香蕉皮制备绿色钻井液处理剂的作用效能研究.pdf

第 4 2 卷第 1 1 期 2 0 1 3 年 1 1 月 化工技术与开发 T e c h n o l o g y De v e l o p me n t o f C h e mi c a l I n d u s t r y V0 l _42 No ． 1 1 No v ． 2 01 3 香蕉皮制备绿色钻井液处理剂的作用效能研究 高起龙 ，马丰云 ，张建甲 ’ ，陈 刚 ，赵景瑞 ，许仁军 1 ． 西安石油大学化学化工学院，陕西 西安 7 1 0 0 6 5 ； 2 ． 陕西延长石油油田化学科技有限责任公司，陕西 延安 7 1 7 4 0 0 摘要 将香蕉皮粉末作为水基钻井液添加剂， 性能评价结果表明， 香蕉皮粉末具有较好的降滤失作用；随着 老化温度的升高， 香蕉皮粉末处理水基钻井液粘度先增大后减小， 香蕉皮粉末在水基钻井液中降滤失作用逐渐减弱， 大于1 5 0 C 之后几乎失去降滤失作用。线性膨胀率实验和泥球实验表明，香蕉皮粉末水提取液对膨润土的水化膨胀 有一定的抑制作用，优于4 ％氯化钾溶液。配伍性实验结果表明，香蕉皮粉末在改性淀粉体系钻井液中表现出良好的 降粘、降滤失和润滑作用，在聚丙烯酰胺体系钻井液中表现出降滤失和润滑作用，在K D - 0 3 体系钻井液中表现出增 粘、降滤失作用， 在杂多糖甙体系钻井液中表现出降粘作用。 关键词 香蕉皮； 水基钻井液 ； 添加剂； 降滤失 中图分类号 T E 2 5 4 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 - 9 9 0 5 2 0 1 3 1 1 - 0 0 0 5 - 0 5 香蕉 Mu s a n a n a l o u r 属 于 芭蕉 科 Mu s a c e a e 芭蕉属 Mu s a ， 是多年生草本植物， 多分布于纬度 3 0 o 以内的热带 、 亚热带地 区 【 1 】 ， 为我 国南方 四大果 品之一 ， 广泛种植于海南、 广东、 广西、 福建、 云南等 地。香蕉皮占香蕉全果质量的3 5 ％ 4 1 ％f2 ] ， 目前除 少量用作饲料添加剂外 ， 绝大多数成为废弃物， 因此 香蕉皮的回收利用具有很广阔的前景， 能产生巨大 的经济效益和生态效益。 研究表明， 香蕉皮中含有大量的木质素、 单宁、 纤 维素、 可溶性多糖 果胶 、 黄酮类、 有机酸类、 油脂类、 维生素等 [3 -5 ]o目前植物酚和聚糖类材料已广泛应用 于油田化学领域， 能够改善钻井液流变性、 降低滤失 量及对粘土的水化膨胀， 具有一定的抑制性 ” ， 基于 香蕉皮中含有酚类 木质素、 单宁、 黄酮等 、 纤维素、 可 溶性多糖等化合物， 可将其作为钻井液添加剂， 具有 天然的环保性和可再生性， 能够提高香蕉加工产业的 经济效益， 同时降低油田废泥浆的处理费用、 减少环 境污染。本课题组致力于利用当地优势天然资源开 发环保型油田化学材料 【l 6 】 ， 本研究将探索香蕉皮作 为钻井液添加的作用效能， 为进一步开发其为天然、 高效、 环保的油田化学品奠定基础。 1 实验部分 1 ． 1 材料与仪器 钙基膨 润土、 钠基膨润土 、 香蕉皮、 无水碳酸钠 A R 、 氯化钾 A R 、 改性淀粉 工业级 、 P A M A R 、 K D ． 0 3 工业 级 、 水解 聚丙烯 腈铵 盐 工业级 、 K ． P A M 工业级 。 G J S S ． B 1 2 K型变频高速搅拌机、 B G R L 一 5 型滚子 加热炉 、 Z N N ． D 6型六速旋 转黏度计 、 S D ． 6型多联 中压滤失仪、 N Z ． 3 A粘滞系数测定仪 液体密度计、 p H S 一 3 C 酸度计、 D D S I I A电导率测定仪、 N P - O 1 型 常温常压膨胀量测定仪、 T G A ／ D S C 1 。 1 ． 2 香蕉皮的预处理 将香蕉皮放入鼓风干燥器中 1 0 5 o C 下烘干， 用 粉碎机粉碎， 并用标准检验筛将其按粒径分级， 分别 为 0 ． 1 7 8 ～ 0 ． 4 2 0 mm、 0 ． 1 5 0 ～ 0 ． 1 7 8 m m、 0 ． 1 2 4 - 0 ． 1 5 0 ram、 0 ．1 2 4 ra m， 各等级的香蕉皮粉末用密封袋装好待用。 1 - 3 香蕉皮处理水基钻井液的配制与评价 量取适量清水加入配浆桶内， 边搅拌边分别缓慢 加入 O 无水碳酸钠和 4 ％膨润土， 持续搅拌 2 h ， 密 封静置养护2 4 h 后备用。分别量取 3 5 0 m L 上述老化 后的基浆， 将 1 _2 中处理的香蕉皮粉末按一定量加入 基金项目 国家自然科学基金项目 5 0 8 7 4 0 9 2 ，国家级大学生创新创业训练计划项目 2 0 1 2 1 0 7 0 5 0 4 0 作者简介 陈刚 1 9 7 7 - ，男，山东淄博人，西安石油大学副教授，主要从事有机合成与油田化学方面的科研工作，地址 7 1 0 0 6 5 ， 西安市电子二路 1 8号 ，电话 0 2 9 8 8 3 8 2 6 9 3 。E m a i l g a n g c h e n C ／ s y u ． e d u ．c n 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 9 - 0 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 化工技术与开发 第 4 2卷 基浆中， 6 0 0 0 r m in - 高速搅拌 2 0 m in ， 所得处理浆分 别在 2 5 ℃、 9 0 ℃、 1 2 0 c I二 、 1 5 0 o C 、 1 8 0 ℃温度下老化 1 6 h 评价其l生 能前需 6 0 0 0 r m a n - 高速搅拌 2 0 m in 。 香蕉皮配伍性实验用钻井液 的配制 量取 8份 3 5 0 m L上述老化后 的基浆 ， 分别 向其 中加入 2 ． 0 ％ 改性淀粉、 2 ． 0 ％改|f生 淀粉和 0 ．3 ％香蕉皮粉末、 0 ．2 ％ 聚丙烯酰胺 、 0 ． 2 ％聚丙烯酰胺和 0 ． 3 ％香蕉皮粉末 、 2 ． O ％K D - 0 3 、 2 ．0 ％K D 一 0 3 和 0 ． 3 ％香蕉皮粉末、 冀东 油田杂多糖甙钻井液体系配方、 冀东油田杂多糖甙 体系钻井液配方 和 0 ． 3 ％ 香蕉皮粉末 ， 6 0 0 0 r m i n 高速搅拌 2 0 m in ， 2 5 ℃下陈化 1 6 h 评价其性能前需 6 0 0 0 r mi n 高速搅拌 2 0 m i n 。 钻井液性能评价方法 依据国家标准 G B ／T 1 6 7 8 3 1 9 9 7 水基钻井液现场测试程序 ， 对 1 ． 3 中 的香蕉皮处理水基钻井液性能进行评价。主要评价 的性能包括表 观黏度 A 、 塑性黏 度 尸 、 动切力 r e 、 动塑 比 、 7 ． 5 mi n滤失量 ㈣、 滤饼摩 阻 增 、 电导率 K 、 p H 、 密度 p 等。 1 ． 4 香蕉皮抑制性评价 线性膨胀率评价实验 称取一定量的香蕉皮粉 末加入 1 0 0 m L 蒸馏水中加热回流2 h ， 将所得水提取 液置于烧杯中密封待用； 称取 8 ．0 g 充分烘干的钙膨 润土 ， 用压片机压成样片 1 0 MP a下压 5 m i n ， 取 出 样片， 测量样片厚度 h ， 用 N P ． O 1 型常温常压膨胀 量测定仪测量样片 1 ．5 h 膨胀量 h ， 计算样片的线性 膨胀率为 h 】 ／ h 0 1 0 0 ％。 泥球实验 称取一定量的香蕉皮粉末加入 8 0 m L 蒸馏水中加热回流 2 h ， 将所得水提取液置于烧杯中 密封待用 ； 钠膨润土与蒸馏水 以质量比 2 1 混合均 匀， 揉成大约 1 0 g 的泥球， 将其放人盛有不同液体的 烧杯 中， 每隔一定时间记录现象 。 1 ． 5 热重 T G A 分析 取约 5 m g的香蕉 皮粉末 ， 放入 已称重 的 S i O 样 品池 ， 放人仪器 内的样 品座称重。采用氮气保 护 流速为 1 0 m L m i n ， 升温速率为 1 0 o C m in ～ ， 记 录 2 5 ～ 5 o 0 c C 香蕉皮的 T G A曲线。 2 结果与讨论 2 ． 1 香蕉皮热重分析 钻井液添加剂 的热稳定性是影 响钻井 液性 能 的重要因素之一， 因此需要借助热重仪对香蕉皮的 热稳定性进行考察 ， 香蕉皮热稳定性分析结果如图 1 所示。、由图 1 可见， 1 0 0 ℃之前香蕉皮粉末重量 有小幅减少， 主要是香蕉皮中的自由水蒸发引起， 1 0 0 ～ 1 5 6 ％其质量减少趋缓， 在大于 1 5 6 cC， 其质量 大幅减少 ， 这说 明在 1 5 6 C时香蕉皮 中部分化合物 开始受热分解 ， 这有可能对香蕉皮粉末处理水基钻 井液的抗温性能有直接影响。 O 7 7 图 1 香蕉皮热重分析 2 ． 2 香蕉皮对钻井液性能影响 2 ． 2 ． 1 香蕉皮粉末适宜粒度 的确定 由于香蕉皮粉末为部分不溶 于水的固体颗粒 ， 且钻井液体系中固相颗粒的粒度对钻井液性能的影 响较大 ， 因此需要首先考虑香蕉皮粉末粒度对钻井 液性能的影响。按照 1 ． 3中的钻井液性能评价方法 ， 评价 0 ．3 ％香蕉皮粉末的粒度对钻井液基浆性能的 影响， 结果如表 1 所示 。 表 1 不 同粒度的香蕉皮钻井液性能评价结果 霞 A V P V Y P Y P f l v F L ／ mm ／ m P a． s／ mP a． s ， P a／ P a． mP a． ／ mL t g 由表 1 可见， 香蕉皮粉末的粒度对钻井液基浆 的表观粘度 、 塑性粘度、 动切力 、 动塑 比等流变性能 影响较小， 但是随着香蕉皮粉末粒径的增大， 钻井液 的滤失量有所减少 ， 滤饼润滑性变差 。产生 良好效 果的原因可能是随着香蕉皮粉末的粒度减小， 形成 薄而致密的泥饼， 使得滤饼的渗透率明显下降。显 然香蕉皮粉末粒径小于 0 ． 1 2 4 m m的3 组降滤失效 果 良好 ， 因此后续实验选择粒径小于 0 ． 1 2 4 m m 的香 蕉皮粉末。 2 ． 2 ． 2 香蕉皮加量对钻井液性能的影响 按照 1 _ 3中钻井液性 能评 价方法 ， 分别 评价加 量为 0 ． 3 ％、 0 ． 5 ％、 0 ． 7 ％ 的粒径小于 0 ． 1 2 4 m m的香蕉 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 0期 高起龙等 香蕉皮制备绿色钻井液处理剂的作用效能研究 7 皮粉末钻井液性能 ， 结果如表 2所示。 由表 2 可见， 与基浆相比， 随着钻井液中香蕉皮 粉末加量的增大， 钻井液的表观粘度先减小后增大、 塑性粘度逐渐降低， 动切力、 动塑比逐渐增大， p H 降低， 电导率逐渐增大， 滤失量逐渐增大。由于香蕉 皮中含有大量的单宁、 黄酮、 木质素等酚类化合物， 导致钻井液粘度降低。滤失量降低可能是由于香蕉 皮小颗粒的增多堵塞泥饼孔隙以及溶人钻井液中的 酚类、 多糖类、 木质素类化合物起到降滤失作用， 即 物理降滤失和化学降滤失共同作用的结果 n 。 表 2 香蕉皮加量对钻井液基浆性能影响 2 ． 3 温度对香蕉皮处理水基钻 井液的性能影响 评价 0 ． 3 ％ 香蕉皮钻井液在 2 5 ℃、 9 0 o C、 1 2 0 1 2 、 1 5 0 o C、 1 8 0 ℃老化之后的性能 ， 结果如表 3所示 。 由表 3 可见， 随着老化温度的升高， 0 ． 3 ％香蕉 皮处理水基钻井液的表观粘度、 塑性粘度先增大后 降低 ； 滤失量略微增大， 1 8 0 C 时滤失量激增， 失去降 滤失作用； 香蕉皮粉末中的酸性组分和其它电解质 在钻井液老化过程 中充分溶解 和解离 ， p H也 随之 逐渐减小 ， 电导率逐渐增大。相对于基浆， 在各老化 温度下 ， 0 ． 3 ％香蕉皮粉末处理水基钻井液 的表观粘 度、 塑性粘度先增大后降低， 动切力、 动塑比均增大； p H降低、 电导率增大； 滤饼的摩阻也明显减小。在 老化温度小于 1 5 0 o C 时， 滤失量小于相应基浆滤失 量， 1 5 0 o C 时， 与相应基浆滤失量几乎相同， 由此说明 香蕉皮粉末在水基钻井液 中的耐温程度约在 1 5 0 o C 左右 。 表 3 不同老化温度的香蕉皮钻井液性能评价结果 在水基钻井液中多糖类化合物则具有增粘和降 滤失作用， 植物酚类物质具有降粘、 降滤失作用 [1 ， 鉴于植物多糖类、 多酚类材料在钻井液中各 自独特 的作用， 其已经广泛应用于油田化学领域。香蕉皮中 含有多糖类化合物 果胶、 纤维素等 、 植物酚 单宁、 木质素、 黄酮等 等组分， 在这些成分及香蕉皮不溶 颗粒物的综合作用下表现出增粘和一定的降滤失效 果， 但部分起降滤失作用的物质随着温度的升高逐 渐失效， 使得温度高于 1 5 0 C 时几乎无降滤失作用。 研究表 明， 一般植 物多酚类类 材料 的耐温极限 在 1 8 0 o C 左右 [ 1 ， 这与香蕉皮粉末 的热重分析结果 相吻合， 其在钻井液中的作用机理为 多酚类化合物 分子上的邻酚羟基通过螯合作用吸附在粘土颗粒端 面的阳离子上， 其分子中的亲水基团通过氢键作用 形成水化层， 破坏了钻井液内部粘土颗粒之间的网 架结构， 释放出束缚在网架结构中的游离水， 减小了 钻井液流动时的内摩擦阻力， 从而起到降粘作用。 一 般多糖类材料的耐温极限在 1 2 0 oC 左右 【1 9 ] ， 其在 钻井液中的作用机理为 多糖类化合物分子中的环 醇羟基能吸附在钻井液中的带负电的黏土表面， 增 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 l 0期 高起龙等 香蕉皮制备绿色钻井液处理剂的作用效能研究 9 由表 4 可见， 相对于改性淀粉处理钻井液， 向 其加入香蕉皮粉末后钻井液的表观粘度、 塑性粘 度分别减少 2 ．3 m P a s 、 3 ．6 m P a s ， 动切力、 动塑比 均增大， p H减小， 电导率增大， 滤饼润滑性明显改 善， 滤失量降低了 2 ． 2 m L ， 说 明香蕉皮粉末在改性 淀粉体系钻井液 中表现出良好降粘、 降滤失和润 滑作用； 相对于聚丙酰胺处理钻井液， 向其加入香 蕉皮粉末后钻井液的表观粘度保持不变、 塑性粘 度 减少 0 ． 6 m P a s ， 动 切力 、 动 塑 比均 增 大 ， p H减 小， 电导率增大， 滤饼润滑性明显改善， 滤失量降低 1 ．8 m L ， 说明香蕉皮粉末在聚丙烯酰胺体系钻井液 中表现出降滤失和润滑作用； 相对于 K D 一 0 3 处理 钻井液， 向其加人香蕉皮粉末后钻井液的表观粘度 增大 2 ．3 m P a S ， 塑性粘度保持不变， 动切力增大， 动塑 比减小 ， p H减小 ， 电导率增大 ， 滤饼润 滑性变 差， 滤失量降低 0 ． 8 m L ， 说 明香蕉皮粉末在 K D 一 0 3 体系钻井液中表现出增粘、 降滤失作用； 相对于杂 多糖 甙配方处理钻井液 ， 向其加入香蕉皮粉末后钻 井液的表观粘度减小 2 ． 8 m P a s ， 塑性粘度保持不 变 ， 动切力 、 动塑 比均减小 且动塑 比值在经 验范 围 【0 ．4 8 P a m P a s ] 以内， p H减小， 电导率增大， 滤 饼润滑性变差 ， 滤失量降低 0 ．2 m L ， 说明香蕉皮粉末 在杂多糖甙配方体系钻井液中表现出降粘作用。 3 结论 1 随着香蕉皮粉末加量 的增加 ， 基浆的表观粘 度和塑性粘度先减小后增大， 降滤失效果 明显变好。 2 随着老化温度的升高， 香蕉皮粉末处理水 基钻井液粘度先增大后减小 ； 香蕉皮粉末在水基钻 井液中降滤失作用逐渐减弱， 大于 1 5 0 oC 之后几乎 失去降滤失作用。 3 香蕉皮水提取液对膨润土的水化膨胀表现 出一定的抑制性 ， 优于 4 ％ K C 1 溶液 ； 其香蕉皮水提 取液浓度越大 ， 抑制效果越好 。 香蕉皮粉末在改性淀粉体系钻井液中表现出良 好降粘、 降滤失和润滑作用， 在聚丙烯酰胺体系钻井 液中表现出降滤失和润滑作用， 在 K D 一 0 3 体系钻井 液中表现出增粘、 降滤失作用； 在杂多糖甙配方体系 钻井液中表现出降粘作用。 参考文献 【 1 ]鲍金勇 ，赵国建 ，梁淑如，等 ． 香蕉皮多酚氧化酶和过 氧化物酶特性的研究 [ J 】 ． 食品科技，2 0 0 5 1 1 1 7 2 0 ． 【 2 ]鲍金勇，赵国建 ，杨公明 ． 我国水果果皮的利用现状和 前景 [ J ] ． 食品研究开发，2 0 0 5 ，2 6 6 1 8 6 ． 1 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r e i n t r o d u c e d ． P l asti c a d d i t i v e s and l e a the r f a t l i q u o r s we r e the b e s t d e 印 p r o c e s s - i n g p r o j e c t s f o r b i o d i e s e l p l ant ． Ke y wo r d s b i o d i e s e l ；d e e p p r o c e s s i n g ；r e a c t i o n s ； d e r i v a t i v e s ；a p p l i c a t i o n s 上接第9 页 Pr e pa r e a n d Ev a l u a t i o n o f M u s a n a n a l o u r Pe e l a s Gr e e n Dr i l l i n g Fl ui d Ad di t i v e G AO ai ． 1 o n g 1 ． MA F e n g - y u n i ． Z H A NG J i a n - j i a 1 ． C HE N Ga n g 1 ． Z HA O J i n g - r u f , XUR e n - j u n 2 1 ． Co l l e g e o fC h e mi s t r y a n d Ch e mi c a l E n g i n e e r i n g ， Xi a l l S h i y o u Un i v e r s i t y , Xi ’ a l l 7 1 0 0 6 5 ， Ch i n a ； 2 ． S h a a n x i Y an c h an g Pe t r o l e u m O i l fi e l d C h e mi c a l T e c h n o l o gy C o ． L t d ． ， Y an ’ a l l 7 1 7 4 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th ep o wd e r o f Mu s a n a n a l o u r p e e l wa s u s e d a swa t e r - b ase d d r i l l i n gfl u i da d d i c ti v e ． a n dthep e r f o r ma n c eo fd r i l l ingfl u i d swi th M u s a n a n a l o u r p e e l Was e v a l u a t e d ． Th e r e s u l t s s h o we dtha t Mu s a n a n a l o u r p e e l p e r f o r me d ag r e a t e ff e c t o f r e d u c ingfl u i dl o s s ． As thel x e a t - me n t t e mp e r a t u r einc r e ase d ， a p p a r e n t v i s c o s i ty andp l asti cv i s c o s i ty Was fi r s t l yinc r e ase d a n dthe n r e d u c e d , thefi l t r a ti o n r e d u c ti o nwe a k e n andWa S inv a l i d a b o v e 1 5 0 C． T h e r e s u l t s o fl ine a r b e n t o n i te s we l l ing e x p e r i me n t andmu db a l l e x p e r i me n t p r e s ent e dt h a t wa t e re x t r a c t o f Mu s a n a n a l o u r p e e l c o u l di n h i b i t h y d r a ti o nand s we l li n g o f c l a y矗 1 0 n gwi th the c o n c ent r a ti o n ， e x c e l l e dt otha t o f 4 ％ KC1 s o l u ti o n ． Th ere- s u i t so fc o mp a t i b i l i ty with c o mmo nd r i l l i n gfl u i da d d i ti v e s s h o we dt h a t c o mp any i n gwith mo d i fi ed s t a r c hthep o wd er o fMu s a n a n a l o u r p e e l p l a y a e x c e l l e n t r o l e o f v i s c o s i ty andfi l t r a ti o n r e d u c ti o n a n dl u b ri c a ti o n c o mp any i n gwith mo d i fi ed s t a r c h ， fi l t r a ti o n r e d u c ti o nandhb r i c a - t i o n c o mp any i n gwith P AM， v i s c o s i ty inc r e a s eandfi l t r a t i o n r e d u c ti o n c o mp any i n gwi th KD一 0 3 ， andv i sco s i ty red u c ti o n c o mp any i n gwi th f o r mu l a o f h e t e mp o l y s a c c h a r i d e in J i d o n g o i l fi e l d ． Ke y wo r d s Mu s a n a n a l o u r p e e l ； wa t er- b a s ed d r i l l i n g fl u i d s ； a d d iti v e ； fi l t r a ti o n r e d u c ti o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m