煤层气钻井废液无害化处理优化工艺室内研究

范 莉 庞红斌 郭 威 许诗雪

(西南石油大学)

1 概述

1.1 煤层气钻井液类型及特点

煤层气与常规油气层钻井相比较具有井浅、钻井周期短、储层特殊、钻井液体系不复杂等特点，煤储层与常规油气储层相比较，具有机械强度低、破碎、微孔隙和裂隙发育等特点，其渗透率一般远低于常规油气储层。因此易于受钻井液、完井液、固井水泥或压裂液污染，从而导致煤层裂隙很容易被堵塞而伤害储层。根据上述特点，为了保护储层，对煤层气钻井液性能具有较高要求，其中对钻井液密度、固相含量有相当严格的标准，要具有低密度、低失水、低固相含量、低粘及良好的触变性等特点[1，2]。目前我国煤层气井所采用的钻井液主要有聚合物钻井液、无粘土钻井液、清水及空气泡沫钻井液。

1.2 钻井废液组成与危害

根据钻井液组成及钻井工艺特点可知，煤层气钻井时间短、单井钻井废液产生量较少，钻井废液组成较简单、污染程度不大，单井钻井投资成本较低。在钻完井过程中产生废液主要由含有排放的岩屑及从井筒中排放的钻井液组成，从成分上来说是一种含有粘土、化学处理剂、无机盐、油类、可溶性的微量元素和钻屑等多组份胶体溶液。钻井废液中含多种有害物质，主要是油类、钻井液添加剂、盐类及某些可溶性微量元素。钻井废液储存在井场的废液池中，由于渗漏、溢出、淹没等原因会混入或侵入地下水、地表水及周围生态环境污染地面水、沼泽、地下水及动植物的生长、生存，对人体健康及环境构成一定的直接危害或潜在危害，造成污染，甚至造成污染事故[3，4]。

2 主要药品及仪器

2.1 主要药品

破胶混凝剂：PAL、ALS、PC-1、PFL(均为工业级，四川淼源油气田工程公司)；

混凝助剂：PA、HPA、CPA、QP(均为工业级，四川淼源油气田工程公司)；

氧化剂：H2O2(化学纯、成都科龙试剂厂)、YH、Fenton、KM、NC(均为工业级，四川淼源环保科技公司)；

固化主剂：FMH、SN、FS、KZ、FSK(均为工业级，四川淼源油气田工程公司)；

固化催化剂：CPCA、CPF、CAL、CF、CPAL(均为工业级，四川淼源环保科技公司)。

2.2 主要仪器

变速离心机、CODcr自动测定仪、油分析仪、浊度仪、pH测定仪、原子吸收光谱仪及若干玻璃仪器。

3 煤层气钻井废液主要污染物分析

见表1。

表1 钻井废液主要污染物指标分析

从表1可以看出，煤层气钻井废液的各项污染指标除总铬、pH值外，其他指标均超标(GB 8978-1996)污水综合排放标准。

4 煤层气钻井废液无害化处理破胶

混凝工艺研究

4.1 破胶混凝剂类型筛选

取一定量的钻井废液，分别加入不同破胶混凝剂7000mg/L，考察处理后絮体沉降速度、水色、SS、CODcr、pH、含油等指标和现象。实验结果如表2。

表2 破胶混凝剂对钻井废液破胶混凝效果影响

从表2实验数据分析看出，不同的破胶混凝剂，对废液的处理效果不同。在相同条件下，破胶混凝剂PC-1处理效果最好，固液分离较容易，液相色度低、SS、CODcr、Oil污染物质去除率高。

4.2 破胶混凝剂加量对破胶混凝效果影响

取一定量的钻井废液，采用PC-1脱稳混凝剂，在pH值、搅拌等条件相同情况下，改变PC-1加量，考察处理后水色、SS、CODcr、含油等指标，实验结果见图1。

图1 破胶混凝剂PC-1加量对破胶混凝效果影响

从图1分析看出，采用PC-1破胶稳混凝剂处理种废泥浆，加量不同，处理效果不同，随着处理剂加量增加，处理效果越好，当处理剂加量达到8000mg/L时，再增加处理剂加量，处理效果变化不大，选择PC-1加量为8000mg/L。

4.3 混凝助剂优化工艺研究

以上述优化的脱稳混凝工艺条件为助凝实验条件，通过对助凝剂种类、加量等工艺条件研究确定助凝剂的优化工艺。

(1)混凝助剂种类对混凝效果的影响

取一定量的钻井废液，PC-1脱稳混凝剂加量8000mg/L，助凝剂20mg/L，在 pH值等条件相同情况下，加入不同的混凝助剂，考察处理后絮体沉降速度、色度、SS、CODcr、pH、含油等指标去除情况，实验结果如表3。

表3 混凝助剂种类对脱稳混凝效果影响

表3实验数据及现象分析看出，不同的混凝助剂对钻井废液作用效果不同，上述4种助凝剂，其中前三种是酰胺系列聚合物的不同离子状态形式的聚合物，PA是非离子型，分子量1200万；HPA是部分水解型，分子量1600万；CPA是阳离子型，分子量500万，阳离子度28%；QP是三种单体共聚而成的两性离子高分子聚合物，分子量1800万。从4种混凝助剂的处理效果看出，混凝助剂QP对钻井废泥浆处理效果最好。

(2)混凝助剂加量对混凝效果的影响

取一定量的钻井废液，PC-1破胶混凝剂加量8000mg/L，加入不同量的混凝助剂QP，考察不同加量QP处理后水色度、SS、CODcr、含油等指标和现象。实验结果见图2。

图2 助剂加量对钻井废液处理效果影响

图2分析可看出，不同的混凝助剂加量处理效果不同，但总体情况分析显示，混凝剂助剂加量对处理效果影响没有破胶混凝剂突出。混凝助剂的加量在20mg/L～30mg/L时，处理效果最好；再增加处理剂加量会导致沉降速度减慢，处理后CODcr值增加，因此，混凝助剂加量定为30mg/L左右。

4.4 钻井废泥浆破胶混凝处理优化工艺小结

通过上述研究可知，煤层气钻井废液破胶混凝处理优化工艺如下： PC-1破胶稳混凝剂，加量为8000mg/L；QP混凝助剂，加量为30mg/L。采用上述优化工艺处理后的CODcr=155.5mg/L。

5 煤层气钻井废液破胶混凝处理后水相深度处理研究

深度处理研究主要是针对钻井废液产生的液相进行处理。通过上述破胶混凝处理后的水样分析可知，分离的水相主要超标的污染指标为CODcr，因此以处理后CODcr为最终指标。

5.1 氧化剂种类优选

分别取一定量的破胶混凝分离水样(分离后的混合水样CODcr=155.5mg/L)，加入不同氧化剂，在加量、pH(针对各自适宜的pH)、处理时间相同情况下，考察处理后CODcr指标。实验数据见表4。

表4 不同处理剂对水相的处理效果

从表4可以分析看出， 5种不同的处理剂分别对分离的水样进行深度处理，各处理剂处理效果不同。其中YH处理效果最好，处理后CODcr浓度较小，处理时间短，为0.5h，，处理体系的pH值中性，对设备、管线腐蚀小，安全性能高，因此可以选择YH处理剂进行深度处理。

5.2 YH加量对氧化效果影响

分别取一定量水样(水样CODcr=155.5mg/L)，加入YH处理剂，在pH=5～6、处理时间0.5h，改变加量，考察处理后CODcr指标。实验数据见表5。

表5 YH处理剂加量对处理效果影响

从数据表5看出，不同处理剂加量，对分离后水处理效果不同，随着处理剂加量增加，处理效果逐渐变好。YH处理剂加量达到1000mg/L时，CODcr除去率较高，再继续增加处理剂加量，CODcr除去率变化不大，同时CODcr数值已达到一级排放标准，可选取YH加量为2000mg/L。

5.3 YH作用时间对处理效果的影响

分别取一定量的水样(水样CODcr=155.5mg/L)，加入YH处理剂，加量为2000mg/L，pH=5～6情况下，调整作用时间，考察处理后CODcr指标。实验数据见表6。

表6 YH处理剂作用时间对处理效果影响

从表6看出，作用时间不同，对分离后水处理效果不同，随着作用时间增加，处理效果逐渐变好。当YH处理剂作用时间达到30min时，CODcr除去率较高，再继续增加作用时间，CODcr除去率变化不大，同时CODcr数值达到一级排放标准。

6 煤层气钻井废液固化优化工艺研究

6.1 固化剂主剂研究

(1)固化剂主剂种类优选研究

分别取一定量前面实验脱稳混凝处理的固液分离后的絮体，加入6.0%的不同类型固化主剂，在催化剂种类、催化剂加量1.5%、固化时间等条件相同情况下，考察固化产物浸出液色度、pH、CODcr、Oil、SS等主要污染指标。实验结果见图3。

图3 固化剂主剂种类对钻井废泥浆固化效果的影响

由图3可知，在相同条件下，改变主剂种类，对絮体的固化效果不同，但所有固化主剂固化后的浸出液中其色度、pH、石油类、SS等主要污染指标均能达到一级标准，而CODcr还是超标，其中固化主剂FS固化效果最好，固化凝结时间较快，固化后所有的指标均好于其它固化主剂，因此，固化主剂可以选择FS。

(2)固化剂主剂FS添加量对固化效果影响

分别取一定量前面实验脱稳混凝处理的固液分离后的絮体，加入FS固化主剂，在催化剂种类、催化剂加量、固化时间等条件相同情况下，考察不同固化主剂加量对固化产物的浸出液色度、pH、CODcr、Oil、SS等主要污染指标。实验结果如图4。

图4 固化剂主剂FS加量对固化效果的影响

由图4可以看出，不同固化剂主加量，其固化效果不同，随着加量的增加，固化效果越好，但从实验看出，加量增加，浸出液pH值也增加，超过标准，因此加量选择在7%。

6.2 固化催化剂研究

(1)固化催化剂种类优选研究

分别取一定量前面实验脱稳混凝处理的固液分离后的絮体，加入FS固化主剂，加量7%，催化剂加量为1.5%、固化时间等相同情况下，改变催化剂种类下，考察不同固化主剂加量对固化产物的固结现象、pH、CODcr等主要污染指标。实验结果如表7。

表7固化催化剂种类对钻井废泥浆固化效果的影响

催化剂种类CPCACPFCALCFCPALCODc(rmg/L)72.5115.5128.6137.0123.6pH8.27.89.37.67.8固结现象凝固快凝固较快凝固较快凝固较快凝固快

通过表7数据表数据分析可看出，固化剂催化剂不同，固化效果不同，其中催化剂CPCA的固化效果最好。因此可以选择CPCA为固化催化剂。

(2)固化催化剂CPCA加量对固化效果影响

分别取一定量前面实验脱稳混凝处理的固液分离后的絮体，加入FS固化主剂，加量7%，固定CPCA催化剂种类，改变催化剂加量、固化时间等相同情况下，考察不同加量对固化产物的凝结现象、pH、CODcr等主要污染指标的影响。实验结果见表8。

表8催化剂CPCA加量对固化效果影响

加量(%)0.51.01.52.02.5CODc(rmg/L)145.5121.580.587.4148.3pH7.58.18.27.66.5固结现象凝固较慢凝固较快凝固快凝固快凝固较慢

从实验数据分析看出，随着加量的增加，各项指标的变化不同，在加量为1.5%，各项指标均能达到一级排放标准。加量过大，固化处理效果有变差的趋势，因此可以选择催化剂加量为1.5%～2%。

6.3 优化固化方案对钻井废泥浆固化处理结果

通过上述影响固化的因素研究，可以确定出絮体固化的优化工艺方案为：

固化剂：FS，加量7%；催化剂：CPCA，加量1.5%。

通过固化优化工艺进行的固化结果测试分析可知，固化后浸出液的所有指标均能达到一级排放标准(表9)。

表9 固化优化方案处理结果

7 研究结论

(1)无害化处理煤层气钻井废液工艺包括破胶混凝和固化处理两部分。研究得到优化工艺主要参数为：①破胶混凝优化工艺：PC-1脱稳混凝剂，加量8000mg/L；QP混凝助剂，加量30mg/L；YH处理剂，加量1000mg/L； pH值5～6，作用时间30min。②固化处理优化工艺：固化剂FS，加量7%；破胶催化剂CPCA，加量1.5%～2.0%。

(2)按照以上处理工艺方案处理煤层气钻井废液，处理后主要污染指标达到(GBS978-1996)一级排放标准。

1 赖晓晴，楼一珊，屈沅治，等.我国煤层气开发钻井液技术应用现状与发展思路[J]. 石油天然气学报(江汉石油学院学报).2009，31(5).

2 曾铁军,左明星,徐培武.煤层气钻井技术的应用研究[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2005，11 (2)：24-27.

3 刘晓娟，刘静，张宁生，等.油气田污泥无害化处理途径探讨[J]，油气田环境保护，2004，14(2):32-35.

4 Tuncan M T. Stabilization of Petroleum Contaminated Drilling Wastes By additives [J].Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference，1997：950-9533.