三、結果與討論

1、乳液及組分的降解性

普遍認為，生物耗氧量（BOD5）與化學耗氧量（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%不同內相鹽溶液配製乳液的BOD5及CODCr，結果如表1所示。與其它乳化劑相比，BIO-EMUL、BIO-COAT屬於較易降解材料，這可能是因為這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、苯環等難降解成分。乙酸鈉的降解性優於甲酸鈉、氯化鈣，因此選用乙酸鈉溶液作為環保非水基鑽井液的分散相。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，這可能是因為BIO-OIL的支鏈烷烴多，降解更容易，因此可作為環保非水基鑽井液的連續相。乳液體係的降解性實驗表明，以氯化鈣溶液為內相的3#白油乳液體係的降解性最差，以甲酸鈉溶液為內相的乳液降解性能一般，以乙酸鈉溶液+BIO-OIL配製的環保非水基鑽井液乳液的BOD5/CODcr值為0.26，屬於較易降解體係。

同時，為研究乳液體係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*配方乳液體係的BOD5隨測試時間的變化，結果如圖1所示。由圖1可知，在1.25d內，乙酸鈉的BOD5最高，分解較快，但是BIO-OIL在1.5d後的BOD5增加明顯，分解速度加快，這可能是因為基液中長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耗氧量明顯增大。15*配方乳液體係的BOD5變化趨勢與BIO-OIL的趨勢一致，說明體係的降解速度主要由BIO-OIL決定。

表1降解性數據注：標*的樣品配方為：240 mL基液+20 g/L BIO-EMUL+15 g/L BIO-COAT+60 mL內相鹽溶液。

圖1 BIO-OIL、乙酸鈉溶液、環保非水基鑽井液乳液BOD5隨測試時間的變化

2、乳液及組分的生物毒性

生物毒性評價是評估鑽井液體係對環境潛在汙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以及配製乳液的生物毒性，檢測結果見表2。以孵化20～24h的鹵蟲幼體為實驗對象，研究96h內造成50%受試生物死亡的樣品濃度，即半數致死濃度LC50。LC50越大，說明生物耐受濃度越大，樣品的環保性越好。由表2可見，構建的環保非水基鑽井液乳液及組成材料都屬於生物毒性合格範疇。

表2環保非水基鑽井液乳液組分及體係的生物毒性

3、乳狀液的穩定性

乳化效率是檢測乳化劑能否形成穩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定性，結果見圖2、圖3。由圖2、圖3可見，BIO-EMUL單獨作為乳化劑時，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，說明乳液穩定性增強。當BIO-COAT加量為15g/L時，所生成的乳液靜置300min後的乳化效率大於95%，說明BIO-EMUL與BIO-COAT複配使用，共同吸附到油水界麵，可形成穩定的乳液。

4、BIO-EMUL、BIO-COAT在油/水界麵吸附

界麵分析是最直接反映表麵活性劑分子界麵吸附行為的有效手段。振蕩頻率對20 g/LBIO-EMUL+15g/L BIO-COAT複配乳化劑溶液與BIO-OIL的界麵張力的影響如圖4所示，對界麵模量的影響如圖5所示。由圖4可見，隨著振蕩頻率的減小，界麵張力從5.3mN/m增至6.6mN/m。這可能是因為振蕩頻率較低時，表麵活性劑分子在界麵層的吸附量較多，界麵張力較低；隨著振蕩頻率的增大，表麵活性劑分子不停地從體相向界麵擴散，使得吸附-解吸附過程加快，造成界麵張力有所下降。但是最高界麵張力與最低界麵張力的差值僅1.3mN/m，說明複配乳化劑能在高頻幹擾下保持較好的油水界麵吸附能力，有利於乳液的穩定。由圖5可見，隨著振蕩頻率的減小，複配體係的擴張模量、彈性模量、黏性模量均呈上升趨勢。這可能是因為周期性振蕩的增強，增強了分子運動，促進了表麵活性劑分子的碰撞，增強了分子間相互作用力，表現出較強的界麵模量。而且，彈性模量與擴張模量幾乎重合，說明形成的界麵膜以彈性為主。

5、鑽井液體係性能

以BIO-EMUL為主乳化劑，BIO-COAT為輔乳化劑、BIO-OIL為基液，乙酸鈉為內相溶液，構建了基礎配方為：280mLBIO-OIL+20g/L BIO-EMUL+15g/L BIO-COAT+25g/LPF-MOALK+30g/LPF-MOGEL+70mL質量分數為20%的乙酸鈉溶液+30g/LPF-MOHFR+5g/LPF-MOVIS的環保非水基鑽井液，以下研究該體係的基本性能及抗汙染能力。

（1）密度、老化溫度對鑽井液性能影響

利用重晶石對鑽井液的密度進行調節，評價不同密度條件下體係的綜合性能，結果見表3。由表3可見，構建的環保非水基鑽井液在120～180℃範圍內具有較好的穩定性，密度為1.8g/cm3時，鑽井液體係破乳電壓在1000V以上，體係具有良好的流變性及高溫高壓濾失量。但是當老化溫度高於200℃後，鑽井液的黏度明顯增加，高溫高壓濾失量變大。這可能是因為BIO-EMUL與BIO-COAT屬於脂肪酸及其酯類衍生物表麵活性劑，高溫造成了表麵活性劑的降解及油/水界麵的解吸附。

（2）油水比對鑽井液性能影響

在明確BIO-EMUL、BIO-COAT、BIO-OIL、乙酸鈉溶液能構建環保非水基鑽井液基礎上，考察油水比對鑽井液（密度為1.5g/cm3，150℃下滾動老化16h）性能的影響，實驗結果如表4所示。由表4可見，隨著油水比的增大，鑽井液的黏度下降，破乳電壓上升。這可能是因為隨著分散相的減少，乳化液滴粒徑變小，內摩擦減少，導致黏度下降。在相同乳化劑加量時，分散相的減少造成體係中遊離乳化劑以及油/水界麵吸附乳化劑增多，破乳電壓上升。另外，也說明該體係具有70∶30～90∶10較寬油水比適用範圍。

（3）汙染對鑽井液性能影響

采用現場鑽屑（過100目篩）和模擬海水對構建的環保非水基鑽井液進行抗汙染性評價，實驗結果見表5。從表5可以看出，隨著鑽屑汙染量的增加，體係的黏度變化幅度不大，動切力幾乎無變化，說明體係抗鑽屑汙染能力很強。隨著模擬海水的加入，鑽井液黏度上升，破乳電壓下降，加入150g/L的海水後鑽井液的破乳電壓降至440 V，但是高溫高壓濾失量仍然低於5mL，說明鑽井液仍然是乳化穩定體係，抗海水汙染能力強。

表3密度、溫度對鑽井液性能的影響

表4油水比對鑽井液性能的影響

表5汙染對鑽井液性能的影響

四、結論與認識

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，乙酸鈉為內相鹽溶液，構建了環保非水基鑽井液乳液，該體係生物毒性LC50為28200 mg/L，BOD5/CODcr為0.26，屬於環保易降解體係。

BIO-EMUL和BIO-COAT形成乳液的乳化效率高，電穩定性良好。油/水界麵上周期性振蕩的增強，增強了分子運動，促進表麵活性劑分子的碰撞，液滴表現出較強的界麵模量。彈性模量與擴張模量幾乎重合，說明形成的界麵膜以彈性為主，證明了BIO-EMUL和BIO-COAT能形成穩定油包水乳液。

構建的環保非水基鑽井液，適用油/水比範圍寬，抗汙染能力強，抗溫達180℃，可用於環保要求嚴格的作業區域。但是難以應對溫度高於180℃井的作業需求，因此，仍需繼續研究抗溫性更強的環保乳化劑來滿足作業需求。

環保非水基鑽井液界麵張力、基本性能和抗汙染能力——前言、實驗部分

環保非水基鑽井液界麵張力、基本性能和抗汙染能力——結果與討論、結論與認識