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環(huán)保非水基鉆井液界面張力、基本性能和抗污染能力——結(jié)果與討論、結(jié)論與認(rèn)識
來源：油田化學(xué)、油媒方 瀏覽 1200 次 發(fā)布時(shí)間:2024-08-29
三、結(jié)果與討論
1、乳液及組分的降解性
普遍認(rèn)為，生物耗氧量（BOD5）與化學(xué)耗氧量（CODCr）比值為0.25是降解難易程度的分界線，代表了材料的降解性。測試了BIO-EMUL、BIO-COAT、PF-FSEMUL、PF-FSCOAT、PF-FSWET、氯化鈣、甲酸鈉、乙酸鈉、3#白油、Saraline185V油、BIO-OIL以及不同基液+20g/LBIO-EMUL+15g/LBIO-COAT+20%不同內(nèi)相鹽溶液配制乳液的BOD5及CODCr，結(jié)果如表1所示。與其它乳化劑相比，BIO-EMUL、BIO-COAT屬于較易降解材料，這可能是因?yàn)檫@兩種乳化劑為植物油酸及其酯類衍生物，組成中不包含雜環(huán)、苯環(huán)等難降解成分。乙酸鈉的降解性優(yōu)于甲酸鈉、氯化鈣，因此選用乙酸鈉溶液作為環(huán)保非水基鉆井液的分散相。加氫合成的BIO-OIL的BOD5/CODcr值比Saraline185V油、3#白油更高，具有更好的降解性，這可能是因?yàn)锽IO-OIL的支鏈烷烴多，降解更容易，因此可作為環(huán)保非水基鉆井液的連續(xù)相。乳液體系的降解性實(shí)驗(yàn)表明，以氯化鈣溶液為內(nèi)相的3#白油乳液體系的降解性最差，以甲酸鈉溶液為內(nèi)相的乳液降解性能一般，以乙酸鈉溶液+BIO-OIL配制的環(huán)保非水基鉆井液乳液的BOD5/CODcr值為0.26，屬于較易降解體系。
同時(shí)，為研究乳液體系降解性的決定性因素，考察了BIO-OIL，20%乙酸鈉溶液及表1中15*配方乳液體系的BOD5隨測試時(shí)間的變化，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，在1.25d內(nèi)，乙酸鈉的BOD5最高，分解較快，但是BIO-OIL在1.5d后的BOD5增加明顯，分解速度加快，這可能是因?yàn)榛褐虚L分子鏈分解成小分子的過程耗氧量較少，分解生成的小分子再分解時(shí)耗氧量明顯增大。15*配方乳液體系的BOD5變化趨勢與BIO-OIL的趨勢一致，說明體系的降解速度主要由BIO-OIL決定。
表1降解性數(shù)據(jù)注：標(biāo)*的樣品配方為：240 mL基液+20 g/L BIO-EMUL+15 g/L BIO-COAT+60 mL內(nèi)相鹽溶液。
圖1 BIO-OIL、乙酸鈉溶液、環(huán)保非水基鉆井液乳液BOD5隨測試時(shí)間的變化
2、乳液及組分的生物毒性
生物毒性評價(jià)是評估鉆井液體系對環(huán)境潛在污染和毒性危害的直接手段。分別檢測了BIO-EMUL、BIO-COAT、乙酸鈉，BIO-OIL以及配制乳液的生物毒性，檢測結(jié)果見表2。以孵化20～24h的鹵蟲幼體為實(shí)驗(yàn)對象，研究96h內(nèi)造成50%受試生物死亡的樣品濃度，即半數(shù)致死濃度LC50。LC50越大，說明生物耐受濃度越大，樣品的環(huán)保性越好。由表2可見，構(gòu)建的環(huán)保非水基鉆井液乳液及組成材料都屬于生物毒性合格范疇。
表2環(huán)保非水基鉆井液乳液組分及體系的生物毒性
3、乳狀液的穩(wěn)定性
乳化效率是檢測乳化劑能否形成穩(wěn)定乳液最直接的方式。在油水比為80∶20的條件下，固定主乳化劑BIO-EMUL加量為20g/L，考察了不同輔乳化劑BIO-COAT加量下乳液的乳化效率及電穩(wěn)定性，結(jié)果見圖2、圖3。由圖2、圖3可見，BIO-EMUL單獨(dú)作為乳化劑時(shí)，所生成乳液的乳化效率較低，破乳電壓（ES）僅112V，隨著BIO-COAT加量的增大，乳液的乳化效率增大，ES增至350V左右，說明乳液穩(wěn)定性增強(qiáng)。當(dāng)BIO-COAT加量為15g/L時(shí)，所生成的乳液靜置300min后的乳化效率大于95%，說明BIO-EMUL與BIO-COAT復(fù)配使用，共同吸附到油水界面，可形成穩(wěn)定的乳液。
4、BIO-EMUL、BIO-COAT在油/水界面吸附
界面分析是最直接反映表面活性劑分子界面吸附行為的有效手段。振蕩頻率對20 g/LBIO-EMUL+15g/L BIO-COAT復(fù)配乳化劑溶液與BIO-OIL的界面張力的影響如圖4所示，對界面模量的影響如圖5所示。由圖4可見，隨著振蕩頻率的減小，界面張力從5.3mN/m增至6.6mN/m。這可能是因?yàn)檎袷庮l率較低時(shí)，表面活性劑分子在界面層的吸附量較多，界面張力較低；隨著振蕩頻率的增大，表面活性劑分子不停地從體相向界面擴(kuò)散，使得吸附-解吸附過程加快，造成界面張力有所下降。但是最高界面張力與最低界面張力的差值僅1.3mN/m，說明復(fù)配乳化劑能在高頻干擾下保持較好的油水界面吸附能力，有利于乳液的穩(wěn)定。由圖5可見，隨著振蕩頻率的減小，復(fù)配體系的擴(kuò)張模量、彈性模量、黏性模量均呈上升趨勢。這可能是因?yàn)橹芷谛哉袷幍脑鰪?qiáng)，增強(qiáng)了分子運(yùn)動，促進(jìn)了表面活性劑分子的碰撞，增強(qiáng)了分子間相互作用力，表現(xiàn)出較強(qiáng)的界面模量。而且，彈性模量與擴(kuò)張模量幾乎重合，說明形成的界面膜以彈性為主。
5、鉆井液體系性能
以BIO-EMUL為主乳化劑，BIO-COAT為輔乳化劑、BIO-OIL為基液，乙酸鈉為內(nèi)相溶液，構(gòu)建了基礎(chǔ)配方為：280mLBIO-OIL+20g/L BIO-EMUL+15g/L BIO-COAT+25g/LPF-MOALK+30g/LPF-MOGEL+70mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的乙酸鈉溶液+30g/LPF-MOHFR+5g/LPF-MOVIS的環(huán)保非水基鉆井液，以下研究該體系的基本性能及抗污染能力。
（1）密度、老化溫度對鉆井液性能影響
利用重晶石對鉆井液的密度進(jìn)行調(diào)節(jié)，評價(jià)不同密度條件下體系的綜合性能，結(jié)果見表3。由表3可見，構(gòu)建的環(huán)保非水基鉆井液在120～180℃范圍內(nèi)具有較好的穩(wěn)定性，密度為1.8g/cm3時(shí)，鉆井液體系破乳電壓在1000V以上，體系具有良好的流變性及高溫高壓濾失量。但是當(dāng)老化溫度高于200℃后，鉆井液的黏度明顯增加，高溫高壓濾失量變大。這可能是因?yàn)锽IO-EMUL與BIO-COAT屬于脂肪酸及其酯類衍生物表面活性劑，高溫造成了表面活性劑的降解及油/水界面的解吸附。
（2）油水比對鉆井液性能影響
在明確BIO-EMUL、BIO-COAT、BIO-OIL、乙酸鈉溶液能構(gòu)建環(huán)保非水基鉆井液基礎(chǔ)上，考察油水比對鉆井液（密度為1.5g/cm3，150℃下滾動老化16h）性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可見，隨著油水比的增大，鉆井液的黏度下降，破乳電壓上升。這可能是因?yàn)殡S著分散相的減少，乳化液滴粒徑變小，內(nèi)摩擦減少，導(dǎo)致黏度下降。在相同乳化劑加量時(shí)，分散相的減少造成體系中游離乳化劑以及油/水界面吸附乳化劑增多，破乳電壓上升。另外，也說明該體系具有70∶30～90∶10較寬油水比適用范圍。
（3）污染對鉆井液性能影響
采用現(xiàn)場鉆屑（過100目篩）和模擬海水對構(gòu)建的環(huán)保非水基鉆井液進(jìn)行抗污染性評價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。從表5可以看出，隨著鉆屑污染量的增加，體系的黏度變化幅度不大，動切力幾乎無變化，說明體系抗鉆屑污染能力很強(qiáng)。隨著模擬海水的加入，鉆井液黏度上升，破乳電壓下降，加入150g/L的海水后鉆井液的破乳電壓降至440 V，但是高溫高壓濾失量仍然低于5mL，說明鉆井液仍然是乳化穩(wěn)定體系，抗海水污染能力強(qiáng)。
表3密度、溫度對鉆井液性能的影響
表4油水比對鉆井液性能的影響
表5污染對鉆井液性能的影響
四、結(jié)論與認(rèn)識
以植物油酸及其酯類衍生物BIO-EMUL、BIO-COAT為乳化劑，以BIO-OIL為基液，乙酸鈉為內(nèi)相鹽溶液，構(gòu)建了環(huán)保非水基鉆井液乳液，該體系生物毒性LC50為28200 mg/L，BOD5/CODcr為0.26，屬于環(huán)保易降解體系。
BIO-EMUL和BIO-COAT形成乳液的乳化效率高，電穩(wěn)定性良好。油/水界面上周期性振蕩的增強(qiáng)，增強(qiáng)了分子運(yùn)動，促進(jìn)表面活性劑分子的碰撞，液滴表現(xiàn)出較強(qiáng)的界面模量。彈性模量與擴(kuò)張模量幾乎重合，說明形成的界面膜以彈性為主，證明了BIO-EMUL和BIO-COAT能形成穩(wěn)定油包水乳液。
構(gòu)建的環(huán)保非水基鉆井液，適用油/水比范圍寬，抗污染能力強(qiáng)，抗溫達(dá)180℃，可用于環(huán)保要求嚴(yán)格的作業(yè)區(qū)域。但是難以應(yīng)對溫度高于180℃井的作業(yè)需求，因此，仍需繼續(xù)研究抗溫性更強(qiáng)的環(huán)保乳化劑來滿足作業(yè)需求。