[关键词]完井液废液；回用；电絮凝；斜板絮凝；气浮

               随着海洋环境保护力度的提高，油田生产企业对钻井作业过程中废液“零排放”的重视程度日益提高，研究完井液处理及回用对企业降本增效和海洋生态环境保护均具有重要意义。HTAFLOW 完井液配制方便、储层保护效果好，在海洋钻井领域取得了广泛的应用。但回收的 HTAFLOW 完井液废液中常含有大量固相悬浮物和一定量的地层原油，既无法重复利用，运回陆地又会产生较大经济负担。在以往的研究中，多数为针对钻井液处理后回用方式、方法的研究而涉及完井液处理回用的研究较少。本文针对 HTAFLOW 完井液废液的特性，结合絮凝剂、破乳剂的优选与现场常用的水处理工艺，探索了 HTAFLOW 完井液废液的处理回用可行性。为以后的完井液废液处理及回用提供了一定的参考和依据。

                    1 HTAFLOW 完井液废液组成与特性分析

                    完井液主要是指在完井作业中使用的工作液，是一口井在钻开储层至生产阶段使用的工作液体系。HTAFLOW 完井液体系是一种带有储层解堵、疏通孔隙的完井液体系，适用于非酸敏储层的完井作业，该体系主要由有机酸、抑制剂和杀菌剂几部分组成。由于完井液使用后体系中增加了大量钻屑颗粒、原油等物质，其组成发生了较大的变化，因此在研究完井液处理之前有必要对完井液废液中的组成进行分析。如表 1 所示，HTAFLOW 完井液废液的主要污染物是一定量的原油和较多的固相悬浮物，这是由于完井液接触地层后被原油、黏土、钻屑等物质污染造成。此外，废液 ξ 电位为-11.5 mV，绝对值较小，说明 HTAFLOW 完井液废液中的固体悬浮物分散并不稳定，这是由于抑制剂的存在对废液中的黏土颗粒有抑制性，此外，阳离子抑制剂的吸附也在一定程度上降低了黏土颗粒表面的 ξ 电位。因此，HTAFLOW 完井液废液处理回用的关键在于对废液中含油和固体悬浮物的清除。本文结合破乳剂、絮凝剂的优选及电沉降、气浮、斜板沉降、过滤工艺，探讨 HTAFLOW完井液废液的最佳处理工艺流程，建立 HTAFLOW 完井液废液的回用技术。

                 2 实验部分

                 2.1 实验材料

                 HTAFLOW 完井液废液，取自渤海某作业现场；模拟海水，室内配制；破乳剂 OWT，自研；阳离子聚丙烯酰胺CPAM(分子量 300 万)；阴离子聚丙烯酰胺 HPAM(500~800万)。

                  2.2 实验仪器

                  自研多功能油田废液处理设备，气浮模块：曝气头为板式，规格为 300×150 mm，微孔直径 1 μm；斜板沉降模块：六方蜂窝斜管，当量直径 10 mm，斜管倾角 60°；过滤模块：过滤器筒体高度 570 mm，砂滤器滤料选用细砂，按细度模数划分应在 1.6~2.2 之间，双介质过滤器滤料选用核桃壳与石英砂，滤料床层总高度 400 mm；电沉降模块：核心组件是电化学处理器，活性极板为铝合金极板，惰性极板为钛合金表面复合钌铱活性催化剂极板，极板间距 30 mm。含油量检测：红外分光光度计 JCOIL-6；固体悬浮物含量检测：悬浮物含量测定仪；浊度值检测：HACH 哈希浊度仪2100AN；TD Z5-ws 多管架自动平衡离心机。

                         2.3 实验方法

                       由于 HTAFLOW 完井液废液中的主要污染物为原油和固相悬浮物，因此，实验中针对固相悬浮物的处理采用了“絮凝剂+电沉降”的电絮凝方法和“絮凝剂+斜板沉降”斜板絮凝方法；针对原油的处理采用了“破乳剂+气浮”的气浮撇油方法。实验过程中，“电絮凝”流程是混有指定浓度絮凝剂的废液进入电沉降模块后，打开脉冲电源，设置脉冲电源占空比0.9，频率 3000 Hz，电流 30 A，倒极时间 5 min，反应 30 min。“斜板絮凝”流程是混有指定浓度絮凝剂的废液进入斜板沉降模块后静置 60 min。“气浮撇油”的流程是混有指定浓度破乳剂的废液进入气浮模块后，打开进气阀，调节进气压力约0.1 Mp 控制曝气量，气浮撇油 30min。

                 3 实验结果与讨论

                  3.1 破乳剂优选

                  3.1.1 破乳剂制备

                   根据完井液废液特点，制备了不同取代度的超支化缩水甘油甲基丙烯酸酯作为破乳剂，破乳剂编号为 OWT-1，OWT-2，OWT-3，OWT-4，OWT-5。

                   3.1.2 破乳剂种类及用量

                  优选室内配制 HTAFLOW 完井液，加入原油后使用乳化剪切机搅拌，得到含油量为 71.3 mg/L 的模拟含油 HTAFLOW 完井液废液。向模拟废液中加入不同种类、不同浓度破乳剂后静置 4 h 破乳，实验结果如图 1 所示。可以看出，在相同浓度加量下，加入破乳剂 OWT-2 静置 4 h 后，模拟废液含油量最低。此外，在加量为 300 mg/L 时，含油量降低率基本达到极限，达到 90 %以上，继续增加破乳剂浓度对含油量降低效果不明显。因此，破乳剂选择 OWT-2，推荐使用浓度为 300 mg/L。

               3.2 絮凝剂优选

               3.2.1 絮凝剂种类

                优选HTAFLOW完井液废液中的固体悬浮物主要是粘土颗粒，其表面带负电，由表 1 可知 HTAFLOW 完井液废液 ξ 电位的绝对值较低，说明其固体悬浮物稳定性较差。因此，选择常见的阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)和阴离子聚丙烯酰胺(HPAM)两种聚合物作为备选絮凝剂。

                 实验室内配制HTAFLOW完井液并加入膨润土(质量浓度2 %)，搅拌均匀后加入两种絮凝剂(50 mg/L)离心，取上清液测试浊度。实验结果如图 2 所示，采用 HPAM 处理后的模拟废液浊度值较小，更清澈。分析认为，由于完井液中采用阳离子胺类物质作为抑制剂，阳离子吸附在粘土矿物上导致粘土颗粒表面电性发生了变化，此时，若继续使用阳离子的处理剂(CPAM)絮凝，由于悬浮物表面吸附阳离子的排斥作用，使得CPAM 的作用无法发挥，相反的，使用阴离子处理剂 HPAM时，可以与粘土颗粒表面上包裹的阳离子胺类物质有很好的结合作用，因此使用 HPAM 的处理效果要优于 CPAM。

                3.2.2 絮凝剂使用浓度

                优选为了考察絮凝剂的最佳用量，实验室内配制 HTAFLOW 完井液并加入膨润土(质量浓度 2 %)，搅拌均匀后加入不同浓度的 HPAM，搅拌后静置 60 min 取上清液，测试样品浊度，结果如图 3 所示。可以看出，随着絮凝剂用量的增加，模拟废液絮凝后上清液 NTU 值逐渐减小，当絮凝剂加量大于 120 mg/L时，NTU 值下降趋势放缓，因此，HPAM 的最佳使用浓度为120 mg/L。

               3.3 HTAFLOW 完井液废液处理工艺优选

                为了考察不同处理工艺对完井液废液处理效果的影响，实验配制了模拟 HTAFLOW 完井液废液(表 2)，并使用不同的工艺流程对其进行处理，通过测试处理后的回用水指标，探讨不同工艺流程对处理效果的影响。

结合“SY/T 5329-2012 碎屑岩油藏注水水质推荐指标及分析方法”和“Q/HS 2014.1-2004 完井液性能指标-第 1 部分：无固相水基完井液中对完井液”中的规定，拟定如表 3 所示指标对完井液废液处理工艺的总体效果进行评价。

                  3.3.1 斜板絮凝—气浮撇油—过滤

                 “斜板絮凝—气浮撇油—过滤”工艺流程：(1)向模拟废液中加入 HPAM 至浓度为 120 mg/L，搅拌均匀；(2)将搅拌均匀的废液导入斜板沉降模块进行絮凝；(3)沉降后的上层液体导入气浮模块并加入破乳剂 OWT-2 至 300 mg/L 进行气浮处理；(4)将气浮处理后的清液导入过滤模块过滤。处理后的水样如图 4 所示。可以看出，在絮凝剂的作用下，经过斜板沉降后，大部分固相悬浮物(膨润土)和原油已经被除去，水样显著清澈，但仍有明显的原油残留；加入破乳剂并气浮处理后，水样中已无肉眼可见原油和固相颗粒；最后经过滤后，水样清澈。

                 3.3.2 气浮撇油—斜板絮凝—过滤

                “气浮撇油—斜板絮凝—过滤”工艺流程：(1)向模拟废液中加入破乳剂 OWT-2 至浓度为 300 mg/L，搅拌均匀；(2)将搅拌均匀的废液导入气浮模块进行气浮撇油；(3)将气浮处理后的上层液体导入斜板沉降模块并添加 HPAM 至 120 mg/L，进行絮凝沉降；(4)将絮凝沉降后的上层液体导入过滤模块过滤。

                  处理后的水样如图 5 所示。可以看出，采用先气浮的再沉降的流程时，虽然最终也可以得到相对清澈的回用水样，但除油、除固相的效果明显差于先沉降后气浮。这是由于，气浮作用仅对粒径较小的固相悬浮物和油滴作用明显，对废液直接进行气浮处理时，无法有效除去废液中的大粒径固相悬浮物(如 图 5b)。此外，由于大量固相悬浮物的影响，破乳剂的作用效果显著降低，大粒径的固相悬浮物也会吸附部分原油残留下来，絮凝后水样浑浊(如图 5c)。经过过滤后虽然水样清澈，但仍可以看到水面有残留原油漂浮(如图 5d)。因此，处理过程应先絮凝沉降，再破乳气浮。

                 3.3.3 电絮凝—气浮撇油—过滤

“电絮凝—气浮撇油—过滤”工艺流程：(1)向模拟废液中加入 HPAM 至浓度为 120 mg/L，搅拌均匀；(2)将搅拌均匀的废液导入电沉降模块进行沉降；(3)沉降后的上层液体导入气浮模块并加入破乳剂 OWT-2 至 300 mg/L 进行气浮处理；(4)将气浮处理后的清液导入过滤模块过滤。

                   3.3.4 处理流程效果评价

                   根据表 3 指标测试三种流程处理后清液指标如表 4 所示。
 

                   可以看出“气浮撇油—斜板絮凝—过滤”流程处理的回用水含油量、悬浮物含量、粒径中值、NTU 值均不达标，另外两种处理方法处理后水样各项指标符合表 3 标准。因此，在处理HTAFLOW 完井液废液过程中，应先进行絮凝以除去大部分固相悬浮物，之后再进行气浮撇油。此外，使用电絮凝处理的效果优于斜板絮凝，这是由于电絮凝产生的高活性絮凝剂可协同 HPAM 将废液中的悬浮颗粒聚结为大絮体，便于除去；同时电絮凝产生的微小氢气泡还有气浮作用，可将油珠和微小颗粒吸附上浮于液面，有效去除油和悬浮物颗粒[6]。

                 3.4 HTAFLOW 完井液废液处理回用效果研究

                 将“电絮凝—气浮撇油—过滤”与“斜板絮凝—气浮撇油—过滤”两种方法处理后的水样与模拟海水按照 1∶1 混配，按照表 1 推荐加量底限配制 HTAFLOW 完井液。测试回用水配制的完井液性能与“Q /HS 2014.1-2004 完井液性能指标-第1 部分：无固相水基完井液中对完井液”中的主要指标要求对比，结果如表 5 所示。可以看出，两种方法处理后的水样与模拟海水 1∶1 混配后，均可直接用来配制新的 HTAFLOW 完井液，各项指标符合标准要求。

               4 结论

               (1)自制破乳剂 OWT-2 对 HTAFLOW 完井液废液的破乳效果良好，推荐加量为 300 mg/L；

               (2)HPAM 可有效加速 HTAFLOW 完井液废液絮凝，推荐加量 120 mg/L；

               (3)对 HTAFLOW 完井液废液的处理应遵循先絮凝除固相悬浮物，再破乳、气浮处理原油的顺序；

               (4)使用“电絮凝—气浮撇油—过滤”与“斜板絮凝—气浮撇油—过滤”两种方法处理后的水样与模拟海水 1∶1 混配后，可直接用于配制 HTAFLOW 完井液，各项指标符合标准要求。

              原标题：完井液废液处理回用技术研究

              原作者：王超群