负压蒸发技术处理废弃钻井液

苗纯正，周传德，，李瑞民，王 堃，孟明辉

（1. 重庆科技学院 安全工程学院，重庆 401331；2. 重庆科技学院 机械与动力工程学院，重庆 401331；3. 西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065）

治理技术

负压蒸发技术处理废弃钻井液

苗纯正1，周传德1，2，李瑞民3，王 堃2，孟明辉2

（1. 重庆科技学院 安全工程学院，重庆 401331；2. 重庆科技学院 机械与动力工程学院，重庆 401331；3. 西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065）

采用负压蒸发技术处理3种不同组分的废弃钻井液。实验结果表明：最佳蒸发温度为79 ℃；当蒸发温度低于95 ℃时，相15#原液的出水氨氮质量浓度、悬浮物质量浓度、色度分别低于3.40 mg/L、0.093 mg/L、11倍，达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的一级排放标准；当蒸发温度低于79 ℃时，钻井液1和钻井液2的出水氨氮质量浓度均低于37.00 mg/L，悬浮物质量浓度均低于0.080 mg/L，色度低于13倍，COD低于114.0 mg/L，达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的二级排放标准。通过后续过滤除油工艺可降低钻井液中的石油类质量浓度，使最终出水达标排放。

钻井液；负压蒸发；蒸发温度

随着石油工业的发展，石油钻井液污染的治理已成为世界各国研究的重要课题。目前，国内外已开展了很多研究，并取得了一定的成果。钻井液的固化处理在我国应用最为广泛［1-4］。李瑞龙等［5］将工业废渣磷石膏与粉煤灰用于钻井废弃泥浆的固化处理。李辉等［6］提出了废弃钻井液微生物-土壤-植物的联合处理方法，从根本上解决了污水处理问题。国外一般采用集中填埋或注入安全地层的方法处理废弃油基钻井液［7］。根据废弃钻井液为水基、油基混合液的特点，委内瑞拉石油公司开发了微波破乳法处理钻井液新技术［8］。日本采用真空蒸发分离、旋流压缩等技术处理钻井废弃泥浆，可以在钻井的同时对废弃钻井液进行处理，避免了以往只能终端处理的缺陷［9］。这些技术的处理效果显著，但均受一定条件的限制，且成本较高，难以推广使用［10］。

本工作采用负压蒸发技术分别处理3种不同组分的钻井液，对3种钻井液的处理效果进行了分析，得出了最佳的蒸发温度。

1 实验部分

1.1 实验材料

相15#原液：红褐色，澄清，有少许沉淀；钻井液1：黑色，泥浊，有沉淀；钻井液2：黑色，泥浆状，有浮油。3种不同钻井液的水质检测结果见表1。由表1可见，由于3种钻井液所含的卤化物、高分子聚合物的种类及含量不同，它们的氨氮、石油类和悬浮物的质量浓度各不相同，COD均很高。

表1 不同钻井液的水质检测结果

1.2 工艺流程

负压蒸发钻井液污水处理工艺系统包括旋流器、真空泵、负压蒸发器、蒸汽发生器、除油器等基本设备，工艺流程见图1。

图1 负压蒸发钻井液污水处理工艺流程

经钻井口返回的废弃钻井液经旋流分离和蓄浆池静置重力分离后，液相污水被引入负压蒸发器内。由蒸汽发生器产生的高温高压蒸汽进入蒸汽加热套，通过蒸发器壁面的热传导加热蒸发器内的污水。污水被加热后在负压条件下吸热汽化，进入冷却室。为了充分利用热量，在进入冷却室前，蒸汽与预处理污水进行充分的热交换，预加热待处理的污水，以降低单位体积能量消耗。冷却后的蒸汽液化为水，添加适量的化学试剂除去NH4+，再经吸附除油后即可达标排放。

1.3 实验装置

负压蒸发装置的照片见图2。由图2可见，实验用负压蒸发装置未安装螺旋刮膜片，仅以蒸汽发生器作为加热装置，以换热器作为冷却装置，在蒸汽出口处增加了泡沫隔离层。实验在真空条件下进行，整个装置处于负压状态，通过调节阀门改变蒸发罐的压力，以此改变蒸发温度。

图2 负压蒸发装置的照片

2 结果与讨论

2.1 3种钻井液的处理效果

不同蒸发温度下3种钻井液的处理效果见表2。由表2可见：随蒸发温度的升高，除悬浮物质量浓度指标外，3种钻井液的其他检测指标均呈逐渐增加的趋势，水质逐渐变差；当蒸发温度为55℃时，3种钻井液的氨氮质量浓度、悬浮物质量浓度和色度等指标均达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》［11］中的一级排放标准；当蒸发温度升高至75 ℃和95 ℃时，钻井液1和钻井液2的氨氮质量浓度、悬浮物质量浓度和色度等指标可达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的二级排放标准。通过后续过滤除油处理工艺，可降低钻井液中的石油类质量浓度，使污水达到排放要求。

表2 不同蒸发温度下3种钻井液的处理效果

2.2 蒸发温度对COD的影响

采用Aspen Plus化工流程模拟软件构建负压蒸馏模型，运用MATLAB软件建立数学模型，构建COD与蒸发温度的对应关系，计算结果见图3。

图3 蒸发温度对COD的影响● 相15#原液；■ 钻井液1；▲ 钻井液2

由图3可见：经负压蒸发处理后相15#原液中的COD仍高达225.0 mg/L以上；当蒸发温度低于79 ℃时，处理后钻井液1和钻井液2的COD均低于114.0 mg/L，可达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的二级排放标准（出水COD小于120 mg/L）。

2.3 蒸发温度对污水pH的影响

蒸发温度对污水pH的影响见图4。由图4可见：当蒸发温度低于59 ℃时，3种钻井液的pH小于9，呈弱碱性，达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的一级排放标准（pH为6～9）；当蒸发温度为79 ℃时，处理后污水的pH略高于排放标准。

2.4 小结

综上所述，当蒸发温度低于95 ℃时，相15#原液的氨氮质量浓度、悬浮物质量浓度和色度分别低于3.40 mg/L、0.093 mg/L、11倍，均达到GB8978—1996《污水综合排放标准》中的一级排放标准，但出水COD仍高达225.0 mg/L以上。当蒸发温度低于79 ℃时，钻井液1和钻井液2的出水氨氮质量浓度均低于37.00 mg/L，悬浮物质量浓度均低于0.080 mg/L，色度低于13倍，COD低于114.0 mg/ L，达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的二级排放标准。当蒸发温度为79 ℃时，处理后污水的pH略高于排放标准。但相对其他考核指标，污水pH易于调节。综合考虑处理工艺的经济节能、真空泵的选型造价、真空度大小对真空泵所需能源消耗的影响以及真空度对蒸发过程中的起泡影响等情况，选择最佳蒸发温度为79 ℃。经过后续过滤除油工艺处理，可降低钻井液中的石油类质量浓度，最终出水可达标排放。

3 结论

a）采用负压蒸发技术处理3种不同组分的废弃钻井液。实验确定最佳蒸发温度为79 ℃。

b）当蒸发温度低于95 ℃时，相15#原液的氨氮质量浓度、悬浮物质量浓度、色度分别低于3.40 mg/L、0.093 mg/L、11倍，均达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的一级排放标准。

c）当蒸发温度低于79 ℃时，钻井液1和钻井液2的出水氨氮质量浓度均低于37.00 mg/L，悬浮物质量浓度均低于0.080 mg/L，色度低于13倍，COD低于114.0 mg/L，达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的二级排放标准。

d）当蒸发温度低于59 ℃时，3种钻井液的pH小于9，达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的一级排放标准。

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［11］ 国家环境保护局科技标准司. GB 8978—1996 污水综合排放标准［S］. 北京：中国标准出版社，1996.

（编辑 王 馨）

Treatment of Waste Drilling Fluid by Negative Pressure Evaporation Technology

Miao Chunzheng1，Zhou Chuande1，2，Li Ruimin3，Wang Kun2，Meng Minghui2
（1. School of Safety Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China；2. School of Mechanical and Power Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China；3. College of Mechanical Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an Shaanxi 710065，China）

3 kinds of waste drilling fluid with different components were treated by negative pressure evaporation technology. The experimental results show that：The optimum evaporation temperature is 79 ℃；When the evaporation temperature is below 95 ℃，the mass concentration of ammonia nitrogen and suspended matter of 15#fl uid is below 3.40 mg/L and 0.093 mg/L respectively，and the chroma is below 11 times，which meet the fi rst grade discharge standard of GB 8978-1996；When the evaporation temperature is below 79 ℃，the mass concentration of ammonia nitrogen and suspended matter of Drilling Fluid 1 and Drilling Fluid 2 are both below 37.00 mg/L and 0.080 mg/L respectively，the chroma of them are both below 13 times，and COD of them are both below 114.0 mg/L，which meet the second grade discharge standard of GB 8978-1996. The mass concentration of petroleum in the drilling fl uid can be decreased by further fi ltration process to meet the discharge standard.

drilling fl uid；negative pressure evaporation；evaporation temperature

TE991.2

A

1006-1878（2015）05-0498-04

2015 - 03 - 17；

2015 - 06 - 02。

苗纯正（1989—），男，河南省新乡市人，硕士生，电话 18502369275，电邮 449165116@qq.com。联系人：周传德，电话 13638304242，电邮 ZCD0013@163.com。

国家自然科学基金项目（51205431）；重庆市重点应用开发计划项目（cstc2013yykfB0039）。