微波處理含油鉆屑實驗研究

馮春宇， 謝 齊， 蔣繼葦， 貴 恒， 沈 聰， 付 江

(1西南石油大學石油天然氣裝備教育部重點實驗室 2中國石油塔里木油田分公司)

鉆井液是鉆探過程中孔內使用的循環沖洗介質，是石油和天然氣鉆井過程中的必需物質。依據基液和主要添加劑的不同，鉆井液可以分為水基鉆井液、油基鉆井液和復合基鉆井液。水基鉆井液產生的廢棄物對環境有一定程度的影響，而油基和復合基鉆井液產生的廢棄物中由于其含有大量對環境有害的有機物，若不經任何處理直接排放，會對周圍環境的土壤和水源造成嚴重傷害[1]。如今世界各國對于環境保護越加嚴格，在廢棄物的排放標準上也有明文規定[2-5]。而通常情況下，鉆井廢棄物中的含油量遠高于排放標準，因此油基鉆井液產生的廢棄物必須經過工藝處理，達到國家排放標準方可排放[6]?，F在廣泛采取的處理方法主要有以下幾種：直接填埋法、坑內密封法、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用的局限性，尋找一種可普遍應用并經濟環保的鉆屑處理方案變得尤為重要。

微波加熱技術加熱均勻，可選擇性加熱、能耗低，并且不對環境造成傷害，在利用微波處理含油鉆屑時，同時可以回收鉆屑中的基礎油，回收的基礎油可以重復利用，因而在近年來備受人們關注，國外學者已經開始進行利用微波處理含油鉆屑的研究，2006年英國諾丁漢大學化學與環境工程學院H. Shang, C.E. Snape等人針對北海油田的含油巖屑提出用微波加熱的方式進行處理回收的設想；2008年英國諾丁漢大學的J.P.Robinson, S.W.Kingman, O.Onobrakpeya等人設計了一套功率為1 kW的單模微波熱蒸餾實驗裝置，該裝置為間隙工作，他們研究了微波功率、樣品質量對處理效果的影響[9]；2010年，J.P.Robinson，M.S.A.Bradley等人建造一臺中型的微波處理含油鉆屑系統，著重研究了加熱腔體內微波的分布情況[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[11]。本文實驗中根據含油鉆屑的特性，不僅研究微波輻射功率、輻射時間、鉆屑處理量對處理效果的影響，而且還研究了鉆屑初始含液率對處理效果的影響。通過分析處理量和鉆屑初始含液率對處理效果的影響，總結出孔隙度對處理效果的影響。

一、實驗部分

1. 實驗裝置與方法

本實驗主要涉及儀器包括：微波發生器(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、非接觸式紅外測溫儀(測量溫度范圍-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℃)、氮氣填充裝置、冷凝裝置等，實驗裝置流程圖如圖1所示。

圖1 含油鉆屑微波處理流程圖

本實驗對含油鉆屑微波處理效果研究指標主要為鉆屑的含液率，采用焚燒稱重法測量含液率。

2. 鉆屑性質

本實驗研究的含油鉆屑來源于四川省瀘州市某作業區。該作業區采用油基鉆井液鉆井，其中油基鉆井液的基礎油為白油，95%的鉆屑由一級振動篩產出。實驗測得該樣品中含水率為6.7%(質量百分比)，含油率為14%(質量百分比)，固體的質量分數為79.3%。

3. 微波處理含油鉆屑實驗

實驗研究微波輻射時間、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系。在用同一處理設備的實驗時，一次實驗只改變某一因素，分別研究各個因素對處理效果的影響。由于鉆屑中水和油的含量不能實時檢測，處理過程中以含液率來描述處理效果，微波對水有強烈的加熱作用，處理完后的鉆屑中無法檢測到水，其液相只含有油，因此每次實驗結束時鉆屑的含液率實際為含油率。

二、實驗結果與討論

1. 處理過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，因此實驗首先研究整個微波熱處理過程中鉆屑的整體溫度變化，并分析出各溫度變化階段的現象和原因，也可幫助后面研究各因素對實驗結果的影響。取60 g鉆屑放于陶瓷敞口容器中，微波功率設為700 W，每隔1 min記錄一次溫度數據，將溫度和時間關系繪制成曲線，結果如圖2所示。

在第1 min內鉆屑溫度快速上升，迅速超過沸點并持續上升至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內溫度持續上升，速率較第1 min低很多，逐漸到達最高值189℃。此階段在鉆屑內部產生大量水蒸氣，含液率明顯降低，如圖3，由于鉆屑內部存在油包水，以及鉆屑內部的微孔導致水蒸汽不能及時離開，微波繼續對水蒸汽加熱，就會產生過熱蒸汽，提高了鉆屑的整體溫度，并促進了處理效果，此階段油的處理速率最快。之后鉆屑溫度在一定范圍內出現降低，這是由于水分大量蒸發，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間的變化曲線

2. 微波處理時間對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，將微波發生器功率設定為700 W功率狀態，然后將盛放含油鉆屑的容器放入微波場中反應，每隔1 min，記錄鉆屑的剩余重量Wn，并計算其含液率，含液率隨時間變化曲線如圖3所示。

圖3 微波處理時間對鉆屑含液率的影響

鉆屑的含液率在前3 min降低的非常明顯，從20.6%降至13.3%，實驗過程的前3 min由于鉆屑初始含液率較高，特別是含水率較高，因此對于微波能的吸收效果較好，從而導致了鉆屑的溫度上升速率極快，水蒸汽將熱量傳遞給油，油蒸發后離開鉆屑。6～20 min內鉆屑含液率降低的非常緩慢，僅僅相當于實驗過程前3 min的處理量。這是由于前3 min鉆屑內的水分大量蒸發了，鉆屑中沒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，導致了處理效率的降低，并浪費了大量的電能。實驗結束后含液率降低至6.0%，此時鉆屑中已經檢測不到水分，6.0%為鉆屑的含油率。由此可知盲目的延長處理時間并不能很好的提升鉆屑的脫附效果，還會導致對能源的浪費。因此在微波處理過程中，最佳的處理時間是前6 min。

3. 微波功率對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，按照編號依次將樣品放入微波發生器中進行反應，將微波發生器的功率調為70 W、140 W、210 W、280 W、350 W、420 W、490 W、560 W、630 W、700 W的10個不同檔位，每隔1 min，記錄鉆屑重量Wn，并計算其含液率，結果如圖4所示。

圖4 微波功率對處理效果的影響

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，達到脫附速率峰值的時間越短，脫附效果越好。這是由于微波加熱過程中升溫速率和電場強度的平方成正比，微波功率越大，溫升速率越快。在鉆屑溫度超過水的沸點并繼續上升至最高溫度的過程中，水蒸氣攜帶著油蒸汽離開鉆屑。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依次放入相同反應皿中并編號，按照編號分別將鉆屑放入微波發生器中，將功率調至700 W進行實驗。每隔1 min，記錄鉆屑重量Wn，并計算其含液率，結果如圖5所示。

圖5 處理量對處理效果的影響

當處理量為10 g時，鉆屑含液率降低了11.4%，50 g時降低了13.5%，100 g時降低了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，當鉆屑處理量過少時，首先鉆屑內的水分不足，不能產生足夠水蒸汽，其次鉆屑厚度小，在鉆屑的內部孔隙過短，水蒸汽停留時間過短，不能繼續加熱成為過熱蒸汽，無法將油汽化，所以處理效果不佳。而鉆屑過多時，甚至超過了微波的可穿透范圍，微波無法直達鉆屑內部，無法對鉆屑進行整體加熱，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，鉆屑處理量越高，對微波能的利用率越高，最終的處理效果也越好。針對本套微波處理設備，處理量為30 g時，可以達到上述分析的情況，所以處理效果最好。

5. 鉆屑初始含液率對含油鉆屑處理效果的影響

本組實驗中將完全干化的鉆屑廢渣作為調節鉆屑初始含液率的實驗材料，取足量含油鉆屑均勻攪拌分為5等份分別稱重，根據重量比(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放于反應皿中編號，記錄總重量，照編號分別將鉆屑放入微波爐中，將微波發生器檔位調至700 W功率檔進行熱脫附實驗，每隔1 min，記錄鉆屑重量Wn，并計算其含液率，結果如圖6所示。

圖6 初始含液率對處理效果的影響

從圖6可知，當初始含液率為11.3%時處理效果最好，初始含水率為3.7%，最終含液率為1.7%，分析其原因為：鉆屑中不同的初始含液率對應著不同的孔隙度，鉆屑中孔隙度過小，不利于水蒸汽和油蒸汽排出，鉆屑中孔隙度過大，無法在鉆屑內部形成細小的通道，水蒸汽溢出太快，無法形成過熱蒸汽，同時水蒸汽在鉆屑內部停留時間過短，無法將油的汽化。通過對初始含液率的合理調整來改善鉆屑孔隙度，改善處理效果。

三、結論

本文實驗中分別對微波處理含油鉆屑的幾個因素做重點分析與研究，得出如下結論：

(1)實驗證明，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間內下降速率最大，6～20 min內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鍵時間段。

(2)在微波功率一定的情況下，單次處理的鉆屑量存在一個最佳值，針對本套裝置為30 g為最佳值，合適的鉆屑處理量會產生足夠的水蒸汽，以及水蒸汽在鉆屑內部停留的時間足夠長，有利于產生過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有足夠的水能夠轉換為過熱水蒸氣攜帶走油，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，在本文對比實驗中，鉆屑含液率為11.3%時處理效果最好。