海水钻井液废液处理技术研究

陈缘博 吕鹏 郭晓轩 赵志强 王秀平 乔三原

摘      要： 海水钻井液废液需要进行减量化处理，必须进行固液分离。对于模拟的海水钻井液废液，优选的混凝剂为PF-PCF，由一种阳离子双子型聚丙烯酰胺（分子量300万，阳离子度15%），使用浓度为7 500 mg/L，絮凝分离后上清液的pH=6.94，脱水率为55.7%，脱出水较清。使用Materials Studio 2017 R2软件，分析了加入混凝剂前后，海水钻井液废液体系的能量绝对值由937.733 kcal/mol，降至390.518 kcal/mol，下降率为58.4%，有利于海水钻井液废液的固液分离。

关  键  词：海水钻井液废液;混凝剂;脱水率;固液分离

中图分类号：TQ 028.7       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）10-2273-04

Abstract： Reduction processing of seawater drilling fluid waste needs to be carried out， and solid-liquid separation is necessary. In this paper， simulated seawater drilling fluid waste was treated by 7 500 mg/L preferred coagulant PF-PCF， a cationic gemini polyacrylamide （molecular weight 3 million， cationicity 15%）. After flocculation separation， the pH of the supernatant was 6.94， the dehydration rate was 55.7%， and the water was clear. The absolute value of the energy of the seawater drilling fluid waste liquid system was analyzed by Materials Studio 2017 R2 software， it reduced from 937.733 kcal/mol to 390.518 kcal/mol， and the decrease rate was 58.4%， which was conducive to solid-liquid separation of seawater drilling fluid waste.

Key words： Seawater drilling fluid waste; Coagulant; Dehydration rate; Solid-liquid separation

随着石油工业的快速发展，钻井液的种类不断增加，添加剂日益增多，使其组成极为复杂，其中有些成分对人身和环境均具有毒害作用[1-5]。渤海作为特殊的海域，随着环保形势的日益严峻，未来三年将逐步落实零排放政策，严格执行陆地关于三废国家标准及地方标准，因此，现场产生的钻井液废液必须通过船只运送至陆上进行处理，大量钻井液废液的运输成本极高，减量化处理将是海上钻井液废液处理的发展趋势，亟需解决海水钻井液废液固液分離及再利用难题[6，7]。本文对海水基钻井液废液进行固液分离，并分析了其固液分离机理[8]，通过对海水钻井液废液水相进行再回收利用，大幅减少钻井废弃物回收量[9-11]，有效降低钻井液废弃物回收成本，满足环保要求和生产作业需求[12]。

1  实验材料及仪器

混凝剂PF-PCF，室内自制，阳离子双子型聚丙烯酰胺（分子量300万，阳离子度15%）;混凝剂聚合氯化铝铁、氯化铁、聚合氯化铝;部分水解聚丙烯酰胺、黄原胶、海水、NaOH、NaOH、NaCl、KCl、重晶石等。

离心机、搅拌器、分析天平、pH计、Materials Studio2017R2软件。

2  结果与讨论

2.1  海水钻井液废液的配制

渤海油田应用的KCl/PHPA 海水钻井液体系，其基本配比见表1。

由表1可见，KCl/PHPA海水钻井液体系中主要处理剂为部分水解聚丙烯酰胺、低黏聚阴离子纤维素、黄原胶、淀粉和膨润土，部分水解聚丙烯酰胺是一种阴离子型聚合物，黄原胶、淀粉是一种非离子型聚合物，对于上述海水钻井液体系的絮凝，选用室内合成的混凝剂PF-PCF与其它三种混凝剂聚合氯化铝铁、氯化铁、聚合氯化铝进行对比。

2.2  不同混凝剂的絮凝效果

取四只烧杯，各取60 mL模拟海水钻井液，加入相同浓度、不同类型的混凝剂进行絮凝分离，混凝剂的种类为PF-PCF、聚合氯化铝铁、氯化铁、聚合氯化铝4种，基本配方为：60 mL模拟海水钻井液+4 mL浓度为100 000 mg/L的混凝剂溶液，模拟海水钻井液废液中加入混凝剂后，搅匀，体系中混凝剂的浓度为6 250 mg/L。将四组实验离心，如图1所示。

由图1可见，当混凝剂浓度相同时，PF-PCF可以实现模拟海水钻井液废液固液完全分离，在同等浓度下其余三种混凝剂的絮凝效果并不理想。取出离心得到的上清液（见图2），分别测定上清液的体积、pH值，计算脱水率，结果见表2。脱水率=（上清液体积-加入溶液体积）/处理的钻井液废液体积。

由表2可见，直接用混凝剂进行絮凝的模拟海水钻井液废液，PF-PCF在浓度为6 250 mg/L有良好的絮凝分离效果，在同等浓度下，其余混凝剂可以絮凝沉降钻井液废液中的部分固体，但并不能使固液完全分离。

2.3  混凝剂PF-PCF使用浓度的测定

取4只烧杯，各取60 mL模拟海水钻井液废液，分别加入相同体积、不同浓度的PF-PCF溶液，具体配方如下：

60 mL钻井液废液+4 mL浓度分别为60 000、80 000、100 000、120 000 mg/L的PF-PCF溶液，搅匀。

此时体系1-4号中混凝剂PF-PCF的浓度分别为3 750、5 000、6 250、7 500 mg/L。将四组实验离心，如图3所示。

由图3可见，当PF-PCF的浓度达到6 250 mg/L时，才能取得较好的絮凝效果。随着浓度升高，絮凝分离得到的上清液更加清澈。取出离心得到的上清液，测定各项数据，如表3所示。

由表3可见，当体系中PF-PCF浓度达到6 250 mg/L时，就可以实现固液分离，且随着浓度升高，固液分离的脱水率也有一定程度的升高。选择使用PF-PCF浓度为7 500 mg/L，絮凝分离后上清液的pH=6.94，脱水率为55.7%，脱出水较清。

2.4  海水钻井液废液脱稳机理

模拟使用Materials Studio2017R2软件，通过Geometry Optimization 工具对部分水解聚丙烯酰胺单分子模型进行结构优化，选择Compass（Version2.8）力场，静电作用和范德华作用分别采用Ewald和Atom-based求和方法，使用Smart Minimization算法使分子达到能量最小化模型。部分水解聚丙烯酰胺单分子模型如图4所示[19]。

采用Forcite模块中的Dynamics工具对优化好的图层进行计算，选择Ensemble为NVT（正则系综），Temperature：278 K，Time Step：1 fs，Total Simulation Time：500 ps，Number of Steps：5 000，在Compass力场下进行分子动力学模拟，对每个模型重复多次计算，使每组数据的偏差在5%之内。

2个部分水解聚丙烯酰胺分子与100个水分子进行结合，其构象模型如图5所示。

使用Materials Studio2017R2软件对上述分子构象中的能量进行模拟，数据如表4所示。

两个部分水解聚丙烯酰胺分子、一个混凝剂分子与水分子以2∶1∶100构建模型如图6所示。

使用Materials Studio2017R2软件对上述分子构象中的能量进行模拟，数据如表5所示。

对比表4、表5中能量的变化，在加入混凝剂前，部分水解聚丙烯酰胺与水分子体系的总能量为-937.733 kcal/mol，加入混凝剂后，此混合体系的总能量为-390.518 kcal/mol，体系中能量的绝对值下降了547.215 kcal/mol，下降率为58.4%。体系能量的下降导致两个部分水解聚丙烯酰胺分子相互靠近时，排斥能减小，体系不稳定，发生絮凝。同样可知，当部分水解聚丙烯酰胺吸附混凝剂时，由于部分水解聚丙烯酰胺带负电荷，而混凝剂带正电荷，当二者吸附后，部分正电荷与负电荷发生电性中和，使部分水解聚丙烯酰胺的负电荷减少，ξ电位降低，导致两个部分水解聚丙烯酰胺分子之间的斥力减小。

综合两个部分水解聚丙烯酰胺分子间能量与ξ电位的变化，都呈现出降低的趋势，因此两个部分水解聚丙烯酰胺分子相互靠近，易于聚集，海水钻井液废液的稳定性下降，产生絮凝。

3  结 论

（1）通过对比实验，对于海水钻井液废液，优选的混凝剂为PF-PCF，浓度為7 500 mg/L，絮凝分离后上清液的pH=6.94，脱水率为55.7%，脱出水较清。

（2）Materials Studio2017R2软件，分析了加入混凝剂前后，海水钻井液废液体系的能量绝对值由937.733 kcal/mol，降至390.518 kcal/mol，下降率为58.4%，有利于海水钻井液废液的固液分离。

参考文献：

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