废弃钻井泥浆脱水工艺实验研究

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2013年第39卷第3期

MaI℃h2013

废弃钻井泥浆脱水工艺实验研究

李斌孙根行

(陕西科技大学化学与化工学院西安710021)

*

摘要对来自某油田的废弃钻井泥浆样品进行稀释、气浮、酸化、混凝处理，通过ze忸电位、毛细

吸水时间、粒度分布、扫描电子显微镜对脱水进行表征和分析，获取了实际工程所需的工艺参数。具体条件为

废弃钻井泥浆用1．5倍体积水稀释后的混合液气浮20nliIl，除去上层浮油，混合物离心分离后，泥饼中的含油率在O．7％以下，调pH值为6；加入质量分数为1．o％的自制破胶剂，快速搅拌；加入1．2％无机絮凝剂，慢速搅拌；加入0．5‰有机絮凝剂，缓慢搅拌。该工艺可彻底破坏废弃钻井泥浆的稳定体系，获得较好的脱水效果，抽滤分离后出水率为55％一65％，泥饼元造浆能力。

关键词废弃钻井泥浆预处理混凝脱水

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O引言

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无机絮凝剂和有机絮凝剂进行混凝处理，拟开发出工艺简单、除油效果好、脱水速度快、运行成本低的废弃钻井泥浆脱水工艺，在技术上为加快钻井废弃泥浆处理提供了依据。l实验部分

1．1主要材料与仪器

主要材料：钻井废弃泥浆样品，取自于某油

随着石油天然气工业的快速发展，废弃钻井泥浆的无害化处理越来越受到世界各国的重视。固液分离法当前研究得较多，同时也是处理效果较好的方法之一，该方法不仅能够使固体体积最小化，并且液相经处理后能够循环利用，满足了环境保护的要求。固液分离时必须破坏泥浆体系的分散稳定性，

而在钻井过程中为了满足钻井需要，钻井泥浆中加入了不同种类和性能的添加剂，多种护胶剂的协同作用，使钻井泥浆体系十分稳定，脱水困难[1-2J。本课题基于多年来混凝技术的研究与应用实践，在分析总结国内外废弃钻井泥浆脱水技术的基础上，采用稀释、气浮、酸化，使废弃泥浆初步脱稳。将自制的破胶剂应用于废弃泥浆的破胶过程中，后续配合

田；自制破胶剂HA(白色粉末状，他03质量分数23％

～25％)；聚合氯化铝(黄色粉末状颗粒)，工业级；阳离子聚丙烯酰胺(分子量500万)；其他化学试剂。

仪器：PB一10酸度计，赛多利思科学仪器有限公司；N)(s一4C型黏度计，成都仪器厂；JDS—105u红外分光测油仅，吉林市北光分析仪器厂；Kn吖1000B型扫描电子显微镜，中科院仪器厂；冱小13690型激光散

*基金项目：2011年中国石油塔里木油田分公司科技计划项目(编号：9r7101l∞0015)。

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射粒度仪，Malv锄仪器公司；其他常规玻璃仪器。

1．2实验方法

1．2．1废弃泥浆预处理

可知，随着气浮时间的增加，泥浆含油率逐渐降低，当气浮时间超过10miIl后，泥浆含油率变化趋势减缓。这主要是因为在钻井过程中为了满足钻井的需

要，向钻井泥浆中加量的石油类物质，该类物质会与泥浆中的高分子护胶剂、膨润土发生乳化作用，

取定量废弃泥浆，加水稀释，充分搅拌后气浮，进行油水分离，分离完成后，撇去上层浮油，离心分离(3

000r／lnirI，2

mill)，倾出上清液，测定下层泥饼

使得大多数固相粒子的直径在2脚以下【4|，形成

高度稳定的多组分胶体分散体系，严重影响后续的混凝、脱水。通过气浮初步破坏胶体体系，使石油类物质与固相分离，降低泥浆的含油率。因此，气

浮15miIl可达到较好的除油效果，泥浆含油率低于

0．7％。

0

9876

的含油率，后用硫酸调节泥浆的pH值为6。1．2．2破胶、絮凝实验

预处理后泥浆加人破胶剂HA，搅拌速度为400r／m氓水力停留时间为5mirI；絮凝剂为聚合氯化铝，搅拌速度为250力停留时间为20

r／】洫，水力停留时问为10mitl；

凝聚剂为阳离子聚丙烯酰胺，搅拌速度为150r／H血，水

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1．3分析检测方法

表观黏度采用N)(S—C黏度仪测定，含油率测定采用红外分光光度法测定，zeta电位和粒度分布

措

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采用皿N3690型激光散射粒度仪测定，毛细吸水时

间采用甩一I型CsI'测定仪测定，泥浆形貌采用

K：Ⅵ2．1．1稀释对泥浆表观黏度的影响

废弃钻井泥浆一般具有较高的黏度，流动性差，乳化严重，脱水困难，因此必须降低泥浆的表观黏度【3J。考察不同体积的水对泥浆表观黏度的影响。结果如图1所示。由图l可知，随着稀释倍数的增加，泥浆体系的黏度迅速降低，当稀释倍数大于1．5时，泥浆体系的黏度变化趋势减缓。这主要是因为加水稀释后不仅降低废弃泥浆的密度，同时加大了泥土颗粒间的距离，减少了形成网状结构的可能性，考虑到稀释倍数的增加会加大处理泥浆的工作量，因此用1．5倍体积的水稀释废弃泥浆最为合适。

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气浮时I司／m血

图2气浮时间对含油率的影响

2．1．3不同质量分数的硫酸对自然出水率的影响

稀释倍数为1．5，气浮除油后，考察不同质量分数的硫酸对泥浆自然出水率的影响，结果如图3所示。由图3可知，在低质量分数硫酸的作用下，自然出水率低，出水速度较慢。当硫酸质量分数超过60％时，自然出水率逐渐提高；当硫酸质量分数超过75％时，出水率变化得较为平缓，维持在30％左右。这主要是因为在石油钻井过程中，为了满足需要，钻井泥浆中加入了NaoH等碱类化合物，导致废弃泥浆pH值偏高，约为10左右【5J。加酸后，可使泥浆中

的护胶剂变为不溶性沉淀，膨润土颗粒裸露出来，同时产生的水合氢离子中和泥浆胶粒表面的负电荷，使水化膜变薄，从而使稳定性降低。综上分析，为了

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满足排放要求，提高脱水性能，选择75％的硫酸将

废弃泥浆酸化至pH值为6，可获得较高的自然出水速度和出水率。

2．2废弃钻井泥浆混凝单因素优化实验

查阅相关文献后，确定钻井废弃泥浆混凝的优化因素为破胶剂、无机絮凝剂、有机絮凝剂的投加量。以毛细吸水时间为考察指标，具体结果如下。

图l稀释倍数对表观黏度的影响

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2．2．1破胶剂对脱水性能的影响

预处理条件下，考察不同质量分数的破胶剂对废弃泥浆脱水性能的影响，结果见图4。由图4可

2．1．2气浮时间对含油率的影响

稀释倍

为1．5，气浮除油，考察不同的气浮时

间对泥浆含油率的影响，结果如图2所示。由图2

知，加入破胶剂姒后，‰电位升高，毛细吸水时

92

间随之降低L6J，当破胶剂的用量为1．2％时，zeta电位趋近于零电位，体系脱稳，毛细吸水时间达到最低值，继续增加破胶剂的用量，泥浆电性发生变化，同时zeta电位逐渐升高，毛细吸水时间也随之升高。这主要是因为加人破胶剂后，电离出的高价态金属阳离子与带负电荷的胶体颗粒相互作用，胶体颗粒表面的双电层被压缩，zeta电位降低，体系的稳定性减弱，获得较快的脱水速度【7J。当加入过量的破胶剂后，胶体颗粒会吸附过多的反离子，使泥浆体系的现象，毛细吸水时间随之升高，不利于脱水。综上分析，破胶剂的最佳用量为1．2％。

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水时间变化趋势随之减缓。因此无机絮凝剂的最佳用量为1．O％。

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电荷变号，斥力变大，‰电位升高，从而发生再稳

无机絮凝剂质量分数慌

图5无机絮凝剂的用量对脱水的影响

2．2．3有机絮凝剂对脱水的影响

预处理条件下，破胶剂的用量为1．2％，无机絮凝剂的质量分数为1．0％，考察不同质量分数的有机絮凝剂对泥浆脱水性能的影响一J，结果见图6。由图6可知，随着有机絮剂用量的增加，毛细吸水时间逐渐降低，加量超过O．5‰后，毛细吸水时间反而增加。这是由于加入有机絮凝剂后，伸展在溶液中的长链状聚合物分子的各种活性基团可同时占据胶

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硫酸质量分数／％

图3不同质量分数硫酸对自然出水率的影响

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粒表面的一个或多个吸附位，通过胶体间的架桥方式将多个胶粒束缚在聚合物分子的活性链节及尾端的活性基团上，从而形成桥联状的粗大絮体，脱水性能显著提高，但当有机絮凝剂超过最佳用量时，高分子链会发生交联、卷曲，将水包裹起来，造成脱水困难，毛细吸水时间增加。因此有机絮凝剂的最佳用量为0．5‰。

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破胶剂质量分数／％图4破胶剂对脱水的影响

2．2．2无机絮凝剂对脱水的影响

预处理条件下，破胶剂的用量为1．2％。投加无机絮凝剂聚合氯化铝。考察不同质量分数的絮凝剂对废弃泥浆脱水性能的影响，结果见图5。由图5可知，随着无机絮凝剂聚合氯化铝用量的逐渐增加，毛细吸水时间逐渐降低，泥浆的脱水性能逐渐提高，当加量超过1．0％时，变化趋势减缓，趋于平稳。这主要是因为当铝盐超过其溶度积时，会水解产生初生态的絮状氢氧化物沉淀，而这些絮状沉淀具有很大的表面积，并且带一定量的正电荷，因此具有一定的静电黏附能力，在沉淀形成的过程中，泥浆的胶体颗粒可以同时黏附卷扫在沉淀物中而被迅速除去，但当絮凝剂的用量超过一定限度时，由于泥浆的胶体颗粒已被吸附完全，不能再发生卷扫作用，毛细吸

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有机絮凝剂质量分数／‰

图6有机絮凝剂的用■对脱水的影响

2．2．4综合实验

常温条件下，稀释比为1．5，气浮15miIl，pH值为6，单因素优化条件下(破胶剂投加量为1．2％，无机絮凝剂的投加量为1．O％，有机絮凝剂的投加量为O．5％o)实验平行进行3次，结果如表l所示。从表l可以看出，优化条件下，气浮除油离心后，泥饼含油率低于0．7％，混凝后泥浆电毛细吸水时间在

80

s左右，抽滤后泥饼含水率在35％一45％之间，无

造浆能力。

93

表l优化条件下钻井废弃泥浆脱水效果

布为双峰，泥浆颗粒主要分布在3

000—7

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间，占总体积的96．1％，平均粒径d=1704砌。处理后泥浆的粒度分布向着大絮体的方向发展，颗粒变得较为聚集，粒度的范围明显变窄，固相颗粒粒径

变粗。

从图8可以看出，处理前泥浆颗粒较为分散，颗

2．3形貌

粒表面致密，处理后的泥浆发生了凝聚作用，胶体颗处理前后含油钻井废弃泥浆的粒度分布如图7粒聚集程度高、颗粒大、表面疏松、有网状结构存在，所示，扫描电镜观察到的形貌图如图8所示。

同时处理剂的链状分子弯曲变形，在胶粒与胶粒之从图7可以看出，处理前的粒度分布为单峰，泥间架桥，使泥浆胶粒结合在一起，形成较为粗大的絮浆颗粒主要分布在1

000。7

000姗之间，占总体积

体，此时泥浆颗粒变得较为疏松，被其包裹的水逐步的86．2％，平均粒径d=914．6砌；处理后的粒度分

释放出来，易实现固液分离【8J。

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(a)处理前

(b)处理后

图7粒径分布

条件下，废弃钻井泥浆除油效果好，脱水速度快，混凝残渣无造浆能力，且运行成本低，符合工业化要

求。

参考文献

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3结论

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弃钻井泥浆有较好的脱水效果。研究表明，稀释倍作者简介李斌，1987年生，硕士，现从事油气田污染治理及数为1．5，硫酸质量分数为75％，气浮时间为20清洁生产研究。

miIl，破胶剂质量分为l％，无机絮凝剂的质量分(收稿日期：2012—06—18)

为1．2％，有机絮凝剂的质量分

为O．5‰的工艺