压裂返排液煤沥青浆体燃料的成浆性能及机制研究

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随着油田压裂作业的不断进行,压裂返排液作为压裂后产生的废液,造成了水资源的大量浪费和环境的严重污染。同时随着炼焦工业的不断发展,煤沥青产量逐年增大,但其利用率不足的问题,严重影响了煤炭资源的利用效率。本研究利用压裂返排液直接制备煤沥青浆体燃料,通过考察返排液组成、煤沥青浆体成浆性质,返排液组分对煤沥青浆体性质影响,掌握压裂返排液煤沥青浆体的成浆特性,并考察了分散剂在煤沥青表面的吸附特性,进而分析分散剂吸附机理,通过扩展的DLVO理论从计算的角度明晰在压裂返排液煤沥青浆体的成浆机制,为降低压裂返排液的处理成本,提高煤沥青在石油开采和煤化工中的利用率提供了理论依据。主要研究如下。(1)对长庆和宁夏压裂返排液进行了组分测定,测定结果表明,长庆和宁夏返排液中除含有大量阴、阳离子之外,可溶性胍胶含量分别为135.69 mg/L、54.31 mg/L,油类物质含量分别为189.58 mg/L、247.4 mg/L。随后分别利用长庆、宁夏返排液和聚羧酸减水剂(PS)、甲基萘磺酸钠甲醛缩合物(MF)与十二胺聚氧乙烯醚(AC-1215)进行煤沥青浆体制备。研究表明:压裂返排液由于组分复杂,不利于煤沥青浆体成浆;压裂返排液的加入可以提高浆体的稠化系数,降低浆体的流变指数,提高浆体的假塑性,更有利于工业应用;返排液的加入可以明显提高煤沥青浆体的稳定性,有利于运输和储存。压裂返排液组分会对煤沥青浆体性质产生影响,返排液中的阳离子和可溶性胍胶不利于成浆,但可以提高浆体稳定性;油类物质则有利于提高成浆性,但降低浆体稳定性。(2)研究了压裂返排液环境下,PS、MF和AC-1215分散剂在煤沥青表面的吸附量和吸附行为。结果表明,返排液中三种分散剂的吸附行为符合Langmuir模型,属于单分子层吸附,AC-1215的吸附量最大,为26.35 mg/g。MF的吸附过程遵循准二级动力学模型,由多个吸附阶段控制,其中化学吸附占主导地位,对于吸附速率K2,阳离子的加入会提高环境中离子量,与MF发生竞争吸附,降低K2,油类物质则会通过占据吸附位点,与MF吸附竞争,导致K2降低,胍胶则会提高K2。(3)研究了返排液环境下煤沥青浆体的成浆机制,Zeta电位测试结果表明,三种分散剂的绝对值大小为“PS>MF>AC-1215”。接触角结果表明,煤沥青表面接触角为102.4°,加入PS,MF,AC-1215分散剂后,接触角可以分别降至58.7°、63.6°以及54.7°。微观形貌观测可知,原始煤沥青颗粒表面光滑,加入返排液和分散剂后,表面变得粗糙,宏观分散效果为“AC-1215>PS>MF”。基于扩展的DLVO理论计算表明,未加入分散剂的压裂返排液煤沥青浆体中,煤沥青颗粒之间的总相互作用能小于0,说明不能稳定分散。加入分散剂后引入了空间稳定能,煤沥青颗粒之间总相互作用能大于0,表现为排斥能,煤沥青颗粒可以稳定分散,且总相互作用能大小关系为“AC-1215>PS>MF”,与浆体稳定性和宏观浆体分散效果一致,说明加入分散剂后煤沥青浆体中的空间稳定能对浆体分散起关键作用。
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