超临界二氧化碳处理油基钻井液废弃物的实验研究

摘要

油基钻井液废弃物中因含有的大量的矿物油、有机物及各类重金属物质等，属于国家明文规定的危险废物。常规处理方法存在成本高、二次污染、回收效率低等不足，难以大规模应用大量的油基钻井液废弃物缺少环保、安全、有效的处理方法，己成为油田的严重负担，同时严重制约着油基钻井液的发展。因此，从环境保护和经济效益角度出发，寻找一种经济高效的油基钻井液废弃物处理与油回收技术尤为迫切和重要。超临界二氧化碳因其溶解度高、传质能力高、超临界温度压力易达到等优点在油基钻井液废弃物处理领域具有广阔的应用前景。 本文采用X射线衍射法和紫外光分光光度法，对取自现场的油基钻井液废弃物主要污染物组成进行分析，结果发现其中油质成分含量严重超标，重金属元素含量正常。首先，建立了超临界二氧化碳萃取油基钻井液废弃物的实验装置，分析萃取时间（0-120min）、萃取压力（10-30MPa）、萃取温度（30-70°C）、二氧化碳流速（0.02-0.4cm3/s）和搅拌速度（0-500rpm）等工艺参数对萃取效果的影响规律，研究发现萃取效率随萃取温度和二氧化碳流速变化先增加后减小，随萃取压力和搅拌速度升高先增加后趋于稳定。其次，为进一步优选工艺参数组合，采用响应曲面法的Box-Behnken Design（BBD）方法设计实验方案，优选出最佳萃取工艺参数组合，萃取效率可达98%以上。然后，通过对萃取前后废弃物的气相色谱法分析，证实超临界二氧化碳可以萃取废弃物中C10-C26的所有油组分，高压低温工艺条件更利于低组分和正构烷烃组分组成更容易被萃取出，同时分析表明萃取中的回收油可以在钻井工程中循环利用，对于油基泥浆领域的节能环保具有重要意义。最后，基于分步萃取的传质机理，在拟合油基钻井液废弃物中烃类物质在超临界二氧化碳中的传质系数基础上，建立超临界二氧化碳萃取油基钻井液废弃物的动力学模型，为超临界二氧化碳无害化处理油基钻井液废弃物的装置建立和参数设置提供理论依据。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 国内外研究现状

1.1.1 油基钻井液处理废弃物技术研究现状

1.1.2 超临界二氧化碳物化性质及其在石油工程中的应用

1.1.3 超临界流体萃取技术发展现状

1.1.4 超临界二氧化碳处理废弃物研究现状

1.1.5 超临界流体的动力学过程研究概况

1.2 论文的研究目标、研究内容及方法

1.2.1 研究目标

1.2.2 研究内容

1.2.3 研究方法

1.3 本章小结

第二章 油基钻井液废弃物成分分析

2.1 污染物测定

2.2 含油量测定

2.3 含固率测定

2.4 本章小结

第三章 超临界二氧化碳处理油基钻井液废弃物的影响规律分析

3.1 超临界二氧化碳萃取实验

3.1.1 实验装置说明

3.1.2 实验操作步骤

3.2 参数敏感性分析

3.2.1 萃取时间对萃取效果的影响规律

3.2.2 萃取压力对萃取效果的影响规律

3.2.3 萃取温度对萃取效果的影响规律

3.2.4 二氧化碳流量对萃取效果的影响规律

3.2.5 搅拌速度对萃取效果的影响规律

3.3 超临界二氧化碳萃取油基钻井液废弃物参数优选

3.3.1 实验设计方案

3.3.2 模型建立及显著性检验

3.3.3 最优化参数确定

3.4 萃取前后含烃物质成分变化

3.5 现场工艺流程方案设计

3.6 本章小结

第四章 超临界二氧化碳萃取油基钻井液废弃物动力学模型研究

4.1 动力学模型对比

4.1.1 经验模型

4.1.2 收缩核模型

4.1.3 质量平衡微分模型

4.2 动力学模型建立

4.3.1 方程求解

4.3.2 模型参数计算

4.3.3 模型检验

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢