钻井废弃物分离用高效絮凝剂的研发及应用

2018-05-22夏晔

石油化工应用 2018年4期

夏晔

（中国石化胜利石油工程公司钻井工艺研究院，山东东营 257000）

随着国家对环保工作的重视，2015年起各大油田全面推行了钻井废弃物不落地和减量化工作，除了使用抑制环保的钻井液配方，在后续过程中需要配套固液分离设备进行废弃物的脱液减量[1]。在上部底层快速钻进的过程中，会产生大量的钻井废弃物，中下部地层由于钻井液本身的性质产生钻井废弃物又大多具有较强的乳化稳定性，难以依靠物理方式完全分离，需要配套可以快速使其脱稳絮凝的高效絮凝剂，市场上的此类絮凝剂产品，大多存在加量大，絮凝效果差，价格昂贵的问题，因此开发与设备配套同时可满足各种工况的钻井废弃物分离用絮凝剂是必要的。

本文针对钻井废弃物分离用高效絮凝剂的研发开展了相关实验，并进行了有针对性的絮凝剂配套实验，得到高效絮凝剂两套，同时在胜利油区开展了相关现场实验，系统的评价了絮凝剂的絮凝效果。

1 实验

1.1 实验原理

现有的常用絮凝剂主要有有机高分子絮凝剂和无机高分子絮凝剂两大类[2]，其中有机高分子絮凝剂主要成分为有机高分子聚合物，通常具有发达的链状结构和自由基团，可以将颗粒物有效的吸附在表面，并通过各种颗粒之间形成架桥作用，同时形成大颗粒的絮团，加快沉降速度，同时絮凝剂本身携带的电性离子降低了胶团的电位，中和了胶团微粒表面的电荷，使胶体粒子由原来的相斥变成了相吸，加速了胶体粒子的碰撞沉降，达到了絮凝的目的。而无机絮凝剂多为水溶性无机高分子聚合物，这类产品具有较强的架桥吸附性能，在水解过程中伴随着发生凝聚、吸附和沉淀等物理化学过程，其水解过程会增加液体中的离子含量，与有机高分子絮凝剂配合使用时可增加絮凝的强度。

因此，实验选择了几种有机高分子絮凝剂、无机高分子絮凝剂及其他处理剂进行了系统性的考察，以确定高效絮凝剂的配方。

1.2 实验材料

有机高分子絮凝剂：PAM-1白色粉末状颗粒，相对分子质量大于450万，山东宝莫化工；PAM-2白色粉末状颗粒，相对分子质量大于300万，化工品；PAM-3白色粉末状颗粒，水解度14%，山东宝莫化工。

无机高分子絮凝剂：JA白色混淡黄色粉末状固体，化工品，瑞星净水原料有限公司。

pH调节剂：无机酸，固体，化工品。

膨润土：符合GB/T 5005钻井液材料规范要求。

钻井液：胜利油区现场取样，取样井段3 200 m～3 580 m。

1.3 实验仪器

离心机：可调速台式离心机。

压滤设备：实验室自制，可提供0～1.0 MPa的气压。

钻井液用旋转黏度计：青岛海通达公司。

天平：FA2004N型。

色度仪：WGZ2000台式色度仪，上海昕瑞公司。

COD测试仪：ET791型，德国罗威邦仪器公司。

2 实验及结果分析

2.1 高效絮凝剂配方实验

2.1.1 有机高分子絮凝剂絮凝效果实验实验针对选择的三种常用的有机高分子絮凝剂，通过考察其在同一加量下对6%含量的膨润土浆的絮凝效果，筛选出效果较高的有机高分子絮凝剂。此实验模拟钻进过程中上部地层快速钻进情况下，评价当钻屑主要成分为黏土时，大处理量工况下絮凝剂的快速絮凝效果。

实验方法为将絮凝剂置于水中缓慢的搅拌，使其完全溶解后，将絮凝剂的水溶液加入到已水化稳定的6%含量的膨润土浆中，边加边缓慢的搅拌，充分搅拌5 min后，可发现大颗粒絮团开始沉降。待絮团充分沉降后，将其倒入压滤装置，在0.2 MPa压力下进行压滤，考察其滤饼的含水量，以确定添加量对固相沉降和脱水后固相含水率的影响（见表1）。

表1 有机高分子絮凝剂添加量对固相含水率的影响

从表1可知，随着有机高分子絮凝剂的添加，絮凝剂PAM-1形成的滤饼的含水量先减小后增加，存在最优加量0.15%，超过此加量后，滤饼的含水量有所增加并趋于稳定；PAM-2号絮凝剂形成的滤饼的含水量在其加入量为0.2%时达到最小，为75.39%。其后有所增加。PAM-3的添加量在超过2%后才趋于稳定。同时比较形成的滤饼可以发现，PAM-1、PAM-2形成的滤饼较为紧实，表面较为规整，手触摸时表面较为光滑，有黏滞感。PAM-3的则较为蓬松，表面松散不规则，黏滞感强。

因此由以上结论可知，在处理清水钻进时的钻井液及其中的固相废物时，相同相对分子质量下，PAM-2效果较好。因此在单独使用有机高分子絮凝剂时推荐PAM-2絮凝剂，加量为0.2%即可。

2.1.2 复配絮凝剂絮凝效果实验针对上部地层快速钻进的工况，单独使用PAM-2絮凝剂即可满足需求，但中下部地层由于钻井安全及油气层保护需求，使用的钻井液多为稳定体系，实验室前期实验发现单纯使用高分子絮凝剂时，无法单纯的依靠吸附架桥絮凝稳定钻井液及中下部地层乳化稳定的钻屑。因此在现有絮凝剂的基础上对配方进行复配实验。

使用PAM-2号絮凝剂，加量在0.1%，然后复配不同质量分数的无机高分子絮凝剂JA，重复上述实验，观察复配絮凝剂对6%含量的膨润土浆絮凝效果的影响。实验结果（见表2）。

表2 复配絮凝剂对絮凝效果的影响

从以上实验数据可知，在无机絮凝剂时，可以增强絮凝效果，降低滤饼的含水率，添加量在0.3%时，其滤饼的含水率较单独使用干粉时下降了10%，达到最佳的加量。实验中观察实验现象发现，JA的加入，使得大颗粒絮团出现的时间变短，絮凝速度加快，达到完全絮凝的时间缩短至1 min之内，但是其加入量过多会导致滤液颜色发黄，且浑浊不澄清，对滤液的质量有一定的影响，因此复配时需要控制其加量，既能满足絮凝要求，又能保证滤液质量。

JA的添加能加快絮凝速度的原因是因为其溶于水后析出大量的高价阳离子，达到了快速压缩黏土颗粒表面扩散双电层，同时中和了黏土表面的负电荷，通过电性作用，破坏了体系的稳定性，加速了黏土的絮凝沉降。

在此实验的基础上，开展了实验室模拟现场钻井液的絮凝实验，实验模拟的胜利油区3 000 m左右井深时钻井液配方，配方如下：

4%土浆+2%碳酸钠+0.5%LV-CMC+0.5%改性铵盐+0.5%氯化钙+1%无荧光白沥青+0.1%FA367+1%SMP-1+3%超细碳酸钙，养护16 h。

表3 实验室模拟用钻井液常规性能

取50 mL上述钻井液，向其中加入不同质量的PAM-2与JA的混合物，混和比例为1：2，使用0.4 MPa的压力下进行压滤至无滤液析出时，计算其滤饼的含水率，发现当絮凝剂加入量为钻井液质量的0.5%时，其滤饼含水率开始低于80%，为77.10%；加入量为0.75%时，滤饼含水率达到64.18%。滤饼表面干燥，饼体紧实，但压滤时间较久，现场使用无法满足实际工况。

综合考虑压滤时间及絮凝剂成本，为加速絮凝时间同时降本增效，需要向配方中添加可更快速脱稳絮凝的成分，通过实验室实验发现，使用酸降低钻井液pH值至7左右时，既可以快速打破黏土晶格结构，同时中和钻井液的碱性环境，使钻井液配方中的处理剂失去效果，加速钻井液的破胶脱稳，有效的释放出钻井液中的结合水，可有效的减少过滤的时间，同时降低滤饼的含水率。

因此实验时，先向50 mL钻井液中加入无机酸，调节其pH值至6.5～7.0后，向其中加入钻井液质量0.5%的絮凝剂（PAM-2与JA的混合物，混和比例为1：2）使用0.4 MPa的压力下进行压滤至无滤液析出时，测定滤饼含水率为62.17%，过滤时间缩短至30 min以内。基本可满足现场工况。

因此得到钻井废弃物分离用高效絮凝剂配方为：上部地层快速钻进时使用处理量0.2%的PAM-2型絮凝剂，中下部地层使用1份PAM-2加上2份JA再加入适量的无机酸，其中无机酸加入量通过废弃物pH值确定，PAM-2及JA絮凝剂的加量为处理量的0.5%。

2.2 现场实验

2.2.1 辛37区块丛式井辛37区块6口井无大循环池，固相脱液后拉运至东营市砖厂烧砖，液相循环使用；实验用PAM-2型絮凝剂最大加量0.2%，脱出液相后固相含水量最低可达58.71%，滤液pH6.5～7.0，色度最低60达到国家二级水排放标准，最高147，满足循环使用要求，滤液回用配浆，未出现钻井液不稳定情况（见图1）。

图1 辛37-斜6井离心机出口固相及液相情况

2.2.2 辛161-斜32井此井在钻井过程中出现了下部地层废弃物固液分离困难分离速率低，使用井队原有絮凝剂分离后液相色度偏高且有絮凝剂残留，无法回用，固相含水高于85%，无法拉运。实验时在2 100 m井深加入复配的高效絮凝剂，快速对乳化稳定的体系进行了脱稳絮凝，分离后固相含水低于65%，液相色度正常，COD值小于150 mg/L，正常回用，未出现钻井液不稳定情况。现场固液分离效率满足工况需求（见图2）。