煤層氣鉆井廢液無害化處理優化工藝室內研究

范 莉 龐紅斌 郭 威 許詩雪

(西南石油大學)

1 概述

1.1 煤層氣鉆井液類型及特點

煤層氣與常規油氣層鉆井相比較具有井淺、鉆井周期短、儲層特殊、鉆井液體系不復雜等特點，煤儲層與常規油氣儲層相比較，具有機械強度低、破碎、微孔隙和裂隙發育等特點，其滲透率一般遠低于常規油氣儲層。因此易于受鉆井液、完井液、固井水泥或壓裂液污染，從而導致煤層裂隙很容易被堵塞而傷害儲層。根據上述特點，為了保護儲層，對煤層氣鉆井液性能具有較高要求，其中對鉆井液密度、固相含量有相當嚴格的標準，要具有低密度、低失水、低固相含量、低粘及良好的觸變性等特點[1，2]。目前我國煤層氣井所采用的鉆井液主要有聚合物鉆井液、無粘土鉆井液、清水及空氣泡沫鉆井液。

1.2 鉆井廢液組成與危害

根據鉆井液組成及鉆井工藝特點可知，煤層氣鉆井時間短、單井鉆井廢液產生量較少，鉆井廢液組成較簡單、污染程度不大，單井鉆井投資成本較低。在鉆完井過程中產生廢液主要由含有排放的巖屑及從井筒中排放的鉆井液組成，從成分上來說是一種含有粘土、化學處理劑、無機鹽、油類、可溶性的微量元素和鉆屑等多組份膠體溶液。鉆井廢液中含多種有害物質，主要是油類、鉆井液添加劑、鹽類及某些可溶性微量元素。鉆井廢液儲存在井場的廢液池中，由于滲漏、溢出、淹沒等原因會混入或侵入地下水、地表水及周圍生態環境污染地面水、沼澤、地下水及動植物的生長、生存，對人體健康及環境構成一定的直接危害或潛在危害，造成污染，甚至造成污染事故[3，4]。

2 主要藥品及儀器

2.1 主要藥品

破膠混凝劑：PAL、ALS、PC-1、PFL(均為工業級，四川淼源油氣田工程公司)；

混凝助劑：PA、HPA、CPA、QP(均為工業級，四川淼源油氣田工程公司)；

氧化劑：H2O2(化學純、成都科龍試劑廠)、YH、Fenton、KM、NC(均為工業級，四川淼源環?？萍脊?；

固化主劑：FMH、SN、FS、KZ、FSK(均為工業級，四川淼源油氣田工程公司)；

固化催化劑：CPCA、CPF、CAL、CF、CPAL(均為工業級，四川淼源環保科技公司)。

2.2 主要儀器

變速離心機、CODcr自動測定儀、油分析儀、濁度儀、pH測定儀、原子吸收光譜儀及若干玻璃儀器。

3 煤層氣鉆井廢液主要污染物分析

見表1。

表1 鉆井廢液主要污染物指標分析

從表1可以看出，煤層氣鉆井廢液的各項污染指標除總鉻、pH值外，其他指標均超標(GB 8978-1996)污水綜合排放標準。

4 煤層氣鉆井廢液無害化處理破膠

混凝工藝研究

4.1 破膠混凝劑類型篩選

取一定量的鉆井廢液，分別加入不同破膠混凝劑7000mg/L，考察處理后絮體沉降速度、水色、SS、CODcr、pH、含油等指標和現象。實驗結果如表2。

表2 破膠混凝劑對鉆井廢液破膠混凝效果影響

從表2實驗數據分析看出，不同的破膠混凝劑，對廢液的處理效果不同。在相同條件下，破膠混凝劑PC-1處理效果最好，固液分離較容易，液相色度低、SS、CODcr、Oil污染物質去除率高。

4.2 破膠混凝劑加量對破膠混凝效果影響

取一定量的鉆井廢液，采用PC-1脫穩混凝劑，在pH值、攪拌等條件相同情況下，改變PC-1加量，考察處理后水色、SS、CODcr、含油等指標，實驗結果見圖1。

圖1 破膠混凝劑PC-1加量對破膠混凝效果影響

從圖1分析看出，采用PC-1破膠穩混凝劑處理種廢泥漿，加量不同，處理效果不同，隨著處理劑加量增加，處理效果越好，當處理劑加量達到8000mg/L時，再增加處理劑加量，處理效果變化不大，選擇PC-1加量為8000mg/L。

4.3 混凝助劑優化工藝研究

以上述優化的脫穩混凝工藝條件為助凝實驗條件，通過對助凝劑種類、加量等工藝條件研究確定助凝劑的優化工藝。

(1)混凝助劑種類對混凝效果的影響

取一定量的鉆井廢液，PC-1脫穩混凝劑加量8000mg/L，助凝劑20mg/L，在 pH值等條件相同情況下，加入不同的混凝助劑，考察處理后絮體沉降速度、色度、SS、CODcr、pH、含油等指標去除情況，實驗結果如表3。

表3 混凝助劑種類對脫穩混凝效果影響

表3實驗數據及現象分析看出，不同的混凝助劑對鉆井廢液作用效果不同，上述4種助凝劑，其中前三種是酰胺系列聚合物的不同離子狀態形式的聚合物，PA是非離子型，分子量1200萬；HPA是部分水解型，分子量1600萬；CPA是陽離子型，分子量500萬，陽離子度28%；QP是三種單體共聚而成的兩性離子高分子聚合物，分子量1800萬。從4種混凝助劑的處理效果看出，混凝助劑QP對鉆井廢泥漿處理效果最好。

(2)混凝助劑加量對混凝效果的影響

取一定量的鉆井廢液，PC-1破膠混凝劑加量8000mg/L，加入不同量的混凝助劑QP，考察不同加量QP處理后水色度、SS、CODcr、含油等指標和現象。實驗結果見圖2。

圖2 助劑加量對鉆井廢液處理效果影響

圖2分析可看出，不同的混凝助劑加量處理效果不同，但總體情況分析顯示，混凝劑助劑加量對處理效果影響沒有破膠混凝劑突出?；炷鷦┑募恿吭?0mg/L～30mg/L時，處理效果最好；再增加處理劑加量會導致沉降速度減慢，處理后CODcr值增加，因此，混凝助劑加量定為30mg/L左右。

4.4 鉆井廢泥漿破膠混凝處理優化工藝小結

通過上述研究可知，煤層氣鉆井廢液破膠混凝處理優化工藝如下： PC-1破膠穩混凝劑，加量為8000mg/L；QP混凝助劑，加量為30mg/L。采用上述優化工藝處理后的CODcr=155.5mg/L。

5 煤層氣鉆井廢液破膠混凝處理后水相深度處理研究

深度處理研究主要是針對鉆井廢液產生的液相進行處理。通過上述破膠混凝處理后的水樣分析可知，分離的水相主要超標的污染指標為CODcr，因此以處理后CODcr為最終指標。

5.1 氧化劑種類優選

分別取一定量的破膠混凝分離水樣(分離后的混合水樣CODcr=155.5mg/L)，加入不同氧化劑，在加量、pH(針對各自適宜的pH)、處理時間相同情況下，考察處理后CODcr指標。實驗數據見表4。

表4 不同處理劑對水相的處理效果

從表4可以分析看出， 5種不同的處理劑分別對分離的水樣進行深度處理，各處理劑處理效果不同。其中YH處理效果最好，處理后CODcr濃度較小，處理時間短，為0.5h，，處理體系的pH值中性，對設備、管線腐蝕小，安全性能高，因此可以選擇YH處理劑進行深度處理。

5.2 YH加量對氧化效果影響

分別取一定量水樣(水樣CODcr=155.5mg/L)，加入YH處理劑，在pH=5～6、處理時間0.5h，改變加量，考察處理后CODcr指標。實驗數據見表5。

表5 YH處理劑加量對處理效果影響

從數據表5看出，不同處理劑加量，對分離后水處理效果不同，隨著處理劑加量增加，處理效果逐漸變好。YH處理劑加量達到1000mg/L時，CODcr除去率較高，再繼續增加處理劑加量，CODcr除去率變化不大，同時CODcr數值已達到一級排放標準，可選取YH加量為2000mg/L。

5.3 YH作用時間對處理效果的影響

分別取一定量的水樣(水樣CODcr=155.5mg/L)，加入YH處理劑，加量為2000mg/L，pH=5～6情況下，調整作用時間，考察處理后CODcr指標。實驗數據見表6。

表6 YH處理劑作用時間對處理效果影響

從表6看出，作用時間不同，對分離后水處理效果不同，隨著作用時間增加，處理效果逐漸變好。當YH處理劑作用時間達到30min時，CODcr除去率較高，再繼續增加作用時間，CODcr除去率變化不大，同時CODcr數值達到一級排放標準。

6 煤層氣鉆井廢液固化優化工藝研究

6.1 固化劑主劑研究

(1)固化劑主劑種類優選研究

分別取一定量前面實驗脫穩混凝處理的固液分離后的絮體，加入6.0%的不同類型固化主劑，在催化劑種類、催化劑加量1.5%、固化時間等條件相同情況下，考察固化產物浸出液色度、pH、CODcr、Oil、SS等主要污染指標。實驗結果見圖3。

圖3 固化劑主劑種類對鉆井廢泥漿固化效果的影響

由圖3可知，在相同條件下，改變主劑種類，對絮體的固化效果不同，但所有固化主劑固化后的浸出液中其色度、pH、石油類、SS等主要污染指標均能達到一級標準，而CODcr還是超標，其中固化主劑FS固化效果最好，固化凝結時間較快，固化后所有的指標均好于其它固化主劑，因此，固化主劑可以選擇FS。

(2)固化劑主劑FS添加量對固化效果影響

分別取一定量前面實驗脫穩混凝處理的固液分離后的絮體，加入FS固化主劑，在催化劑種類、催化劑加量、固化時間等條件相同情況下，考察不同固化主劑加量對固化產物的浸出液色度、pH、CODcr、Oil、SS等主要污染指標。實驗結果如圖4。

圖4 固化劑主劑FS加量對固化效果的影響

由圖4可以看出，不同固化劑主加量，其固化效果不同，隨著加量的增加，固化效果越好，但從實驗看出，加量增加，浸出液pH值也增加，超過標準，因此加量選擇在7%。

6.2 固化催化劑研究

(1)固化催化劑種類優選研究

分別取一定量前面實驗脫穩混凝處理的固液分離后的絮體，加入FS固化主劑，加量7%，催化劑加量為1.5%、固化時間等相同情況下，改變催化劑種類下，考察不同固化主劑加量對固化產物的固結現象、pH、CODcr等主要污染指標。實驗結果如表7。

表7固化催化劑種類對鉆井廢泥漿固化效果的影響

催化劑種類CPCACPFCALCFCPALCODc(rmg/L)72.5115.5128.6137.0123.6pH8.27.89.37.67.8固結現象凝固快凝固較快凝固較快凝固較快凝固快

通過表7數據表數據分析可看出，固化劑催化劑不同，固化效果不同，其中催化劑CPCA的固化效果最好。因此可以選擇CPCA為固化催化劑。

(2)固化催化劑CPCA加量對固化效果影響

分別取一定量前面實驗脫穩混凝處理的固液分離后的絮體，加入FS固化主劑，加量7%，固定CPCA催化劑種類，改變催化劑加量、固化時間等相同情況下，考察不同加量對固化產物的凝結現象、pH、CODcr等主要污染指標的影響。實驗結果見表8。

表8催化劑CPCA加量對固化效果影響

加量(%)0.51.01.52.02.5CODc(rmg/L)145.5121.580.587.4148.3pH7.58.18.27.66.5固結現象凝固較慢凝固較快凝固快凝固快凝固較慢

從實驗數據分析看出，隨著加量的增加，各項指標的變化不同，在加量為1.5%，各項指標均能達到一級排放標準。加量過大，固化處理效果有變差的趨勢，因此可以選擇催化劑加量為1.5%～2%。

6.3 優化固化方案對鉆井廢泥漿固化處理結果

通過上述影響固化的因素研究，可以確定出絮體固化的優化工藝方案為：

固化劑：FS，加量7%；催化劑：CPCA，加量1.5%。

通過固化優化工藝進行的固化結果測試分析可知，固化后浸出液的所有指標均能達到一級排放標準(表9)。

表9 固化優化方案處理結果

7 研究結論

(1)無害化處理煤層氣鉆井廢液工藝包括破膠混凝和固化處理兩部分。研究得到優化工藝主要參數為：①破膠混凝優化工藝：PC-1脫穩混凝劑，加量8000mg/L；QP混凝助劑，加量30mg/L；YH處理劑，加量1000mg/L； pH值5～6，作用時間30min。②固化處理優化工藝：固化劑FS，加量7%；破膠催化劑CPCA，加量1.5%～2.0%。

(2)按照以上處理工藝方案處理煤層氣鉆井廢液，處理后主要污染指標達到(GBS978-1996)一級排放標準。

1 賴曉晴，樓一珊，屈沅治，等.我國煤層氣開發鉆井液技術應用現狀與發展思路[J]. 石油天然氣學報(江漢石油學院學報).2009，31(5).

2 曾鐵軍,左明星,徐培武.煤層氣鉆井技術的應用研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2005，11 (2)：24-27.

3 劉曉娟，劉靜，張寧生，等.油氣田污泥無害化處理途徑探討[J]，油氣田環境保護，2004，14(2):32-35.

4 Tuncan M T. Stabilization of Petroleum Contaminated Drilling Wastes By additives [J].Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference，1997：950-9533.