渤海水基鉆井廢液重復利用技術研究

熊邦泰，郭曉軒，金容旭，張忠亮，董祺禹，石成輝

（中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，天津 300459）

渤海灣是我國海上油氣主要聚集區之一，同時又是內海，水體交換速度慢，一旦水體受到污染，即使治理后其生態恢復周期也相當長。因此，根據相關法律法規，對渤海灣鉆井過程中所產生的廢棄液和巖屑有著嚴格的規定，對廢棄鉆井液的處理及回收利用已經成為解決環保問題的重要途徑[1，2]。環保水基鉆井液是渤海海域主要使用的鉆井液體系[3]，結合海洋鉆井特點及海洋鉆井液體系特性，鉆井液服務商進行后續的鉆井液廢棄物處理最為適合。

中海油服油化研究院結合科研項目室內自主研發一種高效的復合型絮凝劑，不僅解決現場處理劑單一的狀況，更完善對多體系的廢棄鉆井液的處理手段。實現廢棄鉆井液液相最大化減量回用，實驗室通過分析濾液中主要元素及其含量變化，針對濾液進行預處理，處理后的全濾液配漿性能幾乎與原配方鉆井液性能無異。

1 實驗材料與儀器

NaOH（化學純，科密歐試劑，天津市科密歐化學試劑有限公司）；Na2CO3（化學純，鼎盛鑫，天津市鼎盛鑫化工有限公司）；絮凝劑PE-PCC（無機團聚劑和氯化鈣復合的無機絮凝劑），中海油服化學公司生產；檸檬酸，中海油服化學公司生產；實驗室用水為一次蒸餾水；實驗室海水為渤海灣天然海水；廢棄鉆井液為實驗室模擬的廢棄BIODRILL A 鉆井液體系。

800B 型多管架自動離心機（上海安亭科學儀器廠）；雷磁PXSJ-216F 離子計（上海儀電科學儀器股份有限公司）；六聯中壓失水儀（青島恒泰達機電設備有限公司）；OFI800 旋轉黏度計（OFI Testing Equipment,Inc.）；Aquion RFIC 陰陽離子液相色譜儀（賽默飛世爾科技（中國）有限公司）；X 射線熒光光譜儀（布魯克（北京）科技有限公司）；新星牌101 型定性0.45 μm 微孔濾膜（杭州特種紙業有限公司）；9 cm 定性濾紙（江蘇泰州市奧克濾紙廠）；超純水系統；100 mL，300 mL 燒杯若干。

2 實驗內容

2.1 絮凝濾液離子分析

為了考察絮凝后的濾液能否達到回用要求，室內首先模擬現場實際情況，對配制好的鉆井液進行了鈣土污染，再通過絮凝壓濾的方式進行濾液收集。室內濾液基本性能（見表1）。

表1 絮凝前后濾液的性能變化

結合表1 可以看出，絮凝后濾液中Ca2+含量過多，直接配漿會影響鉆井液的性能，針對這一現象，室內選用純堿對濾液中過量的Ca2+進行去除，純堿加量為0.7%。同時通過光譜儀對濾液中的其他離子含量進行分析檢測。

2.1.1 濾液主要元素及含量分析 實驗室內運用BRUKER 公司XRF 熒光光譜儀分別對A、B、C 三個濾液樣品進行元素種類及含量分析，其中A 為鉆井廢液中壓失水所得濾液；B 為絮凝壓濾后濾液；C 為純堿調質后濾液；分析結果（見表2）。

表2 濾液樣品元素種類及含量

由表2 可以看出，濾液中的主要為Na+、Cl-、Ca2+、K+、Mg2+等離子，由于BIODRILL A 體系沒有加入鉀鹽，故上述樣品中K+僅為天然海水中的含量。三批濾液的總礦化度在110 000～140 000 mg/L，且以Cl-和Na+為主。

2.1.2 濾液離子含量在絮凝過程中的變化情況 實驗室內通過賽默飛Aquion RFIC 陰陽離子液相色譜儀和雷磁PXSJ-216F 離子計系統評價了BIODRILL A 濾液在絮凝、壓濾調質過程中Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-等離子濃度變化規律。

由圖1 和圖2 看出，色譜儀和離子計均驗證Na+和Cl-在絮凝、預處理調質過程中并無損失，仍存在于濾液中，從圖3 可以看出，由于BIODRILL A 體系中沒有鉀鹽，鉀離子含量低且變化不大，絮凝調質過程并未引入鉀離子；絮凝劑PE-PCC 為鈣基絮凝劑，絮凝時濾液中會引入部分Ca2+，經過純堿調質后，濾液中Mg2+/Ca2+含量太低儀器無法測出。

圖1 氯離子變化規律

圖2 鈉離子變化規律

圖3 鉀、鈣、鎂離子變化規律

室內通過研究模擬鉆井廢液絮凝、壓濾、調質整個處理過程中的液相，分析得出濾液中主要的元素為Na+、Cl-、Ca2+、K+、Mg2+等離子，通過展示各階段離子的含量變化為濾液重復利用配漿的可行性提供數據支撐。

2.2 鉆井廢液濾液回用實驗

室內將天然海水和0.7%純堿調質后的濾液按不同比例（1:0、1:1、2:1）混和[4，5]，配制鉆井液，其濾液基本性能（見表3）。

表3 不同比例互混的濾液性能

室內按表3 中五種濾液混比配制密度為1.25 g/cm3的BIODRILL A 鉆井液，老化條件100 ℃×16 h，老化后性能對比（見圖4）。

圖4 流變性能

由圖4 可以看出，海水和濾液混比為0:1 或1:2時，AV 和YP 值與海水配制鉆井液相比差異明顯，而Φ6/Φ3 數值則明顯過低，鉆井液性能無法滿足回用要求。而海水和濾液混比為1:1 和2:1 時，鉆井液流變性能均與海水直接配制的鉆井液性能差異性較小。

由圖5 對比兩組泥餅可以看出，泥餅薄而致密，濾失量均小于4.0 mL。為提高濾液重復利用率，優先選擇海水濾液1:1 混配，等比例混配濾液配制的鉆井液性能基本滿足現場鉆井作業要求。

圖5 泥餅展示圖

2.3 濾液全回用配漿實驗評價

由于新型絮凝劑的絮凝過程需要加入燒堿，絮凝后濾液pH 過高，通過海水1:1 混配的方式，無法從根本上解決現場濾液的回用問題。為最大限度地實現渤海灣現場鉆井廢液減量化及液相循環利用，室內通過向濾液中加入檸檬酸和純堿，對其進行預處理，將Ca2+含量和pH 值控制在鉆井液配制的指標范圍內，實驗考察了濾液百分百全回用的可行性方案。對濾液進行預處理后性能（見表4）。

表4 濾液預處理離子參數變化

室內選用檸檬酸先將濾液pH 值調節至9～10，再通過加入純堿的方式去除濾液中過量的Ca2+，保證離子對回用配漿無影響。調質后濾液回用性能（見圖6）。

圖6 流變性能對比

由圖6 可以看出通過檸檬酸調節pH 值，再用純堿調節Ca2+的濾液預處理方式，配制的鉆井液老化后的AV、YP、PV 等流變性能與海水配制的鉆井液性能相同。

預處理處置工藝簡化了配漿配方，最大化利用了濾液中留存的Na+、Cl-等有益離子，處理后濾液實現全回用配制鉆井液，且老化后性能和原配方鉆井液性能差異很小，實現了現場鉆井廢液最大化循環利用。

目前CFD6-4、QHD33-1 等區塊通過新型絮凝劑的推廣應用及濾液調質的工藝方案完善，已經實現現場濾液百分百循環利用，有效減少末端處理量，降低環境風險和處理成本，解決現場作業的燃眉之急，受到作業者的一致好評，為渤海水基鉆井液廢棄物處理技術的應用推廣打下良好基礎。

3 結論

（1）室內分析了BIODRILL A 體系絮凝濾液中主要為Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+等離子，Na+、Cl-在絮凝壓濾及濾液調質過程中的變化量幾乎可以忽略，絮凝作業時濾液會引入一部分Ca2+，經過純堿調質后，回用配漿的濾液中Mg2+/Ca2+含量太低而無法測出。

（2）鉆井廢液絮凝分離的濾液，經過純堿調質后和海水按等比例混配回用，配制的鉆井液老化后的性能初步滿足現場濾液回用要求。

（3）為最大限度地實現絮凝濾液的減量化處置，對濾液進行檸檬酸和純堿預處理調質操作，簡化鉆井液配方，充分利用濾液留存的Na+、Cl-等有益離子，處理后濾液實現全回用配制鉆井液，鉆井廢液液相完全滿足循環再利用的要求。