隨著石油工業(yè)的快速發(fā)展，鉆井液的種類不斷增加，添加劑日益增多，使其組成極為復(fù)雜，其中有些成分對人身和環(huán)境均具有毒害作用。渤海作為特殊的海域，隨著環(huán)保形勢的日益嚴(yán)峻，未來三年將逐步落實(shí)零排放政策，嚴(yán)格執(zhí)行陸地關(guān)于三廢國家標(biāo)準(zhǔn)及地方標(biāo)準(zhǔn)，因此，現(xiàn)場產(chǎn)生的鉆井液廢液必須通過船只運(yùn)送至陸上進(jìn)行處理，大量鉆井液廢液的運(yùn)輸成本極高，減量化處理將是海上鉆井液廢液處理的發(fā)展趨勢，亟需解決海水鉆井液廢液固液分離及再利用難題。本文對海水基鉆井液廢液進(jìn)行固液分離，并分析了其固液分離機(jī)理，通過對海水鉆井液廢液水相進(jìn)行再回收利用，大幅減少鉆井廢棄物回收量，有效降低鉆井液廢棄物回收成本，滿足環(huán)保要求和生產(chǎn)作業(yè)需求。

　　1、實(shí)驗(yàn)材料及儀器

　　混凝劑PF-PCF，室內(nèi)自制，陽離子雙子型聚丙烯酰胺(分子量300萬，陽離子度15%);混凝劑聚合氯化鋁鐵、氯化鐵、聚合氯化鋁;部分水解聚丙烯酰胺、黃原膠、海水、NaOH、NaOH、NaCl、KCl、重晶石等。

　　離心機(jī)、攪拌器、分析天平、pH計(jì)、Materials Studio2017R2 軟件。

　　2、結(jié)果與討論

　　2.1 海水鉆井液廢液的配制

　　渤海油田應(yīng)用的KCl/PHPA海水鉆井液體系，其基本配比見表1。

　　由表1可見，KCl/PHPA海水鉆井液體系中主要處理劑為部分水解聚丙烯酰胺、低黏聚陰離子纖維素、黃原膠、淀粉和膨潤土，部分水解聚丙烯酰胺是一種陰離子型聚合物，黃原膠、淀粉是一種非離子型聚合物，對于上述海水鉆井液體系的絮凝，選用室內(nèi)合成的混凝劑PF-PCF與其它三種混凝劑聚合氯化鋁鐵、氯化鐵、聚合氯化鋁進(jìn)行對比。

　　2.2 不同混凝劑的絮凝效果

　　取四只燒杯，各取60mL模擬海水鉆井液，加入相同濃度、不同類型的混凝劑進(jìn)行絮凝分離，混凝劑的種類為PF-PCF、聚合氯化鋁鐵、氯化鐵、聚合氯化鋁4種，基本配方為：60mL模擬海水鉆井液+4mL濃度為100000mg/L的混凝劑溶液，模擬海水鉆井液廢液中加入混凝劑后，攪勻，體系中混凝劑的濃度為6250mg/L。將四組實(shí)驗(yàn)離心，如圖1所示。

　　由圖1可見，當(dāng)混凝劑濃度相同時(shí)，PF-PCF可以實(shí)現(xiàn)模擬海水鉆井液廢液固液完全分離，在同等濃度下其余三種混凝劑的絮凝效果并不理想。取出離心得到的上清液(見圖2)，分別測定上清液的體積、pH值，計(jì)算脫水率，結(jié)果見表2。脫水率=(上清液體積-加入溶液體積)/處理的鉆井液廢液體積。

　　由表2可見，直接用混凝劑進(jìn)行絮凝的模擬海水鉆井液廢液，PF-PCF在濃度為6250mg/L有良好的絮凝分離效果，在同等濃度下，其余混凝劑可以絮凝沉降鉆井液廢液中的部分固體，但并不能使固液完全分離。

　　2.3 混凝劑PF-PCF使用濃度的測定

　　取4只燒杯，各取60mL模擬海水鉆井液廢液，分別加入相同體積、不同濃度的PF-PCF溶液，具體配方如下：

　　60mL鉆井液廢液+4mL濃度分別為60000、80000、100000、120000mg/L的PF-PCF溶液，攪勻。

　　此時(shí)體系1-4號中混凝劑PF-PCF的濃度分別為3750、5000、6250、7500mg/L。將四組實(shí)驗(yàn)離心，如圖3所示。

　　由圖3可見，當(dāng)PF-PCF的濃度達(dá)到6250mg/L時(shí)，才能取得較好的絮凝效果。隨著濃度升高，絮凝分離得到的上清液更加清澈。取出離心得到的上清液，測定各項(xiàng)數(shù)據(jù)，如表3所示。

　　由表3可見，當(dāng)體系中PF-PCF濃度達(dá)到6250mg/L時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)固液分離，且隨著濃度升高，固液分離的脫水率也有一定程度的升高。選擇使用PF-PCF濃度為7500mg/L，絮凝分離后上清液的pH=6.94，脫水率為55.7%，脫出水較清。

　　2.4 海水鉆井液廢液脫穩(wěn)機(jī)理

　　模擬使用Materials Studio2017R2 軟件，通過GeometryOptimization工具對部分水解聚丙烯酰胺單分子模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選擇Compass(Version2.8)力場，靜電作用和范德華作用分別采用Ewald和Atom-based求和方法，使用SmartMinimization算法使分子達(dá)到能量最小化模型。部分水解聚丙烯酰胺單分子模型如圖4所示。

　　采用Forcite模塊中的Dynamics工具對優(yōu)化好的圖層進(jìn)行計(jì)算，選擇Ensemble為NVT(正則系綜)，Temperature：278K，TimeStep：1fs，TotalSimulationTime：500ps，NumberofSteps：5000，在Compass力場下進(jìn)行分子動力學(xué)模擬，對每個(gè)模型重復(fù)多次計(jì)算，使每組數(shù)據(jù)的偏差在5%之內(nèi)。

　　2個(gè)部分水解聚丙烯酰胺分子與100個(gè)水分子進(jìn)行結(jié)合，其構(gòu)象模型如圖5所示。

　　使用Materials Studio2017R2 軟件對上述分子構(gòu)象中的能量進(jìn)行模擬，數(shù)據(jù)如表4所示。

　　兩個(gè)部分水解聚丙烯酰胺分子、一個(gè)混凝劑分子與水分子以2∶1∶100構(gòu)建模型如圖6所示。

　　使用Materials Studio2017R2 軟件對上述分子構(gòu)象中的能量進(jìn)行模擬，數(shù)據(jù)如表5所示。

　　對比表4、表5中能量的變化，在加入混凝劑前，部分水解聚丙烯酰胺與水分子體系的總能量為-937.733kcal/mol，加入混凝劑后，此混合體系的總能量為-390.518kcal/mol，體系中能量的絕對值下降了547.215kcal/mol，下降率為58.4%。體系能量的下降導(dǎo)致兩個(gè)部分水解聚丙烯酰胺分子相互靠近時(shí)，排斥能減小，體系不穩(wěn)定，發(fā)生絮凝。同樣可知，當(dāng)部分水解聚丙烯酰胺吸附混凝劑時(shí)，由于部分水解聚丙烯酰胺帶負(fù)電荷，而混凝劑帶正電荷，當(dāng)二者吸附后，部分正電荷與負(fù)電荷發(fā)生電性中和，使部分水解聚丙烯酰胺的負(fù)電荷減少，ξ電位降低，導(dǎo)致兩個(gè)部分水解聚丙烯酰胺分子之間的斥力減小。

　　綜合兩個(gè)部分水解聚丙烯酰胺分子間能量與ξ電位的變化，都呈現(xiàn)出降低的趨勢，因此兩個(gè)部分水解聚丙烯酰胺分子相互靠近，易于聚集，海水鉆井液廢液的穩(wěn)定性下降，產(chǎn)生絮凝。

　　3、結(jié)論

　　(1)通過對比實(shí)驗(yàn)，對于海水鉆井液廢液，優(yōu)選的混凝劑為PF-PCF，濃度為7500mg/L，絮凝分離后上清液的pH=6.94，脫水率為55.7%，脫出水較清。

　　(2)Materials Studio2017R2 軟件，分析了加入混凝劑前后，海水鉆井液廢液體系的能量絕對值由937.733kcal/mol，降至390.518kcal/mol，下降率為58.4%，有利于海水鉆井液廢液的固液分離。(來源：中海油田服務(wù)股份有限公司，東北石油大學(xué))