废水基钻井液中固相颗粒电吸附选择性实验

许毓 刘晓辉 马滢 谢水祥 任雯 张明栋 仝坤

1. 石油石化污染物控制与处理国家重点实验室；2. 中国石油集团安全环保技术研究院有限公司

废钻井液是油气勘探开发钻井作业的主要废弃物之一，目前的处理方式以固化填埋、破胶脱稳固液分离等方式为主，其中固化填埋存在环境风险，固液分离后的废水含有絮凝剂等污染物，影响再配浆性能，再利用率低。开发废钻井液再生回用技术及装置，提高废水基钻井液循环利用和再生回用率，是应对日益严格的环保新要求、钻井废物处理技术升级和提升油田企业钻井环境风险防控能力的迫切需要。

国内研究人员通过多年钻井废物随钻不落地资源化技术研究［1-2］，形成了“水基钻井废物分离-固相资源化”、“水基钻井废物破胶压滤-固相资源化”两套工艺和设备技术，主要通过高频干燥筛、离心机、板框压滤机等实现钻井废弃物固液分离，但这些设备主要是去除废钻井液中粒径较大的钻屑。为此开展电吸附处理废钻井液研究，去除超细微固相颗粒，从而提高回收的钻井液性能，提升废钻井液的再生回用循环利用率。

在前期废钻井液电化学吸附静态室内实验的研究成果基础上［3-4］，研制出一套废水基钻井液动态电吸附装置［5］，开展了动态模拟条件下对废钻井液中固相颗粒选择性吸附实验研究，考察了对固相颗粒的吸附效果、装置运行稳定性和适用性，为废钻井液电吸附工艺开发和实验装置优化升级改造提供技术支持。

1 动态电吸附装置

动态电吸附装置利用电解槽内电极板的电化学吸附作用，有效去除废钻井液中的劣质固相和超细微颗粒，以实现废水基钻井液循环利用。该装置主要由输送、电化学吸附、刮泥、自控、废气吸风等5个单元组成，物料储存罐容积为30 L，电吸附储存容量为20 L，设计物料流量3～5 L/h，运行电流0～12 A，运行电压0～60 V。装置设计成双通道模式，一用一备。

废水基钻井液动态电吸附装置的工艺流程见图1。以装置左侧部分工作为例，将废钻井液储存在钻井液储存罐1中，由泥浆泵1泵入电化学吸附器1的电解槽中；经处理之后的废钻井液自流进入吸附后钻井液储存罐1；沉积在电极上的污泥，被刮泥机械刮掉，并推出电解槽进入刮出泥储存罐1，电化学吸附器1的底泥通过排泥管线排入刮出泥储存罐中。电化学吸附器1中产生的废气，通过风机输送至废气吸收器中，吸收后排入大气。

图1 废水基钻井液动态电吸附装置工艺流程示意图Fig. 1 Schematic process flow of dynamic electrosorption device of waste water based drilling fluid

2 室内实验

2.1 实验样品制备

膨润土钻井液配制：在自来水(60～80 ℃)中，先加入6%优级工业膨润土，用配浆机低速搅拌24 h；再加入0.2%工业级无水Na2CO3，用配浆机3000 r/min高速连续搅拌24 h，静置24 h后，备用。

含钻屑膨润土钻井液配制：将从钻井现场取得的聚磺钻屑自然晾干7 d，用球磨机研磨，过200目筛备用。实验时，分别按照0%、1%、3%、5%、7%、9%不同比例，加入膨润土钻井液中，配浆机在3000 r/min条件下连续搅拌1 h后，备用。

2.2 实验仪器设备

废水基钻井液动态电吸附实验装置(自制)，PJ-10L翻转式配浆机(青岛海通达专用仪器有限公司)，Mastersizer 2000激光粒度仪(英国马尔文仪器有限公司)，F-P2000高能行星式球磨机(湖南弗卡斯实验仪器有限公司)，六速旋转黏度计(青岛海通达专用仪器有限公司)，烘箱(北京市永光明医疗仪器有限公司)，WXJMB-02微型精密电热板(北京市永光明医疗仪器有限公司)，天平等。

2.3 实验方法

2.3.1 电吸附方法

在前期废钻井液电化学吸附机理研究、方法研究、静态室内实验的研究成果基础上［3-5］，利用自制电吸附装置，吸附电压设为12 V［5］，在2、5、10、15、20、30 min不同吸附时间条件下，考察含不同比例钻屑的废钻井液电吸附前后的流变性能、膨润土当量、粒度分布的变化情况［6-9］。

2.3.2 钻井液性能指标测试方法

流变性的主要性能参数表观黏度AV、塑性黏度PV、动切力YP和膨润土当量EBE参照GB/T16783.1−2014 《石油天然气工业 钻井液现场测试第1部分：水基钻井液》中相关内容进行测试分析。钻井液的固相颗粒粒度分布利用激光粒度分析仪进行测试分析。

3 实验结果与讨论

3.1 电吸附对膨润土基浆的影响

图2是电吸附对膨润土钻井液粒度分布的影响，可以看出，膨润土钻井液的固相颗粒主要分布在1～200 μm之间，随吸附时间增加，粒径分布没有明显偏移；小于10 μm的固相颗粒在吸附过程中，粒径分布体积比有增加；吸附10 min时，30～100 μm之间的粒径分布体积比有降低；吸附30 min时，粒径分布曲线右移，大于10 μm的固相颗粒体积比有提高。结果表明，电吸附对膨润土钻井液的粒径分布有影响，但未产生大量分解和吸附作用，不影响膨润土钻井液的稳定性。

图2 电吸附对膨润土钻井液粒度分布的影响Fig. 2 Influence of electrosorption on the particle size distribution of bentonite drilling fluid

图3是电吸附对膨润土基浆膨润土当量的影响，可以看出，吸附时间5 min时EBE达最大43.46 kg/m3后，比原钻井液EBE增加7.02%；随吸附时间增加，EBE逐渐降低至37.76 kg/m3，比原钻井液EBE降低7.01%。结果表明，增加吸附时间，电极板上吸附的膨润土颗粒逐渐增加，导致钻井液中膨润土含量降低，但总体对EBE影响较小。

图3 电吸附对膨润土基浆膨润土当量的影响Fig. 3 Influence of electrosorption on the bentonite equivalent of bentonite base slurry

图4是电吸附对膨润土基础浆流变性的影响趋势，可以看出，吸附时间达5 min时，AV、PV、YP值未发生变化；当吸附时间达10 min时，AV、PV值出现下降的趋势，YP未发生明显变化；吸附时间达15 min时，AV、PV值呈上升趋势，YP值呈下降趋势；吸附时间20～30 min，YP值呈上升趋势回归原液指标状态，黏度指标呈下降趋势，但比吸附前原液指标高。随着吸附时间增加，AV、PV、YP整体呈增加趋势,反映出废钻井液电吸附后的水化能力增强。

图4 电吸附对膨润土基础浆流变性的影响Fig. 4 Influence of electrosorption on the rheological property of bentonite base slurry

3.2 不同钻屑加量对电吸附效果影响

3.2.1 粒度分布

图5是电吸附对不同含量钻屑钻井液粒度分布的影响，可以看出，含1%钻屑钻井液电吸附效果不明显，粒度分布未发生明显偏移和体积变化波动，小于4 μm颗粒体积比有少量降低，4～30 μm颗粒体积比有少量的增加，30～200 μm颗粒体积比有少量降低。含3%钻屑钻井液的电吸附效果较明显(由于模拟配制钻井液时取样不均衡，造成未吸附前曲线的粒径分布范围0～40 μm，吸附后粒径分布范围增加0～200 μm)，小于30 μm的颗粒分布体积比明显降低，30～200 μm的颗粒体积比明显升高。含5%钻屑钻井液的电吸附效果较明显，粒径分布范围变宽，增加了0～1 μm粒径的分布，1～200 μm粒径分布体积比明显降低，粒径分布曲线明显偏移。含7%钻屑钻井液的电吸附效果较明显，0～1 μm粒径分布体积有增加趋势；随吸附时间不同，1～200 μm粒径分布体积比有增加有减小，变化明显。含9%钻屑钻井液电吸附效果不明显，粒度分布未发生明显偏移和体积变化波动，0.1～30 μm粒径分布体积比有增加，30～200 μm粒径分布体积比有降低。

图5 电吸附对不同含量钻屑钻井液粒度分布的影响Fig. 5 Influence of electrosorption on the particle size distribution of drilling fluid with different cuttings contents

分析结果表明，钻井液钻屑含量不同，电吸附效果也不同。钻井液中的钻屑颗粒在含量达到1%和9%时，电吸附效果不明显；钻屑含量处于3%～7%时，电吸附效果较明显，尤其是低于30 μm以下颗粒吸附效果显著。钻屑含量处于5%～7%时，电极板吸附的钻屑接近饱和量，部分粒径1 μm以下残留，粒径分布出现了双峰，说明电吸附对于细小颗粒的吸附作用比较大，而对于较大固体颗粒吸附效果不明显。

3.2.2 膨润土当量

图6是电吸附对不同含量钻屑钻井液EBE的影响，可以看出，EBE变化趋势不同。含1%钻屑的钻井液电吸附后，EBE总体呈降低趋势，但减少幅度小，在吸附10 min时，EBE较原液小幅度增加；含3%钻屑的钻井液电吸附后，随着时间增加，EBE先下降后增加至62.70 kg/m3，吸附30 min时降低至34.91 kg/m3；含5%钻屑钻井液电吸附后，EBE前5 min呈增加趋势，但幅度小，吸附达10 min时，大幅度降低至31.35 kg/m3后又逐步增加；含7%钻屑钻井液电吸附后，变化波动大，吸附5 min时，EBE降低幅度最大；含9%钻屑的钻井液电吸附后，EBE变化幅度小。

图6 电吸附对不同含量钻屑钻井液EBE的影响Fig. 6 Influence of electrosorption on the EBE of drilling fluid with different cuttings contents

从以上分析可以看出，钻井液中的钻屑颗粒在含量为1%和9%时，电吸附对EBE影响不大；钻屑含量7%时，吸附时间5 min和20 min时，EBE降低幅度最大；钻屑含量5%时，吸附时间10min时EBE降低幅度最大；钻屑含量3%时，吸附时间20 min时，EBE升高幅度最大。实验结果表明：钻屑含量极少时，钻井液中膨润土含量高，体系均匀分散稳定，膨润土所带负电荷占主导，电极板对钻屑吸附量减少，EBE总体呈下降趋势；钻屑含量极高时，钻屑所带电荷为主导，电极板吸附钻屑为主，吸附极少量膨润土，由于实验电极板的吸附面积、吸附时间和刮泥时间等因素影响，电极板吸附钻屑接近饱和量，吸附钻屑量占总的钻屑量比例小，电吸附效果也不明显；电吸附时间和钻屑含量对钻井液EBE有直接影响，钻屑含量极少和极高的钻井液，电吸附效果不明显，含适量钻屑钻井液电吸附需选择影响最小的吸附时间，从而保证钻井液的稳定性。

3.2.3 钻井液流变性

图7是电吸附对不同含量钻屑钻井液流变性的影响，可以看出，电吸附对AV、PV、YP影响不同。表观黏度整体变化相对幅度较小，含1%、3%、5%钻屑的钻井液表观黏度总体呈升高趋势；含7%钻屑的钻井液表观黏度在吸附5 min时出现大幅下降，随着时间再增加，趋于原黏度指标；含9%钻屑的钻井液表观黏度总体有下降趋势。 塑性黏度整体变化相对幅度较小，含3%、5%、9%钻屑的钻井液塑性黏度总体呈下降趋势，含1%、7%钻屑的钻井液塑性黏度总体呈上升趋势。动切力整体变化相对幅度较小，含1%、3%、7%钻屑的钻井液动切力总体呈上升趋势，含5%、9%钻屑的钻井液动切力总体呈下降趋势。

图7 电吸附对不同含量钻屑钻井液流变性的影响Fig. 7 Influence of electrosorption on the rheological property of drilling fluid with different cuttings contents

3.3 不同吸附时间对电吸附效果影响

(1)粒径分布。综合分析上述实验结果，针对30 μm及以下劣质固相颗粒，含1%和9%钻屑钻井液，随着吸附时间增加，粒径分布变化不明显，吸附5 min为最佳时间；含3%钻屑钻井液，5～30 min电吸附效果都很好， 20 min为最佳吸附时间；含5%和7%钻屑钻井液，5～30 min电吸附效果都很好，30 min为最佳吸附时间。

(2)膨润土当量。钻井液中的钻屑颗粒在含量达到极少(1%)和极多(9%)2种极限状态时，电吸附对EBE影响不大；钻屑含量7%时，吸附时间为5 min和20 min时，EBE降低幅度最大；钻屑含量5%时，吸附10 min时EBE降低幅度最大；钻屑含量3%时，吸附20 min时EBE升高幅度最大。说明电吸附时间和钻屑含量对钻井液膨润土当量有直接影响，为了保持膨润土钻井液的稳定性，需要选择影响EBE最小的吸附时间。

(3)钻井液流变性。电吸附时间对钻井液流变性的影响很小。

4 结论

(1)电吸附工艺对膨润土钻井液中的钻屑颗粒具有选择性吸附作用，对细小钻屑颗粒的吸附作用比较大，而对于较大固体颗粒吸附效果不明显，且对膨润土钻井液的流变性、膨润土当量等性能指标影响不大。

(2)电吸附对不同钻屑加量钻井液的固相颗粒吸附效果不同，适量钻屑含量(3%～7%)电吸附效果较明显。电吸附时间实验条件选择时，在吸附效果同等条件下，须选择对膨润土当量和钻井液流变性影响最小的时间条件，从而保证吸附后钻井液的最佳性能，并同时实现处理成本最小化。

(3)电吸附工艺能有效剔除钻井液中的劣质固相，保持了膨润土钻井液的稳定性，提高钻井液回用性能指标，是提高水基钻井废物循环利用和资源化利用率的有效途径。但应进一步研究电吸附工艺对聚合物、聚合物-KCl、聚磺等不同钻井液体系、不同组成特性的废钻井液的适应性，以及不同电极板的处理效果、电化学吸附技术稳定性、经济性等影响因素的考察，为电化学处理废钻井液工艺完善提供基础实验依据。