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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 225 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(dòng),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(dòng)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(dòng)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(dòng),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。