一種油基鉆屑清洗劑的配方及其洗油機理研究

趙寒楓，張太亮，林麗麗，楊 龍

(西南石油大學 化學化工學院，四川 成都 610500)

1 引言

在鉆井過程中，由于生產工藝的需要，往往會向鉆井液中添加大量的化學藥劑，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[3]，如不經妥善處理而直接排放，會引起嚴重的環境污染。主要表現為以下幾個方面：鉆屑中的油分進入土壤后會阻礙土壤環境與空氣之間的交換作用，使得植物無法進行呼吸作用，土壤中的動物缺少氧氣，破壞了土壤的生態平衡[4]；重金屬通過土壤進入地下水中[5]，再經地下水的擴散作用進入到魚體內，最終可能富集到人體身上；大量油基鉆屑的堆積還可能導致當地總烴濃度超標[6]，直接危害當地群眾生命安全。

目前，油基鉆屑處理技術主要有化學熱洗法[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。化學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]，具有工藝設備簡單、經濟有效的優點，缺點是會產生大量廢水；焚燒法將油基鉆屑直接焚燒，這樣處理減量、減容程度高，但由于焚燒反應可能產生二噁英等惡臭氣體[9]，帶來了廢氣處理問題；經熱解法處理后的油基鉆屑含油率低，但其投資巨大，且同樣會有污染化境的風險[13]。溶劑萃取法因其簡單高效，且油類資源可回收的特點而受到廣泛關注，但在實際運用過程中，又因為閃點、毒性等問題受到限制[14,15]。本研究擬篩選一種高閃點、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，達到《SY/T7422-2018》中的油基鉆屑排放標準。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

儀器：TG16G離心機、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(環保級)，來自成都市科隆化學品有限公司。

原料：鉆屑取自西南某頁巖氣示范區。

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，做出對應的工作曲線，再利用沸點儀測定一系列不同組成溶液的沸點，并利用阿貝折射儀測量其對應氣相、液相的折射率，然后在工作曲線上查找對應樣品折射率的組成，從而找出該體系組成下的沸點。

3 結果與討論

3.1 清洗劑篩選

取10 g鉆屑，固液比為1∶4，清洗時間為20 min，分別考察了在單獨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，其清洗過后的鉆屑殘油率從1.90%降到了0.89%，因為是ZGW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。研究發現，ZGW閃點非常低，單一使用可能會給工藝帶來安全隱患，因此考慮將ZGW與高閃點的SLYX進行復配，以達到既提高清洗效率又提高工藝安全性能的目的。

3.2 清洗劑復配

本研究將ZGW與SLYX進行復配。取10 g鉆屑，在固液比為1∶4，清洗時間為20 min條件下，考察不同復配比例對油基鉆屑除油效果影響，結果如圖2所示。

圖2 清洗劑助劑篩選

由圖2可觀察到，隨著ZGW與SLYX復配比例不斷減小，油基鉆屑的殘油率出現先減小后增加的趨勢，在ZGW∶SLYX=1∶3時，殘油率達到最低，為0.83%，除油率達到最高，為96.4%。結果表明，復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同作用。

3.3 清洗工藝優化

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，鉆屑殘渣的殘油率逐漸降低，這是因為隨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。當固液比達到1∶4時，萃取殘渣的殘油率降到0.82%，除油率達到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，考察清洗時間對油基鉆屑除油效果影響，清洗結果如圖4所示。

圖4 清洗時間對清洗效果的影響

一定條件下，清洗時間越長，溶劑與油基鉆屑之間的混合越充分，有利于基礎油從鉆屑上洗脫。由圖4可知，當清洗時間小于10 min時，鉆屑的殘油量隨清洗時間的增長而下降，當清洗時間達到10 min時，殘渣含油率降至0.73%，除油率達到96.9%；當超過10 min時，隨著清洗時間的增長，殘渣含油率又持續增長，這是因為隨著清洗時間的增加，洗脫下來的污油又重新吸附到鉆屑表面。考慮到能耗，選取最佳清洗時間為10 min。因此，得到的最佳工藝條件為固液比1∶4，清洗時間10 min。

3.4 清洗劑沸程及閃點的測定

由圖5可知，配方體系的沸點隨SLYX質量分數的增加而升高，當SLYX質量分數為75%時，該體系的沸點為112.1 ℃。

圖5 配方體系的沸程

閃點測定參考《GB/T 261—2008》。測試結果顯示，當ZGW與SLYX質量比為1∶3 時，閃點達到58 ℃，比一般溶劑閃點高，在實際工程運用時具有較高的安全保障。

4 結論

(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，萃取殘渣的含油率降至0.73%，除油率高達96.9%。

(3)在相同的反應條件下，通過超聲輔助清洗可以提高清洗效率。

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