基于现有固控设备的废钻井液处理及利用技术

胡祖彪， 王清臣， 陈廷廷

基于现有固控设备的废钻井液处理及利用技术

胡祖彪， 王清臣， 陈廷廷

（川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司，西安710021）

胡祖彪， 王清臣， 陈廷廷.基于现有固控设备的废钻井液处理及利用技术[J].钻井液与完井液， 2017， 34（1）：92-95.

HU Zubiao, WANG Qingchen, CHEN Tingting.Treatment and use of waste drilling fluid with existing solids control equipment[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（1）：92-95.

为了达到环境保护要求，长庆钻井采用破胶-固液分离的技术，对废弃钻井液进行后期处理。针对常见破胶剂多为单一作用，破胶速度慢，效率低，自制一种复合型破胶剂CQPJ-1为一种破胶剂，其能够使黏土胶体和悬浮颗粒整体的电荷量减小，聚结稳定性下降，同时能够使高分子材料氧化分解，产生初级自由基，并引发连锁自动氧化反应，使分子量急剧降低。同时优选了一种分子量适中的高分子絮凝剂CQXN-1，它具有的阳离子和长分子链可将失稳的黏土颗粒包裹起来，形成的聚集体较无机絮凝剂所形成的絮凝聚集体更加紧密牢固，因而更有利于机械脱水。室内实验同时对双氧水、高锰酸钾、亚磷酸钠和CQPJ-1等破胶剂以及聚合氯化铝、聚合氯化铁、硫酸铝和CQXN-1等絮凝剂进行了对比评价。结果表明，通过调节废弃钻井液的pH值调整为6.0～6.5，加入2%破胶剂CQPJ-1，破胶3 h，最后加入0.15%絮凝剂CQXN-1，利用钻井队配备的离心机进行固液分离，选择离心机转速为2 200 r/min，分离效率和效果达到预期目标。处理后的液相污染指标大幅下降，重复利用配制钻井液后各项指标也符合钻井施工要求。

环境保护；废钻井液；破胶；固液分离；重复利用；长庆气田

钻井生产会产生大量的废弃钻完井液，随着“新环保法”的实行，要求“钻屑、钻井液不落地”，对废弃钻完井液进行无害化处理，变得非常必要。通过破胶-絮凝-离心的方式可以达到对废弃钻完井液固液分离的目的，这种分离方式可以使固相体积最小化，液相经处理后可循环使用，达到减量排放要求。要实现废弃钻井液固液分离，首先需要破坏钻井液中通过黏土和各种处理剂形成的稳定胶体结构，使稳定的胶体分解成固相颗粒和自由水，由于分解成的固相颗粒极其微小，使用常规的钻井用离心机无法直接清除，因此还需要通过絮凝作用使细小的黏土颗粒聚集，通过颗粒再造，形成较大粒径的絮凝体，从而达到通过钻井用离心机实现钻完井液固液分离的目的。

1 室内实验

1.1 试剂的选择

破胶剂：次氯酸钠、 过硫酸钠、 柠檬酸和CQPJ-1；絮凝剂：聚合氯化铝、 聚合氯化铁、 硫酸铝和CQXN-1。

1.2 实验结果及讨论

1.2.1 不同破胶剂对钻井液效果的影响

在常温常压、破胶时间为2 h的条件下，对几种破胶剂进行实验优选，见图1。

图1 不同类型破胶剂的出水率对比

由图1可知，过硫酸钠的出水率最高，破胶效果最好，CQPJ-1次之，但过硫酸钠破胶后的固相中含有大量自由水，破胶后的固相呈稀泥状，钻井用离心机无法清除，而CQPJ-1加入钻井液后，很快就能发生破胶作用，并且随着其加量的增加，出水率相应提高。因而优选CQPJ-1作为破胶剂，最经济的加量为2%。

1.2.2 pH值对破胶效果的影响

酸液的加入可以使钻井液中部分有机乳化官能团“失活”，打破钻井液的碱性稳定环境，特别是高分子与黏土之间的结合稳定性，H+的介入中和了黏土表面的负电荷，减弱了—COONa等有机官能团的分散乳化能力，有利于钻井液整体的“化学失稳”，导致局部收缩，胶结，脱水现象发生。钻井液在不同pH值下的出水率见图2。

图2 钻井液出水率随pH值变化

由图2可知，随着pH值降低，钻井液的出水率越来越大，但是考虑设备腐蚀等综合因素，将钻井液的pH值调整为6.0～6.5。

1.2.3 氧化时间对破胶效果的影响

CQPJ-1破胶剂不同作用时间的出水率见图3。

图3 破胶时间与出水率的关系

由图3可知，随着破胶剂加入的时间增加， 出水率不断升高， 当反应时间达到3 h后， 出水率上升速度减慢， 趋于稳定，说明已达到最佳破胶效果，因此破胶时间定为3 h。

1.2.4 絮凝剂的优选

絮凝剂能够提供大量的络合离子，强烈吸附胶体颗粒，通过黏附、架桥和交联作用促使胶体聚集；同时还能中和胶体颗粒的电荷，破坏zeta电位，使胶体颗粒由相斥变成相吸，形成絮状沉淀物。不同絮凝剂对出水率的影响见图4。由图4可知，聚合氯化铝、聚合氯化铁、硫酸铝对钻井液的出水率均不如CQXN-1效果好，因此，选用CQXN-1作为钻井液絮凝剂。加量较少时，出水率随着絮凝剂加量的增加而增大，但是加量继续增大时，絮凝剂中过量的阳离子进入黏土颗粒表面的吸附层，使颗粒又带正电，电位由负变正，产生了“再带电”现象，使钻井液返胶稳定，出水率反而降低，因此确定CQXN-1的最佳加量为0.15%。

图4 不同絮凝剂对钻井液出水率的影响

现场使用中速离心机对破胶后的钻井液进行固液分离，离心机对固体颗粒的最小分离点为2 μm，分离效果最好的分离点应大于10 μm，使用CQPJ-1破胶后的钻井液微粒粒径非常细小，需要加入絮凝剂将黏土微粒聚集，使粒径变大，使离心机固液分离的效果最大化。破胶后加入CQXN-1处理剂前后的钻井液粒径分布见图5和图6。

图5 破胶后钻井液粒径分布

图6 破胶后加入CQXN-1处理剂的钻井液粒径分布

由图5可知， 小于2 μm的颗粒物占总体积的50.38%，小于10 μm的颗粒物占总体积的87.86%。说明颗粒物粒径太小， 不便于离心机清除。由图6可知，加入CQXN-1后， 立即发生固相颗粒变粗的变化，没有小于2 μm的颗粒物， 小于5 μm的颗粒物占总体积的7.89%， 大于10 μm的颗粒物占总体积的54.69%。絮凝剂CQXN-1能增大颗粒粒径，使离心机进行固液分离的能力更趋于完全。

1.3 作用机理

1.3.1 CQPJ-1的作用机理

CQPJ-1为一种复合型破胶剂，部分成分含有的H+能够使黏土胶体和悬浮颗粒整体的电荷量减小，降低Zeta电位，聚结稳定性下降；另外部分成分能够使钻井液中的高分子材料氧化分解，产生初级自由基，并引发连锁自动氧化反应，使分子量急剧减少。通过这2方面的作用，使钻井液胶体失稳，从而达到破胶的目的。

1.3.2 CQXN-1的作用机理

CQXN-1为分子量适中的高分子絮凝剂，其具有的阳离子和长分子链可将失稳的黏土颗粒包裹起来， 通过“架桥” 作用使破胶后的悬浮微粒聚集成大絮凝体、 大颗粒， 且形成的聚集体较无机絮凝剂所形成的絮凝聚集体更紧密牢固， 因而更有利于机械脱水。同时适量金属阳离子也可以同钻井液中的有机物形成溶解度比较小甚至不溶的结合体或络合物。

2 现场应用

2.1 钻井液固液分离

离心机转速越高离心力越大，钻井液中被甩到直筒桶壁上的固相越多，但是离心机转速太高，离心力超过一定范围后，钻井液中形成的絮凝体被离心力撕裂，体积急剧减小，在钻井液本身黏度的束缚下，无法被甩到直筒桶壁上，导致固相清除效率降低。因此，适当的离心机转速能够清除更多固相。用CQPJ-1和CQXN-1对苏东XX1井废弃完井液进行破胶处理，并将其用钻井现场使用的离心机进行固液分离处理。离心效率见表1。由表1可知，离心机转速为2 200 r/min时，分离效果最好，分离效率最高，因此最佳离心机转速应选择为2 200 r/min。

表1 钻井液离心效果对比

2.2 固液分离后的液相数据分析

2.2.1 液相污染指标分析

将苏东XX1井钻井液通过固液分离后，液相的主要污染指标大幅下降，实验数据如表2所示。

表2 钻井液固液分离前后污染指标对比

2.2.2 液相配浆性能分析

完井液分离后的液相能否进行重复配浆使用是判断固液分离效果的重要标准。将分离后的液相进行重新配浆实验，配方如下，结果见表3。

表3 液相和清水配制钻井液性能对比

由表4可知，用固液分离后的液相重新配制钻井液，与用清水配制的钻井液相比，流变性略有下降，但是滤失量更低，回收率更高。因此用固液分离后的液相重复使用配制钻井液，完全可行。

3 结论

1.优选CQPJ-1作为钻井液的破胶剂，最优加量为2%，破胶时间为3 h，优选CQXN-1为絮凝剂，最优加量为0.15%。钻井液的pH值对破胶效果影响较大，pH值越小，破胶效果越好，但是考虑设备腐蚀问题，选择最佳pH值为6～7。破胶后的颗粒粒径较小，增加离心机清除的难度，通过加入絮凝剂，再造颗粒粒径，能够提高离心机清除的效果。固液分离时，离心机转速设为2 200 r/min时，清除效率最高，清除效果最好。

2.固液分离后的液相的污染指标大幅下降，并且其配制的钻井液性能也能够达到实际使用要求，完全能够将其重复使用，重新配制钻井液。

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Treatment and use of Waste Drilling Fluid with Existing Solids Control Equipment

HU Zubiao, WANG Qingchen, CHEN Tingting
(Changqing Drilling Company of CCDC,Xi’an,Shannxi 710021)

Waste drilling fl uids in Changqing gas fi eld are treated with gel-breaking and solid-liquid separation technologies to conform to the environment protection requirements. In gel-breaking the drilling fl uids, a new gel-breaking agent, CQPJ-1, was developed to replace the single-purpose, slow and low-eff i ciency conventional gel-breaking agents. CQPJ-1 is able to reduce the quantity of electric charge of clay colloids and suspended particles, thereby decreasing the coagulation stability of the suspension system. By oxygenolysis, CQPJ-1 decomposes polymer materials, producing primary radicals and initiating a chain oxidation reaction, thereby dramatically reducing the molecular weight of polymer. CQXN-1, a cationic polymeric fl occulant with moderate molecular weight, was selected to fl occulate destabilized clay particles through its cationic group and long molecular chain, making the fl ocs much easier to mechanically dewater than fl ocs fl occulated with inorganic fl occulants. Laboratory evaluation has been conducted on the performance of gel-breaking agents, including H2O2, potassium permanganate, sodium phosphite and CQPJ-1, and the performance of fl occulants such as poly aluminum chloride, poly ferric chloride, aluminum sulfate and CQXN-1. It was found that, using existing solids-control equipment, a waste drilling fl uid with pH adjusted between 6.0-6.5, after treatment with 2%CQPJ-1 for 3 hours and then adding 0.15%CQXN-1, can be solid-liquid separated at 2,200 r/min. The separation eff i ciency and results have achieved the expected goal. Contamination index of the liquid phase from the treated waste drilling fl uid was greatly reduced, and drilling fl uids prepared with the liquid obtained had properties conforming to the requirements of drilling operation.

Environment protection; Waste drilling fl uid; Gel breaking; Solid-liquid separation; Reuse; Changqing gas fi eld

TE92 TE254.3

A

1001-5620（2017）01-0092-04

2016-11-5；HGF=1605M3；编辑 马倩芸）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.01.017

胡祖彪，高级工程师，1991年毕业于承德石油专科学校油田应用化学专业，一直从事钻井液技术工作。电话 18629057518；E-mail：huzubiao123@sohu.com。