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海水钻井液废液处理技术

2022/5/9 9:58:23 / 作者:污水处理设备公司厂家 / 来源:山艺环保

随着石油工业的快速发展,钻井液的种类不断增加,添加剂日益增多,使其组成极为复杂,其中有些成分对人身和环境均具有毒害作用。渤海作为特殊的海域,随着环保形势的日益严峻,未来三年将逐步落实零排放政策,严格执行陆地关于三废国家标准及地方标准,因此,现场产生的钻井液废液必须通过船只运送至陆上进行处理,大量钻井液废液的运输成本极高,减量化处理将是海上钻井液废液处理的发展趋势,极需解决海水钻井液废液固液分离及再利用难题。本文对海水基钻井液废液进行固液分离,并分析了其固液分离机理,通过对海水钻井液废液水相进行再回收利用,大幅减少钻井废弃物回收量,有效降低钻井液废弃物回收成本,满足环保要求和生产作业需求。

  1、实验材料及仪器

  混凝剂PF-PCF,室内自制,阳离子双子型聚丙烯酰胺(分子量300万,阳离子度15%);混凝剂聚合氯化铝铁、氯化铁、聚合氯化铝;部分水解聚丙烯酰胺、黄原胶、海水、NaOH、NaOH、NaCl、KCl、重晶石等。

  离心机、搅拌器、分析天平、pH计、Materials Studio2017R2 软件。

  2、结果与讨论

  2.1 海水钻井液废液的配制

  渤海油田应用的KCl/PHPA海水钻井液体系,其基本配比见表1。

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  由表1可见,KCl/PHPA海水钻井液体系中主要处理剂为部分水解聚丙烯酰胺、低黏聚阴离子纤维素、黄原胶、淀粉和膨润土,部分水解聚丙烯酰胺是一种阴离子型聚合物,黄原胶、淀粉是一种非离子型聚合物,对于上述海水钻井液体系的絮凝,选用室内合成的混凝剂PF-PCF与其它三种混凝剂聚合氯化铝铁、氯化铁、聚合氯化铝进行对比。

  2.2 不同混凝剂的絮凝效果

  取四只烧杯,各取60mL模拟海水钻井液,加入相同浓度、不同类型的混凝剂进行絮凝分离,混凝剂的种类为PF-PCF、聚合氯化铝铁、氯化铁、聚合氯化铝4种,基本配方为:60mL模拟海水钻井液+4mL浓度为100000mg/L的混凝剂溶液,模拟海水钻井液废液中加入混凝剂后,搅匀,体系中混凝剂的浓度为6250mg/L。将四组实验离心,如图1所示。

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  由图1可见,当混凝剂浓度相同时,PF-PCF可以实现模拟海水钻井液废液固液完全分离,在同等浓度下其余三种混凝剂的絮凝效果并不理想。取出离心得到的上清液(见图2),分别测定上清液的体积、pH值,计算脱水率,结果见表2。脱水率=(上清液体积-加入溶液体积)/处理的钻井液废液体积。

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  由表2可见,直接用混凝剂进行絮凝的模拟海水钻井液废液,PF-PCF在浓度为6250mg/L有良好的絮凝分离效果,在同等浓度下,其余混凝剂可以絮凝沉降钻井液废液中的部分固体,但并不能使固液完全分离。

  2.3 混凝剂PF-PCF使用浓度的测定

  取4只烧杯,各取60mL模拟海水钻井液废液,分别加入相同体积、不同浓度的PF-PCF溶液,具体配方如下:

  60mL钻井液废液+4mL浓度分别为60000、80000、100000、120000mg/L的PF-PCF溶液,搅匀。

  此时体系1-4号中混凝剂PF-PCF的浓度分别为3750、5000、6250、7500mg/L。将四组实验离心,如图3所示。

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  由图3可见,当PF-PCF的浓度达到6250mg/L时,才能取得较好的絮凝效果。随着浓度升高,絮凝分离得到的上清液更加清澈。取出离心得到的上清液,测定各项数据,如表3所示。

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  由表3可见,当体系中PF-PCF浓度达到6250mg/L时,就可以实现固液分离,且随着浓度升高,固液分离的脱水率也有一定程度的升高。选择使用PF-PCF浓度为7500mg/L,絮凝分离后上清液的pH=6.94,脱水率为55.7%,脱出水较清。

  2.4 海水钻井液废液脱稳机理

  模拟使用Materials Studio2017R2 软件,通过GeometryOptimization工具对部分水解聚丙烯酰胺单分子模型进行结构优化,选择Compass(Version2.8)力场,静电作用和范德华作用分别采用Ewald和Atom-based求和方法,使用SmartMinimization算法使分子达到能量最小化模型。部分水解聚丙烯酰胺单分子模型如图4所示。

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  采用Forcite模块中的Dynamics工具对优化好的图层进行计算,选择Ensemble为NVT(正则系综),Temperature:278K,TimeStep:1fs,TotalSimulationTime:500ps,NumberofSteps:5000,在Compass力场下进行分子动力学模拟,对每个模型重复多次计算,使每组数据的偏差在5%之内。

  2个部分水解聚丙烯酰胺分子与100个水分子进行结合,其构象模型如图5所示。

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  使用Materials Studio2017R2 软件对上述分子构象中的能量进行模拟,数据如表4所示。

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  两个部分水解聚丙烯酰胺分子、一个混凝剂分子与水分子以2∶1∶100构建模型如图6所示。

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  使用Materials Studio2017R2 软件对上述分子构象中的能量进行模拟,数据如表5所示。

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  对比表4、表5中能量的变化,在加入混凝剂前,部分水解聚丙烯酰胺与水分子体系的总能量为-937.733kcal/mol,加入混凝剂后,此混合体系的总能量为-390.518kcal/mol,体系中能量的绝对值下降了547.215kcal/mol,下降率为58.4%。体系能量的下降导致两个部分水解聚丙烯酰胺分子相互靠近时,排斥能减小,体系不稳定,发生絮凝。同样可知,当部分水解聚丙烯酰胺吸附混凝剂时,由于部分水解聚丙烯酰胺带负电荷,而混凝剂带正电荷,当二者吸附后,部分正电荷与负电荷发生电性中和,使部分水解聚丙烯酰胺的负电荷减少,ξ电位降低,导致两个部分水解聚丙烯酰胺分子之间的斥力减小。

  综合两个部分水解聚丙烯酰胺分子间能量与ξ电位的变化,都呈现出降低的趋势,因此两个部分水解聚丙烯酰胺分子相互靠近,易于聚集,海水钻井液废液的稳定性下降,产生絮凝。

  3、结论

  (1)通过对比实验,对于海水钻井液废液,优选的混凝剂为PF-PCF,浓度为7500mg/L,絮凝分离后上清液的pH=6.94,脱水率为55.7%,脱出水较清。

  (2)Materials Studio2017R2 软件,分析了加入混凝剂前后,海水钻井液废液体系的能量绝对值由937.733kcal/mol,降至390.518kcal/mol,下降率为58.4%,有利于海水钻井液废液的固液分离。


 

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