论影响废弃钻井完井液固液分离效果因素分析

杨智生

摘要：通过加入适当的絮凝剂和助凝剂可以改变钻井液体系的物理、化学性质，彻底破坏钻井液胶体体系，改变废钻井液中黏土颗粒表面性质，让更细的颗粒产生聚结，使其在机械辅助分离条件下更容易被除去。固液分离法，是减少钻井废弃物的排放量、提高水的循环利用率和解决环境污染问题的最基本步骤，也是目前行之有效的技术之一。

关键词：钻井工程;絮凝剂;护胶剂

根据钻井工程技术的要求，钻井液中常常加人许多不同种类和性能的添加剂，多种护胶剂协同作用使钻井完井液胶体体系十分稳定。经过固控设备处理后，废浆中的固相主要是粒径小于20μm的超细颗粒，它们与残余的添加剂构成了水基废浆的胶体分散体系。随着颗粒粒径的减小，破坏废浆胶体体系的难度增大，固液分离也就更困难。通过加入适当的絮凝剂和助凝剂可以改变钻井液体系，破坏钻井液胶体体系，改变废钻井液中黏土颗粒表面性质，让更细的颗粒产生聚结，使其在机械辅助分离条件下更容易被除去。

1絮凝剂

影响固液分离的首要因素当然是絮凝剂及其优化加量。作为絮凝剂最主要品种的聚丙烯酰胺及其衍生物，其在废浆固液分离中具有良好的性能，其在碱性或中性溶液中可以很好地溶解。分子中水化基团离解成—COO-离子，增强了分子链节间的静电斥力，卷曲的分子得以伸展。而当溶液中加入酸后，使水化基团—COONa变成—COOH，不利于大分子链伸展，同时HPAM分子内、分子间可发生亚胺化作用，使得HPAM大分子链产生严重卷曲，将已吸附的黏土颗粒和钻井液添加剂紧紧地包裹在大分子中，充分体现了大分子的卷扫作用，从而实现固液分离的目的。

不同分子量的HPAM对固液分离自然出水率的影响不同。但分子量在700万以上的HPAM配制时溶解困难，不易在黏稠的废钻井液中分散，只能使用很稀的溶液，这样会增大絮凝剂的体积，给施工带来不便。因此，建议现场选用分子量为300万～500万的HPAM，即能基本达到固液分离要求。另外，还可通过调节HPAM的水解度控制它的吸附、带电、水化的能力和分子链形态，从而获得不同的絮凝能力。一般来说，水解度在50%左右时，分子中的—COONa基团和—CONH基团比例刚好既能满足溶解快的要求，又使分子整体具有较强的吸附性，试验证实的自然出水率和抽滤出水率均可达到最大值。

HPAM的吸附、架桥作用和絮凝固相颗粒的能力与废钻井液中的固相含量有关，HPAM的加量与废钻井液中的固相含量成线性正相关，因此，为提高絮凝脱水效率，在实施固液分离时，应先向体系加入水进行稀释。

单一的有机絮凝剂和单一的无机絮凝剂用于处理钻井完井废液固液分离时均有一些缺点，一般将二者配合使用，这样既可以降低絮凝剂的使用量，又可以提高固液分离的效率，还能提高分离出的水的质量。

2助凝剂

前已述及，选择合适的助凝剂可以改善絮凝剂的絮凝效果，降低固液分离出水的浊度，而对以中强碱性为主的钻井完井废液来说，强酸是一种性能良好的廉价助凝剂。对多数絮凝剂来说，无论是有机型、无机型还是复合型，一般其最佳作用范围均在中性附近，此处其用量相对较少，絮凝处理效果较好，且处理后的水呈中性，便于利用。但是，若想进一步提高废弃钻井液固液分离的质量，仅靠强酸作助凝剂是不够的，毕竟酸不像无机絮凝剂那样可在水中水解生成聚合态水合物，并吸附于胶体颗粒上使之脱稳。

3废液稀释比

既要脱出废浆中的水，又要在废浆中先加入一定量的水，这是很令人费解的。在绝大多数情况下，不加入水是不可能脱出水的。废弃钻井液的黏稠性严重地妨碍着絮凝剂在其内部的分散和絮凝，加入絮凝剂和助凝剂以前对其进行加水稀释处理是必要的。未经稀释的废钻井液无法进一步使固液分离。因为当固体颗粒上的电荷被中和或部分中和的同时，也起了破坏水化层保护膜的作用，使水化程度降低。这时，黏土颗粒开始聚结，连接成网状结构，并把水包在网状结构之中。稀释加大了颗粒间的距离，加入絮凝剂之后，就减少了形成网状结构的可能性。不同的废液体系和脱水条件，最佳稀释比不同。

4絮凝动力学

絮凝动力学讨论絮凝的速度问题，只有具有一定速度的絮凝过程才能满足水处理对出水量的要求，因而才具有实际意义，所以絮凝动力学是水处理絮凝学的重要研究内容。胶体微粒间存在吸引作用，而在微粒相互接近时因双电层的重叠又产生排斥作用，胶体的稳定性就决定于此二者的相对大小。根据DLVO理论可知，胶体之所以稳定是由于综合位能曲线上有势垒存在;倘若势垒为零，每次碰撞必导致聚沉，称为快速絮凝;若势垒不为零，则仅有一部分碰撞会引起聚沉，称为慢速絮凝。无论是对快速絮凝还是对慢速絮凝，微粒之间的相互碰撞是首要条件，而它们的相互碰撞是由其相对运动引起的。造成这种相对运动的原因可以是微粒的布朗运动，也可以是产生速度梯度的流体运动，前者导致的微粒聚沉称为异向絮凝，后者导致的微粒聚沉称为同向絮凝。在异向絮凝中微粒的碰撞是由布朗运动造成，碰撞频率决定于微粒的热扩散运动。由于钻井完井液中的固相粒子主要是直径为10～20μm的胶体粒子，其自然聚沉过程非常慢，这就是说即使在完全脱稳的情况下，异向絮凝过程也是极其缓慢的。依靠布朗运动的异向絮凝速度太慢，不能单独应用，特别是当微粒相互碰撞聚集变得较大后，布朗运动就会减弱甚至停止，絮凝作用就会减弱甚至不再会发生。但是，长期以来人们观察到，缓慢地搅动会助长絮凝，这是因为搅动会引起液体中速度梯度的形成，从而引起微粒之间的相对运动而造成微粒的相互碰撞。当体系中的粒子体积浓度太小，有可能影响其碰撞效率时，就有必要加入一定量的所谓“助凝剂”。如果分散体系中的粒子以不同的速度沉降，較快沉降的粒子就会与较慢沉降的粒子碰撞，而导致聚集，由于聚集使粒子质量增大，聚集体就会更快地沉降，并可能与其它粒子进一步碰撞和聚集，这种聚沉称为差速沉降絮凝（差降絮凝）。差降絮凝也可以看作是一种特殊形式的同向絮凝。絮凝过程动力学的研究指出，快速絮凝和慢速絮凝的结合，以及梯度絮凝和多级串连絮凝的结合，有利于同向絮凝和差向絮凝的形成，这为固液分离装置的设计提供了理论依据。通过优化絮凝动力学条件，在絮体（絮花或矾花）的形态、结构、粒度、密度、强度等方面获得最佳组合，才能实现钻井完井废液强化固液分离的过程。

参考文献：

[1]王战卫，王斌.新疆红山油田废弃钻完井液的综合处理[J].钻井液与完井液，2014，31（04）：53-56+99.