廢水基鉆井液中固相顆粒電吸附選擇性實驗

許毓 劉曉輝 馬瀅 謝水祥 任雯 張明棟 仝坤

1. 石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室；2. 中國石油集團安全環保技術研究院有限公司

廢鉆井液是油氣勘探開發鉆井作業的主要廢棄物之一，目前的處理方式以固化填埋、破膠脫穩固液分離等方式為主，其中固化填埋存在環境風險，固液分離后的廢水含有絮凝劑等污染物，影響再配漿性能，再利用率低。開發廢鉆井液再生回用技術及裝置，提高廢水基鉆井液循環利用和再生回用率，是應對日益嚴格的環保新要求、鉆井廢物處理技術升級和提升油田企業鉆井環境風險防控能力的迫切需要。

國內研究人員通過多年鉆井廢物隨鉆不落地資源化技術研究［1-2］，形成了“水基鉆井廢物分離-固相資源化”、“水基鉆井廢物破膠壓濾-固相資源化”兩套工藝和設備技術，主要通過高頻干燥篩、離心機、板框壓濾機等實現鉆井廢棄物固液分離，但這些設備主要是去除廢鉆井液中粒徑較大的鉆屑。為此開展電吸附處理廢鉆井液研究，去除超細微固相顆粒，從而提高回收的鉆井液性能，提升廢鉆井液的再生回用循環利用率。

在前期廢鉆井液電化學吸附靜態室內實驗的研究成果基礎上［3-4］，研制出一套廢水基鉆井液動態電吸附裝置［5］，開展了動態模擬條件下對廢鉆井液中固相顆粒選擇性吸附實驗研究，考察了對固相顆粒的吸附效果、裝置運行穩定性和適用性，為廢鉆井液電吸附工藝開發和實驗裝置優化升級改造提供技術支持。

1 動態電吸附裝置

動態電吸附裝置利用電解槽內電極板的電化學吸附作用，有效去除廢鉆井液中的劣質固相和超細微顆粒，以實現廢水基鉆井液循環利用。該裝置主要由輸送、電化學吸附、刮泥、自控、廢氣吸風等5個單元組成，物料儲存罐容積為30 L，電吸附儲存容量為20 L，設計物料流量3～5 L/h，運行電流0～12 A，運行電壓0～60 V。裝置設計成雙通道模式，一用一備。

廢水基鉆井液動態電吸附裝置的工藝流程見圖1。以裝置左側部分工作為例，將廢鉆井液儲存在鉆井液儲存罐1中，由泥漿泵1泵入電化學吸附器1的電解槽中；經處理之后的廢鉆井液自流進入吸附后鉆井液儲存罐1；沉積在電極上的污泥，被刮泥機械刮掉，并推出電解槽進入刮出泥儲存罐1，電化學吸附器1的底泥通過排泥管線排入刮出泥儲存罐中。電化學吸附器1中產生的廢氣，通過風機輸送至廢氣吸收器中，吸收后排入大氣。

圖1 廢水基鉆井液動態電吸附裝置工藝流程示意圖Fig. 1 Schematic process flow of dynamic electrosorption device of waste water based drilling fluid

2 室內實驗

2.1 實驗樣品制備

膨潤土鉆井液配制：在自來水(60～80 ℃)中，先加入6%優級工業膨潤土，用配漿機低速攪拌24 h；再加入0.2%工業級無水Na2CO3，用配漿機3000 r/min高速連續攪拌24 h，靜置24 h后，備用。

含鉆屑膨潤土鉆井液配制：將從鉆井現場取得的聚磺鉆屑自然晾干7 d，用球磨機研磨，過200目篩備用。實驗時，分別按照0%、1%、3%、5%、7%、9%不同比例，加入膨潤土鉆井液中，配漿機在3000 r/min條件下連續攪拌1 h后，備用。

2.2 實驗儀器設備

廢水基鉆井液動態電吸附實驗裝置(自制)，PJ-10L翻轉式配漿機(青島海通達專用儀器有限公司)，Mastersizer 2000激光粒度儀(英國馬爾文儀器有限公司)，F-P2000高能行星式球磨機(湖南弗卡斯實驗儀器有限公司)，六速旋轉黏度計(青島海通達專用儀器有限公司)，烘箱(北京市永光明醫療儀器有限公司)，WXJMB-02微型精密電熱板(北京市永光明醫療儀器有限公司)，天平等。

2.3 實驗方法

2.3.1 電吸附方法

在前期廢鉆井液電化學吸附機理研究、方法研究、靜態室內實驗的研究成果基礎上［3-5］，利用自制電吸附裝置，吸附電壓設為12 V［5］，在2、5、10、15、20、30 min不同吸附時間條件下，考察含不同比例鉆屑的廢鉆井液電吸附前后的流變性能、膨潤土當量、粒度分布的變化情況［6-9］。

2.3.2 鉆井液性能指標測試方法

流變性的主要性能參數表觀黏度AV、塑性黏度PV、動切力YP和膨潤土當量EBE參照GB/T16783.1?2014 《石油天然氣工業 鉆井液現場測試第1部分：水基鉆井液》中相關內容進行測試分析。鉆井液的固相顆粒粒度分布利用激光粒度分析儀進行測試分析。

3 實驗結果與討論

3.1 電吸附對膨潤土基漿的影響

圖2是電吸附對膨潤土鉆井液粒度分布的影響，可以看出，膨潤土鉆井液的固相顆粒主要分布在1～200 μm之間，隨吸附時間增加，粒徑分布沒有明顯偏移；小于10 μm的固相顆粒在吸附過程中，粒徑分布體積比有增加；吸附10 min時，30～100 μm之間的粒徑分布體積比有降低；吸附30 min時，粒徑分布曲線右移，大于10 μm的固相顆粒體積比有提高。結果表明，電吸附對膨潤土鉆井液的粒徑分布有影響，但未產生大量分解和吸附作用，不影響膨潤土鉆井液的穩定性。

圖2 電吸附對膨潤土鉆井液粒度分布的影響Fig. 2 Influence of electrosorption on the particle size distribution of bentonite drilling fluid

圖3是電吸附對膨潤土基漿膨潤土當量的影響，可以看出，吸附時間5 min時EBE達最大43.46 kg/m3后，比原鉆井液EBE增加7.02%；隨吸附時間增加，EBE逐漸降低至37.76 kg/m3，比原鉆井液EBE降低7.01%。結果表明，增加吸附時間，電極板上吸附的膨潤土顆粒逐漸增加，導致鉆井液中膨潤土含量降低，但總體對EBE影響較小。

圖3 電吸附對膨潤土基漿膨潤土當量的影響Fig. 3 Influence of electrosorption on the bentonite equivalent of bentonite base slurry

圖4是電吸附對膨潤土基礎漿流變性的影響趨勢，可以看出，吸附時間達5 min時，AV、PV、YP值未發生變化；當吸附時間達10 min時，AV、PV值出現下降的趨勢，YP未發生明顯變化；吸附時間達15 min時，AV、PV值呈上升趨勢，YP值呈下降趨勢；吸附時間20～30 min，YP值呈上升趨勢回歸原液指標狀態，黏度指標呈下降趨勢，但比吸附前原液指標高。隨著吸附時間增加，AV、PV、YP整體呈增加趨勢,反映出廢鉆井液電吸附后的水化能力增強。

圖4 電吸附對膨潤土基礎漿流變性的影響Fig. 4 Influence of electrosorption on the rheological property of bentonite base slurry

3.2 不同鉆屑加量對電吸附效果影響

3.2.1 粒度分布

圖5是電吸附對不同含量鉆屑鉆井液粒度分布的影響，可以看出，含1%鉆屑鉆井液電吸附效果不明顯，粒度分布未發生明顯偏移和體積變化波動，小于4 μm顆粒體積比有少量降低，4～30 μm顆粒體積比有少量的增加，30～200 μm顆粒體積比有少量降低。含3%鉆屑鉆井液的電吸附效果較明顯(由于模擬配制鉆井液時取樣不均衡，造成未吸附前曲線的粒徑分布范圍0～40 μm，吸附后粒徑分布范圍增加0～200 μm)，小于30 μm的顆粒分布體積比明顯降低，30～200 μm的顆粒體積比明顯升高。含5%鉆屑鉆井液的電吸附效果較明顯，粒徑分布范圍變寬，增加了0～1 μm粒徑的分布，1～200 μm粒徑分布體積比明顯降低，粒徑分布曲線明顯偏移。含7%鉆屑鉆井液的電吸附效果較明顯，0～1 μm粒徑分布體積有增加趨勢；隨吸附時間不同，1～200 μm粒徑分布體積比有增加有減小，變化明顯。含9%鉆屑鉆井液電吸附效果不明顯，粒度分布未發生明顯偏移和體積變化波動，0.1～30 μm粒徑分布體積比有增加，30～200 μm粒徑分布體積比有降低。

圖5 電吸附對不同含量鉆屑鉆井液粒度分布的影響Fig. 5 Influence of electrosorption on the particle size distribution of drilling fluid with different cuttings contents

分析結果表明，鉆井液鉆屑含量不同，電吸附效果也不同。鉆井液中的鉆屑顆粒在含量達到1%和9%時，電吸附效果不明顯；鉆屑含量處于3%～7%時，電吸附效果較明顯，尤其是低于30 μm以下顆粒吸附效果顯著。鉆屑含量處于5%～7%時，電極板吸附的鉆屑接近飽和量，部分粒徑1 μm以下殘留，粒徑分布出現了雙峰，說明電吸附對于細小顆粒的吸附作用比較大，而對于較大固體顆粒吸附效果不明顯。

3.2.2 膨潤土當量

圖6是電吸附對不同含量鉆屑鉆井液EBE的影響，可以看出，EBE變化趨勢不同。含1%鉆屑的鉆井液電吸附后，EBE總體呈降低趨勢，但減少幅度小，在吸附10 min時，EBE較原液小幅度增加；含3%鉆屑的鉆井液電吸附后，隨著時間增加，EBE先下降后增加至62.70 kg/m3，吸附30 min時降低至34.91 kg/m3；含5%鉆屑鉆井液電吸附后，EBE前5 min呈增加趨勢，但幅度小，吸附達10 min時，大幅度降低至31.35 kg/m3后又逐步增加；含7%鉆屑鉆井液電吸附后，變化波動大，吸附5 min時，EBE降低幅度最大；含9%鉆屑的鉆井液電吸附后，EBE變化幅度小。

圖6 電吸附對不同含量鉆屑鉆井液EBE的影響Fig. 6 Influence of electrosorption on the EBE of drilling fluid with different cuttings contents

從以上分析可以看出，鉆井液中的鉆屑顆粒在含量為1%和9%時，電吸附對EBE影響不大；鉆屑含量7%時，吸附時間5 min和20 min時，EBE降低幅度最大；鉆屑含量5%時，吸附時間10min時EBE降低幅度最大；鉆屑含量3%時，吸附時間20 min時，EBE升高幅度最大。實驗結果表明：鉆屑含量極少時，鉆井液中膨潤土含量高，體系均勻分散穩定，膨潤土所帶負電荷占主導，電極板對鉆屑吸附量減少，EBE總體呈下降趨勢；鉆屑含量極高時，鉆屑所帶電荷為主導，電極板吸附鉆屑為主，吸附極少量膨潤土，由于實驗電極板的吸附面積、吸附時間和刮泥時間等因素影響，電極板吸附鉆屑接近飽和量，吸附鉆屑量占總的鉆屑量比例小，電吸附效果也不明顯；電吸附時間和鉆屑含量對鉆井液EBE有直接影響，鉆屑含量極少和極高的鉆井液，電吸附效果不明顯，含適量鉆屑鉆井液電吸附需選擇影響最小的吸附時間，從而保證鉆井液的穩定性。

3.2.3 鉆井液流變性

圖7是電吸附對不同含量鉆屑鉆井液流變性的影響，可以看出，電吸附對AV、PV、YP影響不同。表觀黏度整體變化相對幅度較小，含1%、3%、5%鉆屑的鉆井液表觀黏度總體呈升高趨勢；含7%鉆屑的鉆井液表觀黏度在吸附5 min時出現大幅下降，隨著時間再增加，趨于原黏度指標；含9%鉆屑的鉆井液表觀黏度總體有下降趨勢。 塑性黏度整體變化相對幅度較小，含3%、5%、9%鉆屑的鉆井液塑性黏度總體呈下降趨勢，含1%、7%鉆屑的鉆井液塑性黏度總體呈上升趨勢。動切力整體變化相對幅度較小，含1%、3%、7%鉆屑的鉆井液動切力總體呈上升趨勢，含5%、9%鉆屑的鉆井液動切力總體呈下降趨勢。

圖7 電吸附對不同含量鉆屑鉆井液流變性的影響Fig. 7 Influence of electrosorption on the rheological property of drilling fluid with different cuttings contents

3.3 不同吸附時間對電吸附效果影響

(1)粒徑分布。綜合分析上述實驗結果，針對30 μm及以下劣質固相顆粒，含1%和9%鉆屑鉆井液，隨著吸附時間增加，粒徑分布變化不明顯，吸附5 min為最佳時間；含3%鉆屑鉆井液，5～30 min電吸附效果都很好， 20 min為最佳吸附時間；含5%和7%鉆屑鉆井液，5～30 min電吸附效果都很好，30 min為最佳吸附時間。

(2)膨潤土當量。鉆井液中的鉆屑顆粒在含量達到極少(1%)和極多(9%)2種極限狀態時，電吸附對EBE影響不大；鉆屑含量7%時，吸附時間為5 min和20 min時，EBE降低幅度最大；鉆屑含量5%時，吸附10 min時EBE降低幅度最大；鉆屑含量3%時，吸附20 min時EBE升高幅度最大。說明電吸附時間和鉆屑含量對鉆井液膨潤土當量有直接影響，為了保持膨潤土鉆井液的穩定性，需要選擇影響EBE最小的吸附時間。

(3)鉆井液流變性。電吸附時間對鉆井液流變性的影響很小。

4 結論

(1)電吸附工藝對膨潤土鉆井液中的鉆屑顆粒具有選擇性吸附作用，對細小鉆屑顆粒的吸附作用比較大，而對于較大固體顆粒吸附效果不明顯，且對膨潤土鉆井液的流變性、膨潤土當量等性能指標影響不大。

(2)電吸附對不同鉆屑加量鉆井液的固相顆粒吸附效果不同，適量鉆屑含量(3%～7%)電吸附效果較明顯。電吸附時間實驗條件選擇時，在吸附效果同等條件下，須選擇對膨潤土當量和鉆井液流變性影響最小的時間條件，從而保證吸附后鉆井液的最佳性能，并同時實現處理成本最小化。

(3)電吸附工藝能有效剔除鉆井液中的劣質固相，保持了膨潤土鉆井液的穩定性，提高鉆井液回用性能指標，是提高水基鉆井廢物循環利用和資源化利用率的有效途徑。但應進一步研究電吸附工藝對聚合物、聚合物-KCl、聚磺等不同鉆井液體系、不同組成特性的廢鉆井液的適應性，以及不同電極板的處理效果、電化學吸附技術穩定性、經濟性等影響因素的考察，為電化學處理廢鉆井液工藝完善提供基礎實驗依據。