油基钻井液含油钻屑水射流除油技术.pdf

第 3 1 卷 第 6期 2 0 1 4年1 1月 钴井液与 完井液 DRI LLI N G FLUI D ＆ COM PLETI oN FLUI D 、 ， o 1 ． 3l NO． 6 No v ．2 01 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 1 1 油基钻井液含油钻屑水射流除油技术 王勇 ， 鄢捷年 ， 李志勇 ， 徐生江4 ， 韦火云 。 ， 李鸿飞 1 ． 中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京 ； 2 ． 中国石油集团渤海钻探第四钻井工程分公司，天津 ； 3 ． 中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 ； 4 ． 新疆油田公司工程技术研究院，克拉玛依 王勇等 ． 油基钻井液含油钻屑水射流除油技术 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 l 6 3 9 ． 4 2 ． 摘要 针对某油田含油钻屑深度除油的难题，进行 了污染物分析，开发 了含油钻屑水射流除油技术。通过用水分 测定器测定主要成分含量，用微波消解一 电感耦合等离子体质谱法测量重金属含量，对含油钻屑进行分析，得出主要 污染物为油类。通过研究不同条件下的除油效果，最终确定了水射流除油技术的最佳工艺 泵压为 0 ． 4 MP a ，流量为 2 7 1 L ／ mi n ，喷嘴类型为 4 0 。 实心锥型喷嘴，射流时间为2 0 S ，射流高度为 1 1 0 mm。用 O i 1 4 2 0型红外测油仪测得处理 后钻屑含油量为 1 ． 3 2 ％，除油率为 9 5 ．7 6 ％，可直接排放。且产生的污水经测试，E c 远大干 3 0 0 0 0 mg ／ L，B C比值在 2 5 ％ 以上 ，安全无 毒、可降解，无环境污染 问题 ，成功解决 了含 油钻 屑深度 除油的难题。 关键词水射流除油 ； 含油钻屑 ； 处理工 艺 ； 除油率 ； 污染物分析 中图分类号T E 9 2 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 4 0 6 ． 0 0 3 9 0 4 现有的处理含油钻屑的方法 主要有 安全填埋 、 回注地层、 固化、 焚烧、 生物修复、 热处理和萃取等等。 但大都存在一定 的不足 [ 1 。 】 。随着 油基钻井液性能的 逐渐提高，含油钻屑的处理也越来越难，现有的处理 技术已经不能满足要求 。因此研究新型钻屑处理技术 显得尤为重要。高压水射流清洗具有清洗消耗低 、速 度快、清净率高、不损坏被清洗物、应用范围广等一 系列的优点，已逐渐得到了认同与重视 [8 -1 o ] ，将其运 用在含油钻屑清洗 中必定会提高除油效率。实验研究 了高压水射流清洗技术对含油钻屑的深度除油效果。 1 实验研 究 1 ． 1 实验仪器和药剂 主要仪器有 水分测定器、O i 1 4 2 0型红外测油仪 ， 1 0 fi l m石英 比色皿 ，回旋式振荡器 、超声波清洗 仪 、 微波消解仪、索氏提取器、电感耦合等离子光谱发生 仪、生物毒性测试仪、 B O D测试仪、C O D测试仪等。 主要药剂有 四氯化碳 ，无水硫酸钠 、浓硫酸 、 浓硝酸和氢氟酸等。 1 ． 2 重金属测量方法 实验采用微波消解 ． 电感耦合等离子体质谱法测 量含油钻屑 中的重金属含量 ，具体实验步骤如下 。① 准确称取 l 0 g含油钻屑样品 ，将其放人索式提取器 中将钻屑中的油提取 出来 ； ②将油含量近乎于零 的处 理后 的钻屑 自然风 干 1 0 h ，用研钵研磨后过筛孔 为 0 ． 1 5 4 m m的筛网，待用 ； ③分别取 0 、O ．2 5 、0 ． 5 、1 、 2 mL重金属混合标准溶液 5 0 g ／ mL在 5 0 mL容 量瓶中用浓度为 2 ％ 的硝酸进行稀释定容 ，摇匀 ； ④ 分别取上述研磨好的钻屑样品 0 ． 2 0 g 放入 2支微波消 解管中， 依次向其 中加入 2 mL浓硝酸 、 6mL浓盐酸 ， 并在另 1 只空白的微波消解管 中只加入 2 mL浓硝酸 和 6 m L浓盐酸，作为空白比对样，分别振荡使其混 合均匀 ； ⑤将微波消解管拧上盖子，放人消解仪中， 设定消解程序为加热到 1 8 0℃ ． 1 0 mi n ，保温 2 0 mi n 。 打开微波消解仪的开关进行消解 ； ⑥消解过程结束后 冷却 3 0 mi n ，打开微波消解仪 ，将微波消解管打开一 点盖子进行放气 ； ⑦将上述其中 1 只消解管内的固体 和溶液倒入烧杯中，用超纯水进行反复地冲洗并一同 倒进烧杯中，再将烧杯中的混合液体进行抽滤，并将 基金项 目 国家 自然科学基金创新研究群体项 目． 复杂油气井钻井与完井基础研究 5 1 2 2 1 0 0 3 、国家自然科学基金项 目 5 1 3 7 4 2 2 5 、北京市高等学校青年英才计划 YE T P 0 6 7 1 、中国石油大学 北京科研基金 K YJ J 2 0 1 2 0 2 ． 1 5 o 第一作者简介 王勇，在读博士研究生，高级工程师，1 9 7 1年生，一直从事石油工程技术工作。地址 北京市昌平区府学 路 1 8号中国石油大学 北京 ； 邮政编码 1 0 2 2 4 9；电话 1 8 8 1 0 9 0 6 2 1 0； E ma i l k y y x 2 0 1 2 1 2 6 ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 铝井液与 完井液 2 0 1 4年 1 1 抽滤液转移到5 0 m L容量瓶中， 用去离子水进行定容， 待测。其他消解后的物质同此处理。⑧将标准溶液及 待测物质进行 I C P分析 ； ⑨记录并分析实验数据。 1 ． 3 石油类测量方法 1 ． 3 ． 1 含油钻屑处理前含油量测定方法 含油钻屑处理前主要成分为钻屑固相 、油和水 ， 特别是油含量非常高。通过文献查阅及实验分析得 出，此时可通过水分测定器测定含油钻屑的主要成分 含量 ，可将误差控制在理想的范围内 测量的各成分 含量也比较准确。 1 ． 3 ． 2 含油钻屑处理后含油量测定方法 针对 水射流处理后 的含油钻屑含油量较低 的特 点 ，通过水分测定法分析其 中的含油量误 差相对 较 高，此时选用 O i 14 2 0 型红外测油仪进行含油量的测 定 ，可以精确得到含油量。具体实验步骤如下 。 1 将处理后的钻屑样品自然风干研磨至充分混 合均匀。准确称取 1 ．0 g 样品，根据样品的含水率， 加入 2 O g 左右烘干后的无水硫酸钠，搅拌混匀。 2 将经过无水硫酸钠处理后 的干燥含 油钻 屑样 品，全部装入锥形瓶中，并向其中加入 2 0 m L四氯 化碳 ，加盖密封 ，将其置于振荡器中振荡 ，振荡速度 均为 2 0 0次 ／ mi n ，时间为 3 0 mi n 。 3 振荡过后静置 1 0 rai n ，利用玻璃漏斗将其 上 层清液转移至烧杯 中并密封，在剩余的固体中加入 2 0 mL四氯化碳 ，通 过重复上述步骤重复提取 3次 ， 最终分别转移至同一烧杯 中。 4 将上述烧杯中的四氯化碳液体通过玻璃砂芯 漏斗过滤 ，最终流至 5 0 mL容量瓶 中，用 四氯化碳 清洗烧杯和漏斗，将液体一并流入容量瓶中，并最终 用四氯化碳液体定容至标线 ，再根据含油钻屑的含油 量稀释成不同倍数 ，待测。 5 利用红外测油仪对上述样 品进行测定 。 6 上述样品测定并计算结果。含油钻屑 中石油 类 的含 量 尸 ％ 为 P c D 1 一 ]1 0 0 ％。其 中， c为红外测油仪显示的预处理样品中石油类浓度， m g ／ L； D为萃取液的稀释倍数 ； V 为萃取液的定容体 积 ，mL； 为含油钻 屑样 品质量 ，g； P w为含油钻 屑含水率 ，％。 2 含 油钻屑处理前 污染物分析 选取 了 3个不 同油 田的含油钻屑进行污染 物分 析 ，结果见表 1 Ⅲ。 。由表 1 可知 ，部分含油钻屑重 金属含量超出国标值 ，其含油量均远远超 出国家安全 排放标准限值 ， 因此 3种含油钻屑主要污染物为油类 。 由于 c油 田含油钻 屑含油量最 高，从状态上来说其 颗粒最为细小 ，处理难度较大。因此 ，以下实验均选 取 c油 田含油钻屑进行除油实验研究 。 表 1 不同油田含油钻屑基本特性和重金属分析 不同油 含水固含含油 重金属含量 ／ mg ／ k g 田钻屑 量 ／ ％ 量 ／ ％ 量 ／ ％ A s H g c d P b c r 注 国标为 GB 4 9 1 4 2 0 0 8 海洋石油勘探开发污染物 排放浓度限值 和 G B 1 5 6 1 8 --1 9 9 5 土壤环境质量标准 ⋯。 。 3 水射 流除油技 术 水射流清洗技术是通过泵对清水进行加压， 使得 清水到达喷嘴时获得较大的喷射力， 再通过喷嘴结构， 将流速较低的并且具有很高压力的水 ， 转化成流速较 高的具有低压力的水射流，利用其源源不断的强大的 冲击力将物体表面的污染物去除掉 ，并将污染物随水 的流动而被带离的过程 ，最终达到对物体的清洗。在 水射流清洗技术的基础上开发了水射流除油技术。水 射流除油技术使用离心泵加压，从泵口出来的清水运 送到喷淋罐的喷嘴上 通过快换接头 ， 通过改变流量 、 压力、喷嘴类型及高度等因素，进行水射流实验，含 油钻屑在水射流的作用下受到正面 的冲击力并做搅拌 翻滚运动，可使钻屑上的油尽可能脱落钻屑表面，达 到高效除油的目的。同时冲洗过程中产生的污水直接 排 出流入到污水桶 中，这样污水与清水同时排出罐体 内，可以避免钻屑的二次油污染 ，降低了处理后钻屑 含油量 ，最终大幅度提高清洗效率。 3 ． 1 水射流除油处理条件优选 通过射流打击力参考公式 如下所示 可 以看 出， 射流打击力 F 与喷嘴 的流量压力 P 有着密切联系。 墨 生 望生 ； 锕 t a n t a n I 2 J I 2 J 式 中，F为打击力 ，MP a； 即为射流打击力 ，k N ； 为物体表面被射流作用的总面积，c m 2 ； W为射流 喷射的流体在物体表面上的总打击力，N； Q为经 过喷嘴的流量，L ／ m i n； P为喷嘴最终的出口压力， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 1卷 第 6期 王勇等 油基钻井液合油钻屑水射流除油技术 4 l k g ／ c m2 ； k 为管道中的流体射流到物体表面上时的速 度衰减系数，O ．7 ； 为管道中的流体射流到物体表面 上时的流量减少系数 ，O ． 7 5； H为喷嘴的喷 口距离物 体表面的垂直高度 ，mm； 0 【 为喷嘴的喷射角度 ，一般 为 1 O 。 ～1 3 0 。 ； 为射流的厚度夹角 ，一般为 l 。 ～3 。 。 由以上参考公式可知， 泵压和流量、喷嘴类型和 射流高度是影响射流打击力的重要因素，同时需考虑 时间因素，因此采用单因素分析法从以下 4 个因素来 优选水射流除油处理工艺最佳实验条件。 3 ． 2泵压 和流量 对除 油效率 的影响 处理后钻屑 的含油量与泵压变化关系见表 2 。由 此可知 ，随着泵压的增大 ，除油效果越来越好。当泵 压达到 0 ． 4 MP a时 ，除油效果变化平缓 ，故选择最佳 泵压为 0 ． 4MP a 。 表 2 泵压及流量对除油效果的影响 注 喷嘴类型均为 4 0 。 实心锥型。 3 ． 3 喷嘴类型对除油效率的影响 在射流过程中不同的喷嘴有不 同的喷射效果和形 状 。如表 3 所示 ， 4 O o 实心锥型喷嘴 、 4 5 。 螺旋型喷嘴、 旋转 型喷嘴处理效果不相上下。从节约水资源考虑 ， 选择 4 O 。 实心锥型喷嘴为最佳喷嘴类型。 表 3 喷嘴类型对除油效果的影响 注 钻屑质量为 1 0g ， 射流时间为 1 5 S ， 高度均为 1 1 0mm。 3 ． 4 射流高度对除油效率的影响 处理后钻屑含油量和除油率随射流高度的变化 关系如表 4 所示。从表4可以看出，射流高度在 1 1 0 m i d时除油效果最佳。 表 4 射流 高度对 除油效果的影响 注 钻屑质量为 1 0 g ， 流量为 2 7 1 L ／ mi n ， 射流时间为 1 5 S 。 3 ． 5 射流时间对除油效率的影响 如表 5 所示，随射流时间的增大，除油效果越来 越好。当射流 时间大 于 2 0 S时，处理后钻屑表面含 油量变化不大 ，故选择射流时间为 2 0 S 。 综上所述 ，确定 的最佳参数为 泵压为 0 ． 4 MP a ， 流量 为 2 7 1 L ／ mi n ，喷嘴类 型为 4 0 。 实心 锥 型喷嘴 ， 射流时间为 2 0 S ，高度 为 1 1 0 mm。最终达到除油率 为 9 5 ． 7 6 ％，处理后 钻屑含 油量为 1 ． 3 2 ％。图 1 为 含 油钻屑处理前后的状态 ，图 2为含油钻屑处理前后在 环境扫描电镜下的图片。从图 1 和图 2可知 ，处理后 含油钻屑的含油量降低得非常明显，钻屑表面稀松， 颜色较浅 ，颗粒均一，除油效果较好。处理后钻屑含 油量降为 1 ．3 2 ％，达到国家相关标准，可直接排放。 表 5 射流时间对除油效果的影响 注 钻屑质量为 1 0 g ， 流量为 2 7 1 I J mi n ， 射流高度为 l l 0 m m。 图 1 含油钻屑处理前 左 后 右 状态 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 钴井液与 完井液 2 0 1 4年 l 1月 图 2 环境扫描电镜下含油钻屑处理前 左 后 右 状态 3 ． 6 射流污水各指标分析 对射流污水溶液进行 3次平行实验 ， 结果见表 6 。 射流污水 C 5 。 值属无毒范围， 并且含油量低， 易降解， 不存在环境污染。 表 6 射流污水各指标分析 注 美国E P A急性生物毒性 E G。 分级标准 小于 1 mg ／ L， 剧毒 ； 1 ～1 0 0 m g ／ L ，高毒 ； 1 0 0 ～1 0 0 0 m g ／ L ，中毒 ； 1 0 0 0 ～ 1 0 0 0 0 mg ／ L，微毒 ； 大于 1 0 0 0 0 mg ／ L，实际无毒 ；大于 3 0 0 0 0 mg ／ L，排放限制标准 ； B C分级标准 不小于 2 5 ％，易 降解 ； 1 5 ％～2 5 ％，可降解 ； 5 ％～1 5 ％，较难降解 ； 小于 5 ％， 难降解 4 结论 1 ． 开发了含油钻 屑水射 流除油技术 ，并 在室 内 研究了不 同条件下 的除油效果 ，最终确定最佳处理工 艺条件 泵压 为 0 ．4 MP a ，流量为 2 7 1 L ／ mi n ，喷嘴 类型为 4 0 。 实心锥型喷嘴 ，射流时间为 2 0 S ，高度为 1 1 0 mm。最终达到除油率为 9 5 ． 7 6 ％，处理后钻屑含 油量为 1 ． 3 2 ％。 2 ． 射 流污水 的 EC 5 、C O D、B O D值均达到相关 标准，并且含油量低，易降解，不存在环境污染。 [ 1 】 【 2 ] [ 3 ] 参 考 文 献 苏勤， 何青水 ， 张辉， 等 ． 国外陆上钻井废弃物处理技术 [ J ] ． 石油钻探技术，2 0 1 0 ，3 8 5 1 0 6 1 1 0 ． S u Q i n ， He Qi n g s h u i ，Z h a n g Hu i ， e t a 1 ． F o r e i g n o n s h o r e d r i l l i n g wa s t e t r e a t me n t t e c h n o l o g y [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ． 2 0 1 0 ，3 8 5 1 0 6 1 1 0 ． A h me d S ， G u o Q． De s i g n c o n s i d e r a t i o n s i n d r i l l c u t t i n g s r e i n j e c t i o n t h r o u g h d o w n h o l e fr a c t u ri n g [ R] ． S P E 7 2 3 0 8 ， 2 0 0 1 ． 李学庆 ，杨金荣，尹志亮，等 ． 油基钻井液含油钻屑无 害化处理工艺技术 [ J 】 ． 钻井液与完井液，2 0 1 3 ，3 0 4 81 _ 8 3 ． Li Xu e q i n g ， Ya n g J i nr o n g ， Yi n Zh i l i a n g，e t a 1 ．No ve l h a r ml e s s t r e a t i n g t e c h n o l o g y o f o i l y c u t t i n g s [ J ] 2 9 r i l l i n g F l u i d ＆C o m p l e ti o n F l u i d，2 0 1 3 ，3 0 4 8 1 - 8 3 ． [ 4 ] 赵姗姗， 鄢捷年， 刘晓平，等 ． 西非深水钻井含油钻屑清洗 方法室内研究 【 J 】 ． 钻井液与完井液，2 0 1 1 ，2 8 4 8 1 0 ． Zh a o S h a n s h a n ， Ya n J i e n i a n ， Li u Xi a o p i n g ，e t a 1 ． L a b o r a t o r y s t u d y o n c l e a n i n g me t h o d s f o r o i l y c u t t i n g s fo r d e e p wa t e r d r i l l i n g i n we s t a f r i c a [ J ] ． D r i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d． 2 0 1 1 。2 8 4 8 - 1 0 ． 【 5 ] 戴智红， 刘 自明． 一种钻井环保技术岩屑回注 [ J ] ． 钻井 液与完井液，2 0 0 8 ，2 5 4 6 3 ． 6 4 ． D a i Z h i h o n g ．L i u Z i Mi n g ． Dr i l l c u t t i n g s r e i n j e c t i o n a n e n v i r o n me n t p r o t e c t i o n t e c h n o l o g y [ J ] ． D r i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d，2 0 0 8 ，2 5 4 6 3 6 4 ． [ 6 ] 李学庆，杨金荣，尹志亮，等 ． 油基钻井液含油钻屑无害化 处理工艺技术 【 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 3 ，3 0 7 8 1 8 3 ． Li Xu e q i n g，Ya n g J i n r o n g，Yi n Zh i l i a n g，e t a 1 ． N o v e l h a r ml e s s t r e a t i n g t e c h n o l o g y o f o i l y c u t t i n g s [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d ＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 1 3 ，3 0 7 8 1 8 3 ． [ 7 ] 位华， 何焕杰， 王中华等 ． 油基钻屑微乳液清洗技术研究 [ J J ． 西安石油大学学报 自然科学版 ，2 0 1 3 ，2 8 4 9 0 9 3 ． We i Hu a ，He Hu a n j i e ，Wa n g Z h o n g h u a ，e t a 1 ． S t u d y o f o i l - b a s e d r i l l i n g c u t t i ng s c l e a n i n g t e c h n o l o g y u s i n g mi c r o e mu l s i o n c l e a n e r [ J ] ． J o u r n a l o f Xi “a n S h i y o u U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ， 2 0 1 3 ，2 8 4 9 0 ． 9 3 ． [ 8 ] 曾莉莉 ， 陈良飞 ， 刘德磊，等 ． 超临界二氧化碳萃取在石 油工业中的应用 [ J ] ． 广东化工，2 0 1 2 ，3 9 5 1 1 9 ． 1 2 0 ． Ze n g Li l i ，Che n Li a ng f e i ，Li u De l ei ，e t a 1 ．The a ppl i c a t i o n o f s u p e r c r i t i c a l c a r bo n di o x i d e e xt r a c t i o n i n t h e o i l i n d u s t r y [ J ] ． Gu a n g d o n g C h e mi c a l I n d u s t r y ，2 0 1 2 ，3 9 5 l 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日期2 0 1 4 ． 0 6 ． 1 3 ；HG F 1 4 0 6 N9 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m