李斌

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710302）

油田水基含油廢棄鉆井液化學(xué)脫水工藝研究

李斌

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，陜西西安710302）

對油田水基含油廢棄鉆井液，進行稀釋、酸化、氣浮、混凝處理，通過表征廢棄鉆井液的比阻和分離液的濁度，獲取了實際工程所需的工藝參數(shù)。最佳工藝為：廢棄鉆井液稀釋倍數(shù)為2，pH值為6.5，曝氣15min，除去上層浮油，破膠劑的投加量為1.2%，絮凝劑的投加量為0.5‰。該工藝可破壞水基含油廢棄鉆井液的穩(wěn)定體系，獲得較好的脫水效果，固液分離后出水率為50%～60%，泥餅無返漿能力。

含油廢棄鉆井液；除油；混凝；脫水

在石油鉆井過程中，鉆井液（又稱鉆井泥漿）被譽為鉆井的血液［1］，起著保護井壁、攜帶鉆屑、平衡地層壓力、清洗井底、冷卻潤滑鉆具及傳遞動力等作用［2］。廢棄鉆井液是由污水、化學(xué)處理劑、加重材料、粘土、污油等組成的穩(wěn)定膠態(tài)懸浮體系［3］；對環(huán)境造成危害的物質(zhì)主要有重金屬離子、聚合物、烴類、瀝青改性物及鹽類等［4］；具有較高的COD濃度、礦化度、石油類等，是石油鉆井生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的最主要的污染物之一［5］。

當(dāng)鉆井深度超過4000m以后，由于地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，要求有更好的降濾失性，因此，鉆井液體系中潤滑劑（柴油或原油）、頁巖抑制劑（氧化瀝青或磺化瀝青）以及堵漏劑（木屑）等組分含量都會逐步提高［6］。由此導(dǎo)致外排的廢棄鉆井液中石油類物質(zhì)的含量比淺層鉆井高，高剪切力作用進一步加劇了廢棄鉆井液的穩(wěn)定性，脫水變得越發(fā)困難［7-9］。提高藥劑的投加量，脫水效果依然不會有明顯的改變，固液分離后的泥餅含油率高，且難以成形。本文基于對混凝技術(shù)的研究與應(yīng)用實踐，對油氣田深度鉆井時產(chǎn)生的水基高含油廢棄鉆井液樣品，先行稀釋、酸化、氣浮降低石油類物質(zhì)含量，然后再進行藥劑調(diào)理，調(diào)理后的廢棄鉆井液脫水性能顯著提高，該工藝突破了水基含油廢棄鉆井液難以脫水的技術(shù)瓶頸，為固液分離技術(shù)應(yīng)用供了依據(jù)。

1　實驗部分

1.1材料與儀器

廢棄鉆井液試樣（黑褐色粘稠狀，油含量5%～15%，泥沙含量20%～30%，pH值9～11，水含量70%～90%）；自制破膠助劑XJ-2（無色透明液體，Al2O3含量20%～24%，白色粉末狀，pH值3～5）；陽離子聚丙烯酰胺（白色粉末，分子量800萬）；含水率、含油率測定用系列試劑。

EP900型紅外分光測油儀（北京博海星源科技有限公司）；KWB-1型空壓機（杭州科偉有限公司）；馬弗爐（泰州市駿前電熱器材有限公司）；分水器及其它常規(guī)玻璃儀器。

1.2實驗方法

取定量含油廢棄鉆井液，加水稀釋，調(diào)節(jié)pH值，攪拌后曝氣，進行石油類物質(zhì)的氣浮分離，撇去廢棄鉆井液混合液上層石油類物質(zhì)，加入適量破膠劑及絮凝劑進行調(diào)理，調(diào)理后的廢棄鉆井液混合液進行脫水試驗。以比阻和分離液濁度作為脫水性能考察指標(biāo)。

1.3分析檢測方法

廢棄鉆井液含油率的測定采用紅外分光光度法測定；含水率的測定采用甲苯回流帶水法；廢棄鉆井液脫水后濁度采用分光光度法測定；廢棄鉆井液比阻按照污泥比阻方法進行測定；破膠劑采用ZnO滴定法測定。

2　結(jié)果與討論

2.1廢棄鉆井液除油特性研究

研究表明，廢棄鉆井液中的石油類物質(zhì)含量對其脫水性能起著至關(guān)重要的作用［10］，含油率越低，廢棄鉆井液脫水性能越好。廢棄鉆井液采用帶式壓濾機進行真空過濾時，其中的膠質(zhì)、石蠟、瀝青質(zhì)等石油類物質(zhì)會在脫水的過程中性質(zhì)發(fā)生改變，使過濾的比阻增加；石油類物質(zhì)若黏附在濾料上，會使濾孔堵塞，降低真空過濾效率。采用離心機脫水時，石油類物質(zhì)會與鉆屑中的沙土粘附在一起，使其密度降低，分離效果變差，設(shè)備運行效率顯著降低。綜上所述，要提高含油廢棄鉆井液脫水性能，首先要實現(xiàn)石油類物質(zhì)高效分離，再配合混凝工藝，才能達到良好的脫水效果。

2.1.1稀釋倍數(shù)對含油率影響鉆井過程中產(chǎn)生的水基廢棄鉆井液，同時具有較高的粘度，廢棄物在采出過程中，石油類物質(zhì)與鉆屑緊密結(jié)合，發(fā)生嚴重的乳化作用。針對上述情況，取定量廢棄鉆井液，加入H2SO4調(diào)節(jié)試樣的pH值為6.5，采用曝氣裝置處理15min，加水進行稀釋，考察不同稀釋倍數(shù)下廢棄泥漿的含油率。

由圖1可知，增大稀釋倍數(shù)，廢棄鉆井液的含油率逐漸下降。當(dāng)稀釋倍數(shù)超過2時，下降趨勢逐漸減緩。這是由于加水后，廢棄鉆井液的粘度和密度迅速降低，膠體顆粒間的距離逐漸加大，降形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的概率降低，與石油類物質(zhì)的結(jié)合力減弱，從而使得廢棄鉆井液的含油率降低［9］。綜合考慮廢棄鉆井液的處理量和除油效果，最佳稀釋倍數(shù)為2。

圖1　稀釋倍數(shù)對含油率的影響Fig.1 Influence of dilution ratio on oil content

2.1.2pH值對含油率的影響在鉆井過程中，為了提高廢棄鉆井液性能，往往要在鉆井液中加入了堿性物質(zhì)（如NaOH、CaCO3、KOH），結(jié)果導(dǎo)致廢棄鉆井液pH值偏高，通常高于10［9］。而在強堿性環(huán)境下，廢棄鉆井液中的石油類物質(zhì)會與鉆屑中的粘土顆粒等發(fā)生自乳化作用，進一步增加了體系的穩(wěn)定性，加大了石油類物質(zhì)脫除的難度［10］。取一定量試樣，加水2倍體積的水進行稀釋，采用曝氣裝置汽浮15min，考察不同pH值下廢棄鉆井液的含油率情況。

圖2　pH對含油率的影響Fig.2 Influence of pH on oil content

由圖2可知，廢棄鉆井液含油率隨體系pH值的下降而逐漸降低，當(dāng)pH到達6.5時，廢棄鉆井液含油率降至2%左右。這主要是因為加入H2SO4后，H+與廢棄鉆井液中的羧基結(jié)合，使體系的自乳化作用逐漸減弱，同時H+會使得體系中的分散劑失效，進一步降低了體系的穩(wěn)定性，使石油類物質(zhì)易于脫除。綜合考慮廢棄鉆井液的除油效率及設(shè)備腐蝕等因素，最佳pH值為6.5。

2.1.3曝氣時間對含油率的影響石油鉆井過程中為了提高鉆井液的性能，通常向其中加入一定量的石油類物質(zhì)，這些物質(zhì)會與廢棄鉆井液中的鉆屑、高分子分散劑作用，發(fā)生乳化反應(yīng)，使得固相粒子的直徑大多在2μm以下，此時會形成穩(wěn)定較高的多組分膠體分散體系，采取普通的攪拌很難將廢棄鉆井液中的石油類物質(zhì)分離出來。研究表明，采用曝氣裝置能夠較好的實現(xiàn)石油類物質(zhì)的分離。取定一定量試樣，稀釋倍數(shù)為2，采用硫酸調(diào)節(jié)pH值至6.5，考察不同曝氣時間對廢棄鉆井液含油率的影響。

圖3　曝氣時間對含油率的影響Fig.3Influenceofaerationtimeonoilcontent

由圖3可知，逐漸增加曝氣時間，試樣的含油率逐漸下降，當(dāng)曝氣時間超過10min后，廢棄鉆井液含油率變化逐漸趨于平緩。這是因為采用曝氣裝置后，會產(chǎn)生大量的微氣泡，試樣中的石油類物質(zhì)附著在氣泡上，隨著氣泡上浮試樣中的石油類物質(zhì)被氣泡帶到液面上層，下層廢棄鉆井液中含油率顯著下降?？紤]到時間過長會增加能耗。因此，最佳曝氣時間為15min，此時，廢棄鉆井液中的石油類物質(zhì)的含量低于1.0%。

2.2廢棄鉆井液的脫水性能

2.2.1廢棄鉆井液含油率對脫水性能的影響鉆井現(xiàn)場通常采用帶式壓濾機對廢棄鉆井液進行脫水分離，若石油類物質(zhì)含量偏高，會降低設(shè)備分離效率、影響系統(tǒng)正常運行。配置不同含油率的廢棄鉆井液，分別加入1.2%破膠劑快速攪拌，然后加入0.5‰絮凝劑緩慢攪拌，考察石油類物質(zhì)的含量對廢棄鉆井液脫水性能的影響。

圖4　含油率對廢棄鉆井液脫水性能的影響Fig.4Influenceoftheoilcontentonwaste drillingmuddehydrationperformance

由圖4可知，比阻和濁度隨著含油率的降低逐漸減小，當(dāng)廢棄鉆井液的含油率為1.5%時，廢棄鉆井液比阻降至0.6×109·s2·g-1，濁度的去除率達到53.7%，脫水性能顯著提高，當(dāng)廢棄鉆井液的含油率低于1.5%時，濁度和比阻變化不明顯。因此，應(yīng)控制廢棄鉆井液的含油率在1.5%以下。當(dāng)稀釋倍數(shù)為2，pH值為6.5，曝氣15min，廢棄鉆井液含油率降至0.7%以下，符合最佳含油率的要求。

2.2.2破膠劑對廢棄鉆井液脫水性能的影響廢棄鉆井液中存在大量的黏土顆粒，這些顆粒之間會發(fā)生晶格取代作用，使得體系具有較高的Zeta電位，穩(wěn)定性較高，脫水困難［11，12］。取定量廢棄鉆井液，稀釋倍數(shù)2、pH值為6.5，曝氣15min，投加0.5‰的絮凝劑，考察不同破膠劑的投加量對廢棄鉆井液脫水性能的影響。

圖5　破膠劑對脫水性能的影響Fig.5Influenceofbreakingagentonwaste drillingmuddehydrationperformance

由圖5可知，隨著破膠劑的投加量增大，廢棄鉆井液的比阻和濁度迅速減小，當(dāng)破膠劑的投加量為1.2%時，比阻小于0.5×109·s2·g-1，繼續(xù)增加投加量，比阻和濁度基本不變。這是因為加入破膠劑后會發(fā)生電離，電離出的高價態(tài)金屬陽離子，與廢棄鉆井液帶負電荷的膠體顆粒之間發(fā)生相互作用，壓縮了膠體顆粒表面的雙電層，導(dǎo)致Zeta電位降低，進而使廢棄鉆井液得穩(wěn)定性減弱［13］，同時破膠劑與廢棄鉆井液中剩余石油類物質(zhì)反應(yīng)，增加破乳效果，廢棄鉆井液的脫水性能得到改善。因此，破膠劑的最佳投加量為1.2%。

2.2.3絮凝劑對廢棄鉆井液脫水性能的影響含油廢棄鉆井液一般為陰離子體系，因此選用陽離子絮凝劑。取定量廢棄鉆井液，稀釋倍數(shù)為2、調(diào)解pH值至6.5，曝氣15min，投加1.2%的破膠劑，考察絮凝劑對廢棄鉆井液脫水性能的影響。

圖6　絮凝劑對脫水性能的影響Fig.6 Influence of flocculanton waste drillingmud dehydration performance

由圖6可知，逐漸增加絮凝劑投加量，比阻和濁度均降低，投加量為0.5‰時，比阻和濁度降至最低值，脫水效果最佳，繼續(xù)增加投加量，比阻和濁度反而升高。這是因為廢棄鉆井液加入絮凝劑后，絮凝劑的長鏈通過架橋方式將多個膠粒束縛在聚合物分子的活性鏈節(jié)及尾端的活性基團上［14］，使得廢棄鉆井液中的小顆粒轉(zhuǎn)化成橋聯(lián)狀的粗大絮體，比阻和濁度減小，脫水性能得到顯著的改善［15］。當(dāng)絮凝劑的投加量超過最佳投加量時，濁度和比阻均成上升趨勢，這是因為絮凝劑高分子鏈自身會發(fā)生了交聯(lián)、卷曲，將體系中的水包裹起來，使脫水變的效果變差。因此，絮凝劑的最佳投加量為0.5‰。

2.2.4綜合實驗常溫、常壓條件下，取一定量廢棄鉆井液，稀釋比2，pH值為6.5，曝氣15min，投加1.2%的破膠劑、0.5‰的絮凝劑，重復(fù)進行3次試驗，結(jié)果見表1。

表1　優(yōu)化條件下脫水效果Tab.1 Best condition of dehydration effect

由表1可知，在最佳條件下，比阻小于0.5× 109·s2·g-1，濁度低于《國家污水綜合排放標(biāo)準》GB8978-1996二級標(biāo)準限值，固液分離后泥餅含水率在40%～45%之間，無返漿能力。

3　結(jié)論

先采用稀釋、酸化、曝氣相組合的工藝降低廢棄鉆井液中石油類物質(zhì)的含量，再輔以混凝技術(shù)來處理水基含油廢棄鉆井液，獲得了較好的脫水效果。優(yōu)化后的工藝參數(shù)為，稀釋倍數(shù)2，pH值為6.5，曝氣15min，廢棄鉆井液中的含油率低于1%；破膠劑的投加量為1.2%，絮凝劑的投加量為0.5‰的。該工藝條件下，水基含油廢棄鉆井液脫水速度快、出水濁度低、混凝殘渣無返漿能力，符合工業(yè)化要求。

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Craft research on dewatering of tarim oilfield water-base oilinessw aste drilling

LIBin
（College of Chemical Engineering Department，Shaanxi Institute of Technology，Xi'an 710302，China）

Water-base oilinesswaste drilling from one of toil field was used as the sample for dilution，floating，acidification，coagulation treatment.Dewatering was characterized by specific resistance and separation of liquid turbidity，and the practical parameters for engineering projectwas obtained.The best condition is that waste drilling diluted by the quality of 2 times volume ofwater，adjusted pH to 6.5，aeration 15m ins，removed the upper floating oil.Gel breaker dosage is 1.2%，flocculant dosage is 0.5‰.This craft could completely destroy the colloidal system of waste drilling.The vacuum dewatering rate increased to 50%～60%，and themud cake lostmud ability.

oilinesswaste drilling；pretreatment；coagulation；dewatering

TE254.2

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20160946

2016-06-02

李斌（1987-），男，助教，碩士，2013年畢業(yè)于陜西科技大學(xué)，化學(xué)專業(yè)（石油化工方向），現(xiàn)主要從事石油化工及其助劑的研究。