钾聚磺压滤液对再配制钻井液的性能影响

2022-09-21李茂森

精细石油化工 2022年5期

李茂森，范劲*，赵艳

(1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻井液技术服务公司，四川成都 610051; 2.西南石油大学化学化工学院，四川成都 610500)

钾聚磺钻井液具有性能稳定、适应性强的特点，广泛应用于深井、复杂地层的钻井[1]。但钾聚磺钻井液在使用过程中产生的废弃钻井泥浆是一种非常稳定的胶体，存在破胶难、成分复杂、对环境污染大等问题[2]。随着环保要求的提高，钻井平台提出了随钻减量化处理要求。破胶-压滤分离的滤液中不仅含有多种无机盐离子，还含有多种水溶性有机物质，同时由于不同的钻井液体系组成不同，破胶剂类型或加量不同，导致压滤的成分极其复杂、色度深、COD值高且难去除，如处理不当，将严重污染环境[3-4]。目前钻井、完井过程中的压滤液主要是由污水处理厂集中处理，但这种处理模式运输、处置费用高，存在安全、环保隐患[5]。同时，钻井过程中配制钻井液需要水，钻井液循环中需要补充水。因此，需要开发一种针对深井、复杂地层使用的钾聚磺钻井液所产生的压滤液的再利用技术。

本工作对钾聚磺压滤液进行了离子分析，考察了其对基浆水化分散性能和对钻井液添加剂的影响。该技术实现了钻井过程中压滤液循环再利用，减少水资源浪费和对生态环境的影响。

1 实验

1.1 主要试剂及仪器

ZNJ、JLSJ-1、JLSJ-2、膨润土、重晶石(密度4.2 g/cm3),工业级，重庆聚购科技发展有限公司；碳酸钠、氯化钾、氧化钙、氢氧化钠,分析纯，成都科龙化工试剂厂；PBJ-1自制；钾聚磺压滤液，某油田现场提供。

GJS-B12K型双轴变频高速搅拌机，青岛同春石油仪器有限公司；HTD-6ST型数显六速旋转黏度计、HTD-GL4型高温滚子加热炉、GGS42-2A型高温高压滤失仪，青岛恒泰达机电设备有限公司；AIM-9000型红外光谱仪，北京瑞利分析仪器公司；Quant450型环境扫描电子显微镜，美国FEI。

1.2 钾聚磺钻井液的配制

基浆配制：在水样中搅拌加入一定质量的膨润土，继续加入适量的Na2CO3，在2 500 r/min下充分搅拌2 h后静置水化24 h。

钾聚磺钻井液配制：将基浆转至高搅杯中，依次加入0.5% ZNJ和0.5% JLSJ-1并各自搅拌10 min，继续依次加入3% JLSJ-2、7% KCl、0.5% CaO和0.3% NaOH并各自搅拌5 min，最后加入重晶石(调节密度至1.8 g/cm3)搅拌20 min。处理剂添加结束之后，继续搅拌40 min。以上搅拌速率均为11 000 r/min。

1.3 表征与测试方法

离子分析：采用电感耦合等离子体质谱仪和离子色谱仪分别对钾聚磺压滤液的阳离子和阴离子成分进行测定。

结构特征：采用红外光谱法进行表征。

Zeta电位：采用Zeta电位仪测得电泳迁移率，并转化为ζ电位。

SEM：采用环境扫描电子显微镜对滤饼进行扫描。

2 结果与讨论

2.1 钾聚磺压滤液分析

实验钾聚磺压滤液的基本特性如下：外观呈深红色、有刺鼻味、无沉淀和絮状物，色度为200倍，悬浮物含量为0.69%，含油量为0.06 mg/L，pH值为6.66，密度为1.08 g/cm3。离子检测结果见表1。

表1 钾聚磺压滤液离子检测结果

2.2 清水、压滤液配制钾聚磺钻井液性能评价

钾聚磺钻井液按照1.2中方法进行配制，在100 ℃热滚16 h后性能见表2。

表2 清水、压滤液配制钾聚磺钻井液性能

由表2可知，清水配制钾聚磺钻井液其各项性能指标均较优。压滤液配制的钾聚磺钻井液塑性黏度偏低，说明钻井液中黏土分散程度低，其携带钻屑、护壁能力差；泥浆中形成的空间网架结构强度低；钻井液无法有效输送钻屑和清洁井眼，会引起循环系统过载的问题；初、终切数值小，说明静止时形成的网架结构不牢固，对固相的悬浮能力不强。综上所述，清水和压滤液配制的钻井液性能差异较大，说明钾聚磺压滤液不能直接配制钻井液。

2.3 钾聚磺压滤液对基浆水化分散影响

基浆按照1.2中方法进行配制，其水化分散情况见图1。

图1 基浆水化分散

由图1可知，清水配制的基浆其水化分散均匀、造浆能力强，未发生沉降且所形成的溶胶-悬浮体具有良好的流动性；而压滤液水化形成的基浆产生了絮凝，造浆率低。由于在压滤液中高矿化度的离子影响下，蒙脱石晶格置换产生的负电荷要吸附电性相反的离子来平衡溶液的电性。这些电性相反的离子是以水化离子形式存在于溶液当中，带负电荷的蒙脱石颗粒吸附水化阳离子形成双电层[6-7]。而压滤液中的部分离子进入后压缩扩散双电层，抑制膨润土的分散，甚至使膨润土产生凝聚和聚结，在重力的作用下沉降，从而造成基浆絮凝现象的发生。

采用Zeta电位仪对清水和压滤液配制的基浆ζ电位测定结果见图2。

由图2可知，清水配制基浆的ζ电位高于压滤液，说明膨润土在清水中分散后形成的体系更稳定。由于膨润土带负电，压滤液中含有多种高价金属离子，靠近膨润土表面的抗衡离子的积聚屏蔽了表面电荷，压缩双电层厚度[8]。因而使ζ电位降低，当其降低到一定程度时，胶体分散被破坏而发生凝聚下沉。

2.4 钾聚磺压滤液对钻井液添加剂影响

2.4.1 ZNJ

清水和压滤液中加入0.5%ZNJ高速搅拌并静置后的状态见图3。

图2 基浆ζ电位

图3 清水和压滤液中加入ZNJ后的对比

在清水和压滤液中加入ZNJ后，如图3所示，清水中溶解性较好，呈果冻胶状，在100 r/min下其黏度为131.7 mPa·s；压滤液中呈絮状沉淀并有明显的分层现象，在100 r/min下其黏度仅为3.3 mPa·s。在压滤液的作用下ZNJ发生絮凝沉淀而失去增黏效果。

采用红外光谱法对絮状沉淀进行测试，所得结果见图4。

图4 ZNJ在清水和压滤液中的红外光谱

由图4可知，在压滤液中加入ZNJ，3 428 cm-1处的酰胺基、1 659 cm-1处的不饱和酮羰基以及670 cm-1处较尖的苯环吸收峰明显增强，1 401 cm-1处的羧酸峰消失，出现了新的累积双键吸收峰2 082 cm-1。说明在压滤液影响下，ZNJ分子结构中羧基与高价离子作用形成了沉淀，使ZNJ在溶液中溶解性及增黏效果降低。

2.4.2 JLSJ-1

清水和压滤液中加入0.5%JLSJ-1高速搅拌并静置后的状态见图5。

图5 清水和压滤液中加入JLSJ-1后的状态

在清水和压滤液中加入JLSJ-1后，其流动性均好；如图5所示，清水中的沉淀相对于压滤液偏多，JLSJ-1与压滤液中的金属离子反应，增大了JLSJ-1在压滤液中的溶解度。

采用红外光谱法对沉淀进行测试，所得结果见图6。

图6 JLSJ-1在清水和压滤液中的红外光谱

由图6可知，在压滤液中加入JLSJ-1，3 432 cm-1处的酰胺基吸收峰明显增强，2 870 cm-1处的甲基、2 518 cm-1处的磺酸基、1 422 cm-1处的羧酸盐以及874 cm-1的苯环吸收峰消失，出现了新的吸收峰，2 075 cm-1处的吸收峰为累积双键(—N=C=S)、1 635 cm-1处的吸收峰为酮羰基、1 100 cm-1处的吸收峰为醇羟基，苯环的吸收峰发生了偏移。

2.4.3 JLSJ-2

清水和压滤液中加入3%JLSJ-2高速搅拌并静置后的状态见图7。

图7 清水和压滤液中加入JLSJ-2后的对比

在清水和压滤液中加入JLSJ-2后，其流动性均好。如图7所示，压滤液中底部的沉淀较清水中多。由于JLSJ-2是一种高分子聚合物，其亲水基团与压滤液中的高价金属离子反应，生成了沉淀。

图8是JLSJ-2在清水和压滤液中的红外光谱。由图8可知，在压滤液中加入JLSJ-2，3 445 cm-1处的酰胺基、1 635 cm-1处的酮羰基吸收峰明显增强，672 cm-1处的苯环吸收峰消失，出现了新的吸收峰，1 395 cm-1处较尖的吸收峰为叔丁基，1 195、1 039 cm-1这2个吸收峰为缩酮分子内部中发生振动耦合。

图8 JLSJ-2在清水和压滤液中的红外光谱

2.5 钾聚磺压滤液再配制钻井液工艺

从2.3和2.4可知，钾聚磺压滤液对基浆和钻井液的性能存在较大影响，因此，对钾聚磺压滤液再配制钻井液进行新工艺研究。用PBJ-1处理后的钾聚磺压滤液稀释清水配制的6%基浆，将基浆浓度稀释至3%，再按照钾聚磺钻井液优化配方配制钻井液。钾聚磺钻井液优化配方：基浆+0.3%ZNJ+0.5%JLSJ-1+3%JLSJ-2+7%KCl+0.5%CaO+0.3%NaOH+重晶石。钻井液在100 ℃下热滚16 h后的性能见表3。

表3 稀释胶液法配制钾聚磺钻井液性能

由表3可知，采用PBJ-1处理压滤液后稀释高浓度基浆再配制钾聚磺钻井液，其流变性、动塑比、初终切以及HTHP滤失量等指标均优于清水配制的钻井液。说明采用高浓度基浆稀释后再配制钾聚磺钻井液可以实现压滤液回用再配制钻井液要求。PBJ-1的加量为0.5%～0.6%。

清水、压滤液和PBJ-1处理压滤液稀释高浓度基浆后再配制钻井液高温高压滤失后形成滤饼的微观形貌见图9。由图9可知，使用压滤液配制的钻井液滤饼相较于清水配制的而言，表面上黏土颗粒大量聚结在一起，导致其表面存在有较大的裂缝、孔洞及微孔隙，在滤失过程中成为失水的主要通道。而加入PBJ-1处理压滤液后再配制的钻井液形成致密网状的滤饼，未出现明显的失水孔隙，并且表面出现的少量突触状突起与褶皱，很好地与下部基底部分连接，使黏土颗粒与之在体系中形成结构致密的滤饼，从而有效降低体系的滤失量。