渤海水基钻井废液重复利用技术研究

熊邦泰，郭晓轩，金容旭，张忠亮，董祺禹，石成辉

（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，天津 300459）

渤海湾是我国海上油气主要聚集区之一，同时又是内海，水体交换速度慢，一旦水体受到污染，即使治理后其生态恢复周期也相当长。因此，根据相关法律法规，对渤海湾钻井过程中所产生的废弃液和岩屑有着严格的规定，对废弃钻井液的处理及回收利用已经成为解决环保问题的重要途径[1，2]。环保水基钻井液是渤海海域主要使用的钻井液体系[3]，结合海洋钻井特点及海洋钻井液体系特性，钻井液服务商进行后续的钻井液废弃物处理最为适合。

中海油服油化研究院结合科研项目室内自主研发一种高效的复合型絮凝剂，不仅解决现场处理剂单一的状况，更完善对多体系的废弃钻井液的处理手段。实现废弃钻井液液相最大化减量回用，实验室通过分析滤液中主要元素及其含量变化，针对滤液进行预处理，处理后的全滤液配浆性能几乎与原配方钻井液性能无异。

1 实验材料与仪器

NaOH（化学纯，科密欧试剂，天津市科密欧化学试剂有限公司）；Na2CO3（化学纯，鼎盛鑫，天津市鼎盛鑫化工有限公司）；絮凝剂PE-PCC（无机团聚剂和氯化钙复合的无机絮凝剂），中海油服化学公司生产；柠檬酸，中海油服化学公司生产；实验室用水为一次蒸馏水；实验室海水为渤海湾天然海水；废弃钻井液为实验室模拟的废弃BIODRILL A 钻井液体系。

800B 型多管架自动离心机（上海安亭科学仪器厂）；雷磁PXSJ-216F 离子计（上海仪电科学仪器股份有限公司）；六联中压失水仪（青岛恒泰达机电设备有限公司）；OFI800 旋转黏度计（OFI Testing Equipment,Inc.）；Aquion RFIC 阴阳离子液相色谱仪（赛默飞世尔科技（中国）有限公司）；X 射线荧光光谱仪（布鲁克（北京）科技有限公司）；新星牌101 型定性0.45 μm 微孔滤膜（杭州特种纸业有限公司）；9 cm 定性滤纸（江苏泰州市奥克滤纸厂）；超纯水系统；100 mL，300 mL 烧杯若干。

2 实验内容

2.1 絮凝滤液离子分析

为了考察絮凝后的滤液能否达到回用要求，室内首先模拟现场实际情况，对配制好的钻井液进行了钙土污染，再通过絮凝压滤的方式进行滤液收集。室内滤液基本性能（见表1）。

表1 絮凝前后滤液的性能变化

结合表1 可以看出，絮凝后滤液中Ca2+含量过多，直接配浆会影响钻井液的性能，针对这一现象，室内选用纯碱对滤液中过量的Ca2+进行去除，纯碱加量为0.7%。同时通过光谱仪对滤液中的其他离子含量进行分析检测。

2.1.1 滤液主要元素及含量分析 实验室内运用BRUKER 公司XRF 荧光光谱仪分别对A、B、C 三个滤液样品进行元素种类及含量分析，其中A 为钻井废液中压失水所得滤液；B 为絮凝压滤后滤液；C 为纯碱调质后滤液；分析结果（见表2）。

表2 滤液样品元素种类及含量

由表2 可以看出，滤液中的主要为Na+、Cl-、Ca2+、K+、Mg2+等离子，由于BIODRILL A 体系没有加入钾盐，故上述样品中K+仅为天然海水中的含量。三批滤液的总矿化度在110 000～140 000 mg/L，且以Cl-和Na+为主。

2.1.2 滤液离子含量在絮凝过程中的变化情况 实验室内通过赛默飞Aquion RFIC 阴阳离子液相色谱仪和雷磁PXSJ-216F 离子计系统评价了BIODRILL A 滤液在絮凝、压滤调质过程中Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-等离子浓度变化规律。

由图1 和图2 看出，色谱仪和离子计均验证Na+和Cl-在絮凝、预处理调质过程中并无损失，仍存在于滤液中，从图3 可以看出，由于BIODRILL A 体系中没有钾盐，钾离子含量低且变化不大，絮凝调质过程并未引入钾离子；絮凝剂PE-PCC 为钙基絮凝剂，絮凝时滤液中会引入部分Ca2+，经过纯碱调质后，滤液中Mg2+/Ca2+含量太低仪器无法测出。

图1 氯离子变化规律

图2 钠离子变化规律

图3 钾、钙、镁离子变化规律

室内通过研究模拟钻井废液絮凝、压滤、调质整个处理过程中的液相，分析得出滤液中主要的元素为Na+、Cl-、Ca2+、K+、Mg2+等离子，通过展示各阶段离子的含量变化为滤液重复利用配浆的可行性提供数据支撑。

2.2 钻井废液滤液回用实验

室内将天然海水和0.7%纯碱调质后的滤液按不同比例（1:0、1:1、2:1）混和[4，5]，配制钻井液，其滤液基本性能（见表3）。

表3 不同比例互混的滤液性能

室内按表3 中五种滤液混比配制密度为1.25 g/cm3的BIODRILL A 钻井液，老化条件100 ℃×16 h，老化后性能对比（见图4）。

图4 流变性能

由图4 可以看出，海水和滤液混比为0:1 或1:2时，AV 和YP 值与海水配制钻井液相比差异明显，而Φ6/Φ3 数值则明显过低，钻井液性能无法满足回用要求。而海水和滤液混比为1:1 和2:1 时，钻井液流变性能均与海水直接配制的钻井液性能差异性较小。

由图5 对比两组泥饼可以看出，泥饼薄而致密，滤失量均小于4.0 mL。为提高滤液重复利用率，优先选择海水滤液1:1 混配，等比例混配滤液配制的钻井液性能基本满足现场钻井作业要求。

图5 泥饼展示图

2.3 滤液全回用配浆实验评价

由于新型絮凝剂的絮凝过程需要加入烧碱，絮凝后滤液pH 过高，通过海水1:1 混配的方式，无法从根本上解决现场滤液的回用问题。为最大限度地实现渤海湾现场钻井废液减量化及液相循环利用，室内通过向滤液中加入柠檬酸和纯碱，对其进行预处理，将Ca2+含量和pH 值控制在钻井液配制的指标范围内，实验考察了滤液百分百全回用的可行性方案。对滤液进行预处理后性能（见表4）。

表4 滤液预处理离子参数变化

室内选用柠檬酸先将滤液pH 值调节至9～10，再通过加入纯碱的方式去除滤液中过量的Ca2+，保证离子对回用配浆无影响。调质后滤液回用性能（见图6）。

图6 流变性能对比

由图6 可以看出通过柠檬酸调节pH 值，再用纯碱调节Ca2+的滤液预处理方式，配制的钻井液老化后的AV、YP、PV 等流变性能与海水配制的钻井液性能相同。

预处理处置工艺简化了配浆配方，最大化利用了滤液中留存的Na+、Cl-等有益离子，处理后滤液实现全回用配制钻井液，且老化后性能和原配方钻井液性能差异很小，实现了现场钻井废液最大化循环利用。

目前CFD6-4、QHD33-1 等区块通过新型絮凝剂的推广应用及滤液调质的工艺方案完善，已经实现现场滤液百分百循环利用，有效减少末端处理量，降低环境风险和处理成本，解决现场作业的燃眉之急，受到作业者的一致好评，为渤海水基钻井液废弃物处理技术的应用推广打下良好基础。

3 结论

（1）室内分析了BIODRILL A 体系絮凝滤液中主要为Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+等离子，Na+、Cl-在絮凝压滤及滤液调质过程中的变化量几乎可以忽略，絮凝作业时滤液会引入一部分Ca2+，经过纯碱调质后，回用配浆的滤液中Mg2+/Ca2+含量太低而无法测出。

（2）钻井废液絮凝分离的滤液，经过纯碱调质后和海水按等比例混配回用，配制的钻井液老化后的性能初步满足现场滤液回用要求。

（3）为最大限度地实现絮凝滤液的减量化处置，对滤液进行柠檬酸和纯碱预处理调质操作，简化钻井液配方，充分利用滤液留存的Na+、Cl-等有益离子，处理后滤液实现全回用配制钻井液，钻井废液液相完全满足循环再利用的要求。