胜利油田钻井液固液分离用絮凝剂的优选实验及相关分析

董怀荣，李宗清，夏 晔，李 琴，郭 振，陈志礼，李亚伟

（中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营257000）

胜利油田地质条件复杂，尤其是二开上部地层清水快速钻进工艺，具有独特的技术优势，该阶段钻井速度快，可以大大缩短钻井周期、降低钻井成本；但是这个过程中机械钻速快（机械钻速甚至超过100m/h）、泵排量大（100～250m3/h）、井底上返的钻屑量大、泥饼多、岩屑细小、固液分离难度大。细泥、细砂易板结、易堵塞，造浆强烈，钻头易起泥包，这个阶段是钻井液不落地处理工艺的关键阶段也是最难处理的阶段。以往主要采取大循环方式钻进，将钻井过程中产生的强水敏粘土钻屑絮凝沉降在大循环池里，然后用漂浮泵从大循环池上面抽取清液到固控系统中进行循环使用，固相直接留在大循环池中，完井以后进行就地固化掩埋处理。随着环保法的实施，对石油工程施工环境治理提出了更高的要求，要求钻井过程中全井段实现废弃钻井液及钻屑现场不落地，不再挖大循环池，需要采用钻井液不落地工艺及配套相关设备进行钻井施工[1-3]。

为配合钻井液不落地钻井工艺的顺利实施以及设备的正常运转，加速固控系统中废弃物的脱稳及固相的絮凝沉降，确保在清水快速钻进的条件下，达到快速分离固液相的效果，保证施工进度，需要选择合适的絮凝剂，添加到快速沉降装置中，将其中的钻屑及土相进行絮凝分离以分成水相和含水较低的固相。其中对絮凝剂种类进行筛选并对絮凝剂影响作用进行研究，选择合适的絮凝剂、絮凝剂添加方式和絮凝剂的加量是至关重要的[4]。

1 絮凝机理研究

为了加速钻井液中固相粒子的沉降，必须要破坏粒子在体系中的稳定性，促使其发生碰撞及团聚，从而发生沉降，这就是絮凝作用的基本机理。一般认为长链絮凝剂的絮凝作用机理是：在稳定的胶体分散体系中，一个长链大分子可同时吸附2个或是几个胶粒，因此形成架桥的形式把胶粒包裹起来而发生沉降作用；也可能是大分子链中的极性基团在胶粒表面上进行无规则吸附而使胶粒聚沉。

为了配合钻井液不落地工艺的实施及快速沉降装置的应用，实现废弃钻井液及钻屑减量化，克服油田常规絮凝剂链短、用量大、絮凝效果差的问题，筛选并改性研发了钻井液减量化用的高效全絮凝剂，目的是通过合适的分子量的选择、大幅度地减少絮凝剂用量，同时提升絮凝效果，在不影响正常钻井液性能和钻井安全的情况下，可适度水解后起到抑制剂效果，控制上部地层吸水膨胀，在加速胶体粒子沉降的同时，在源头上抑制粘土造浆，降低固液分离设备的处理难度[5]。

2 絮凝剂种类筛选

目前用于钻井液固液分离的絮凝剂由于用量大、结构不合理和电荷密度低等原因，胜利油田废弃钻井液固液分离脱水后的污泥含水率高，达不到拉运和排放标准，因此优选一种高效、水溶性好、电性适宜的钻井液固相分离用高效絮凝剂非常重要。

钻井用絮凝剂主要分为有机高分子絮凝剂和无机高分子絮凝剂2大类。有机高分子絮凝剂中较为常见且价廉易得的主要是聚丙烯酰胺干粉，其又分为阴离子型、阳离子型及非离子性3大类。无机高分子絮凝剂中较为常用的是聚合氯化铝。这2类产品都有较好的絮凝分离效果，因此在本次实验中作为备筛絮凝剂进行了重点实验分析[6-7]。

2.1 聚丙烯酰胺絮凝原理分析

聚丙烯酰胺这种有机高分子聚合物，通常具有发达的链状结构和自由基团。凭借于这种发达的链状结构和自由基团，滤料和悬浮颗粒能被聚合物比较牢固地吸附在表面，并在各种颗粒之间形成架桥作用。絮凝作用是指这些加入带有许多能吸附微粒的有效官能团的线状高分子化合物，它像一条长绳一样能将许多微粒吸附在一起，形成一个絮团，加速沉降。长链的高分子化合物在微粒之间起的桥梁作用称为“架桥”作用，同时还会发生物理变化，降低胶团的电位，中和胶体微粒及悬浮物表面的电荷。因而，胶体粒子由原来的相斥变成相吸，破坏胶团的稳定性，使胶体和微粒相互碰撞，形成沉淀，达到了固液分离快速沉降的目的。

聚丙烯酰胺作为常用的絮凝剂，在使用时应遵循以下原则：①为了充分发挥絮凝剂的作用，一般现配现用；②铁的氧化会导致絮凝剂性能降低，因此，絮凝剂不宜用铁质容器长期贮存；③絮凝剂在添加时需要充分搅拌；④絮凝剂溶液的浓度和用量要适中。

其中，离子型聚丙烯酰胺（CPAM)是线型高分子化合物，由于它具有多种活泼的基团，可与许多物质亲和、吸附形成氢键。主要是絮凝带负电荷的胶体，具有除浊、脱色、吸附、粘合等功能，适用于冶金、选矿、煤粉、油田等有机胶体含量较高的废水处理，特别适用于城市污水、城市污泥、造纸污泥及其它工业污泥固相的脱水处理。阳离子聚丙烯酰胺的阳离子度一般与其分子量有关，表征其分子结构上带正电荷的阳离子的量，针对带负电荷的固相，阳离子度与其絮凝效果有较大的联系。阴离子聚丙烯酰胺可用于pH值在7～14的环境下，水解状态下释放出带负电荷的阴离子，可用于带正电荷固相颗粒的沉降分离，常用的阴离子聚丙烯酰胺的水解度一般在20%～30%之间，具有较好的絮凝效果。而非离子聚丙烯酰胺可以加速悬浮液中粒子的沉降，有非常明显的加快溶液的澄清、促进过滤等效果，广泛用于化学工业废水、废液的处理、市政污水处理。尤其当污水呈酸性时，尤其适宜使用此类聚丙烯酰胺为絮凝剂[8]。

2.2 聚合氯化铝絮凝原理分析

聚合氯化铝简称PAC，通常也称作碱式氯化铝或混凝剂，是介于AlCl3和Al(OH)3之间的一种水溶性无机高分子聚合物，颜色多呈黄色或淡黄色粉末状固体。该产品有较强的架桥吸附性能，在水解过程中，伴随发生凝聚、吸附和沉淀等物理化学过程。传统无机混凝剂为低分子结晶盐，而聚合氯化铝的结构是由形态多变的多元素基络合物组成，适用pH值的范围宽，对管道和设备无腐蚀性，絮凝沉淀的速度快，净水效果明显，并能有效除去水中色质SS、COD、BOB及砷、汞等重金属离子。聚合氯化铝适宜与聚丙烯酰胺等高分子絮凝剂复配使用，效果更好。

表1 实验用絮凝剂

在本实验过程中，考虑铝离子在进入水体后可能因其在人体内的富集影响人体健康导致大脑退行性疾病，因此主要用于考察其与有机高分子絮凝剂复配后对絮凝效果的影响。

针对胜利油田清水快速钻进阶段固相含量高、钻速快的特点，配合钻井液不落地用快速沉降设备，有针对性地选择了以上8种絮凝剂（表1），包含聚丙烯酰胺和聚合氯化铝2大类絮凝剂。分子量在1000万～2000万之间的絮凝剂，可以在加量小于1%的情况下即可快速的絮凝沉降固相，达到固液初步分离的效果。

3 絮凝剂对钻井液性能的影响实验

在高速搅拌条件下，向经配浆养护16h后的6%的膨润土浆中缓慢添加5‰的聚丙烯干粉絮凝剂，高速搅拌60m in后测定其流变性，并将以上浆液加入到转速3000r/m in的离心机中，高速离心分离30m in后观察其稳定性，同时将剩余浆液静置16h，观察其析出液高度以评价其胶体稳定性，实验结果见表2。

表2 絮凝剂对钻井液性能影响实验

从表2数据可知，在加入5‰的聚丙烯酰胺后，膨润土浆的粘度增大了，同等加量对土浆粘度增大的影响效果由高到低排列分别为：1～3＜4～6＜7，即阳离子＜阴离子＜非离子。且同样的分子量，且随着阳离子度的增加，阳离子聚丙烯酰胺对膨润土浆的影响越明显。三类聚丙烯酰胺的加入对体系的pH值没有影响，其添加会使土浆的胶体性能更稳定，长时间放置和高速离心情况下胶体不分层。

根据钻井液不落地工艺及装置的设计要求，聚丙烯酰胺干粉会替代原大循环池在装置内添加后完成固相与液相的分离，分离后的固相经过高速离心机脱液分离后被运移至指定地点，液相会回收返回到固控系统中继续循环使用。存留在液相内的聚丙烯酰胺酰胺干粉作为絮凝剂，仍然可以进行钻井液固液相快速分离。但是其添加可在一定程度上起到稳定钻井液体系，提高体系粘切力的效果。因此使用聚丙烯酰胺干粉作为絮凝剂对钻井液性能的影响可控，实验方案可行，但其添加方式和加量需通过实验需要进行进一步的确定。

通过以上实验，我们选择了代号为2、3、5的3种聚丙烯酰胺干粉进行进一步的实验，选择原因为：首先其对钻井液的流型影响可以接受；其次粘土颗粒的表面带有负电荷，因此应重点考查阳离子型聚丙烯酰胺干粉的使用效果，且在可接受的范围内应适当的选择阳离子度较高的产品，以通过较强的电性作用加速粘土颗粒的聚合沉降；再次考虑需对比阴阳离子聚丙烯酰胺干粉的不同影响，也选择了一个阴离子型产品进行考察。因非离子型聚丙烯酰胺干粉因其对钻井液体系影响较大，且市场上此类产品较少，因此未选择。

4 絮凝剂的加量及添加方式的确定

通过上述实验可知，将聚丙烯酰胺干粉直接加入钻井液中，不会使固相颗粒沉降，反而会使其中胶体颗粒的结合更为牢固，从而增加了体系的粘度和稳定性。因此在进行沉降实验时，首先将聚丙烯酰胺干粉在水中完全溶解，其中带极性的阳离子被充分水解游离，有机长链展开，相互交叠形成适宜捕捉土相颗粒的网状结构，再加入到钻井液中才能起到充分絮凝的效果。

4.1 絮凝剂的加量对絮凝效果的影响

将不同质量的絮凝剂缓慢地搅拌，使其完全溶解到水中后，将絮凝剂的水溶液加入到钻井液中，边加边缓慢地搅拌（现场实验中可使用折流板实现），充分搅拌后，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个压力下进行压滤，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。实验过程中需要注意，搅拌不能剧烈，需要保证絮凝剂水溶液和钻井液的接触时间充分，才能保证絮凝效果。

表3 絮凝剂添加量对固相含水率的影响

从表3可知，随着絮凝剂的添加，絮凝剂2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；3号絮凝剂形成的滤饼的含水量在其加入量为0.1%时达到最小，为75.41%。其后有所增加并趋于稳定。5号的添加量在超过2%后才达到稳定。同时比较形成的滤饼可以发现，2号、3号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，有粘滞感。5号的则较为蓬松，表面松散不规则，粘滞感强。实验所得滤液为无色无味的透明液体。

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，阳离子型的聚丙烯酰胺效果好于阴离子型。相同分子量下，阳离子度高的干粉效果较好。因此在单独使用有机高分子絮凝剂时，推荐阳离子度在30%，分子量在1200万的阳离子型聚丙烯酰胺干粉，加量为0.1%即可。

4.2 复配絮凝剂对絮凝效果的影响

使用3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8即聚合氯化铝，重复上述实验，观察复配絮凝剂对絮凝效果的影响。实验结果见表4。

表4 复配絮凝剂对絮凝效果的影响

从表4实验数据可知，在加入无机絮凝剂聚合氯化铝时，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。无机絮凝剂聚合氯化铝的加入，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，但是其加入会导致滤液颜色发黄，且浑浊不澄清，因此在使用时需仔细考虑验证后添加，其对水质环保指标的影响需要进一步考虑。因此在可以达到现场要求的情况下，推荐单独使用3号阳离子絮凝剂。考虑成本问题时，可适当添加无机絮凝剂。

3号絮凝剂即为筛选出的高效全絮凝剂，代号QA型絮凝剂。目前已经在胜利油田钻井液不落地施工的永55-斜2井等42口井上使用，现场使用效果较好，添加到快速沉降装置后能够快速沉降实现固液分离，而且现场应用过程测得滤饼含水率小于60%，完全达到拉运和排放要求。

5 结论及建议

通过以上实验分析和现场使用效果跟踪，在二开清水快速钻进时，处理钻井液及其中的固相废物时，阳离子型的聚丙烯酰胺效果好于阴离子型；相同分子量下，阳离子度高的干粉效果较好。因此在单独使用有机高分子絮凝剂时，推荐阳离子度在30%，分子量在1200万的阳离子型聚丙烯酰胺干粉，加量为0.1%即可。絮凝剂在使用时尽量配成胶液，严格控制加量。同时在现场应用时及时采样、及时监控，控制水相质量和固相含水率。

[1]董怀荣，李宗清，郭振，等.胜利油田钻井液不落地处理工艺研究[J].西部探矿工程，2017，29（11）：50-55.

[2]王茂仁.国内水基钻屑不落地技术应用现状与问题探讨[J].石油和化工设备，2015，18（9）：95-99.

[3]董怀荣，李宗清，李琴，等.钻井液固控系统技术现状与发展趋势[J].西部探矿工程，2015，27（11）：49-52.

[4]李琴，郭振，董怀荣，等.一种钻屑快速沉降装置[P].中国专利：ZL201620033169.1，2016-08-17.

[5]高月臣,田萌,李伟.胜利油田废钻井液固液分离技术研究实验[J].油气田环境保护，2008，18（1）：22-24.

[6]罗刚，唐霞，肖先念，等.城市污水处理厂污泥调质絮凝剂的优选[J].净水技术，2013，32(s)：23-25.

[7]李广环，吴文茹，黄达全，等.废弃水基钻井液用新型破胶絮凝剂的研制与应用[J].钻井液与完井液，2015，32(5)：46-48.

[8]王洪运，秦绪平.阳离子聚丙烯酰胺微胶乳与污泥脱水[M].北京：化学工业出版社，2003.