PEC钻井液体系固液分离技术实验研究

耿学礼 ，邢希金 ，张 杰 ，苏延辉 ，王 超 ，左 凯 ，江 安

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；3.海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100028）

海上平台因排放受限、距离陆地较远、平台空间有限等因素的影响，废弃钻井液的处理一直是海上油田的一项重大难题。我国海上油田废弃钻井液的处理模式主要为“部分排放+陆地集中处理”的模式。其中非储层段废弃钻井液多在海上平台直接排放，储层段废弃钻井液需要运回陆地集中处理[1，2]。但随着环保意识的逐渐增强与环境保护法律法规的不断严格，海上油田钻完井废弃物的排放标准逐年提高，尤其是在渤海地区，部分海域已经严格要求“零排放”。因此，之前可直接排海的非储层段钻井液也需要进行无害化处理[3，4]。

针对海上油田目的层所用的钻井液体系，前人已经做了大量的研究和生产工作，但对非目的层所用的钻井液体系的无害化处理研究较少[5，6]。PEC钻井液体系是海上油田非目的层常用的一种水基钻井液体系。其主要由水、钻屑、黏土和聚合物处理剂以及少量油组成。该体系胶体结构较为稳定，需要经过化学破胶、絮凝等处理工艺，再结合机械方法才能实现固液分离。而钻井液的固液分离是实现无害化处理的重要步骤，本文以渤海油田渤中地区的PEC钻井液为处理对象，对其进行固液分离技术的实验研究[7，8]。

1 PEC钻井液基本性能分析及处理设计思路

1.1 PEC钻井液基本性能分析

PEC钻井液为渤海油田上部非目的层常用的钻井液体系，其主要组成为：海水膨润土浆+烧碱+纯碱+降滤失剂PAC-LV+降滤失剂RS-1+封堵剂LPF+防塌剂DYFT+黏土稳定剂HAS+提切降滤失剂VIF＋包被剂PLH（重晶石或石灰石加重）。

对从渤海油田渤中地区某井取回的PEC钻井液的密度、流变、固液比等进行检测分析，PEC钻井液状态及其测试结果（见表1，图1）。

从PEC钻井液的外观及性能指标看，钻井液体系胶体结构稳定，外观呈黏稠状，表面有光泽，黏度高、含水率高，矿化度高。从钻井液体系组成看，钻井液主要由膨润土、聚合物、加重剂、防塌剂、地层岩屑及少量油组成，成分复杂，且有不易脱水的特点。

图1 PEC钻井液

1.2 PEC钻井液固液分离技术思路

基于上述对PEC钻井液的初步分析，对于PEC钻井液可尝试通过破胶、絮凝、机械分离的方式实现固液分离。对分离后的固相可进行深度的固废处理，分离后的液相可根据实际情况进行回用或深度处理后排放。PEC钻井液体系的无害化处理技术思路（见图 2）。

2 PEC钻井液固液分离实验研究

2.1 固液分离评价指标

对添加完处理剂后的PEC钻井液，用离心机在1 000 r/min的转速下离心处理2 min，然后读取上层清液的体积，与总体积进行比值计算，得出脱水率。

下文中采用脱水率对钻井液的固液分离效果进行评价。

2.2 破胶研究

PEC钻井液中含有部分聚合物处理剂，其与钻井液中的黏土颗粒等形成稳定的胶体溶液。常用的氧化破胶剂或酶破胶剂对其很难破胶，而降低pH值是一种有效的方法。采用在钻井液中加入盐酸的方式对钻井液的pH值进行调节。针对PEC钻井液进行不同pH值的脱水实验，结果（见表2）。

表1 PEC钻井液基本性能

图2 PEC钻井液处理思路流程图

表2 pH值对PEC钻井液脱水率的影响

随着pH值的降低，钻井液逐渐失去胶体稳定性，当pH值达到6以下时，脱水率达到16%以上，pH值越低，脱水率越高。但低pH值对设备存在一定腐蚀，出于对设备的保护考虑，选择pH值为5～6对钻井液进行破胶。

2.3 絮凝剂优选及加量研究

通过酸化破胶后的PEC钻井液虽然失去了部分胶体稳定性，但脱水率较低，还需要添加絮凝剂才能进一步提高脱水效果。

2.3.1 无机絮凝剂和有机絮凝剂的种类优选 取废弃PEC钻井液300 mL，首先酸化破胶（调节pH值到5）。然后分别加入不同种类的无机絮凝剂（加量为1 000 mg/L）和不同种类的有机絮凝剂（溶液浓度10%，加量为10 mg/L），测试钻井液的脱水率，结果（见表3、表4）。

表3 不同无机絮凝剂对PEC钻井液脱水率的影响

表4 不同有机絮凝剂对PEC钻井液脱水率的影响

由实验结果可知，无机絮凝剂PFS较适合于PEC钻井液体系的絮凝，絮凝后的脱水率最高。有机絮凝剂YJX-2较适合于PEC钻井液体系的絮凝，絮凝后的脱水率最高。选择PFS为无机絮凝剂，选择YJX-2为有机絮凝剂，进行下一步的加量优选。

2.3.2 无机絮凝剂PFS和有机絮凝剂YJX-2的加量优选 取废弃PEC钻井液300 mL，首先酸化破胶（调节pH值到5）。然后加入不同量的无机絮凝剂PFS和有机絮凝剂YJX-2（溶液浓度10%），测试钻井液的脱水率，实验结果（见表5）。

表5 絮凝剂的筛选

随着无机絮凝剂PFS加量的增加，脱水率逐渐升高，当加量为3 000 mg/L时，脱水率出现拐点，当加量再继续增大脱水率升高的幅度逐渐趋于平缓，故选择无机絮凝剂PFS的加量为3 000 mg/L。随着有机絮凝剂YJX-2加量的增加，脱水率逐渐升高，加量达到10 mg/L时脱水率最高，再随着有机絮凝剂YJX-2的增加，脱水率逐渐降低，故选用10 mg/L为有机絮凝剂YJX-2的加量。

3 离心参数优选

经过酸化破胶、絮凝分离后的PEC钻井液达到了初步固液分离的效果，但离心参数的变化对分离效果也至关重要，下面实验针对经过破胶、絮凝后的PEC钻井液进行离心机分离参数的研究。

分别考察不同离心时间、不同离心机转速对固液分离效果的影响。实验结果（见表6、表7）。

表6 离心分离时间的影响

表7 离心机转速的影响

随着离心时间的增长，脱水率逐渐升高，说明延长离心时间，有助于提高钻井液的固液分离效率。现场施工时可适当增加离心时间。

随着离心机转速的增大，脱水率逐渐升高，说明增加离心机的转速，有助于提高固液分离效率。根据现场施工设备的现状，可以选择3 000 r/min作为离心机的转速。

4 结论

（1）调节PEC钻井液的pH值可以破坏钻井液的胶体稳定性，出于对设备腐蚀的考虑，采用调节PEC钻井液pH值至5～6的方式进行破胶。

（2）优选无机絮凝剂PFS加量为3 000 mg/L、有机絮凝剂YJX-2加量为10 mg/L，通过二者配合使用，可实现钻井液的固液分离。

（3）优选离心机转速为3 000 r/min，尽量增加离心处理时间的方式，进一步提高了PEC钻井液的固液分离效率，为现场离心工艺提供了必要的参数依据。

（4）通过实验室对PEC钻井液固液分离技术的研究，可为PEC钻井液体系的无害化处理及现场施工提供必要的技术支撑。