一種油基鉆屑清洗劑的配方及其洗油機(jī)理研究

趙寒楓，張?zhí)?，林麗麗，?龍

(西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500)

1 引言

在鉆井過程中，由于生產(chǎn)工藝的需要，往往會(huì)向鉆井液中添加大量的化學(xué)藥劑，如潤濕劑、絮凝劑、潤滑劑、加重材料等[1,2]，由此隨鉆井液帶出的鉆屑含有大量的油及多種有毒有害物質(zhì)[3]，如不經(jīng)妥善處理而直接排放，會(huì)引起嚴(yán)重的環(huán)境污染。主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：鉆屑中的油分進(jìn)入土壤后會(huì)阻礙土壤環(huán)境與空氣之間的交換作用，使得植物無法進(jìn)行呼吸作用，土壤中的動(dòng)物缺少氧氣，破壞了土壤的生態(tài)平衡[4]；重金屬通過土壤進(jìn)入地下水中[5]，再經(jīng)地下水的擴(kuò)散作用進(jìn)入到魚體內(nèi)，最終可能富集到人體身上；大量油基鉆屑的堆積還可能導(dǎo)致當(dāng)?shù)乜偀N濃度超標(biāo)[6]，直接危害當(dāng)?shù)厝罕娚踩?/p>

目前，油基鉆屑處理技術(shù)主要有化學(xué)熱洗法[7]、微生物處理[8]、焚燒法[9]、微波處理[10]、熱解法[6,11]、溶劑萃取法[12]等?；瘜W(xué)熱洗法主要是利用表面活性劑的卷起、乳化等作用將鉆屑上的油分洗脫[7]，具有工藝設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)有效的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生大量廢水；焚燒法將油基鉆屑直接焚燒，這樣處理減量、減容程度高，但由于焚燒反應(yīng)可能產(chǎn)生二噁英等惡臭氣體[9]，帶來了廢氣處理問題；經(jīng)熱解法處理后的油基鉆屑含油率低，但其投資巨大，且同樣會(huì)有污染化境的風(fēng)險(xiǎn)[13]。溶劑萃取法因其簡單高效，且油類資源可回收的特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，但在實(shí)際運(yùn)用過程中，又因?yàn)殚W點(diǎn)、毒性等問題受到限制[14,15]。本研究擬篩選一種高閃點(diǎn)、低毒的清洗配方用于油基鉆屑的處理，通過超聲輔助手段，強(qiáng)化油基鉆屑清洗效果。通過一系列處理，將油基鉆屑的含油率降至2%以下，達(dá)到《SY/T7422-2018》中的油基鉆屑排放標(biāo)準(zhǔn)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

儀器：TG16G離心機(jī)、DHG-914OA烘箱、MP-1002分析天平、OIL2000B紅外測油儀。

試劑：EJB、YSYZ、YSDZ、ZGW、SLYX、YWC、N,N-EJJJXA均為分析純，SLYX(環(huán)保級(jí))，來自成都市科隆化學(xué)品有限公司。

原料：鉆屑取自西南某頁巖氣示范區(qū)。

2.2 分析方法

含水率測定方法參考《GB/T260-2016》；含油率測定方法參考《HJ/1051-2019》；固含量測定方法參考《GB/T508-1985》；清洗劑閃點(diǎn)測定參考《GB/T 261—2008》。

清洗劑沸程測定方法：先測出已知組成的溶液的折射率，做出對應(yīng)的工作曲線，再利用沸點(diǎn)儀測定一系列不同組成溶液的沸點(diǎn)，并利用阿貝折射儀測量其對應(yīng)氣相、液相的折射率，然后在工作曲線上查找對應(yīng)樣品折射率的組成，從而找出該體系組成下的沸點(diǎn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 清洗劑篩選

取10 g鉆屑，固液比為1∶4，清洗時(shí)間為20 min，分別考察了在單獨(dú)攪拌條件下和超聲輔助條件下不同溶劑對油基鉆屑除油效果，清洗結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同條件下的清洗效果

由圖1(a)可知，在單獨(dú)攪拌的清洗條件下，ZGW、YSDZ的清洗效果較好，二者能將含油率降至1.90%左右，N,N-EJJJXA的清洗效果最差，原因是N,N-二甲基甲酰胺分子與油分溶解度參數(shù)差異較大；由圖1(b)在超聲輔助的條件下，各溶劑的清洗效率均有所提高，效果最明顯的是ZGW，其清洗過后的鉆屑?xì)堄吐蕪?.90%降到了0.89%，因?yàn)槭荶GW屬于非極性分子，與油基鉆屑中的白油或柴油組分分子極性差異不大。研究發(fā)現(xiàn)，ZGW閃點(diǎn)非常低，單一使用可能會(huì)給工藝帶來安全隱患，因此考慮將ZGW與高閃點(diǎn)的SLYX進(jìn)行復(fù)配，以達(dá)到既提高清洗效率又提高工藝安全性能的目的。

3.2 清洗劑復(fù)配

本研究將ZGW與SLYX進(jìn)行復(fù)配。取10 g鉆屑，在固液比為1∶4，清洗時(shí)間為20 min條件下，考察不同復(fù)配比例對油基鉆屑除油效果影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 清洗劑助劑篩選

由圖2可觀察到，隨著ZGW與SLYX復(fù)配比例不斷減小，油基鉆屑的殘油率出現(xiàn)先減小后增加的趨勢，在ZGW∶SLYX=1∶3時(shí)，殘油率達(dá)到最低，為0.83%，除油率達(dá)到最高，為96.4%。結(jié)果表明，復(fù)配后的清洗效果較單一使用某種溶劑好，說明二者之間存在協(xié)同作用。

3.3 清洗工藝優(yōu)化

3.3.1 固液比對洗油效果的影響

取10 g鉆屑，在主助劑配比為1∶3，清洗時(shí)間為20 min的條件下，考察固液比對油基鉆屑除油效果影響，清洗結(jié)果如圖3所示。

圖3 固液比對清洗效果的影響

由圖3可知，隨著固液比的減小，鉆屑?xì)堅(jiān)臍堄吐手饾u降低，這是因?yàn)殡S著清洗劑的加量增加，有更多的溶劑分子參與油分的萃取過程。當(dāng)固液比達(dá)到1∶4時(shí)，萃取殘?jiān)臍堄吐式档?.82%，除油率達(dá)到96.5%，再增加清洗劑的量，除油效率變化不大。因此，最佳固液比為1∶4。

3.3.2 清洗時(shí)間對洗油效果的影響

取10 g鉆屑，在主助劑配比為1∶3，固液比為1∶4的條件下，考察清洗時(shí)間對油基鉆屑除油效果影響，清洗結(jié)果如圖4所示。

圖4 清洗時(shí)間對清洗效果的影響

一定條件下，清洗時(shí)間越長，溶劑與油基鉆屑之間的混合越充分，有利于基礎(chǔ)油從鉆屑上洗脫。由圖4可知，當(dāng)清洗時(shí)間小于10 min時(shí)，鉆屑的殘油量隨清洗時(shí)間的增長而下降，當(dāng)清洗時(shí)間達(dá)到10 min時(shí)，殘?jiān)吐式抵?.73%，除油率達(dá)到96.9%；當(dāng)超過10 min時(shí)，隨著清洗時(shí)間的增長，殘?jiān)吐视殖掷m(xù)增長，這是因?yàn)殡S著清洗時(shí)間的增加，洗脫下來的污油又重新吸附到鉆屑表面?？紤]到能耗，選取最佳清洗時(shí)間為10 min。因此，得到的最佳工藝條件為固液比1∶4，清洗時(shí)間10 min。

3.4 清洗劑沸程及閃點(diǎn)的測定

由圖5可知，配方體系的沸點(diǎn)隨SLYX質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高，當(dāng)SLYX質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%時(shí)，該體系的沸點(diǎn)為112.1 ℃。

圖5 配方體系的沸程

閃點(diǎn)測定參考《GB/T 261—2008》。測試結(jié)果顯示，當(dāng)ZGW與SLYX質(zhì)量比為1∶3 時(shí)，閃點(diǎn)達(dá)到58 ℃，比一般溶劑閃點(diǎn)高，在實(shí)際工程運(yùn)用時(shí)具有較高的安全保障。

4 結(jié)論

(1)本研究篩選出一種高效的油基鉆屑清洗劑配方，組成為：25%ZGW+75%SLYX。

(2)萃取最佳工藝條件為：萃取時(shí)間10 min，固液比1∶4，主助劑配比1∶3。在最佳工藝條件下，萃取殘?jiān)暮吐式抵?.73%，除油率高達(dá)96.9%。

(3)在相同的反應(yīng)條件下，通過超聲輔助清洗可以提高清洗效率。

(4)該清洗劑配方沸點(diǎn)為112.1 ℃，閃點(diǎn)為58 ℃，配方組成都為低毒類溶劑，有較高的安全性能。