浅析钻井废液固液分离技术应用_黄虎.pdf

浅析钻井废液固液分离技术应用黄虎(安徽省核工业勘查技术总院 地质勘探院 芜湖市 2 4 1 0 0 0)作者简介黄虎(1 9 8 8年),男(汉族),安徽省宁国人,工程师,现从事探矿施工与技术管理工作。摘 要 对地质钻探工作方面的固液分离技术进行探讨,以“新建川藏铁路昌都至林芝段深孔勘探项目”为支撑,充分分析固液分离设备技术的实验数据,固液分离技术设备特点,总结流程和操作步骤。探索钻井废液固液分离技术减少对坏境造成的伤害和降低治理环境的成本,更好地满足绿色勘查的要求方面的做法,以期在类似环境条件地区具有推广应用价值。关键词 钻井废液;西藏高原地区;绿色地质勘查;应用 1.冲洗液的特性冲洗液又称为钻井液,分为水基钻井液和油基钻井液两类,是指在地质钻探中,为了提高钻井效率和降低孔内事故率,在水中加一些化学添加剂,如多种护壁剂、润滑剂、高分子化合物等组成新的混合液。冲洗液在钻探过程中起到了至关重要的作用,其具体作用如下:携带孔内悬浮岩屑、稳定孔壁和平衡地层压力、冷却和润滑钻头钻具、传递水动力、获取钻孔 内信息等。冲洗液经过多次循环之后,混合了孔内的土、砂、岩粉、污水、污油,已经不能满足钻井的要求,变成废弃冲洗液。按照勘查目的不同,可以分为多金属矿勘查、油气勘查、页岩气勘查、煤矿勘查、铁路隧道勘查五种勘查类型废弃冲洗液,分别对这五种类型的废弃冲洗液进行试验检测分析,其基本性能如表1.表1废弃冲洗液基本性能钻孔编号冲洗液类型胶体率密度/(gc m-3)固相含量/%表观粘度/(m P as)油气勘查新乌地2井钾基聚合物泥浆类型9 61.0 81 2.3 92 8.0川藏铁路察雅4号磺化泥浆类型9 71.1 01 4.6 73 6.0淮南煤矿检测孔普通低固相泥浆类型9 51.0 91 6.2 31 7.0页岩气调查湘桃地3井聚磺泥浆类型9 71.1 21 7.2 21 2.5宣城魏墩多金属矿勘查聚丙烯酰胺泥浆类型9 61.0 91 5.4 21 4.0 表1中几种类型废弃冲洗液主要由钙盐处理泥浆、聚合物泥浆和磺化泥浆三大体系组成,都是含大量水基的胶体状的混合稳定液体,将各种废弃冲洗液的样本送至指定的专业实验室进行检测,依据 国家污水综合排放标准(G B 8 9 7 8-1 9 9 6)和 危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别(G B 5 0 8 5.3-2 0 0 7)标准,测出废弃冲洗液中含有大量的污染物,而且是远高于标准值,其中污染物大致分为有机物污染、重金属污染和碱性污染三类:1.1有机物污染:由于在冲洗液中加入了过量的聚丙烯酰胺、聚丙烯腈铵盐、纤维素钠和磺化沥青等其他有机物,使得废弃冲洗液中的C O D、B O D 5值远远大于标准值,严重危害地表水及周围环境,某些物质难以降解,有的在降解过程中又会产生新的毒素,通过食物链的转移,最终对人类身体健康造成危害;1.2重金属污染:这是废弃冲洗液中最严重的污染,在实验出来的结果中(如表2),废液中含有大量的重金属离子(如P b、C r、C d、H g、A s),其来源于加入冲洗液的各种添加剂和地层中本身富含的重金属离子,若不妥善处理,经过积累就会严重污染地表土壤和地下水,影响动植物生长和人类身体健康;表2 废弃冲洗液主要污染成分及检测结果m g/L钻孔编号颜色形态P H值C rP bH gA sC O DB O D 5石油类悬浮物油气勘查新乌地2井黑褐色液体9.30.22.3 93 3.6 41 8 8.2 82 0 9 9 0.56 2 7 0.4 41.29 6 9 3川藏铁路察雅4号黑色液体9.54.0 23.1 76 6.2 62 7 8.71 8 0 6 06 0 6 0.4 40.84 5 0 5 0淮南煤矿检测孔褐色液体9.50.2 40.5 22 3.2 22 0 3.67 5 7 02 0 6.4 4未测出2 5 0 1 2页岩气调查湘桃地3井灰黑色液体9.51 9.11 9.2 95 8.62 5 5.31 5 0 5 01 6 2 4.3 51.33 7 5 4 0西藏伯舒拉岭2 8-1孔灰黑色液体8.64.2 53.47 02 6 21 7 1 0 66 2 6 3.3 50.94 4 5 0 9国家污水排放标准G B 8 9 7 8-1 9 9 66 91.515 05 0 01 5 06 01 02 0 0 1.3碱性污染:有些地层相当复杂,为了保持钻孔内壁完整,降低孔内事故率,会选择膨润土水溶液作为冲洗液,为了提高冲洗液的浓度,向其加入大量高纯度片状的N a OH(烧碱),此物质属于强碱,具有高腐蚀881DOI:10.16631/15-1331/p.2022.06.004性,若不经过化学处理直接排放,会破坏土壤的酸碱平衡,使土壤硬化,影响植物生长。2.常用的处理方法目前国内常见且效果比较好的处理废弃冲洗液的方法有:循环使用法、原地填埋法、固化法、固液分离法。下面就对这几种方法做简单的介绍:2.1循环使用法:钻孔在施工的过程中,经过多循环的冲洗液带出孔内的土、砂和岩粉后的冲洗液已经不能满足钻孔要求(包括孔内的冲洗液中也含有大量岩粉),此时需在一个备用泥浆池中配比新的冲洗液,通过BW 2 5 0水泵高压管立轴钻杆泵入孔底,置换孔内老冲洗液,全部置换出来的老冲洗液在泥浆池和沉淀池中进行一定时间的沉淀,即简单的固液分离,将分离出来的液体全部泵入备用泥浆池中储存,以便下次制作新冲洗液时备用,最后将剩在泥浆池和沉淀池中岩粉和砂全部捞出至暂时集中存放岩粉和砂的坑中,待终孔后统一处理。优点就是不仅大大减少了废弃冲洗液的排放量,保护了环境,更重要的是节约了水资源,尤其是在水资源严重缺乏的西藏高海拔地区,大大降低用水的成本。2.2原地填埋法:适用于普通淡水废弃冲洗液,当钻孔结束后,所产生的土、砂和岩粉量不是很大且其中有毒物质的指标低于国家污水排放标准时,就地埋填到一开始挖的泥浆池和沉淀池中,再盖上表层泥土,还原成最初模样,优点就是简单方便,既省时省工又不影响农作物种植。2.3固化法:是指在钻孔完成后,将整个孔的岩粉、砂和废弃冲洗液集中在一起加入固化剂,常用的固化剂主要为粉煤灰和C 4 5的水泥,按照一定的比例均匀搅拌,最后凝结成强度非常坚硬的水泥块体,且块体表面光滑,紧密,达到就地填埋或者作为建筑材料使用。优点就是将废弃冲洗液中的固相、重金属、高分子聚合物牢牢地封锁起来,大大降低了对环境的污染和破坏,能在较短的时间内实现还耕,降低了成本,提高了效率,目前国内应用的比较广泛。2.4固液分离技术的步骤2.4.1破胶工艺;废弃冲洗液是一种多项稳定胶体悬浮体系,悬浮的颗粒粒径相当的小且轻,特别是绳索取芯工艺金刚石钻头钻进中出的岩粉颗粒更细、更轻,粒径 1 0 u m的颗粒物体积占7 8%,更容易悬浮在液体中,难以沉淀,因此在废弃冲洗液中加化学试剂,破坏液体中的胶状物质的分子结构,目的就是释放胶状物质的胶体颗粒和自由水。2.4.2絮凝工艺:往破乳后的废弃冲洗液再加入絮凝剂,目前效果最好的絮凝剂是聚合氯化铁,优点是絮凝时间短、絮体稳定、集结性能好,经过搅拌和沉淀后,成为水相和含水量小于4 0%的固相。2.4.3分离工艺:最后将这些半成品再经过高速离心机的离心作用后,使固相颗粒沉淀形成废渣,再经过固化处理,达到标准要求就可以原地填埋或者作为建筑材料使用,而分离出来的液体回收放入储存罐,作为新的冲洗液。固液分离技术比较其他几种方法优点是最大程度节约水资源、最大程度减少污染。3.选择最优的废弃冲洗液无害化处理方法在考察西藏昌都地区众多的钻孔历史资料,然后参照全国地质绳索取芯施工工艺,再考虑西藏高原地区的气候条件、工作环境、施工难度和项目成本控制等方面综合研究,一致认为采用清洁器和离心机的固控设备,达到降低废弃冲洗液中的固相含量,性能可靠、设计紧凑、占用空间小,从而达到降低废浆的排放量,节约了水资源,更加符合绿色地质勘查的要求。3.1主要设备的功能清洁器和离心机的设计不仅要节省空间、便于拆装和运输,而且还要满足不同深度的地质钻孔施工工艺的要求,设计参数要求可清除1 5m及以上的固相颗粒,使含沙量小于1%,精准控制冲洗液固相含量,大大地减少钻头和钻杆在钻进过程中的阻力,降低孔内事故率,提高冲洗液的使用寿命,降低了成本。采用的主要设备有以下几种:离心机、冲洗液清洁器、离心机供液泵、清洁器供液泵等。3.2设备的操作流程处理过程为:冲洗液从井口流出循环槽沉淀池泵入振动筛储存罐泵入离心机泥浆池泥浆泵返回孔内。4.实际应用及效果这套冲洗液固控系统在西藏昌都市洛隆县地区第2 8条线隧道勘察孔(设计孔深1 1 0 5m)中的实际应用实验。该地区处于平均海拔为3 7 0 0m的高原,光照充足,空气稀薄,气温偏低,具有日照长、降水分布不均匀、旱季雨季分明、冬季漫长寒冷,属藏东南高原温带半干旱季风性气候及昼夜温差大,年平均气温5.5,气象记录极端最高气温3 0.6,极端最低气温-2 2.1,季节性冻土期为每年1 0月上旬,季节性解冻时间为每年4月上旬,施工环境相当恶劣!施工该试验孔的钻机型号为X Y-6 A型,采用绳索取芯钻井技术,开孔孔径 1 5 0 mm,历经3个半月顺利终孔,深度为1 1 0 5m,终孔孔径 8 9 mm。4.1固控前后的冲洗液的技术参数通过表3可以看出冲洗液在经过固控设备分离前后的数据,发生了很大的变化,尤其是冲洗液中的含沙量和钻杆内壁的泥皮厚度两项指标最为重要,因为绳索取芯类的钻孔施工时,都是高速运转的,如果钻孔内壁和钻杆外壁之间冲洗液中的岩粉和沙含量太多,会有以下危害:一是容易断杆及找不到断杆事故头。因为钻杆外壁和钻孔内壁之间的岩粉和砂含量太多,会大大增加钻杆在高速运转时的阻力,在力度不平衡时,就会发生断杆的情况,若孔内地层复杂再加上含沙量和岩粉较多,那么会在处理断杆事故不够及时时,大量的砂和岩粉迅速沉淀在断杆的地方,使钻杆锥找不到981 勘查技术事故头,导致会出现更严重的是废孔或移孔重新开钻;二是钻杆始终处于高速运转中,钻杆内的冲洗液在离心作用下使冲洗液中的砂和岩粉被甩且附着在钻杆内壁上,而且每粒岩粉都紧密附着在钻杆内壁上,形成一个泥皮内圈,具有一定的强度,时间越长强度越大。由于泥皮圈的形成使钻杆、钻具内径缩小,加大了冲洗液循环的阻力,会使泵压增大,此时就不能正常钻进了,冲洗液不能正常循环时,冲洗液中岩粉会在内管总成上方(捞矛头位置)迅速沉积,有可能将捞矛头完全埋住,泵压就会急剧上升超过其正常范围值,只能被迫起钻取芯,用打捞器去打捞内管时,内管可能因为岩粉沉积在钻具里无法捞起或在捞起的途中因为钻杆内壁的泥皮圈较厚、较硬被卡住在半路,若此时操作不当,拉断钢丝绳就会不得不起大钻,造成费时费力还增加了成本。所以这个设备可以很好地解决绳索取芯在高速钻井时产生泥皮的重要问题。表3固控前后参数对比项目净化前净化后样品1234平均量1234平均量变化量粘度/s4 95 44 84 95 02 83 02 62 72 7.7 52 2.2 5密度gc m-31.1 41.1 71.1 31.1 61.1 51.0 51.0 51.0 31.0 31.0 40.1 1含沙量/%4.64.84.74.74.70.4 50.5 50.4 80.4 80.4 94.2 1泥皮厚度/mm1.71.81.61.71.70.5 50.6 50.4 50.4 50.5 2 51.1 7 5P H值9.29.499.69.39.29.499.69.304.2减少材料的损耗,降低了成本因该钻孔使用了固控设备与同条线邻近两个未使用固控设备的钻孔相比,不仅在泥浆材料消耗上节约了成本,而且在钻杆、钻具、钻头和内管总成等材料消耗的数量也明显较低,说明使用固控设备的能节约可观的材料损耗,降低材料成本(表4)。表4材料名称型号单价试验孔2 8-1普通孔2 8-2普通孔2 8-3消耗量合计消耗量合计消耗量合计金刚石钻头 1 1 05 5 015 5 021 1 0 021 1 0 0 9 54 5 062 7 0 01 04 5