任 雯， 劉曉輝， 李盛林， 王 飛， 仝 坤， 張明棟

（1. 石油石化污染物控制與處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2. 中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；3. 中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院，四川德陽(yáng) 618300）

近年來(lái)，頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)受到了高度重視和快速發(fā)展，與之同時(shí)，環(huán)境保護(hù)也被高度關(guān)注和重視。頁(yè)巖氣水平井多應(yīng)用油基鉆井液鉆進(jìn)，產(chǎn)生的油基鉆屑屬于危險(xiǎn)廢物，環(huán)保管理嚴(yán)、處理成本高，因此用環(huán)保的高性能水基鉆井液代替油基鉆井液勢(shì)在必行。目前所用高性能水基鉆井液主要為強(qiáng)抑制胺基鉆井液，其以胺基抑制劑為主劑，典型配方為20.0%NaC1+1.0%PAC+0.06%聚合物增黏劑+1.0%包被劑+2.5%頁(yè)巖抑制劑+ 4.0%防聚結(jié)劑。高性能水基鉆井液的性能接近油基鉆井液，不僅具有穩(wěn)定性好、抑制性和潤(rùn)滑性強(qiáng)等特點(diǎn)，還具有提高機(jī)械鉆速、降低鉆頭泥包概率和摩阻扭矩、抑制天然氣水合物生成及降低儲(chǔ)層傷害等優(yōu)點(diǎn)[1–8]。隨著高性能水基鉆井液的推廣應(yīng)用，需要妥善處理和回收利用產(chǎn)生的廢棄鉆井液，鉆井廢物不落地處理及資源回收技術(shù)已經(jīng)成為鉆井開(kāi)發(fā)環(huán)保技術(shù)的主流技術(shù)[9–12]。許毓等人[13]采用物理分離—資源化處理工藝和不落地處理成套裝置，在頁(yè)巖氣鉆井現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)施了“頁(yè)巖氣高性能水基鉆井液廢物無(wú)害化處理與資源化利用”工程示范，其主要采用振動(dòng)篩等裝備和技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆鉆井廢物的固液分離，能夠去除廢棄高性能水基鉆井液中的大顆粒固相，但難以去除粒徑小于10 μm的超細(xì)微劣質(zhì)固相。粒徑小于10 μm的超細(xì)微劣質(zhì)固相具有降低機(jī)械轉(zhuǎn)速、縮短鉆具壽命、增大鉆井液濾失量、降低油氣產(chǎn)量、增加鉆井液密度和增大鉆井事故風(fēng)險(xiǎn)等危害。

為此，筆者開(kāi)展了廢棄高性能水基鉆井液的電吸附處理技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)了電吸附中試裝置，考察了電吸附方法處理廢棄高性能水基鉆井液的較佳條件和處理工藝，發(fā)現(xiàn)電吸附方法可以選擇性去除廢棄高性能水基鉆井液中粒徑小于10 μm的超細(xì)微劣質(zhì)固相，提高再生高性能水基鉆井液的性能，實(shí)現(xiàn)廢棄高性能水基鉆井液的循環(huán)利用。

1 電吸附工藝原理和中試裝置研發(fā)

水基鉆井液中添加了大量有機(jī)處理劑，這些處理劑多為陰離子型高分子處理劑，而水基鉆井液中粒徑小于10 μm的超細(xì)微劣質(zhì)固相易被強(qiáng)陰離子處理劑包裹，呈帶電固體顆粒。電吸附法再生處理廢棄水基鉆井液的原理是利用電極板之間的電場(chǎng)力吸附廢棄鉆井液中的帶電細(xì)微固相顆粒，從而降低廢棄鉆井液中的劣質(zhì)固相含量和鉆井液黏度，使廢棄鉆井液性能達(dá)到循環(huán)利用要求。電吸附方法具有不添加藥劑、不破壞鉆井液中有效成分的特點(diǎn)[14–17]。

電極板浸入廢棄高性能水基鉆井液并通電后，具有強(qiáng)陰離子官能團(tuán)的有機(jī)處理劑黏附、包被著微小劣質(zhì)固相顆粒向電極板的正極移動(dòng)，并在移動(dòng)過(guò)程中繼續(xù)捕獲、黏附和包被鉆井液中懸浮的微小顆粒。微小劣質(zhì)固相顆粒逐漸在電極板表面富集，實(shí)現(xiàn)對(duì)粒徑小于10 μm微小劣質(zhì)固相的吸附。另外，電極板發(fā)生的微弱電解反應(yīng)會(huì)使鉆井液中的部分大分子聚合物氧化斷鏈，促使鉆井液黏度降低，最終廢棄高性能水基鉆井液的劣質(zhì)固相含量和黏度均降低，實(shí)現(xiàn)廢棄高性能水基鉆井液的再生循環(huán)利用。

在前期靜態(tài)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了廢棄高性能水基鉆井液電吸附處理中試裝置，主要由廢棄鉆井液輸送單元、電化學(xué)吸附單元、刮泥單元和控制單元組成（見(jiàn)圖1），具有占地面積小、可移動(dòng)的特點(diǎn)。該裝置處理能力為5.0 L/h，整機(jī)功率≤1.0 kW，占地面積0.60 m2，可以用來(lái)開(kāi)展廢棄高性能水基鉆井液再生工藝動(dòng)態(tài)模擬、工藝優(yōu)化和中試等。

圖 1 廢棄高性能水基鉆井液電吸附處理中試裝置Fig.1 The electro-sorption pilot device of waste high-performance water-based drilling fluids

2 電吸附處理試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)原料及儀器

試驗(yàn)原料為國(guó)內(nèi)某頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)井的廢棄高性能水基鉆井液。試驗(yàn)儀器包括GJS-B12K型高頻高速攪拌機(jī)、廢棄高性能水基鉆井液電吸附中試裝置（處理量5.0 L/h）、101型電熱鼓風(fēng)干燥箱、AL104型電子天平、Mastersizer2000型激光粒度分析儀和DT5-2B型離心機(jī)。

2.2 試驗(yàn)方法

1）將廢棄高性能水基鉆井液放入攪拌機(jī)中，以3 000 r/min轉(zhuǎn)速攪拌10 min，備用。將廢棄高性能水基鉆井液裝入電吸附中試裝置進(jìn)料口后，調(diào)整試驗(yàn)電壓達(dá)到試驗(yàn)要求時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)吸附。試驗(yàn)結(jié)束后將電極板吸附的固相放入已知質(zhì)量的燒杯中，送入烘箱中烘干、稱量；計(jì)算得到對(duì)應(yīng)條件下的固相顆粒吸附量，考察和優(yōu)選較佳的運(yùn)行參數(shù)。

2）在獲得較佳的運(yùn)行參數(shù)后，進(jìn)行2次吸附，記錄固相顆粒吸附量、吸附前后高性能水基鉆井液流變性及粒度，分析吸附次數(shù)對(duì)吸附效果的影響。

3）將廢棄高性能水基鉆井液樣品放入離心機(jī)，以3 000 r/min轉(zhuǎn)速離心分離5 min，然后取液相，在較佳的運(yùn)行參數(shù)下進(jìn)行吸附，記錄廢棄鉆井液吸附前后的流變性及粒度，以評(píng)價(jià)離心和電吸附效果。

3 電吸附處理工藝參數(shù)優(yōu)選

3.1 吸附工藝參數(shù)

采用電吸附中試裝置和單因素試驗(yàn)法，分別考察電極板間距、吸附反應(yīng)時(shí)間及吸附電壓對(duì)電吸附效果的影響，在確定較佳電吸附工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證處理效果。

3.1.1 電極板間距

電化學(xué)具有電分解、電吸附等多種作用，水的分解電壓通常在1.3～1.6 V。因此，若要以電吸附為主導(dǎo)反應(yīng)，應(yīng)將電壓控制在1.6 V以上，以免發(fā)生分解反應(yīng)影響吸附效果。結(jié)合前期研究結(jié)果，初步設(shè)定吸附電壓為9 V、吸附反應(yīng)時(shí)間為15 min，考察電極板間距分別為5，10，15和20 cm時(shí)電化學(xué)吸附極板對(duì)廢棄高性能鉆井液中固相顆粒的吸附能力，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖 2 不同電極板間距對(duì)吸附固相顆粒質(zhì)量的影響Fig.2 The effect of different plate spacing on the quality of adsorbed solids

從圖2可以看出，電極板間距為5 cm時(shí)，吸附量最大（38.5 g）；隨著極電板間距增大，吸附電極板對(duì)廢棄高性能鉆井液固相顆粒的吸附量呈下降趨勢(shì)。因此，將電極板間距確定為5 cm。

3.1.2 吸附反應(yīng)時(shí)間

設(shè)定吸附電壓為9 V、電極板間距為5 cm，考察吸附反應(yīng)時(shí)間分別為5，10，15，20 和25 min時(shí)電極板對(duì)高性能鉆井液中固相顆粒的吸附能力，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖 3 不同吸附反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸附固相顆粒質(zhì)量的影響Fig.3 The Effect of different adsorption time on the quality of adsorbed solids

從圖3可以看出：隨著吸附反應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)，電極板對(duì)廢棄高性能鉆井液中固相顆粒的吸附量呈上升趨勢(shì)。開(kāi)始15 min的吸附速率較快，15 min后吸附速率逐漸降低。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，將吸附反應(yīng)時(shí)間確定為15 min。

3.1.3 吸附電壓

設(shè)定極板間距為5 cm、吸附反應(yīng)時(shí)間為15 min，考察吸附電壓分別為3，6，9，12和15 V時(shí)電極板對(duì)廢棄高性能鉆井液中固相顆粒的吸附能力，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖 4 不同吸附電壓對(duì)吸附固相顆粒質(zhì)量的影響Fig.4 The effect of different voltages on the quality of adsorbed solid

從圖4可以看出：隨著吸附電壓升高，電極板對(duì)固相顆粒的吸附量呈上升趨勢(shì)；吸附電壓從9 V升至12 V時(shí)，吸附速率增大較快；吸附電壓高于12 V以后吸附速率降低?？紤]到繼續(xù)升高吸附電壓，反應(yīng)耗能會(huì)增多，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)行成本升高，因此將吸附電壓確定為12 V。

3.1.4 吸附次數(shù)

為考察吸附次數(shù)對(duì)吸附效果的影響，在電極板間距為5 cm、吸附電壓為12 V、吸附時(shí)間為15 min的條件下，測(cè)試了廢棄高性能水基鉆井液樣品經(jīng)過(guò)2次連續(xù)吸附前后的性能和固相顆粒的粒度分布，結(jié)果見(jiàn)表1、圖5～圖7。

表 1 廢棄高性能鉆井液2次電吸附前后的性能Table 1 Performance of waste high-performance drilling fluid before and after two electro-sorption treatment process

圖 5 廢棄高性能水基鉆井液樣品固相顆粒粒度分布Fig.5 Size distribution of solid particles before adsorptionof waste high performance water-based drilling fluid

圖 6 廢棄高性能水基鉆井液一次吸附后的固相顆粒粒度分布Fig. 6 Solid particle size distribution of waste high-performance water-based drilling fluid after primary adsorption

從表1可以看出，經(jīng)過(guò)2次吸附后，鉆井液密度、黏度和切力等逐漸降低，說(shuō)明高性能水基鉆井液再生性能顯著提高。由圖6可知，經(jīng)過(guò)第一次吸附，粒徑小于1 μm的超細(xì)微固相顆?；救勘晃剑皆?0～100 μm的固相顆粒部分被吸附，電吸附后峰向左移，對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)增大，說(shuō)明第一次吸附的主要是微粒物質(zhì)。由圖7可知，經(jīng)過(guò)第2次吸附，粒徑在1～10 μm的固相顆粒被部分吸附，電吸附后峰向右移，對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)減小。

圖 7 廢棄高性能水基鉆井液二次吸附后的固相顆粒粒度分布Fig. 7 Solid particle size distribution of waste high-performance water-based drilling fluid after secondary adsorption

對(duì)比圖6和圖7可知，電吸附時(shí)優(yōu)先吸附粒徑小于1 μm的超細(xì)微粒固相顆粒，當(dāng)超細(xì)微固相顆粒被完全吸附后，開(kāi)始吸附粒徑相對(duì)較大（1～10 μm）的細(xì)微固相顆粒。分析認(rèn)為，電吸附主要吸附廢棄高性能鉆井液中粒徑小于10 μm的固相及超細(xì)微劣質(zhì)固相。從2次吸附固相質(zhì)量看，第1次吸附的固體質(zhì)量為85.6 g；同樣條件下，第2次吸附的固相質(zhì)量?jī)H為32.5 g，吸附2次后吸附量不再大幅增加。

試驗(yàn)結(jié)果表明，廢棄高性能水基鉆井液經(jīng)過(guò)2次電吸附，可基本去除其中細(xì)小的劣質(zhì)固相。因此，最佳吸附次數(shù)為2次。

3.2 離心處理對(duì)吸附效果的影響

為考察離心處理對(duì)電吸附效果的影響，在優(yōu)選的工藝參數(shù)條件下， 進(jìn)行了廢棄高性能鉆井液在離心及電吸附處理前后的主要性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2，離心分離前后的固體顆粒粒徑分布結(jié)果如圖8所示。鉆井液初始性能為：密度1.17～1.25 kg/L，塑性黏度8～20 mPa·s，動(dòng)切力3～8 Pa，靜切力1～4/3～10 Pa。

表 2 廢棄高性能鉆井液離心及電吸附處理前后的性能Table 2 Performance of waste high-performance drilling fluid before and after centrifugation and electro-sorption

圖 8 廢棄高性能水基鉆井液離心分離處理前后的固相顆粒粒度分布Fig.8 Particle size distribution of solid particles before and after centrifugation of waste high-performance water-based drilling fluid

由表2可知，離心分離+電吸附可以使高性能水基鉆井液性能參數(shù)指標(biāo)降低，再生性能顯著提高。由圖8可知，離心分離主要去除了廢棄高性能水基鉆井液中粒徑大于10 μm的固相物質(zhì)，但離心機(jī)處理后仍難以滿足鉆井液回收利用的要求。因此，采用離心分離+電吸附處理廢棄高性能水基鉆井液，可以使其達(dá)到再利用的要求，從而實(shí)現(xiàn)高性能鉆井液的減量化和資源化處理。

3.3 電吸附較佳工藝參數(shù)的確定

基于單因素法分析，確定了廢棄高性能水基鉆井液電吸附較佳的工藝參數(shù)：吸附電壓12 V、電極板間距5 cm，吸附反應(yīng)時(shí)間15 min，吸附循環(huán)2次。電吸附前，進(jìn)行離心處理可以實(shí)現(xiàn)高性能水基廢棄鉆井液減量化和資源化處理。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證廢棄高性能水基鉆井液電吸附裝置的實(shí)際效果，在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在西南油氣田201H2-4井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。201H2-4井為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)井，使用高性能水基鉆井液鉆進(jìn)，完鉆井深4 500.00 m，采用不落地收集裝置收集廢棄高性能水基鉆井液。

采集電化學(xué)吸附處理后的高性能水基鉆井液樣品進(jìn)行了粒度分析，發(fā)現(xiàn)粒徑在2～10 μm的劣質(zhì)固相的去除率為91.2%，處理成本小于40元/m3?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，不同密度廢棄高性能水基鉆井液經(jīng)電吸附處理后，其性能均能滿足鉆井要求，與鉆井循環(huán)系統(tǒng)最后一級(jí)固控設(shè)備出口性能相當(dāng)，處理后的鉆井液其固相含量≤10%，漏斗黏度≤50 s，濾失量≤5 mL；鉆井液添加劑用量和鉆井廢水產(chǎn)生量大幅減少。

5 結(jié)論與建議

1）采用單因素試驗(yàn)法，考察了電壓、吸附時(shí)間和極板間距對(duì)超細(xì)微劣質(zhì)固相吸附量的影響，確定了廢棄高性能水基鉆井液的較佳電吸附工藝參數(shù)為電壓12 V、極板間距5 cm、反應(yīng)時(shí)間15 min，廢棄高性能水基鉆井液經(jīng)過(guò)2次電吸附工藝處理后能夠去除粒徑小于10 μm的超細(xì)微劣質(zhì)固相。

2）電吸附法處理廢棄高性能水基鉆井液解決了粒徑小于10 μm的超細(xì)微劣質(zhì)固相難以去除的問(wèn)題；結(jié)合離心處理工藝，可以實(shí)現(xiàn)廢棄高性能水基鉆井液減量化和資源化的循環(huán)利用。

3）目前，電吸附處理仍難以實(shí)現(xiàn)隨鉆處理，對(duì)不同性質(zhì)廢棄水基鉆井液來(lái)料的適應(yīng)性和工藝參數(shù)也需要進(jìn)一步研究；除此之外，還需要進(jìn)行撬裝化、標(biāo)準(zhǔn)化水基鉆井廢棄物處理成套裝備的攻關(guān)研究。