钻井废弃泥浆分类处理技术研究

钻井废弃泥浆分类处理技术研究

赵诚,李艳芳,马志超,窦书铭

大港油田石油工程研究院 大港油田第一采油厂 渤海钻探工程公司300280

【文章摘要】：大港油田的钻井分布范围较广，各个片区所使用的泥浆添加剂组分也不相同，本文通过对大港油田产生的废弃钻井泥浆进行性质的分析，拟通过化学固液分离技术对其进行分类处理研究，通过调节泥浆的胶体状态，利用化学胶体的凝聚、破胶、助凝机理对其进行固液分离，降低固相含水量，提高泥饼固含量。

【关键词】钻井废弃泥浆；破胶；滤饼；重金属；分类处理

1钻井废弃泥浆概况

1.1国外废弃钻井泥浆的技术现状

目前全球油田工艺对废弃钻井泥浆的无害化处理技术仍采取“因地制宜”的方针，即因油井所处国家、地区、钻井公司的不同，使用不同的处理技术。主要的技术有：自然晾晒或风干物理处理技术、化学固化或化学固液分离化学处理技术、生物修复技术、钻井泥浆回收利用技术、国外井下作业污染控制技术、回注或地下灌注技术等。在废弃钻井泥浆处理设备的发展中，日本是采用随钻处理的国家。

1.2国内废弃钻井泥浆的技术现状

在废弃钻井泥浆处理技术的研究中，我国是从上世纪80年代才开始引起注意并开始探索【1】。油井数量的不断增长，导致废弃钻井泥浆的数量也急剧增多，而国家对废弃泥浆的排放要求并未变低，反而越来越严格，提倡油田尽可能的做到无害化排放或零排放，所以国内各大油田开始认识到这些废弃物的严重性，纷纷根据自身的生产条件与相关研究数据采取了各种不同的处理方法，其中最常用的处理方法或技术有以下八种【2】：固化法、固液分离法、运输转移法、土地耕作法、随钻废弃物处理、循环回收法、填坑或回注法、生物处理法等。

1.3油田废弃泥浆处理概况及难点

目前大港油田钻井泥浆产生量在1000方/天左右，主要集中在原油运销公司废弃泥浆处理厂处理，但由于钻井液种类多、泥浆本身的复杂，废弃泥浆具有不同性质，增大了固废物的处理难度，单一处理剂已不能满足废弃钻井液的处理要求。再由于钻井废弃泥浆中含有大量的无机盐和高分子有机化合物致使其中重金属、石油类等有害物质浓度偏高，个别污染指标甚至超出国家标准规定的排放标准数百倍。

1.3.1药剂单一

钻井液种类多，所含的处理剂不同，护胶机理、护胶强度等都不相同，对于不同的废弃钻井液，其处理难度和对策也不相同。目前固液分离药剂单一，针对不同的废弃泥浆体系滤饼形成效果差异大。

1.3.2重金属超标

废弃钻井液重金属来源于钻井液用各种化学剂、加重材料、粘土颗粒、钻屑等，重金属不溶于水，不能被微生物分解，土壤一旦被重金属污染，就会造成土壤-植物系统产生毒害， 给环境造成危害的风险较大。

1.4废弃泥浆处理研究思路

本文通过对废弃钻井泥浆特性分析，按废弃泥浆破胶机理与泥浆密度进行分类处理，通过调节泥浆的胶体状态，利用化学胶体的凝聚、破胶、助凝机理对其进行固液分离，降低固相含水量，提高泥饼固含量。

2实验部分

2.1实验仪器

电子天平、电动搅拌器、模拟压滤机、恒温干燥箱

2.2实验材料

经过筛选后破胶剂：1#、2#、3#（自产）、4#（自产）、生石灰

2.3化学破胶过程

由于钻井废弃泥浆中的有机处理剂、盐类及可溶性的重金属以水合离子的状态存在,而泥浆以胶体状态存在,水溶液不易直接脱去, 从而使高分子有机物和其它化学物质也很难脱去【4】。在该技术中采用破胶剂对泥浆进行絮凝,破坏其胶体状态,把水溶液从泥浆中分离出来,从而把水溶体系或水一起脱离泥浆。

2.4实验及分析方法

取一定量废弃钻井泥浆于烧杯中，加入一定量破胶剂，低速搅拌10min，静置一段时间后装入模拟压滤机，加压0.7MPa、1h,以滤饼固含量、滤液颜色、pH值等指标评价破胶实验效果。

2.4.1含水率测定方法

在天平上称取适量的样品，将事先准备好的蒸发皿进行称重，蒸发皿内放入样品，控制烘箱温度为 105℃，烘干，直至恒重，干燥，冷却，然后称重。所有的质量都精确到 0.01g。

计算公式如下：

               公式（2-1）

式中: W—含水率，%；

m1 —蒸发皿和湿样的质量,g；

m2 —蒸发皿和干样的质量,g；

m0 —湿样的质量,g；

2.4.2悬浮物去除率测定

精确量取均匀混合的液相试样100mL, 用0.45μｍ微孔过滤膜进行抽吸过滤，使液相中的水分全部通过滤膜,然后用蒸馏水连续洗涤3次后，再次吸滤来除去少量水分，抽滤。将存有悬浮物的滤膜置于恒重的称量瓶，并移入干燥箱，在105℃下烘干直至恒重称重。悬浮物的计算公式如下 ：

                  公式（2-2）

               公式（2-3）

式中：ss — 悬浮物浓度，mg/Ｌ；

m3—悬浮物＋滤膜＋称量瓶重量,ｇ；

m4—滤膜＋称量瓶重量,ｇ；

V— 试样的体积,mL；

ss0 —处理前悬浮物浓度，mg/Ｌ ；

ss1 —处理后悬浮物浓度，mg/Ｌ ；

η —悬浮物去除率。

2.5工艺条件对废弃泥浆破胶效果的影响

清水泥浆的处理工艺条件中，最主要的影响因素为搅拌速率与反应温度。本实验通过控制单因素变量法对这两个影响因素进行研究。搅拌速率分三个范围：50～100r/min、100～200r/min、200～300r/min。反应温度也分为三个状态：10～20℃、20～30℃、30～40℃。以悬浮物的去除率与色度为考察指标，悬浮物的去除率越低、色度越小越好。

2.5.1搅拌速度对清水钻井液分离效果的影响

随着搅拌速度的增大，悬浮物的去除率先增大后减小，经实验研究结果确定搅拌速度为50～100r/min时，清水泥浆悬浮物的去除率达到最高。胶体粒子聚沉的主要原因是微粒间的相互碰撞使原来粒径较小的颗粒经碰撞后聚集 成颗粒较大的絮体，絮体的比重增大则与水分离而析出。影响胶体微粒间碰撞的本质原因主 要是微粒的碰撞机率，运动速率在一定条件下越快，其碰撞机率越大，但是，当运动速率太大时，反而提高了泥浆本身的乳化性，将体系内的水分重新搅拌进入泥浆中而不易分离。这主要是因为较快的运动速率使微粒间的接触时间太短，微粒与微粒间未发生有效碰撞就因过大 的运动速率而相互分离。而外界对液溶胶的机械搅拌速率直接决定了微粒的碰撞机率。所以选择适当的搅拌速率对胶体粒子发生聚沉现象至关重要。

2.5.2温度对清水钻井液分离效果的影响

温度是影响胶体粒子热运动的重要因素。当反应温度取第2点20～30℃时，悬浮物的去除率高达９1％，此外 ， 结合现场实验条件的限制，整个泥浆处理工艺会因为季节温差的变化而出现处理效果的差异，即室外的现场处理过程中，夏季的处理效果将明显优于春、秋两季，冬季的处理效果将会出现相对较差的现象。

2.6破胶剂的选择

根据泥浆形成机理，破胶剂的选择方向是阳离子型强电解质。阳离子型强电解质加入泥浆液后【3】 ,一是其电离出的阳离子对颗粒表面的负电荷有电中和作用,可以降低粘土颗粒表面的负电荷,降低Zeta电位,减少颗粒间的斥力,使其聚结,稳定性减弱或失去稳定性,而且彻底破坏了废弃钻井泥浆的胶体体系,使其絮凝残渣与水分离。二是金属阳离子可与高分子材料的阴离子基团形成离子对,降低高分子链内、链间的斥力, 使高分子链发生卷曲, 将失稳的粘土颗粒包裹起来并从泥浆液中分离出来,同时适当的金属阳离子也可以同泥浆中的有机物形成溶解度比较小甚至不溶的结合体或络合物【4】。这样相当大部分的高分子及几乎所有的粘土成分即从废弃钻井泥浆中被除去。高分子破胶剂的架桥作用。加入高分子破胶剂中和泥浆颗粒的电荷及压缩双电子层这两个作用。无机、有机高分子破胶剂复配使用。复配机理主要与其协同作用有关 ，一方面无机破胶剂压缩颗粒双电层,颗粒逐渐变大。另一方面又通过高分子的桥连作用,连接变大的颗粒形成更大的絮体,同时网捕其它的杂质颗粒一同下沉,起到优于单一破胶剂的絮凝效果,而且可以更加经济适用。

根据不同的钻井液体系处理难点，研究了系列破胶剂，优选出适用于不同的钻井液体系破胶剂，并建立了完善的评价方法。

2.7不同体系钻井液处理难点

2.7.1清水钻井液破胶难点

护胶效果一般，基本无难点，极少量药剂可达到较好分离效果。

根据清水钻井液破胶难点选择适合破胶剂样品，在清水钻井液进行破胶剂最佳加量实验。如图2-1。

图2-1 4#破胶剂加量对滤饼含水率影响

由图2-1可知，随着4#破胶剂投加量的增加，清水泥浆固液分离后的泥饼的含水率都呈先增长后降低的趋势。由此图可以得知破胶剂4#的最佳加量为0.5～1%。

2.7.2聚合物钻井液破胶难点

对聚合物钻井液进行有效破胶分离的关键在于：所用的处理剂不仅能有效压缩粘土颗粒表面吸附聚合物的水化层，迫使聚合物分子蜷曲并与粘土颗粒脱附，同时也能够有效置换粘土片状结构表面的钠亲结构。从而使粘土颗粒水化膜变薄，并与处理剂所形成的正电空间结构聚结，从而实现粘土脱水分离。

2.7.3有机硅钻井液破胶难点

有机硅钻井液主要用于钻开下部地层，多由聚合物钻井液加入有机硅系列添加剂改造而成。有机硅系列添加剂对钻井液中的粘土多具有强分散性，且一部分有机硅分子上的硅羟基与粘土通过化学键结合，难以被其它分子取代。聚合物的护胶加有机硅的强分散性，造成了粘土难以被聚结絮凝。

2.7.4盐水钻井液破胶难点

盐水钻井液体系加入可溶盐做抑制剂或加重剂，有KCl-聚合物体系、NaCl-聚合物体系、有机盐钻井液体系等，相对于淡水钻井液，聚合物的加量比较大。盐水钻井液由于可溶性盐的存在，粘土及聚合物的水化层被压缩，水化分散不严重。盐水钻井液中聚合物的护胶作用强，由于盐的存在，压缩了聚合物的水化层，使得聚合物分子链卷曲，保护在粘土表面，使处理剂难以与粘土发生作用。由于钻井泥浆的颗粒表面带有负电荷,造成互相之间的静电斥力,以维持其稳定的分散系。

2.8不同体系钻井液破胶剂

通过对钻井液体系破胶难度研究，如清水钻井液研究方法优选出不同相对应的处理剂产品、反应温度、搅拌速度、最佳加量，如表1。

表1  处理不同体系钻井液的破胶产品

    经过实验，不同体系钻井液破胶分离后，滤饼含水率达到40%以下。

2.9不同钻井液破胶效果

对不同体系钻井液进行破胶试验，结果如表2。

表2不同体系不同破胶剂破胶效果

在不同体系废弃泥浆中清水钻井液最好破胶；聚合物钻井液粗分散，容易破胶；硅基防塌钻井液中有机硅对粘土的细分散作用强，使得粘土颗粒不易絮凝聚结，不易破胶；钾盐聚合物体系中聚合物的护胶作用强，由于盐的存在使处理剂难以与粘土发生作用，不易破胶。

3废弃钻井液重金属分类处理

建立钻井液重金属控制模型，用该模型数据建立废弃泥浆分类处置方法：钻屑混合滤饼、不同类型钻井液混合处理等，为下一步做好分类处理提供依据。

1L井浆计算：

设固相含量总质量为y（g）;

固相中重晶石质量为x （g） ，密度ρ1 （g/cm3）；

固相中土的质量为（y-x) （g）,密度ρ2 （g/cm3）；

单位固相中含重晶石的量为x/y   ，设重晶石中含重金属离子为z,

单位固相中重金属为zxx/y

通过公式可以计算出：在已知密度、固相的体系浆中，单位固相含重晶石的质量，从而可知滤饼砷含量。由此可以选择废弃泥浆的分类处理方法【5】。将钻井岩屑混入废弃钻井液固相中，混合均匀压制泥饼，降低了废弃钻井液重金属超标风险；就地取材，根据废弃钻井液重金属含量不同进行计算混入非储层钻井岩屑，降低了现场钻井岩屑贮存压力，实现减量化、资源化。

4 结论及建议

（1）针对大港油田废弃泥浆的成分特点，优选出不同体系钻井液破胶剂与工艺。

（2）滤饼重金属超标，将钻井岩屑混入废弃钻井液固相中，混合均匀压制泥饼。

（3）使用分类处理技术时，需要对泥浆进行分类存储，以减少处理剂的投加量，降低生产成本。

参考文献

[1]陈乐亮主编 .钻井液技术手册. 石油工业出版社,1995.1

[2]赵亚虎，王风春.废弃钻井液处理研究进展[J].钻井液与完井液，2004，21（2）:43～48

[3]丁明. 王海波, 郭学峰,等. 钻井废弃泥浆无害化、资源化处理技术[J].建井技术，2012，(3): 32-34．

[4]宋延博.胜利油田钻井废弃泥浆固化处理技术研究[D].山东:山东大学2008

[5]王曾超.钻井废弃泥浆无害化处理技术分析[J]化工管理，2015（3）:128～128.

作者简介：赵诚，男，1980年2月，汉，辽宁抚顺，本科，工程师，高分子化学