废弃水基钻井液低压蒸馏处理技术研究与应用

舒福昌 （长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州434023）

罗刚，张岩，向兴金 （荆州市汉科新技术研究所，湖北 荆州434001）

为了满足钻井工程的需要，钻井液中常常需要添加各种化学处理剂，这些处理剂中存在着大量对环境有害的物质，如油类、盐类、可溶性重金属元素以及有机物等等。因此废弃水基钻井液普遍存在胶体稳定性好，化学需氧量 （COD）高，生化需氧量 （BOD）与COD的比值低，可生化降解性差，毒性大，且水质化学组成复杂等特点[1]。随着世界各国环境保护意识的逐渐增强，对废弃钻井液处理的要求也越来越严格，特别是一些环境敏感地区和国家及海洋环境。一旦不能很好地处理废弃钻井液，则极易造成对环境及人体健康的危害[2]。

近年来废弃钻井液处理主要采用生化处理、化学氧化处理或膜分离处理，然而在应用过程中均存在适应性差、处理效果不佳、运行费用高等缺点，尤其是COD超标，很难满足国家污水综合排放标准。笔者研究了废弃水基钻井液低压蒸馏法处理技术，即先将废弃水基钻井液进行化学破胶脱稳处理，经脱水机固液分离后，采用低压蒸馏方法处理分离后的废水。

1 室内研究

废弃水基钻井液低压蒸馏法处理技术的核心是首先采用固液分离技术将固相分离出来，然后采用低压蒸馏工艺将污水中的有机物及残余重金属元素等去除。考虑到废弃水基钻井液为稳定性极高的分散体系，ζ电位高[3]，直接通过固液分离机械 （如离心机、压滤机等）进行脱水非常困难，因此需先对其进行化学脱稳、絮凝处理，即通过加入适当的脱稳剂改变钻井液体系的物理、化学性质，使细颗粒聚结成团，从而破坏钻井液胶体稳定性，再借助机械设备进行固液分离。其工艺流程见图1。

1.1 化学强化固液分离

图1 钻井废弃液处理工艺流程

化学强化固液分离首先要进行化学脱稳、絮凝处理，因此需要筛选合适的脱稳剂。脱稳效果评价方法 （API压滤法）如下：取废弃钻井液，与水 （清水或分离后废水）按体积比1∶1进行稀释，在（10000r/min×20min）高搅下混合，调节pH值至6.5左右；加入10g/L无机脱稳剂，然后在混凝试验搅拌仪上在400r/min转速下搅拌3min，或者加入0.3g/L有机脱稳剂，然后在混凝试验搅拌仪上在120r/min转速下搅拌3min。将加入脱稳剂处理后的钻井液，在API中压失水仪上测定7.5min的滤失量，并测定滤液的pH值、色度和浊度；将固液分离后的泥饼在120℃下恒温16h，取出冷却至室温称重，计算泥饼含水率。

根据絮凝原理，利用无机脱稳剂的电中和原理以及有机脱稳剂的吸附架桥原理的协同效应其效果最好，因此室内研究分别对无机脱稳剂及有机脱稳剂进行了优选，结果见表1和表2。

表1 无机脱稳剂的脱稳效果评价结果

表2 有机脱稳剂的脱稳效果评价结果

由表1和表2可以看出，从滤失量、滤液的pH值、色度和浊度以及泥饼含水率综合比较来看，无机脱稳剂HWJ和有机脱稳剂HYJ的脱稳效果更好。

室内同时采用无机脱稳剂HWJ和有机脱稳剂HYJ协同作用进行脱稳实验，结果见图2及图3。结果表明，同时加入2种脱稳剂，不仅提高了废弃钻井液的脱稳效果 （滤失量增大），同时还改善了分离后污水的水质 （滤液色度减小），且无机脱稳剂在不同加量条件下，其协同作用效果不同，存在明显的拐点。

图2 HWJ质量浓度与滤失量关系图

图3 HWJ质量浓度与滤液色度关系图

对废弃钻井液进行化学脱稳后，需对其进行固液分离。目前传统的固液分离装置如板框压滤机、带式压滤机、卧式螺旋离心机等[4]均存在一定的不足之处，因此通过对比分析，选择了新型的污泥脱水固液分离技术，即叠螺式脱水法。它结合了过滤浓缩技术和压榨技术，将污泥的浓缩和压榨脱水过程在一个单元内完成。其主要技术特点如下：①力水同向，出水方向和受力方向相同，使自由态水以最快的速度分离。②薄层脱水，又称烙饼脱水。在污泥脱水过程中，每次机械力只施加在一个污泥薄饼上，使污泥中自由态水走最短的距离从泥中脱离。③适度施压，理想的机械脱水施压仅仅在小于0.5MPa压力的作用下，就能获得理想的脱水效果。④延长路径，既给予污泥在脱水过程中一定的时间量，又保证脱水生产的连续化作业。

1.2 低压蒸馏技术

由于钻井液中存在着大量对环境有害的物质，即使经过化学强化固液分离，其废水仍难达到排放标准，尤其是COD。最有效、最直接的方式是采用蒸馏技术，该方法受钻井液处理剂影响小，可用于COD高的钻井废水。

为了减少能耗，提高处理效率，室内研究采用三效低压蒸馏技术，低压是为了降低水的沸点，提高处理效率，而三效则是指利用前一效蒸馏过程中产生的蒸汽热量来进行下一步蒸馏以降低能耗。室内设计的各效工艺参数见表3。

表3 三效低压蒸馏工艺参数

2 现场应用

废弃水基钻井液低压蒸馏法处理技术目前已在DG油田4口井的现场废弃钻井液处理中得到应用。处理后的水样检测结果表明：低压蒸馏出的废水中氟化物和重金属含量、化学需氧量 （COD）、生化需氧量 （BOD）、石油类含量以及色度，均达到国家标准 《污水综合排放标准》（GB8978－1996二级）的要求，见表4。

表4 处理后的水样分析检测结果及标准要求

3 结 论

1）废弃水基钻井液普遍存在胶体稳定性好、COD高、BOD与COD的比值低、可生化降解性差、毒性大且水质化学组成复杂等特点。

2）废弃水基钻井液低压蒸馏法处理技术主要包括化学脱稳、叠螺式固液分离以及三效低压蒸馏技术。

3）废弃水基钻井液低压蒸馏法处理技术在现场的应用效果表明，处理后的废水中氟化物和重金属含量、化学需氧量 （COD）、生化需氧量 （BOD）、石油类含量以及色度等指标，均可达到国家标准《污水综合排放标准》（GB8978－1996二级）的要求。

[1]王学川，胡艳鑫，郑书杰，等 .国内外废弃钻井液处理技术研究现状 [J].陕西科技大学学报 （自然科学版），2010，28（6）：169～174.

[2]Jones F V.The chronic toxicity of mineral oil－wet and synthetic liquid－wet cuttings on an estuarine fish [J].SPE 23497，1991.

[3]李辉，叶永蓉，贺吉安，等 .废弃钻井液生物絮凝剂筛选实验研究 [J].油气田环境保护，2011，21（1）：36～37.

[4]秦宗伦，牛晓，周奇军，等 .中国钻井现场污水及废弃钻井液脱水处理装置 [J].钻井液与完井液，2011，28（5）：78～80.