渤海水基鉆井廢液重復(fù)利用技術(shù)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(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，天津 300459）

渤海灣是我國海上油氣主要聚集區(qū)之一，同時(shí)又是內(nèi)海，水體交換速度慢，一旦水體受到污染，即使治理后其生態(tài)恢復(fù)周期也相當(dāng)長。因此，根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)，對(duì)渤海灣鉆井過程中所產(chǎn)生的廢棄液和巖屑有著嚴(yán)格的規(guī)定，對(duì)廢棄鉆井液的處理及回收利用已經(jīng)成為解決環(huán)保問題的重要途徑[1，2]。環(huán)保水基鉆井液是渤海海域主要使用的鉆井液體系[3]，結(jié)合海洋鉆井特點(diǎn)及海洋鉆井液體系特性，鉆井液服務(wù)商進(jìn)行后續(xù)的鉆井液廢棄物處理最為適合。

中海油服油化研究院結(jié)合科研項(xiàng)目室內(nèi)自主研發(fā)一種高效的復(fù)合型絮凝劑，不僅解決現(xiàn)場(chǎng)處理劑單一的狀況，更完善對(duì)多體系的廢棄鉆井液的處理手段。實(shí)現(xiàn)廢棄鉆井液液相最大化減量回用，實(shí)驗(yàn)室通過分析濾液中主要元素及其含量變化，針對(duì)濾液進(jìn)行預(yù)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(shí)驗(yàn)材料與儀器

NaOH（化學(xué)純，科密歐試劑，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司）；Na2CO3（化學(xué)純，鼎盛鑫，天津市鼎盛鑫化工有限公司）；絮凝劑PE-PCC（無機(jī)團(tuán)聚劑和氯化鈣復(fù)合的無機(jī)絮凝劑），中海油服化學(xué)公司生產(chǎn)；檸檬酸，中海油服化學(xué)公司生產(chǎn)；實(shí)驗(yàn)室用水為一次蒸餾水；實(shí)驗(yàn)室海水為渤海灣天然海水；廢棄鉆井液為實(shí)驗(yàn)室模擬的廢棄BIODRILL A 鉆井液體系。

800B 型多管架自動(dòng)離心機(jī)（上海安亭科學(xué)儀器廠）；雷磁PXSJ-216F 離子計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）；六聯(lián)中壓失水儀（青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司）；OFI800 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（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(yè)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(tǒng)；100 mL，300 mL 燒杯若干。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 絮凝濾液離子分析

為了考察絮凝后的濾液能否達(dá)到回用要求，室內(nèi)首先模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)配制好的鉆井液進(jìn)行了鈣土污染，再通過絮凝壓濾的方式進(jìn)行濾液收集。室內(nèi)濾液基本性能（見表1）。

表1 絮凝前后濾液的性能變化

結(jié)合表1 可以看出，絮凝后濾液中Ca2+含量過多，直接配漿會(huì)影響鉆井液的性能，針對(duì)這一現(xiàn)象，室內(nèi)選用純堿對(duì)濾液中過量的Ca2+進(jìn)行去除，純堿加量為0.7%。同時(shí)通過光譜儀對(duì)濾液中的其他離子含量進(jìn)行分析檢測(cè)。

2.1.1 濾液主要元素及含量分析 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)運(yùn)用BRUKER 公司XRF 熒光光譜儀分別對(duì)A、B、C 三個(gè)濾液樣品進(jìn)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(diào)質(zhì)后濾液；分析結(jié)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過賽默飛Aquion RFIC 陰陽離子液相色譜儀和雷磁PXSJ-216F 離子計(jì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)了BIODRILL A 濾液在絮凝、壓濾調(diào)質(zhì)過程中Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-等離子濃度變化規(guī)律。

由圖1 和圖2 看出，色譜儀和離子計(jì)均驗(yàn)證Na+和Cl-在絮凝、預(yù)處理調(diào)質(zhì)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(diào)質(zhì)過程并未引入鉀離子；絮凝劑PE-PCC 為鈣基絮凝劑，絮凝時(shí)濾液中會(huì)引入部分Ca2+，經(jīng)過純堿調(diào)質(zhì)后，濾液中Mg2+/Ca2+含量太低儀器無法測(cè)出。

圖1 氯離子變化規(guī)律

圖2 鈉離子變化規(guī)律

圖3 鉀、鈣、鎂離子變化規(guī)律

室內(nèi)通過研究模擬鉆井廢液絮凝、壓濾、調(diào)質(zhì)整個(gè)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(fù)利用配漿的可行性提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 鉆井廢液濾液回用實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)將天然海水和0.7%純堿調(diào)質(zhì)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(nèi)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(duì)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(shí)，AV 和YP 值與海水配制鉆井液相比差異明顯，而Φ6/Φ3 數(shù)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(shí)，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(duì)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(fù)利用率，優(yōu)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(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)要求。

圖5 泥餅展示圖

2.3 濾液全回用配漿實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

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(xiàn)場(chǎng)濾液的回用問題。為最大限度地實(shí)現(xiàn)渤海灣現(xiàn)場(chǎng)鉆井廢液減量化及液相循環(huán)利用，室內(nèi)通過向?yàn)V液中加入檸檬酸和純堿，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，將Ca2+含量和pH 值控制在鉆井液配制的指標(biāo)范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)考察了濾液百分百全回用的可行性方案。對(duì)濾液進(jìn)行預(yù)處理后性能（見表4）。

表4 濾液預(yù)處理離子參數(shù)變化

室內(nèi)選用檸檬酸先將濾液pH 值調(diào)節(jié)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(duì)回用配漿無影響。調(diào)質(zhì)后濾液回用性能（見圖6）。

圖6 流變性能對(duì)比

由圖6 可以看出通過檸檬酸調(diào)節(jié)pH 值，再用純堿調(diào)節(jié)Ca2+的濾液預(yù)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(yù)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)鉆井廢液最大化循環(huán)利用。

目前CFD6-4、QHD33-1 等區(qū)塊通過新型絮凝劑的推廣應(yīng)用及濾液調(diào)質(zhì)的工藝方案完善，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)濾液百分百循環(huán)利用，有效減少末端處理量，降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和處理成本，解決現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的燃眉之急，受到作業(yè)者的一致好評(píng)，為渤海水基鉆井液廢棄物處理技術(shù)的應(yīng)用推廣打下良好基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

（1）室內(nèi)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(diào)質(zhì)過程中的變化量幾乎可以忽略，絮凝作業(yè)時(shí)濾液會(huì)引入一部分Ca2+，經(jīng)過純堿調(diào)質(zhì)后，回用配漿的濾液中Mg2+/Ca2+含量太低而無法測(cè)出。

（2）鉆井廢液絮凝分離的濾液，經(jīng)過純堿調(diào)質(zhì)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(xiàn)場(chǎng)濾液回用要求。

（3）為最大限度地實(shí)現(xiàn)絮凝濾液的減量化處置，對(duì)濾液進(jìn)行檸檬酸和純堿預(yù)處理調(diào)質(zhì)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(shí)現(xiàn)全回用配制鉆井液，鉆井廢液液相完全滿足循環(huán)再利用的要求。