油基钻井液乳化剂HLB值的测定

吴 娇 王昌军

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434000)

前言

目前我国在页岩气开采过程中，采用的油基钻井液大多数都是油包水钻井液[1]。从热力学观点来看，油包水钻井液是一种不稳定体系，在钻井中始终存在乳化失效的危险［2］，决定体系稳定性的最主要原因是乳化剂。

油水乳化剂的主要作用是将水和油两种互不相容的液体，经过乳化作用后形成水是分散相、油是连续相的乳状液。绝大部分油包水钻井液乳化剂都是油溶性表面活性剂，其HLB值（即亲水亲油平衡值）一般都在3.5～6之间。但是为了形成密堆复合膜，达到增强乳化效果的目的，有时也采用HLB值大于7的表面活性剂作辅乳化剂。主辅乳的共同作用，将会降低油水界面张力、增强界面膜强度，从而保持钻井液体系稳定。

1 乳化剂评价方法和指标

1.1 HLB值的概念

任何表面活性剂分子的结构中，既含有亲水基也含有疏水基。HLB(Hygrophile-Lipophile Balance)即为亲水亲油平衡值，是衡量表面活性剂在溶液中的性质的一个定量指标，它是分子中亲油的和亲水的这 2个相反的基的大小和力量的平衡，是表明表面活性剂亲水能力的一个重要参数。”[3]

表面活性剂在不同性质溶液中所表现出来的活性，可由其HLB值来表示。HLB值越低，表面活性剂亲油性越强；HLB值越高，表面活性剂亲水性越强。一般地，HLB值大于10则表面活性剂亲水性好，HLB小于10则表面活性剂亲油性好。HLB值可以作为选择和使用表面活性剂的一个定量指标，同时，根据表面活性剂的HLB值，也可以推断某种表面活性剂可用于何种用途或用于设计合成新的表面活性剂的计算指标[4]。

1.2 大致判断待测样品HLB值范围

非离子表面活性剂HLB值及其溶解性对应的关系如表1所示，根据所求表面活性剂的HLB值判断其在水中溶解性大小，亦可根据表面活性剂在水中的溶解性确定HLB值的大致范围。[5]

表1 HLB值估计范围

2 乳化剂HLB值测定实验

2.1 材料与仪器

松节油（HLB=16）、标准司盘85(HLB=1.8)、标准吐温60(HLB=14.9)均为分析纯，棉籽油（待测），长江大学乳化剂系列，M1乳化剂系列，M2乳化剂系列，蒸馏水。

LG-204型电子天平，SHZ-82数显水浴恒温振荡器。

2.2 乳化剂HLB值的测定方法

混合表面活性剂的 HLB值具有加和性。 A，B两种表面活性剂混合之后的HLB值为：

HLB=HLBA·A%+HLBB·B%

2.2.1 基准油HLB值的测定

根据参考资料，一般棉籽油的 HLB值为5～7，选取 5.0,5.5,6.0,6.5,7.0作为参照标准，计算出吐温60、司盘85配置比例，并根据要求配出5g复合乳化剂样品。

实验配方：5%（吐温60+司盘85）+15%棉籽油+80%蒸馏水。

实验方法（下同）： 在100ml三角烧瓶中按顺序配好试剂后，放入振荡器中震荡3h，分别取出三角烧瓶，移入100ml具塞量筒中静置，在不同时间观察，记录分离出来的水量。

实验结果：根据分层现象，乳化层厚度大，乳状液稳定，判断该棉籽油 HLB值为5.5。

2.2.2 亲油型乳化剂HLB值的测定

选取棉籽油为固定油相，取乳化剂+吐温60配成复合乳化剂，选取1.0,1.5,2.0…5.0作为参照标准，计算出相应的乳化剂、吐温60配置比例，并根据要求配出5g复合乳化剂样品。

实验配方：①亲油型（HLB值为1～5）： 15%棉籽油+5%（乳化剂+吐温60）+80%蒸馏水。实验结果见表2。

表2 亲油型乳化剂HLB值测定

2.2.3 亲水型乳化剂HLB值的测定

选取棉籽油、松节油作为标准油，根据需要配置成不同比例的混合油相。选取6.0，6.5...15.5，作为参照标准，并根据要求配出15g标准混合油样品，待用。

实验配方：亲水型（HLB值为6～15）： 15%（棉籽油+松节油）+5%乳化剂+80%蒸馏水。实验结果见表3。

表2 亲水型乳化剂HLB值测定

3 结论

（1）M1、M2、长江大学的主乳HLB值分别为4.5、3.5、3，都是亲油型乳化剂，辅乳HLB值分别为10、4、12.5，M1和长江大学的辅乳为亲水型乳化剂。M2公司的辅乳为亲油型乳化剂；

（2）通过宏观实验和乳状液微观乳化现象看出：用于油包水钻井液的主乳化剂属于亲油型表面活性剂，HLB值在3～5之间；为了形成密堆复合膜，辅乳化剂的HLB值有时会大于7，表现为亲水型。

[1]康毅力,杨斌,游利军,等.油基钻井完井液对页岩储层保护能力评价[J]天然气工业,2013,33(12):99-104.

[2]李哲: 抗高温油基钻井液体系的研制［D］: 青岛: 中国石油大学( 华东) ，2011:1-2.

[3]刘程.表面活性剂应用大全(修订版)[M].北京:北京工业大学出版社,1997.

[4]李玲.表面活性剂与纳米技术[M].北京:化学工业出版社,2004.

[5]杜巧云,葛虹.表面活性剂基础及应用[M].中国石化出版社,1996:P19-P20.