水基废钻井液固化技术研究

水基废钻井液固化技术研究

在残余水井的过程中，破坏环境的主要因素是有机、无机、重金属离子、各种纸浆和重建材料中的杂质。完井后不进行处理直接排放或弃放在井场,遇到雨季,水基废钻井液中的有害物质会随雨水外溢流入农田、河流,渗入地表,对当地的自然环境造成破坏。塔里木油田的水基废钻井液进行固化处理后,固化产物浸泡液中污染物含量超标严重。塔里木油田公司工程技术服务部与西南石油学院合作,就塔里木油田水基废钻井液无害化固化处理做了深入研究,采用了先破胶后固化的处理技术,固化体具有一定强度,固化体浸出液无毒,无污染,达到国家污水排放标准,形成了一套全新的水基废钻井液固化处理技术——无害化固化处理技术。1有机物污染严重钻井液具有胶体体系的基本特征,污染物在其中呈稳定状态,其中的有机物具有较好的水溶性。若对其进行直接固化处理,有机物的分子形态未发生改变,固化体经水浸泡后,其中的有机物会从固相向水相转移,污染水体,特别是聚磺盐水钻井液固化后,经水浸泡5min左右,水相即呈黄色,浸泡24h后,水相呈棕红色,色度高达200倍以上。同时,有机物等污染物也严重超标。因此,有必要加入化学药剂以降低有机物的水溶性,使其固化后不容易从固相转移到水相。1.1破胶剂的阳离子材料根据钻井液的形成机理,粘土矿物因晶格取代,使其表面带负电荷,在碱性条件下,粘土表面易形成水化膜,在静电斥力的作用下,使粘土颗粒可与水溶液形成稳定的胶体分散体系;高分子材料(如KPAM、80A51、SMP、CMC等)在水中电离成带负电的基团,因电荷的作用,分子形态舒展,有利于它们与粘土、水共同形成稳定的钻井液胶体。据此分析,破胶剂的选择方向是阳离子型强电解质。破胶剂加入废钻井液后,一方面它电离出的阳离子对颗粒表面的负电荷有中和作用,可以降低粘土颗粒表面的负电荷,降低ζ电位,减小颗粒间的斥力,使其稳定性减弱或失去稳定性;另一方面阳离子可被高分子材料的阴离子基团吸附(电性中和),降低高分子链内的斥力,使高分子链发生卷曲,将失稳的粘土颗粒包裹起来并从钻井废液中分离出来;加入的阳离子物质可以同钻井液中的有机物形成溶解度比较小甚至不溶的络合剂(络合物)。其结果必然是绝大部分有机物(表现为COD)在固化体中的活性降低,不易被水浸泡出来。1.2w-b破胶试验根据聚沉稳定性理论,经过大量实验研究,最后确定出两种效果较好的破胶剂,即SW-A和SW-B。破胶剂SW-A适用于高密度(2.0g/cm3)废钻井液,破胶剂SW-B适用于中密度(1.5g/cm3左右)和低密度(1.2g/cm3左右)废钻井液。根据破胶后废钻井液浸出液颜色的深浅判断破胶剂作用效果的好坏。取100g废钻井液,分别加入各种破胶剂各10mL,观察破胶后废钻井液浸出液。由于此时破胶后的废钻井液所含的粘土容易分散在水中,引起水体浑浊,在烧杯中不容易分辨出破胶效果的优劣。因此,可以将破胶后的废钻井液放置在滤纸上观察,由于滤纸具有强的吸水性,可以清楚地分辨出滤纸上颜色的深浅程度,从而可以定性判断破胶剂的有效破胶效果。2硬化处理2.1采取水泥固化方法破胶后的水基废钻井液体系虽然浸出颜色较浅,但是其中的粘土、重金属等组分在有水的情况下容易浸泡(渗析)出来,为了使水基废钻井液中污染物组分被完全固定下来,则需要进一步进行固化处理。针对塔里木油田的实际情况,采用以水泥固化为主,结合石灰固化的方法。其固化方法为,在破胶后的水基废钻井液体系中先加入少量石灰,由于石灰的吸水性以及石灰的固化性能,可以起到部分固化作用,再加入足量的水泥,通过水泥的较强固化作用将水基废钻井液固化,使其具有一定的抗压强度。并且固化产物的浸出液达到了国家允许的排放标准。故选定水泥和石灰作为塔里木油田水基废钻井液的固化剂。2.2废水水质分析首先对高、中、低密度废钻井液体系滤液中主要污染物的含量进行了分析,结果见表1。由表1可以看出,该水基废钻井液体系滤液pH值较高,不含有色金属As、Hg,但是色度极深,COD值高、Cl-离子含量高、总Cr含量高、Pb含量较高,综合指标远远超过国家污水综合标准(GB8978—1996)一级标准要求。2.2.1最佳加量的确定由破胶剂的复配可知,SW-A对高密度水基废钻井液具有较好的破胶效果,SW-B对中、低密度水基废钻井液体系具有较好的破胶效果。但应进一步考察破胶剂加量对破胶效果的影响,加量太小则破胶不完全,加量太大则增加处理成本,而且出现效果变差的现象。因此,通过大量实验确定出了适宜的最佳加量。选取了浓度为40%的破胶剂,对其加量与破胶效果的关系进行了实验,其结果见表2、表3和表4。由表2～4可知,高密度钻井液在SW-A加量大于11mL/100g,中密度和低密度钻井液在SW-B加量分别大于10mL/100g和9mL/100g时,破胶后的水基废钻井液固化物浸出液颜色很浅,几乎无色,表明已被彻底破胶,加量如果再进一步加大对破胶不再起作用,反而使废钻井液反向胶体化,这样会使后续的固化处理中水泥的用量增加,从而增加废钻井液固化处理成本。2.2.2固化产物的表征在一定量的破胶废钻井液体系中加入固化剂,在搅拌器中搅拌均匀,放入测抗压强度的标准模子中成型。观察固化产物的形态、凝固程度,并对固化7d后的废钻井液体系固化物样品进行了抗压强度和固化产物浸出液中有害物质含量的测定。固化产物浸出液的浸出方法参照标准GB5086.2—1997,浸出液中污染物含量是否超标参照标准GB8978—1996。2.2.3固化效果的认定由于实验样品数量很大,固化后完全干透所需时间长(至少3d),不可能即时对每一个样品都进行抗压强度实验和浸出液指标分析。根据已有的实验数据及经验,对固化效果进行了自定义分级,以便初步判断固化产物的固化效果。自定义的具体标准如表5所示,在加入一定量的固化剂24h后,用手指试压感觉固化剂的强度。自定义标准是一个表观的数据,只能定性地用于实验初期优选配方,但不能代替最终具体分析,最终效果将由配方优选和相关实验研究来确定。依据实验结果和固化处理现象,并结合表5固化物物理特征描述情况得知,固化产物达到自定义标准在Ⅲ级以上时,可将废钻井液固化物在固化7d后,进行抗压强度测定。2.2.4水泥固化后固化产物的强度考察了不同石灰加量对破胶后废钻井液体系固化效果的影响。高密度废钻井液在水泥加量为20g/(100g废钻井液)的条件下,中密度和低密度废钻井液在水泥加量为30g/(100g废钻井液)的条件下,配比加入不同的石灰量,观察固化24h后固化产物的强度,其结果见表6。由表6可知,当石灰配比加量大于10g/100g时,废钻井液体系固化产物表面较硬,有一定强度,手指不能将其压碎,即固化物可达到自定义标准Ⅲ级,估计7d后废钻井液固化物将获得较高的抗压强度。2.2.5固化体强度测定当石灰加量为10g/100g时,考察了高、中、低密度废钻井液在不同水泥加量时7d后固化体的强度,结果见表7。由表7可以看出,要使废钻井液体系固化7d后的固化物抗压强度达到0.5～1.0MPa,高、中、低密度废钻井液所需的石灰加量分别为10%,所需的水泥加量分别为20%～25%、25%～40%和30%～40%。2.2.6水泥加量推动确定按照前面所确定的固化条件,使固化7d后的固化物抗压强度达到0.5MPa以上,对于高、中、低密度废钻井液,水泥加量分别为20%、25%、30%,石灰的加量均为10%的条件下固化。固化物浸出液中污染物含量的分析结果见表8。3废钻井液责任固化技术配方确定通过实验研究得知,在满足主要技术指标(固化物浸出液中主要污染指标均能达到国家污水综合排放标准(GB8978—1996)一级标准要求)和抗压强度(0.5～1.0MPa)的前提下,确定出了废钻井液无害化固化技术配方,见表9。由表9可以看出,废钻井液无害化固化技术配方及处理成本能满足固化处理的合理要求。4破胶剂sw-b加量的确定1.研制出了适合于高密度水基废钻井液的破胶剂SW-A,适合中、低密度水基废钻井液的破胶剂SW-B,并优选出了破胶剂的最佳加量。高密度废钻井液破胶剂SW-A加量为60kg/t废钻井液;中密度和低密度废钻井液破胶剂SW-B加量为40kg/t废钻井液。2.优选出了固化剂(石灰、水泥),考察了固化剂加量对固化体强度的影响。3.确定出了固化体强度为0.5MPa、1.0MPa的技术配方。要使固化体的强度达到0.5MPa,高密度、中密度和低