废弃聚磺钻井液固液分离技术.pdf

第 2 7卷 第 1 期 2 0 1 0年1月 钻井液与完井液 DRI LLI N G FLUI D C0M PLET1 0N FLUI D 、 ， 0 l _ 27 NO．1 J a n．2 01 0 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 0 0 1 ． 0 0 7 1 0 4 废弃聚磺钻井液固液分离技术 赖晓晴 ， 楼一珊 ， 孙金声 ， 单文军 ， 彭建彬 1 ． 长江大学石油工程学院，湖北荆州 ； 2 ． 中国石油集团钻井工程技术研究院， 北京 ； 3 ． 中国地质大学工程技术学院，北京 ； 4 ． 华北油田公司，河北任丘 1 摘 要废 弃聚磺 钻井液 由于形 成 的聚合物 黏土颗粒 网状结构 力强 ，直 接用 絮凝 的方 法不能进 行有效 地 固液 分 离处理 。优选 出 了破坏 聚合 物形成 交联结构 的破胶 氧化剂 G L K 一 1 和 能使 黏土 颗粒趋 于稳定 的黏土颗粒 稳定 剂 G X P J 一 3 ，它们 的适 宜加 量均为 1 ％，GL K一 1的最佳破胶 时 间为 4 ．5 h 。通过加入破胶氧 化剂和 黏土颗粒稳定剂 ，再 进行絮凝 、离心固液分 离处理 ，最终 的固液分 离效 率约为 8 5 ％。 关键词环境保护 ； 废弃钻井液 ；聚磺钻井液 ；固液分离 ； 破胶 ； 氧化剂 ； 絮凝 中图分类号 T E 9 2 3 文献标识码 A 目前 ，在钻井过程中产生的聚磺钻井液废弃物 的处理方法是直接 固化法 ，这种处理方法的优点是 工艺简单 、价格便宜 ； 缺点是处理物体积大，不能 完全满足环境保护的要求。如果对这种类型的废弃 钻井液进行 固液分离，使 固相体积最小化 ，液相经 处理后可循环使用 ，能较好地满足环境保护要求。 要对废弃聚磺钻井液进行固液分离处理就是要破坏 聚合物 一 黏 碉 状结构的胶体稳定性 ，首先要破坏聚 合物在网状结构 中所起的稳定交联作用 ，释放出片 状的黏土颗粒和 自由水 ，再使释放出的片状 的黏土 颗粒端面难 以架桥形成网状结构， 变成稳定的固相 ； 在此基础上通过絮凝作用形成 良好的絮凝体 ，从而 达到固液分离 目的。 1 实验 部分 1 ． 1 原料和试 剂 破胶氧化剂 次双氧水 、高锰酸钾 、亚磷酸钠 、 G L NH、G L N一 1 和 GL K． 1； 二 次破胶 剂 G XP J 一 1 、 G X P J ． 2 、 GXP J 一 3 、 GXP J 一 4 ； 絮凝剂 硫 酸铝 、 磷酸 铝 、 硫酸铝钾 、氯化铝 、聚合氯化铝 、聚合氯化铁。 1 ． 2仪器 与设 备 六 速旋转 黏度计 ，青 岛海通 达石油专 用仪器 厂 ； L A一 9 5 0型激 光 反 射 粒 度 分 布 分 析 仪 ， 日本 H0RI BA公 司。 1 ． 3 模拟废弃聚磺钻井液配方 钻井过程 中产生 的废弃物通常经过一段时间沉 淀后 ， 上层废水层和钻屑都可利用密度差分离 出来 ， 最难处理 的是废弃的钻井液 ，其性能 比常规钻井液 更加稳定 。选用 了新配制的聚磺钻井液 ，因为它的 胶体稳定性优于废弃 的聚磺钻井液 ，更利于对这种 钻井液的固液分离进行研究 。其配方如下。 2％ SPNH0． 4％ 80A5 1 0． 5％N P AN 2％ FT． 1 2 ％S MP I I 4 ％怀安膨润土 用重晶石加重到密度 为 1 ． 4 g ／ c m ，热滚 1 6 h 2 结果与讨论 2 ． 1 不 同破胶剂对 破胶率的 影响 破胶氧化剂的作用是通过氧化剂与聚合物 的作 用， 破坏聚合物在 网状结构中所起的稳定交联作用 ， 这个作用是一个过程 ，受到内部 不同氧化剂 和 外部 温度 、 压力和时间等 的影响。在常温常压 、 破胶时间为 2 h的条件下对破胶氧化剂进行了优选 ， 结果 见图 1 。由图 1 可以看 出，双氧水的破胶效果 最好 ，GL K． 1 次之 ； 次亚磷酸钠加量在 1 ％ 时破胶 效果较 好 ，但 超 过这个 值后 ，易 固化 ； G L NH和 GL N一 1的破胶作用都不 显著 ；高锰酸钾易快速 固 第一作者简介 赖 晓晴 ，博士 ，主要从事钻井液及 储层保护研究。地 址 北 京市海淀 区学院路 2 0号 9 1 0信箱钻井液所 ； 邮政编码 1 0 0 0 8 3； E ma i l x q l a i 1 2 6 ．c o m ；电话 1 3 6 1 1 0 9 7 1 4 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年 1月 化。但是双氧水兼具混凝 的作用 ，在聚合物 一 黏土 网状结构还没有充分破坏的情况下 ，就使细小悬浮 体和胶体颗粒发生沉淀 ，此时网状结构中所含的大 量 自由水没有被分离 出来 ，就已发生了胶体颗粒聚 集。此时固相中含有大量 自由水 ，虽然表观黏度较 低 ，但破胶后的固相成为烂泥状 ，不能形成有效固 相。 当G L K ． 1 加量为 1 ％时， 也具有 良好 的破胶作用 ， 随着破胶剂加量 的增加 ，破胶率也逐渐增高，因而 优选 G L K． 1 作破胶剂，其最佳加量为 1 ％。 糌 督 加量， ％ 图 1 不同氧化剂破胶率对 比 2 ． 2 破胶氧化时间对破胶率的影响 破胶 氧化剂与聚合物在一定 的时间 内相互 作 用 ，其作用的时间越长 ，破胶效果越好。GL K ． 1 破 胶剂在不同时间的破胶率见 图 2 。由图 2可知，随 着破胶时间的增加，破胶率不断升高 ； 当破胶时间 达到 4 ． 5 h后 ，破胶率上升缓慢 ，趋于稳定 ，表 明 达到了最佳破胶时间。 糌 3 0 2 5 20 1 5 1 0 5 0 破胶时间m 图2 I ％GL K 一 1 在不同时间的破胶率对比 2 ． 3 黏土颗粒稳定剂对破胶率的影响 破胶氧化剂释放出的黏土胶体微粒 ，由于颗粒 微小 ，对钻井液仍起到 良好的稳定作用。这些胶体 微粒不是以分子状态分散，而是形成具有很大界面 的粒子，属热力学不稳定体系。但是这些黏土微粒 自动凝聚成大颗粒并分散到介质中沉淀出来 的速度 很慢。这是 由于溶胶表面大多带有同性电荷 ，颗粒 间由于同性电荷的相斥作用而分散稳定 ，不互相凝 聚。通过加入黏土颗粒稳定剂和破坏这种分散稳定 性 ，使这些微小的粒子变粗，成为稳定的固相，从 而进一步破坏原有 的胶体稳定性，增强破胶效果。 在第 1 次破坏 网状结构基础上，加入能促使黏土颗 粒失去稳定性 的黏土颗粒稳定剂进行 2次破胶 ，使 黏土颗粒变粗而凝聚。不 同加量黏土颗粒稳定剂对 破胶率的影响见图 3 。 褂 督 加量／ ％ 图3 黏土颗粒稳定剂加量对破胶率的影响 由图 3 可以看出， G XP J ． 1 和 G XP J ． 2黏土颗粒稳 定剂破胶率低，易形成 固化体 ； G XP J 一 3和 G X P J 一 4 黏土颗粒稳定剂破胶率相对高，其 中 G XP J ． 3优于 GX P J ． 4 ，因而选用 GX P J 一 3 作 为黏土颗粒稳定剂 ， 最佳加量为 1 ％。 破胶 的目的是为了释放出聚合物 ． 黏土网状结 构中的胶体颗粒和自由水， 以便形成有效的絮凝体。 通过黏土颗粒稳定剂进一步破坏钻井液 的网状结 构，使黏土颗粒变成稳定同相 ，其粒度分布也要发 生相应的变化。新配制模拟废弃钻井液粒度分布情 况 见 图 4 。 粒径／ g m 图4 模拟钻井液的粒度分布图 由图 4可知 ，模 拟钻井液 的粒度 分布图 中出 现 2 个 峰值 ，黏土颗粒峰值粒径 为 0 ． 2 9 6 m，小 于该粒径 的颗粒物的体积分数 为 9 ． 7 8 2 ％ ； 粒径为 0 ． 2 5 9 ～ 0 ． 2 9 6 1 T I 的颗粒物 占总体积 的 2 ． 6 2 7 ％ ； 重 晶石颗粒峰值粒径为 1 3 ． 2 4 6 m，小于该粒径的颗 D／ o ／ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 1 期 赖晓晴等 废弃聚磺钻井液 固液分 离技术 7 3 粒物的体积分数为 7 8 ． 2 6 0 ％ ； 粒径 为 1 1 ． 5 6 5 ～ 1 3 ． 2 4 6 m 的颗粒物占总体积 的 1 0 ． 4 0 4 ％。 加入 1 ％G XP J 一 3黏土颗粒稳定剂进一步破胶后 的粒度分布情况如图 5所示 。 粒径／ F u n 冈 5 加入 1 ％G XP J 一 3进一步破胶后 的粒度分布情 况 由图 5可 以看 出，黏土颗粒峰值粒径为 0 ． 2 9 6 m，小于该粒径的颗粒物的体积分数为 1 ． 4 8 7 ％ ； 粒 径 为 0 ． 2 5 9 ～ 0 ． 2 9 6 m 的 颗 粒 物 占 总 体 积 的 0 ． 4 3 1 ％ ； 重 晶石 颗粒 峰值粒 径 为 1 3 ． 2 4 6 m，小 于该粒径的颗粒物的体积分数 为 6 2 ． 7 4 5 ％，粒径 为 1 1 ． 5 6 5 ～ 1 3 ． 2 4 6 m 的颗 粒 物 占总体 积 的 7 ． 5 6 3 ％。 图 5中还出现了一个峰值粒径为 2 2 7 ． 0 9 5 m 的大 颗粒 的新波峰。该峰的出现充分说明黏土胶体微粒 变粗 ， 发生了有利于黏土颗粒趋于稳定的聚集作用。 表明了破胶后释放出的固相颗粒有向粒径变粗 、粒 度分布变宽的方 向发展。 2 ． 4絮凝剂优选 普 通废弃物 固液分离处理技 术为化学混凝法 ， 通过絮凝剂提供大量 的络合离子，强烈吸附胶体颗 粒 ，通过黏附、架桥和交联作用促使胶体凝聚 ； 同 时还发生物理化学变化，中和胶体颗粒及悬浮物表 面的电荷，降低 Z a t e电位，使胶体粒子由原来的相 斥变成相吸，破坏胶 团的稳定性 ，促使胶体颗粒互 相碰撞 ，从而形成絮状沉淀物 l 1 4 ] ，不 同加量 絮凝 剂对破胶率 的影响见图 6 。 褂 垡 甏 加量／ ％ 图6 不同加量絮凝剂对破胶率的影响 由图 6可以看出，硫酸铝 、硫酸钾铝和氯化铝 的最 大破胶 率仅为 8 ． 9 ％，即对 由稳定 聚磺钻井液 形成的废弃钻井液 ，絮凝效果不理想。因此对聚合 氯化铁和聚合氯化铝进行破胶率评价 ，优选 出最佳 絮凝剂。聚合氯化铁和聚合氯化铝破胶效果对比情 况 见图 7 糌 髻 加量， ％ 图 7 聚合氯化铁和聚合氯化铝破胶效果对比 由图 7可知，聚合氯化铁的破胶效果优于聚合 氯化铝 ，最佳 加量为 0 ． 0 0 7 ％。这是 因为聚合 氯化 铁具有较强 的吸附 、架桥 、絮凝沉淀性能 ，在处理 过程 中有生成絮体速度快 、絮体不易破碎 、重聚性 能好等的特点。聚合氯化铁絮凝后 ，产生絮凝体的 粒度分布如图 8所示 。 粒径／ g m 图 8 加入 絮凝剂搅拌 5 mi n后 的粒度分布 由图8 可知 ，加入聚合氯化铁后，立即发生 固相 颗粒变粗 的变化 ； 黏土颗粒峰值粒径为 0 ． 2 9 6 Ixm， 小于 该粒 径 的颗 粒物 的体 积 占体 积 累积 分布 的 0 ． 2 8 1 ％； 粒径为0 ． 2 5 9 ～ 0 ． 2 9 6 Ix m占总体积的0 ． 1 7 0 ％； 重晶石颗粒峰值粒径为 1 3 ． 2 4 6 m，小于该粒径的 颗粒物的体积占体 积累积分布的 3 0 ． 5 9 9 ％，粒径为 1 1 ． 5 6 5 ～ 1 3 ． 2 4 6 Ix m 占总体积的 3 ． 8 2 5 ％ ； 出现的新峰 值粒径为 2 2 9 ． 0 5 7 Ix m，小于该粒径颗粒物的累积体 积分数为 6 0 ． 4 4 4 ％，粒径为 2 0 0 ． 0 0 0 - 2 2 9 ． 0 5 7 ix m 的 颗粒物占总体积的 6 ． 1 6 1 ％。粒径分布充分表明，絮 凝体变大 ，黏土和重晶石颗粒 的粒径变大，其粒度 范 围明显变窄。大 絮凝体的出现，也说 明对聚合物 的破胶 良好，这样会使固液分离更趋于完全 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年 1月 2 ． 5 机械离心固液分离效果 经过上述一系列固液分离处理后的废弃聚磺钻 井液，其中含有不 同粒径的固相粒子。它们在离心 力的作用下， 使固相颗粒经离心后， 沉降形成 了沉渣， 液相中含有少量不能经过离心处理的细微颗粒。取 一 定量经过上述一系列处理后 的废弃钻井液，在不 同离心速率下离心 5 rai n 后， 得出的分离效率见表 1 。 表 1 不同离心速率下分离效率对比 由表 l可以得知 ，离心速率为 3 0 0 0 r ／ mi n时， 分离效率最高 ，分离效率为 8 8 ． 7 ％。考虑成本和工 业生产等综合因素，最佳离心速率应为 2 0 0 0 r ／ mi n ， 此时对固液分离效率为 8 4 ． 9 ％。 3 结 论 1 ． 优选出破坏聚合物所形成交联结构的破胶氧 化剂为 GL K一 1 ，最佳加量为 1 ％，最佳破胶时间为 4 ． 5 h； 优选出使黏土颗粒趋于稳定的黏土颗粒稳定 剂 G X P J ． 3 ，最佳加量为 l ％。 2 ． 通过破胶后 进行有效地絮凝处理 ，优选 出 了能使絮凝体变大 ，且价格低廉 的絮凝剂聚合氯 化铁 ，其最佳加量为 7 0 mg ／ L 。絮凝处理后 ，再经 过 2 0 0 0 r ／ mi n离心后 ，表观黏度 由 2 6 ． 5 mP a S 下 降到 4 mP a S ， 固液分离效率可达 8 4 ． 9 ％。 该研究 中， 每个步骤 的粒度分布变化也表 明，通过破胶 、絮 凝等处理后 ，细粒径的 固相颗粒逐渐减少，粒径 向着变粗的方 向发展 ，最后达 到 良好 的固液分离 的 目的 参 考 文 献 [ 1 ] 侯振鞠 ， 沙宝 良， 侯振瑛 ． 处理絮凝 剂的研究与应用 【 J ] ． 中国科技信息，2 0 0 5 ，f 1 2 7 4 7 6 ． [ 2 ] 林桂炽，黄玲珍 ． 废水处理过程中絮凝剂的应用 [ J ] ． 广 西大学学报 ，2 0 0 4 ，2 9 f 增刊 1 5 3 1 5 5 ． 【 3 ] 何 朝辉 ，易汝平 ． 我 国硫酸铝 工业 现状及 发展趋 势 [ J ] ． 无机盐工业 ，2 0 0 1 ，3 3 1 1 7 1 9 ． [ 4 ] 徐晓军 ． 化学絮凝剂作用原理 【 M] _ 北京 科学出版社， 2 00 5 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 2 1 ；H GF 2 0 1 0 A3 ；编辑 张炳芹 ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ ※ 上接第7 0 页 表 3 不同浓度冻胶破胶前后黏度变化情况 3 结论 合成了一种可控 ／ 活性 自由基聚合链转移控制 剂双硫酯，以 S t 、MA A和 E t A为主要单体，利用 双硫酯和过氧化苯 甲酸叔丁酯为引发剂 ，采用乳液 聚合法合成 了含有一个亲水段和一个疏水段的嵌段 聚合物压裂液稠化剂 ，通过实验确定了合成的适宜 条件。室内评价实验结果表明该嵌段聚合物压裂液 耐温达到 1 7 0℃， 且耐剪切 、破胶彻底 。 参 考 文 献 [ 1 ] 唐浩，田国发，谢代培 ． 抗温耐盐压裂液的研制及评价 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 9 ，2 6 1 6 0 6 2 ． [ 2 】 周成裕，陈馥，黄磊光，等 ． 一种高温抗剪切聚合物压 裂液 的研制 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 9 ，2 5 1 6 7 ． 6 9 ． [ 3 】 VI S GE R D，D AMM K，L ANG E R． B l o c k c o p o l y me r s u r f a c t a n t s p r e p a r e d b y s t a b i l i z e d f r e e - r a d i c a l p o l y me - r i z a t i o n [ P ] ． U S， 6 1 l 1 0 2 5 ， 2 0 0 0 8 2 9 ． [ 4 】 R I C HAR D A，E VANS ，RI Z Z AR DO E ． F r e e - r a d i c a l r i n g o p e n i n g p o l y me r i z a t i o n o f c y c l i c a l l y l i c s u l fi d e s [ J ] ． Ma c r o m o l e c u l e s ，1 9 9 6 ， 2 9 2 2 6 9 8 3 6 9 8 9 ． [ 5 】 张进林 ． 叔丁基过氧化苯甲酸酯的开发探索 [ J ] ． 重庆工 业高等专科学校学报， 2 0 0 3 ， 1 8 f 3 6 - 7 ． [ 6 ] 肖文珍，张继炎 ． 双丙酮丙烯酰胺的合成研究 [ J ] ． 黑龙 江八一农垦大学学报 ，2 0 0 5 ，1 7 5 9 3 9 7 。 收稿 日2 0 0 9 0 8 2 4 ；HG F 1 0 0 1 N7 ；编辑 王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m