Design of an Applied Chemistry Comprehensive Experiment of Orange Peel as Flocculant in Waste Drilling Fluid

In order to improve the comprehensive experimental skills of the undergraduates of oil field chemistry, an applied chemistry comprehensive experiment of orange peel as flocculant in waste drilling fluid was designed in this paper. This experiment combines the basic oilfield chemicals theory, test skills and oilfield practice, which can improve students’ professional test skills, skills of analysis and problem-solving. Using orange peels as experimental material can improve students’ environmental awareness, and help to put the environmental ideas into oil production in the future. 橘子皮用作废弃钻井液絮凝的综合性实验设计 徐敬芳, 常晓峰, 张洁, 陈刚 * 西安石油大学化学化工学院,陕西 西安,710065,中国 *通讯作者 关键词:综合实验;橘子皮;废弃钻井液;絮凝剂 摘要:为了提升油田化学方向本科生的综合实验技能,设计了应用橘子皮作为废弃钻井液絮 凝剂的应用化学综合实验。该实验能够将油田化学理论基础与实验技术、现场实践相结合, 能够提高学生的专业实验技能、分析和解决问题的能力,同时采用废弃橘子皮作为实验原料, 践行绿色环保实验教学理念,有助于利用环保理念指导日后油田清洁生产工作。 1.引言 钻井液在石油和天然气钻井过程中必不可少,其中使用了多种添加剂,使得其废弃钻井 液的成分也变得复杂、危害大。废弃钻井液主要是由粘土、加重材料、化学添加剂、无机盐、 钻屑、油等组成的多相稳定悬浮体系,对环境威胁大,因此,必须要对废弃钻井液进行无害 化处理。废弃钻井液无害化处理的首要问题是进行固液分离,即絮凝。目前所常用的聚丙烯 酰胺-聚铝/铁体系能够有效地絮凝绝大多数水基钻井液,但是聚丙烯酰胺难以降解,会对环境 造成持续污染,聚铝/铁则会增加水体的矿化度,因此,需要寻找更加绿色环保的絮凝体系。 研究表明,橘子皮所含的植物酚类化合物分子上有羟基、羧基、羰基等活性官能团,可产生 一定的分散、黏合、螯合等效能而作为絮凝剂运用到废弃钻井液的处理中,以橘子皮作为钻 井液处理剂不仅具有可行性[1-2],而且对“废物”二次利用,具有环保意义。本课题组已经对 废弃果皮以及其他植物材料在油田化学中的应用进行了大量研究[3-5],发现了部分果皮具有 一定的絮凝效果[6],基于此,设计了废弃橘子皮用作废弃钻井液絮凝的综合性实验。该实验 设计既有利于提高应用化学专业油田化学方向本科生的实验技能,也遵循各行石油化工行业 倡导的环保理念[7]。 263 2.实验目的 (1)通过文献调研了解橘子皮的化学成分及含量等相关知识; (2)了解橘子皮作为钻井液絮凝剂的预处理过程; (3)掌握钻井液基浆的配制和处理方法; (4)学会通过实验数据、文献查阅等分析引起钻井液絮凝参数变化的原因。 3.实验原理 实验中所用钻井液的主要成分为膨润土,而膨润土的主要成份为蒙脱石。其晶粒端面以 裸露的Al-O或Al-OH为主,电荷性质及电荷密度不稳定,受介质影响,蒙脱石晶粒整体带负 电。橘子皮所含的植物酚类化合物分子上有羟基、羧基、羰基等活性官能团,可产生一定的 分散、黏合、螯合等效能,能够吸引胶体微粒,通过黏附、架桥和交联作用,促进胶体凝聚, 中和胶体微粒及悬浮物表面的电荷,降低了ξ电位,从而使胶体离子发生互相吸引作用,破坏 了胶团的稳定性,促进胶体微粒碰撞,形成了絮状沉淀。 橘子是我国产量巨大的一种水果(如图1所示),橘皮入药称为“陈皮”,具有理气燥湿、 化痰止咳、健脾和胃的功效,常用于防治胸胁胀痛、疝气、乳胀、乳房结块、胃痛、食积、 输气等症。橘子皮水提取物的红外光谱如图2所示。由图可见,在3410cm-1附近出现强而宽的 吸收峰,此处应为缔合羟基和酚羟基的吸收峰;在2926cm-1附近的吸收峰尖而窄,强度适中, 此处可能包含甲基或亚甲基的伸缩振动;在1735cm-1和1605cm-1附近有吸收峰,前者吸收弱, 后者强而窄,此处应是羰基的伸缩振动峰,由此说明水提取物中存在羰基;在1410 cm 附近 有吸收峰,强度中等,应为C-O伸缩振动峰,与羟基吸收峰相呼应,两处吸收峰都表明水提 取物中含有羟基化合物;在1276 cm-1处吸收峰为羧酸或酚类化合物中C=O 键的变形振动和 -OH 键的伸缩振动;在1050cm-1附近的吸收峰窄而尖、强度大,此处也是C-O伸缩振动峰,此 C-O伸缩振动峰为苷类或多糖类化合物的红外吸收峰;在820 cm 和 770 cm 处的吸收峰乃不 同取代结构的苯环骨架振动峰。通过图2所示的红外光谱可以说明,橘子皮水提物中含有羟基、 羰基、羧酸、苯环等基团,可作为絮凝剂应用于钻井液的絮凝处理。 图1 橘子及其果皮 图2 橘子皮水提取物的红外光谱 4.实验步骤 4.1 仪器与试剂 激光粒度分析仪(LS13320,Beckman Coulter, Inc, USA)、傅里叶红外光谱仪( Nicolet5700,美国Thermo Electron Corporation)、离心沉淀机(80-1)、电子天平(BS124S )、电热恒温水浴锅(DK-98-IIA)、台式电热恒温干燥箱(WHL-25AB)、调温磁力搅拌器 (ZNCL-T)、紫外可见分光光度计(UV-2600)、钙基膨润土(西安永久化工有限公司,HR )、碳酸钠(天津化学试剂三厂,AR)、橘子皮(市售)。 264 4.2 原料预处理 将从市场购买的橘子皮剥下,放入鼓风干燥器中105°C下烘干后粉碎,并用标准检验筛将 其按目数分级,取其中120~160目的颗粒用密封袋装好备用。 4.3 橘子皮粉粒絮凝性能的评价 基浆配制:量取1000mL水,2g碳酸钠,40g膨润土,高速搅拌2h,在室温下放置养护24h。 在配制好的钻井液基浆中分别在不同搅拌速率、不同搅拌时间、不同pH下加入不同浓度的橘 子皮粉粒,在不同温度下恒温静置24h后,取10mL絮凝后的钻井液,在3000r/min下离心15min, 测量其清液的体积,并用紫外可见分光光度计和激光粒度分析仪分别测量清液的透光率和钻 井液的粒度直径。综合三个参数考察橘子皮粉粒的絮凝效能。 4.3.1 橘子皮加量和温度对橘子皮絮凝性能的影响 取8只250mL烧杯分别加入200mL事先配制好的基浆,加入橘子皮质量分数分别为0%、 0.1%、0.2%、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、5.0%,一定转速下搅拌使其混合均匀,分别在25°C、 40°C、60°C下恒温静置24h后,取10mL絮凝后的膨润土悬浮液,在3000r/min下离心15min,测 量其清液的体积,并用紫外可见分光光度计和激光粒度分析仪分别测量清液的透光率和膨润 土悬浮液的粒度直径。 4.3.2 搅拌速率和搅拌时间对果皮絮凝性能的影响 取5只250mL烧杯,分别加入200mL基浆,在4.3.1结果中筛选出的橘子皮的最佳浓度和 最适宜温度下分别以200 r/min、300 r/min、400 r/min、500 r/min的搅拌速率搅拌2min、5min 、10min,使其混合均匀。恒温静置30 min后,取10mL絮凝后的膨润土悬浮液,在3000r/min 下离心15min,测量其清液的体积,并用紫外可见分光光度计和激光粒度分析仪分别测量清液 的透光率和膨润土悬浮液的粒度直径。 4.3.3 pH对橘子皮粉粒絮凝效果的影响 取5只250mL烧杯,分别加入200mL基浆,将5只烧杯里的基浆的pH分别调至3、6、7.5、 8、9.5,分别加入4.3.1中橘子皮的最佳浓度以及在最佳温度和3.3.2最佳搅拌速率和搅拌时间 下,使其混合均匀,恒温静置24h后,取10mL絮凝后的膨润土悬浮液,在3000r/min下离心15min, 测量其清液的体积,并用紫外可见分光光度计和激光粒度分析仪分别测量清液的透光率和膨 润土悬浮液的粒度直径。 4.4 絮体颗粒粒度分布测定 使用激光粒度分析仪(LS13320,Beckman Coulter, Inc, USA)对絮凝前后废弃钻井液中 固相粒径进行分析。 (1) 打开自来水管开关; (2) 打开仪器电源; (3) 打开计算机,双击桌面上的“ls3320”图标进入LS13320软件,建立软件与仪器的连接; (4) 选择Control,点击Fill(灌水); (5) 选择Fill,点击sample information编辑样品信息,输入样品编号,点击“OK”; (6) 选择Run setting,点击Creat an SOM; (7) 将提示输入要建立的特定样品的样品类型和SOM类型; (8) 输入关于样品的特殊信息; (9) 设置Run Cycle(运行循环),选项如果偏移、排列和背景,该选项按钮将引入Run Cycle Option对话框,在此对话框内可以设置测量偏移、背景和排列的次数; (10) 设置运行时间应不少于90秒,泵速为30%; (11) SOM在此步骤保存,SOM文件默认保存在SOP文件夹下,同样也可自行选择文件保 存;