許毓 劉曉輝 馬瀅 謝水祥 任雯 張明棟 仝坤

1. 石油石化污染物控制與處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司

廢鉆井液是油氣勘探開發(fā)鉆井作業(yè)的主要廢棄物之一，目前的處理方式以固化填埋、破膠脫穩(wěn)固液分離等方式為主，其中固化填埋存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，固液分離后的廢水含有絮凝劑等污染物，影響再配漿性能，再利用率低。開發(fā)廢鉆井液再生回用技術(shù)及裝置，提高廢水基鉆井液循環(huán)利用和再生回用率，是應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的環(huán)保新要求、鉆井廢物處理技術(shù)升級(jí)和提升油田企業(yè)鉆井環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)防控能力的迫切需要。

國(guó)內(nèi)研究人員通過(guò)多年鉆井廢物隨鉆不落地資源化技術(shù)研究［1-2］，形成了“水基鉆井廢物分離-固相資源化”、“水基鉆井廢物破膠壓濾-固相資源化”兩套工藝和設(shè)備技術(shù)，主要通過(guò)高頻干燥篩、離心機(jī)、板框壓濾機(jī)等實(shí)現(xiàn)鉆井廢棄物固液分離，但這些設(shè)備主要是去除廢鉆井液中粒徑較大的鉆屑。為此開展電吸附處理廢鉆井液研究，去除超細(xì)微固相顆粒，從而提高回收的鉆井液性能，提升廢鉆井液的再生回用循環(huán)利用率。

在前期廢鉆井液電化學(xué)吸附靜態(tài)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的研究成果基礎(chǔ)上［3-4］，研制出一套廢水基鉆井液動(dòng)態(tài)電吸附裝置［5］，開展了動(dòng)態(tài)模擬條件下對(duì)廢鉆井液中固相顆粒選擇性吸附實(shí)驗(yàn)研究，考察了對(duì)固相顆粒的吸附效果、裝置運(yùn)行穩(wěn)定性和適用性，為廢鉆井液電吸附工藝開發(fā)和實(shí)驗(yàn)裝置優(yōu)化升級(jí)改造提供技術(shù)支持。

1 動(dòng)態(tài)電吸附裝置

動(dòng)態(tài)電吸附裝置利用電解槽內(nèi)電極板的電化學(xué)吸附作用，有效去除廢鉆井液中的劣質(zhì)固相和超細(xì)微顆粒，以實(shí)現(xiàn)廢水基鉆井液循環(huán)利用。該裝置主要由輸送、電化學(xué)吸附、刮泥、自控、廢氣吸風(fēng)等5個(gè)單元組成，物料儲(chǔ)存罐容積為30 L，電吸附儲(chǔ)存容量為20 L，設(shè)計(jì)物料流量3～5 L/h，運(yùn)行電流0～12 A，運(yùn)行電壓0～60 V。裝置設(shè)計(jì)成雙通道模式，一用一備。

廢水基鉆井液動(dòng)態(tài)電吸附裝置的工藝流程見圖1。以裝置左側(cè)部分工作為例，將廢鉆井液儲(chǔ)存在鉆井液儲(chǔ)存罐1中，由泥漿泵1泵入電化學(xué)吸附器1的電解槽中；經(jīng)處理之后的廢鉆井液自流進(jìn)入吸附后鉆井液儲(chǔ)存罐1；沉積在電極上的污泥，被刮泥機(jī)械刮掉，并推出電解槽進(jìn)入刮出泥儲(chǔ)存罐1，電化學(xué)吸附器1的底泥通過(guò)排泥管線排入刮出泥儲(chǔ)存罐中。電化學(xué)吸附器1中產(chǎn)生的廢氣，通過(guò)風(fēng)機(jī)輸送至廢氣吸收器中，吸收后排入大氣。

圖1 廢水基鉆井液動(dòng)態(tài)電吸附裝置工藝流程示意圖Fig. 1 Schematic process flow of dynamic electrosorption device of waste water based drilling fluid

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品制備

膨潤(rùn)土鉆井液配制：在自來(lái)水(60～80 ℃)中，先加入6%優(yōu)級(jí)工業(yè)膨潤(rùn)土，用配漿機(jī)低速攪拌24 h；再加入0.2%工業(yè)級(jí)無(wú)水Na2CO3，用配漿機(jī)3000 r/min高速連續(xù)攪拌24 h，靜置24 h后，備用。

含鉆屑膨潤(rùn)土鉆井液配制：將從鉆井現(xiàn)場(chǎng)取得的聚磺鉆屑自然晾干7 d，用球磨機(jī)研磨，過(guò)200目篩備用。實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別按照0%、1%、3%、5%、7%、9%不同比例，加入膨潤(rùn)土鉆井液中，配漿機(jī)在3000 r/min條件下連續(xù)攪拌1 h后，備用。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

廢水基鉆井液動(dòng)態(tài)電吸附實(shí)驗(yàn)裝置(自制)，PJ-10L翻轉(zhuǎn)式配漿機(jī)(青島海通達(dá)專用儀器有限公司)，Mastersizer 2000激光粒度儀(英國(guó)馬爾文儀器有限公司)，F(xiàn)-P2000高能行星式球磨機(jī)(湖南弗卡斯實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(青島海通達(dá)專用儀器有限公司)，烘箱(北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司)，WXJMB-02微型精密電熱板(北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司)，天平等。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 電吸附方法

在前期廢鉆井液電化學(xué)吸附機(jī)理研究、方法研究、靜態(tài)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的研究成果基礎(chǔ)上［3-5］，利用自制電吸附裝置，吸附電壓設(shè)為12 V［5］，在2、5、10、15、20、30 min不同吸附時(shí)間條件下，考察含不同比例鉆屑的廢鉆井液電吸附前后的流變性能、膨潤(rùn)土當(dāng)量、粒度分布的變化情況［6-9］。

2.3.2 鉆井液性能指標(biāo)測(cè)試方法

流變性的主要性能參數(shù)表觀黏度AV、塑性黏度PV、動(dòng)切力YP和膨潤(rùn)土當(dāng)量EBE參照GB/T16783.1?2014 《石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試第1部分：水基鉆井液》中相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行測(cè)試分析。鉆井液的固相顆粒粒度分布利用激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)試分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 電吸附對(duì)膨潤(rùn)土基漿的影響

圖2是電吸附對(duì)膨潤(rùn)土鉆井液粒度分布的影響，可以看出，膨潤(rùn)土鉆井液的固相顆粒主要分布在1～200 μm之間，隨吸附時(shí)間增加，粒徑分布沒(méi)有明顯偏移；小于10 μm的固相顆粒在吸附過(guò)程中，粒徑分布體積比有增加；吸附10 min時(shí)，30～100 μm之間的粒徑分布體積比有降低；吸附30 min時(shí)，粒徑分布曲線右移，大于10 μm的固相顆粒體積比有提高。結(jié)果表明，電吸附對(duì)膨潤(rùn)土鉆井液的粒徑分布有影響，但未產(chǎn)生大量分解和吸附作用，不影響膨潤(rùn)土鉆井液的穩(wěn)定性。

圖2 電吸附對(duì)膨潤(rùn)土鉆井液粒度分布的影響Fig. 2 Influence of electrosorption on the particle size distribution of bentonite drilling fluid

圖3是電吸附對(duì)膨潤(rùn)土基漿膨潤(rùn)土當(dāng)量的影響，可以看出，吸附時(shí)間5 min時(shí)EBE達(dá)最大43.46 kg/m3后，比原鉆井液EBE增加7.02%；隨吸附時(shí)間增加，EBE逐漸降低至37.76 kg/m3，比原鉆井液EBE降低7.01%。結(jié)果表明，增加吸附時(shí)間，電極板上吸附的膨潤(rùn)土顆粒逐漸增加，導(dǎo)致鉆井液中膨潤(rùn)土含量降低，但總體對(duì)EBE影響較小。

圖3 電吸附對(duì)膨潤(rùn)土基漿膨潤(rùn)土當(dāng)量的影響Fig. 3 Influence of electrosorption on the bentonite equivalent of bentonite base slurry

圖4是電吸附對(duì)膨潤(rùn)土基礎(chǔ)漿流變性的影響趨勢(shì)，可以看出，吸附時(shí)間達(dá)5 min時(shí)，AV、PV、YP值未發(fā)生變化；當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)10 min時(shí)，AV、PV值出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，YP未發(fā)生明顯變化；吸附時(shí)間達(dá)15 min時(shí)，AV、PV值呈上升趨勢(shì)，YP值呈下降趨勢(shì)；吸附時(shí)間20～30 min，YP值呈上升趨勢(shì)回歸原液指標(biāo)狀態(tài)，黏度指標(biāo)呈下降趨勢(shì)，但比吸附前原液指標(biāo)高。隨著吸附時(shí)間增加，AV、PV、YP整體呈增加趨勢(shì),反映出廢鉆井液電吸附后的水化能力增強(qiáng)。

圖4 電吸附對(duì)膨潤(rùn)土基礎(chǔ)漿流變性的影響Fig. 4 Influence of electrosorption on the rheological property of bentonite base slurry

3.2 不同鉆屑加量對(duì)電吸附效果影響

3.2.1 粒度分布

圖5是電吸附對(duì)不同含量鉆屑鉆井液粒度分布的影響，可以看出，含1%鉆屑鉆井液電吸附效果不明顯，粒度分布未發(fā)生明顯偏移和體積變化波動(dòng)，小于4 μm顆粒體積比有少量降低，4～30 μm顆粒體積比有少量的增加，30～200 μm顆粒體積比有少量降低。含3%鉆屑鉆井液的電吸附效果較明顯(由于模擬配制鉆井液時(shí)取樣不均衡，造成未吸附前曲線的粒徑分布范圍0～40 μm，吸附后粒徑分布范圍增加0～200 μm)，小于30 μm的顆粒分布體積比明顯降低，30～200 μm的顆粒體積比明顯升高。含5%鉆屑鉆井液的電吸附效果較明顯，粒徑分布范圍變寬，增加了0～1 μm粒徑的分布，1～200 μm粒徑分布體積比明顯降低，粒徑分布曲線明顯偏移。含7%鉆屑鉆井液的電吸附效果較明顯，0～1 μm粒徑分布體積有增加趨勢(shì)；隨吸附時(shí)間不同，1～200 μm粒徑分布體積比有增加有減小，變化明顯。含9%鉆屑鉆井液電吸附效果不明顯，粒度分布未發(fā)生明顯偏移和體積變化波動(dòng)，0.1～30 μm粒徑分布體積比有增加，30～200 μm粒徑分布體積比有降低。

圖5 電吸附對(duì)不同含量鉆屑鉆井液粒度分布的影響Fig. 5 Influence of electrosorption on the particle size distribution of drilling fluid with different cuttings contents

分析結(jié)果表明，鉆井液鉆屑含量不同，電吸附效果也不同。鉆井液中的鉆屑顆粒在含量達(dá)到1%和9%時(shí)，電吸附效果不明顯；鉆屑含量處于3%～7%時(shí)，電吸附效果較明顯，尤其是低于30 μm以下顆粒吸附效果顯著。鉆屑含量處于5%～7%時(shí)，電極板吸附的鉆屑接近飽和量，部分粒徑1 μm以下殘留，粒徑分布出現(xiàn)了雙峰，說(shuō)明電吸附對(duì)于細(xì)小顆粒的吸附作用比較大，而對(duì)于較大固體顆粒吸附效果不明顯。

3.2.2 膨潤(rùn)土當(dāng)量

圖6是電吸附對(duì)不同含量鉆屑鉆井液EBE的影響，可以看出，EBE變化趨勢(shì)不同。含1%鉆屑的鉆井液電吸附后，EBE總體呈降低趨勢(shì)，但減少幅度小，在吸附10 min時(shí)，EBE較原液小幅度增加；含3%鉆屑的鉆井液電吸附后，隨著時(shí)間增加，EBE先下降后增加至62.70 kg/m3，吸附30 min時(shí)降低至34.91 kg/m3；含5%鉆屑鉆井液電吸附后，EBE前5 min呈增加趨勢(shì)，但幅度小，吸附達(dá)10 min時(shí)，大幅度降低至31.35 kg/m3后又逐步增加；含7%鉆屑鉆井液電吸附后，變化波動(dòng)大，吸附5 min時(shí)，EBE降低幅度最大；含9%鉆屑的鉆井液電吸附后，EBE變化幅度小。

圖6 電吸附對(duì)不同含量鉆屑鉆井液EBE的影響Fig. 6 Influence of electrosorption on the EBE of drilling fluid with different cuttings contents

從以上分析可以看出，鉆井液中的鉆屑顆粒在含量為1%和9%時(shí)，電吸附對(duì)EBE影響不大；鉆屑含量7%時(shí)，吸附時(shí)間5 min和20 min時(shí)，EBE降低幅度最大；鉆屑含量5%時(shí)，吸附時(shí)間10min時(shí)EBE降低幅度最大；鉆屑含量3%時(shí)，吸附時(shí)間20 min時(shí)，EBE升高幅度最大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鉆屑含量極少時(shí)，鉆井液中膨潤(rùn)土含量高，體系均勻分散穩(wěn)定，膨潤(rùn)土所帶負(fù)電荷占主導(dǎo)，電極板對(duì)鉆屑吸附量減少，EBE總體呈下降趨勢(shì)；鉆屑含量極高時(shí)，鉆屑所帶電荷為主導(dǎo)，電極板吸附鉆屑為主，吸附極少量膨潤(rùn)土，由于實(shí)驗(yàn)電極板的吸附面積、吸附時(shí)間和刮泥時(shí)間等因素影響，電極板吸附鉆屑接近飽和量，吸附鉆屑量占總的鉆屑量比例小，電吸附效果也不明顯；電吸附時(shí)間和鉆屑含量對(duì)鉆井液EBE有直接影響，鉆屑含量極少和極高的鉆井液，電吸附效果不明顯，含適量鉆屑鉆井液電吸附需選擇影響最小的吸附時(shí)間，從而保證鉆井液的穩(wěn)定性。

3.2.3 鉆井液流變性

圖7是電吸附對(duì)不同含量鉆屑鉆井液流變性的影響，可以看出，電吸附對(duì)AV、PV、YP影響不同。表觀黏度整體變化相對(duì)幅度較小，含1%、3%、5%鉆屑的鉆井液表觀黏度總體呈升高趨勢(shì)；含7%鉆屑的鉆井液表觀黏度在吸附5 min時(shí)出現(xiàn)大幅下降，隨著時(shí)間再增加，趨于原黏度指標(biāo)；含9%鉆屑的鉆井液表觀黏度總體有下降趨勢(shì)。 塑性黏度整體變化相對(duì)幅度較小，含3%、5%、9%鉆屑的鉆井液塑性黏度總體呈下降趨勢(shì)，含1%、7%鉆屑的鉆井液塑性黏度總體呈上升趨勢(shì)。動(dòng)切力整體變化相對(duì)幅度較小，含1%、3%、7%鉆屑的鉆井液動(dòng)切力總體呈上升趨勢(shì)，含5%、9%鉆屑的鉆井液動(dòng)切力總體呈下降趨勢(shì)。

圖7 電吸附對(duì)不同含量鉆屑鉆井液流變性的影響Fig. 7 Influence of electrosorption on the rheological property of drilling fluid with different cuttings contents

3.3 不同吸附時(shí)間對(duì)電吸附效果影響

(1)粒徑分布。綜合分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)30 μm及以下劣質(zhì)固相顆粒，含1%和9%鉆屑鉆井液，隨著吸附時(shí)間增加，粒徑分布變化不明顯，吸附5 min為最佳時(shí)間；含3%鉆屑鉆井液，5～30 min電吸附效果都很好， 20 min為最佳吸附時(shí)間；含5%和7%鉆屑鉆井液，5～30 min電吸附效果都很好，30 min為最佳吸附時(shí)間。

(2)膨潤(rùn)土當(dāng)量。鉆井液中的鉆屑顆粒在含量達(dá)到極少(1%)和極多(9%)2種極限狀態(tài)時(shí)，電吸附對(duì)EBE影響不大；鉆屑含量7%時(shí)，吸附時(shí)間為5 min和20 min時(shí)，EBE降低幅度最大；鉆屑含量5%時(shí)，吸附10 min時(shí)EBE降低幅度最大；鉆屑含量3%時(shí)，吸附20 min時(shí)EBE升高幅度最大。說(shuō)明電吸附時(shí)間和鉆屑含量對(duì)鉆井液膨潤(rùn)土當(dāng)量有直接影響，為了保持膨潤(rùn)土鉆井液的穩(wěn)定性，需要選擇影響EBE最小的吸附時(shí)間。

(3)鉆井液流變性。電吸附時(shí)間對(duì)鉆井液流變性的影響很小。

4 結(jié)論

(1)電吸附工藝對(duì)膨潤(rùn)土鉆井液中的鉆屑顆粒具有選擇性吸附作用，對(duì)細(xì)小鉆屑顆粒的吸附作用比較大，而對(duì)于較大固體顆粒吸附效果不明顯，且對(duì)膨潤(rùn)土鉆井液的流變性、膨潤(rùn)土當(dāng)量等性能指標(biāo)影響不大。

(2)電吸附對(duì)不同鉆屑加量鉆井液的固相顆粒吸附效果不同，適量鉆屑含量(3%～7%)電吸附效果較明顯。電吸附時(shí)間實(shí)驗(yàn)條件選擇時(shí)，在吸附效果同等條件下，須選擇對(duì)膨潤(rùn)土當(dāng)量和鉆井液流變性影響最小的時(shí)間條件，從而保證吸附后鉆井液的最佳性能，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)處理成本最小化。

(3)電吸附工藝能有效剔除鉆井液中的劣質(zhì)固相，保持了膨潤(rùn)土鉆井液的穩(wěn)定性，提高鉆井液回用性能指標(biāo)，是提高水基鉆井廢物循環(huán)利用和資源化利用率的有效途徑。但應(yīng)進(jìn)一步研究電吸附工藝對(duì)聚合物、聚合物-KCl、聚磺等不同鉆井液體系、不同組成特性的廢鉆井液的適應(yīng)性，以及不同電極板的處理效果、電化學(xué)吸附技術(shù)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等影響因素的考察，為電化學(xué)處理廢鉆井液工藝完善提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)依據(jù)。