件，分析了加入混凝劑前后，海水鉆井液廢液體系的能量絕對值由937.733 kcal/mol，降至390.518 kcal/mol，下降率為58.4%，有利于海水鉆井液廢液的固液分離。

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