油基鉆井液乳化劑HLB值的測定

吳 嬌 王昌軍

(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434000)

前言

目前我國在頁巖氣開采過程中，采用的油基鉆井液大多數(shù)都是油包水鉆井液[1]。從熱力學(xué)觀點(diǎn)來看，油包水鉆井液是一種不穩(wěn)定體系，在鉆井中始終存在乳化失效的危險(xiǎn)［2］，決定體系穩(wěn)定性的最主要原因是乳化劑。

油水乳化劑的主要作用是將水和油兩種互不相容的液體，經(jīng)過乳化作用后形成水是分散相、油是連續(xù)相的乳狀液。絕大部分油包水鉆井液乳化劑都是油溶性表面活性劑，其HLB值（即親水親油平衡值）一般都在3.5～6之間。但是為了形成密堆復(fù)合膜，達(dá)到增強(qiáng)乳化效果的目的，有時(shí)也采用HLB值大于7的表面活性劑作輔乳化劑。主輔乳的共同作用，將會(huì)降低油水界面張力、增強(qiáng)界面膜強(qiáng)度，從而保持鉆井液體系穩(wěn)定。

1 乳化劑評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)

1.1 HLB值的概念

任何表面活性劑分子的結(jié)構(gòu)中，既含有親水基也含有疏水基。HLB(Hygrophile-Lipophile Balance)即為親水親油平衡值，是衡量表面活性劑在溶液中的性質(zhì)的一個(gè)定量指標(biāo)，它是分子中親油的和親水的這 2個(gè)相反的基的大小和力量的平衡，是表明表面活性劑親水能力的一個(gè)重要參數(shù)?！盵3]

表面活性劑在不同性質(zhì)溶液中所表現(xiàn)出來的活性，可由其HLB值來表示。HLB值越低，表面活性劑親油性越強(qiáng)；HLB值越高，表面活性劑親水性越強(qiáng)。一般地，HLB值大于10則表面活性劑親水性好，HLB小于10則表面活性劑親油性好。HLB值可以作為選擇和使用表面活性劑的一個(gè)定量指標(biāo)，同時(shí)，根據(jù)表面活性劑的HLB值，也可以推斷某種表面活性劑可用于何種用途或用于設(shè)計(jì)合成新的表面活性劑的計(jì)算指標(biāo)[4]。

1.2 大致判斷待測樣品HLB值范圍

非離子表面活性劑HLB值及其溶解性對(duì)應(yīng)的關(guān)系如表1所示，根據(jù)所求表面活性劑的HLB值判斷其在水中溶解性大小，亦可根據(jù)表面活性劑在水中的溶解性確定HLB值的大致范圍。[5]

表1 HLB值估計(jì)范圍

2 乳化劑HLB值測定實(shí)驗(yàn)

2.1 材料與儀器

松節(jié)油（HLB=16）、標(biāo)準(zhǔn)司盤85(HLB=1.8)、標(biāo)準(zhǔn)吐溫60(HLB=14.9)均為分析純，棉籽油（待測），長江大學(xué)乳化劑系列，M1乳化劑系列，M2乳化劑系列，蒸餾水。

LG-204型電子天平，SHZ-82數(shù)顯水浴恒溫振蕩器。

2.2 乳化劑HLB值的測定方法

混合表面活性劑的 HLB值具有加和性。 A，B兩種表面活性劑混合之后的HLB值為：

HLB=HLBA·A%+HLBB·B%

2.2.1 基準(zhǔn)油HLB值的測定

根據(jù)參考資料，一般棉籽油的 HLB值為5～7，選取 5.0,5.5,6.0,6.5,7.0作為參照標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出吐溫60、司盤85配置比例，并根據(jù)要求配出5g復(fù)合乳化劑樣品。

實(shí)驗(yàn)配方：5%（吐溫60+司盤85）+15%棉籽油+80%蒸餾水。

實(shí)驗(yàn)方法（下同）： 在100ml三角燒瓶中按順序配好試劑后，放入振蕩器中震蕩3h，分別取出三角燒瓶，移入100ml具塞量筒中靜置，在不同時(shí)間觀察，記錄分離出來的水量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：根據(jù)分層現(xiàn)象，乳化層厚度大，乳狀液穩(wěn)定，判斷該棉籽油 HLB值為5.5。

2.2.2 親油型乳化劑HLB值的測定

選取棉籽油為固定油相，取乳化劑+吐溫60配成復(fù)合乳化劑，選取1.0,1.5,2.0…5.0作為參照標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出相應(yīng)的乳化劑、吐溫60配置比例，并根據(jù)要求配出5g復(fù)合乳化劑樣品。

實(shí)驗(yàn)配方：①親油型（HLB值為1～5）： 15%棉籽油+5%（乳化劑+吐溫60）+80%蒸餾水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 親油型乳化劑HLB值測定

2.2.3 親水型乳化劑HLB值的測定

選取棉籽油、松節(jié)油作為標(biāo)準(zhǔn)油，根據(jù)需要配置成不同比例的混合油相。選取6.0，6.5...15.5，作為參照標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)要求配出15g標(biāo)準(zhǔn)混合油樣品，待用。

實(shí)驗(yàn)配方：親水型（HLB值為6～15）： 15%（棉籽油+松節(jié)油）+5%乳化劑+80%蒸餾水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 親水型乳化劑HLB值測定

3 結(jié)論

（1）M1、M2、長江大學(xué)的主乳HLB值分別為4.5、3.5、3，都是親油型乳化劑，輔乳HLB值分別為10、4、12.5，M1和長江大學(xué)的輔乳為親水型乳化劑。M2公司的輔乳為親油型乳化劑；

（2）通過宏觀實(shí)驗(yàn)和乳狀液微觀乳化現(xiàn)象看出：用于油包水鉆井液的主乳化劑屬于親油型表面活性劑，HLB值在3～5之間；為了形成密堆復(fù)合膜，輔乳化劑的HLB值有時(shí)會(huì)大于7，表現(xiàn)為親水型。

[1]康毅力,楊斌,游利軍,等.油基鉆井完井液對(duì)頁巖儲(chǔ)層保護(hù)能力評(píng)價(jià)[J]天然氣工業(yè),2013,33(12):99-104.

[2]李哲: 抗高溫油基鉆井液體系的研制［D］: 青島: 中國石油大學(xué)( 華東) ，2011:1-2.

[3]劉程.表面活性劑應(yīng)用大全(修訂版)[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,1997.

[4]李玲.表面活性劑與納米技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[5]杜巧云,葛虹.表面活性劑基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].中國石化出版社,1996:P19-P20.