微波處理含油鉆屑實(shí)驗(yàn)研究

馮春宇， 謝 齊， 蔣繼葦， 貴 恒， 沈 聰， 付 江

(1西南石油大學(xué)石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2中國(guó)石油塔里木油田分公司)

鉆井液是鉆探過(guò)程中孔內(nèi)使用的循環(huán)沖洗介質(zhì)，是石油和天然氣鉆井過(guò)程中的必需物質(zhì)。依據(jù)基液和主要添加劑的不同，鉆井液可以分為水基鉆井液、油基鉆井液和復(fù)合基鉆井液。水基鉆井液產(chǎn)生的廢棄物對(duì)環(huán)境有一定程度的影響，而油基和復(fù)合基鉆井液產(chǎn)生的廢棄物中由于其含有大量對(duì)環(huán)境有害的有機(jī)物，若不經(jīng)任何處理直接排放，會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境的土壤和水源造成嚴(yán)重傷害[1]。如今世界各國(guó)對(duì)于環(huán)境保護(hù)越加嚴(yán)格，在廢棄物的排放標(biāo)準(zhǔn)上也有明文規(guī)定[2-5]。而通常情況下，鉆井廢棄物中的含油量遠(yuǎn)高于排放標(biāo)準(zhǔn)，因此油基鉆井液產(chǎn)生的廢棄物必須經(jīng)過(guò)工藝處理，達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)方可排放[6]?，F(xiàn)在廣泛采取的處理方法主要有以下幾種：直接填埋法、坑內(nèi)密封法、回注法、焚燒法、萃取法、生物降解法等[7-8]。這幾種方法均存在明顯缺陷和應(yīng)用的局限性，尋找一種可普遍應(yīng)用并經(jīng)濟(jì)環(huán)保的鉆屑處理方案變得尤為重要。

微波加熱技術(shù)加熱均勻，可選擇性加熱、能耗低，并且不對(duì)環(huán)境造成傷害，在利用微波處理含油鉆屑時(shí)，同時(shí)可以回收鉆屑中的基礎(chǔ)油，回收的基礎(chǔ)油可以重復(fù)利用，因而在近年來(lái)備受人們關(guān)注，國(guó)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行利用微波處理含油鉆屑的研究，2006年英國(guó)諾丁漢大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院H. Shang, C.E. Snape等人針對(duì)北海油田的含油巖屑提出用微波加熱的方式進(jìn)行處理回收的設(shè)想；2008年英國(guó)諾丁漢大學(xué)的J.P.Robinson, S.W.Kingman, O.Onobrakpeya等人設(shè)計(jì)了一套功率為1 kW的單模微波熱蒸餾實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置為間隙工作，他們研究了微波功率、樣品質(zhì)量對(duì)處理效果的影響[9]；2010年，J.P.Robinson，M.S.A.Bradley等人建造一臺(tái)中型的微波處理含油鉆屑系統(tǒng)，著重研究了加熱腔體內(nèi)微波的分布情況[10]；2014年，巴西的Marina Seixas Pereiraa, Curt Max de ávila Panisset等人研究了用微波處理合成基鉆井液的技術(shù)[11]。本文實(shí)驗(yàn)中根據(jù)含油鉆屑的特性，不僅研究微波輻射功率、輻射時(shí)間、鉆屑處理量對(duì)處理效果的影響，而且還研究了鉆屑初始含液率對(duì)處理效果的影響。通過(guò)分析處理量和鉆屑初始含液率對(duì)處理效果的影響，總結(jié)出孔隙度對(duì)處理效果的影響。

一、實(shí)驗(yàn)部分

1. 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

本實(shí)驗(yàn)主要涉及儀器包括：微波發(fā)生器(額定電壓及額定功率220 V-50 HZ、微波輸出功率700 W、微波頻率2 450 MHz)、電子分析天平、非接觸式紅外測(cè)溫儀(測(cè)量溫度范圍-50℃～550℃)、箱式電阻爐(額定功率2.5 kW、額定電壓220 V、額定溫度1 000℃)、氮?dú)馓畛溲b置、冷凝裝置等，實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如圖1所示。

圖1 含油鉆屑微波處理流程圖

本實(shí)驗(yàn)對(duì)含油鉆屑微波處理效果研究指標(biāo)主要為鉆屑的含液率，采用焚燒稱重法測(cè)量含液率。

2. 鉆屑性質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)研究的含油鉆屑來(lái)源于四川省瀘州市某作業(yè)區(qū)。該作業(yè)區(qū)采用油基鉆井液鉆井，其中油基鉆井液的基礎(chǔ)油為白油，95%的鉆屑由一級(jí)振動(dòng)篩產(chǎn)出。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該樣品中含水率為6.7%(質(zhì)量百分比)，含油率為14%(質(zhì)量百分比)，固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為79.3%。

3. 微波處理含油鉆屑實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)研究微波輻射時(shí)間、微波功率、鉆屑處理量和鉆屑初始含液率等因素與含油鉆屑處理效果之間的關(guān)系。在用同一處理設(shè)備的實(shí)驗(yàn)時(shí)，一次實(shí)驗(yàn)只改變某一因素，分別研究各個(gè)因素對(duì)處理效果的影響。由于鉆屑中水和油的含量不能實(shí)時(shí)檢測(cè)，處理過(guò)程中以含液率來(lái)描述處理效果，微波對(duì)水有強(qiáng)烈的加熱作用，處理完后的鉆屑中無(wú)法檢測(cè)到水，其液相只含有油，因此每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)鉆屑的含液率實(shí)際為含油率。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1. 處理過(guò)程中鉆屑的溫度變化

由于鉆屑的處理總是伴隨著溫度的變化，因此實(shí)驗(yàn)首先研究整個(gè)微波熱處理過(guò)程中鉆屑的整體溫度變化，并分析出各溫度變化階段的現(xiàn)象和原因，也可幫助后面研究各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。取60 g鉆屑放于陶瓷敞口容器中，微波功率設(shè)為700 W，每隔1 min記錄一次溫度數(shù)據(jù)，將溫度和時(shí)間關(guān)系繪制成曲線，結(jié)果如圖2所示。

在第1 min內(nèi)鉆屑溫度快速上升，迅速超過(guò)沸點(diǎn)并持續(xù)上升至135℃，這是由于初始鉆屑含水率較高，微波能被水分子充分吸收，因此溫升速率很高。第2 min到第3 min內(nèi)溫度持續(xù)上升，速率較第1 min低很多，逐漸到達(dá)最高值189℃。此階段在鉆屑內(nèi)部產(chǎn)生大量水蒸氣，含液率明顯降低，如圖3，由于鉆屑內(nèi)部存在油包水，以及鉆屑內(nèi)部的微孔導(dǎo)致水蒸汽不能及時(shí)離開(kāi)，微波繼續(xù)對(duì)水蒸汽加熱，就會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，提高了鉆屑的整體溫度，并促進(jìn)了處理效果，此階段油的處理速率最快。之后鉆屑溫度在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)降低，這是由于水分大量蒸發(fā)，鉆屑吸收的微波能不足以維持最高溫度。

圖2 鉆屑溫度隨著處理時(shí)間的變化曲線

2. 微波處理時(shí)間對(duì)含油鉆屑處理效果的影響

取60 g含油鉆屑置于陶瓷敞口容器中，將微波發(fā)生器功率設(shè)定為700 W功率狀態(tài)，然后將盛放含油鉆屑的容器放入微波場(chǎng)中反應(yīng)，每隔1 min，記錄鉆屑的剩余重量Wn，并計(jì)算其含液率，含液率隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。

圖3 微波處理時(shí)間對(duì)鉆屑含液率的影響

鉆屑的含液率在前3 min降低的非常明顯，從20.6%降至13.3%，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的前3 min由于鉆屑初始含液率較高，特別是含水率較高，因此對(duì)于微波能的吸收效果較好，從而導(dǎo)致了鉆屑的溫度上升速率極快，水蒸汽將熱量傳遞給油，油蒸發(fā)后離開(kāi)鉆屑。6～20 min內(nèi)鉆屑含液率降低的非常緩慢，僅僅相當(dāng)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程前3 min的處理量。這是由于前3 min鉆屑內(nèi)的水分大量蒸發(fā)了，鉆屑中沒(méi)有足夠的水參與汽化，因此鉆屑整體溫度逐漸下降，油分子活躍程度下降，導(dǎo)致了處理效率的降低，并浪費(fèi)了大量的電能。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后含液率降低至6.0%，此時(shí)鉆屑中已經(jīng)檢測(cè)不到水分，6.0%為鉆屑的含油率。由此可知盲目的延長(zhǎng)處理時(shí)間并不能很好的提升鉆屑的脫附效果，還會(huì)導(dǎo)致對(duì)能源的浪費(fèi)。因此在微波處理過(guò)程中，最佳的處理時(shí)間是前6 min。

3. 微波功率對(duì)處理效果的影響研究

取600 g鉆屑樣品均勻混合，均分為10份60 g樣品置于相同的容器中，依次編號(hào)，按照編號(hào)依次將樣品放入微波發(fā)生器中進(jìn)行反應(yīng)，將微波發(fā)生器的功率調(diào)為70 W、140 W、210 W、280 W、350 W、420 W、490 W、560 W、630 W、700 W的10個(gè)不同檔位，每隔1 min，記錄鉆屑重量Wn，并計(jì)算其含液率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 微波功率對(duì)處理效果的影響

從圖4可以看出，隨著功率的增加，鉆屑含液率的降低量和降低率明顯提高。在70 W功率下，20 min后鉆屑含液率僅僅下降了0.47%；140 W功率時(shí)下降了6%，而在700 W功率下含液率下降了14%。微波功率越高，鉆屑含液率變化越明顯，脫附速率也越高，達(dá)到脫附速率峰值的時(shí)間越短，脫附效果越好。這是由于微波加熱過(guò)程中升溫速率和電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，微波功率越大，溫升速率越快。在鉆屑溫度超過(guò)水的沸點(diǎn)并繼續(xù)上升至最高溫度的過(guò)程中，水蒸氣攜帶著油蒸汽離開(kāi)鉆屑。微波功率越高，水分汽化量越大，水蒸汽溫升快，更容易達(dá)到較高的溫度，較高溫度下鉆屑處理效果也就較好。

4. 鉆屑處理量對(duì)處理效果的影響研究

將鉆屑均勻混合，分別取10 g、20 g、30 g、40 g、50 g、60 g、70 g、80 g、90 g、100 g依次放入相同反應(yīng)皿中并編號(hào)，按照編號(hào)分別將鉆屑放入微波發(fā)生器中，將功率調(diào)至700 W進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每隔1 min，記錄鉆屑重量Wn，并計(jì)算其含液率，結(jié)果如圖5所示。

圖5 處理量對(duì)處理效果的影響

當(dāng)處理量為10 g時(shí)，鉆屑含液率降低了11.4%，50 g時(shí)降低了13.5%，100 g時(shí)降低了12.9%，然而30 g的樣品含液率從19.0%降到了5.2%，降低了13.8%。由此可分析出，當(dāng)鉆屑處理量過(guò)少時(shí)，首先鉆屑內(nèi)的水分不足，不能產(chǎn)生足夠水蒸汽，其次鉆屑厚度小，在鉆屑的內(nèi)部孔隙過(guò)短，水蒸汽停留時(shí)間過(guò)短，不能繼續(xù)加熱成為過(guò)熱蒸汽，無(wú)法將油汽化，所以處理效果不佳。而鉆屑過(guò)多時(shí)，甚至超過(guò)了微波的可穿透范圍，微波無(wú)法直達(dá)鉆屑內(nèi)部，無(wú)法對(duì)鉆屑進(jìn)行整體加熱，反而影響了含油鉆屑的處理效果。由此可以確定，在微波可穿透范圍內(nèi)，鉆屑處理量越高，對(duì)微波能的利用率越高，最終的處理效果也越好。針對(duì)本套微波處理設(shè)備，處理量為30 g時(shí)，可以達(dá)到上述分析的情況，所以處理效果最好。

5. 鉆屑初始含液率對(duì)含油鉆屑處理效果的影響

本組實(shí)驗(yàn)中將完全干化的鉆屑廢渣作為調(diào)節(jié)鉆屑初始含液率的實(shí)驗(yàn)材料，取足量含油鉆屑均勻攪拌分為5等份分別稱重，根據(jù)重量比(含油鉆屑 ∶干化廢渣5 ∶1、4 ∶1、3 ∶1、2 ∶1、1 ∶1)加入干化廢渣均勻攪拌，加入干化廢渣后，混合鉆屑的含水率及含油率如表1。

表1 混合鉆屑的初始含液率

將五種不同比例的混合鉆屑分別取100 g放于反應(yīng)皿中編號(hào)，記錄總重量，照編號(hào)分別將鉆屑放入微波爐中，將微波發(fā)生器檔位調(diào)至700 W功率檔進(jìn)行熱脫附實(shí)驗(yàn)，每隔1 min，記錄鉆屑重量Wn，并計(jì)算其含液率，結(jié)果如圖6所示。

圖6 初始含液率對(duì)處理效果的影響

從圖6可知，當(dāng)初始含液率為11.3%時(shí)處理效果最好，初始含水率為3.7%，最終含液率為1.7%，分析其原因?yàn)椋恒@屑中不同的初始含液率對(duì)應(yīng)著不同的孔隙度，鉆屑中孔隙度過(guò)小，不利于水蒸汽和油蒸汽排出，鉆屑中孔隙度過(guò)大，無(wú)法在鉆屑內(nèi)部形成細(xì)小的通道，水蒸汽溢出太快，無(wú)法形成過(guò)熱蒸汽，同時(shí)水蒸汽在鉆屑內(nèi)部停留時(shí)間過(guò)短，無(wú)法將油的汽化。通過(guò)對(duì)初始含液率的合理調(diào)整來(lái)改善鉆屑孔隙度，改善處理效果。

三、結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)微波處理含油鉆屑的幾個(gè)因素做重點(diǎn)分析與研究，得出如下結(jié)論：

(1)實(shí)驗(yàn)證明，在微波作用的前3 min，含油鉆屑的溫升最快，而且鉆屑的含液率在此段時(shí)間內(nèi)下降速率最大，6～20 min內(nèi)鉆屑含液率降低的非常緩慢，因此前6 min是微波處理含油鉆屑的關(guān)鍵時(shí)間段。

(2)在微波功率一定的情況下，單次處理的鉆屑量存在一個(gè)最佳值，針對(duì)本套裝置為30 g為最佳值，合適的鉆屑處理量會(huì)產(chǎn)生足夠的水蒸汽，以及水蒸汽在鉆屑內(nèi)部停留的時(shí)間足夠長(zhǎng)，有利于產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽將油汽化并帶出鉆屑。

(3)合理的初始含液率不僅使鉆屑內(nèi)有足夠的水能夠轉(zhuǎn)換為過(guò)熱水蒸氣攜帶走油，而且讓鉆屑具有一定的孔隙度，水蒸汽更容易從鉆屑中溢出，在本文對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，鉆屑含液率為11.3%時(shí)處理效果最好。