长庆低渗透油田废弃钻井液处理探讨

Posted 2023-01-12 粘土

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通过对长庆低渗透油田废弃钻井液性能分析，确定了固液分离-固化一体化处理思路；研究了不同破胶剂体系、破胶剂加量、絮凝剂分子量等对固液分离及出水率的影响；处理结果表明：添加20%粘土同时加入6%固化剂时固化体针入度可降至0.5mm以下，达到强度要求，又可降低成本。现场试验证实固液分离析出水和固化体浸出液均达到GB8978-1996《污水综合排放标准》二级标准。关键词：长庆油田低渗透油田废弃钻井液固液分离固化
0 引言
废弃钻井液含有粘土、添加剂、加重材料、污水等，其中CODCr、石油类、pH值等超标，个别有害物质指标甚至高出国家允许排放浓度许多倍。目前废弃钻井液的处理方法包括直接排放、回填、坑内密封、回注、MTC和固化等方法。由于各油田地层特性及其所用钻井液不尽相同，处理方法亦不相同，因此固化是近年来国内各油田普遍重视和使用较多的一种方法。其机理是向废弃钻井液中加入固化剂，使其转化成类似土壤或胶结强度很大的固体，可减少废弃钻井液中有机质和金属离子对环境的影响和危害。
1 长庆油田废弃钻井液处理原理
长庆油田属于低渗透油田，储层普遍呈现“低渗低压"特征，钻井液为无固相、低固相聚合物体系，故废弃钻井液具有密度低、含水率高、成分相对简单等特点，主要是CODCr、pH值超标。
废弃钻井液组分见表1。由表1可见，废弃钻井液含水率≥90%，ζ电位较高，在-40mV左右。因此，废弃钻井液是一种稳定的胶体悬浮液体系。由于含水率高，须先固液分离再实施固化处理，固液分离需要先加入破胶剂，破坏废弃钻井液体系的稳定，调整其ζ电位至等电点，降低颗粒间电性斥力；固化处理过程中可利用粘土来代替部分固化剂，粘土可起到吸水和支撑作用。
2 试验方法
◆固液分离试验取废弃钻井液50mL于比色管中，按一定比例加入破胶剂和混凝剂，充分混合、静置，观察出水和固液分离情况。

◆固化试验取废弃钻井液100mL，加入固化剂和一定量粘土，搅拌均匀，在模中成型，养护7d后，形成一定强度的固化产物，测定其固化效果。
◆固化体强度针入度表征固体强度，测定固化体不同时期的针入度值，可反映固化体强度随时间的变化情况。试验所用仪器为13AP9型针入度仪(美国)。
◆固化体浸出液取干固体样100g，加蒸馏水1L，在25℃下振荡并浸泡8h，由此得到固化体的浸出液。依据《水和废水监测分析方法》(第四版)对固化体浸出液作水质分析。
3 结果与讨论
3.1破胶剂优选
破坏废弃钻井液的稳定性就要改变粘土颗粒性质，Ca2+等无机盐通过与水化作用很强的钠膨润土发生离子交换，使钠膨润土颗粒转变为钙膨润土颗粒，可极大减弱其水化作用，致使颗粒聚集，达到破坏其胶体体系和固液分离的目的。另外，无机盐离子水化物对废弃钻井液中的颗粒和高分子有机物有很强的混凝作用，降低颗粒ζ电位，通过压缩双电层和电中和作用加速颗粒的凝聚。试验优选了四种效果较好的破胶剂对含水率为93.5%的废弃钻井液进行对比分析，结果见表2。

由表2看出，投加钙系破胶剂出水率最大，30min出水率可达26%，5h后出水率达42%；投加钙系破胶剂后ζ电位最接近等电点，胶体体系被破坏。在一定范围内，出水率与钙系破胶剂加量呈正相关，钙系破胶剂加量与出水率关系见图1。

由图1看出，破胶剂加量越大，出水率越大，破胶剂加量大于1.5%，出水率变化趋于缓慢。因此，破胶剂的适宜加量为1.5%。
3.2絮凝剂优选
聚丙烯酰胺聚合物是常用的水处理絮凝剂，能使废弃钻井液固液较好分离。聚丙烯酰胺在碱性环境中水化基团离解成-COO-离子，增强了分子链节间的静电斥力，卷曲的分子得以伸展；而改变其酸碱性环境，使水化基团—COONa变成—COOH，不利于大分子链的伸展，使得聚合物大分子链发生卷曲，将已吸附的颗粒包裹在大分子中，充分体现了大分子的吸附架桥、卷扫作用，从而实现固液分离的目的。不同分子量的聚合物对固液分离自然出水率的影响不同，两者的关系见图2。

从图2可以看出，分子量为1000万的聚合物出水率比较高。
3.3固化效果
影响固化效果的主要因素有固化剂的种类、固化时间、钻屑含量、固相含量以及废弃钻井液中的含油量等。目前国内使用的固化剂主要是粉煤灰、石灰、水泥等，但加量较大，可能对环境造成二次污染。固化剂、粘土加量对固体强度的影响见图3。

由图3看出只添加水泥类固化剂，加量近20%，强度才能达到针入度小于0.5mm的要求，只添加粘土无法达到此强度要求，不能实现对废弃钻井液的有效固化。添加20%的粘土，按不同比例添加水泥类固化剂，测定固体强度，考察固化剂与粘土复配对固体强度的影响，结果见图4。

从图4看出，同样条件下，添加20%粘土的同时加入6%固化剂，可使固化剂加量大大减少，并且针入度可降至0.5mm以下，证明利用粘土取代大部分水泥类水硬材料，既可达到处理废弃钻井液的目的，又降低了处理成本，强度可以达到要求。
3.4检测分析
按以上试验方法提取固化体浸出液，检测固液分离析出水和固化体浸出液水质，结果见表3。由表3看出，固液分离析出水和固化体浸出液均达到GB8978-1996《污水综合排放标准》二级标准。

4 现场应用
现场试验选择了长庆陇东油田QX1、QX2、QX3三口井，为无固相、低固相钻井液体系；破胶剂加量为1.5%，在添加20%粘土时固化剂的加量为6%。工艺流程：搅拌，投加破胶剂和絮凝剂，析出水外排；剩余固体物搅拌投加固化剂和粘土，充分搅拌，养护7d后填埋。采用挖掘机搅拌，抽水泵排水。投加破胶剂前先进行预搅拌，恢复废弃钻井液流变性质，利于处理剂投加均匀；投加破胶剂后析出水可用来配制絮凝剂溶液。
工艺流程图见图5。

三口井固液分离析出水及固化物浸出液经当地环保部门检测，达到GB8978-1996《污水综合排放标准》二级标准。
5 结论
◆长庆油田废弃钻井液具有密度低、含水率高、成分相对简单等特点，主要是CODCr、pH值超标，宜采用固液分离-固化一体化处理工艺。
◆钙系处理剂对废弃钻井液破胶效果较好，在一定范围内，出水率与破胶剂加量呈正相关关系，加量1.5%可分离出水40%左右，能达到破胶-固液分离的目的；聚丙烯酰胺聚合物能促进水分析出，分子量为1000万时效果最好。
◆粘土具有吸水性和一定的强度，可代替部分固化剂，将固化剂加量降至6%，固化体针入度可降至0.5mm以下，且比较环保。
◆室内和现场试验表明，长庆油田废弃钻井液采用固液分离-固化一体化、使用粘土替代部分固化剂的处理工艺可行，处理后固体物浸出液达到GB8978-1996《污水综合排放标准》二级标准。