用于化妝品的可生物降解表面活性劑在鉆井液中的應(yīng)用

1、用于化妝品的可生物降解表面活性劑在鉆井液中的應(yīng)用類別:石油工業(yè)作者：lu i f.nicora,william m.mcgregor關(guān)鍵詞：鉆井液，添加劑，apg,生物降解，液體損失，流變性【內(nèi)容】一、刖§在鉆井過程中，當(dāng)鉆井液遇到可滲透的巖石層時，通常都具有一 種失去水相（“流體損失”）的自然趨勢，尤其是在那些超過巖石孔 隙壓力的高壓井中，這些問題更為嚴(yán)重。在過去的兒年中，已經(jīng)研制 并成功地使用了各種各樣的控制流體損失的添加劑。在靜態(tài)和動態(tài) 條件下，它們能在井壁上結(jié)成濾餅，其粘性乂不足以限制鉆井液在 井中的循環(huán)，且其不可滲透性卻足以減少因滲入地層而產(chǎn)生的液體 的損失。用于鉆井液中最

2、著名的添加劑有：水化膨脹性粘土，如膨 潤土，它通常述需和其它降濾失劑一起使用；褐煤，一種經(jīng)naoh或 多價金屬鹽如na、k、fe、cr、t i處理而形成的氧化、磺化、磺甲基化產(chǎn) 物；na、k、cd、cr、fe、ti的木素磺酸鹽；聚合物，包括竣甲基纖維 素、pacs（聚陰離子纖維素）、生物高分子聚合物（如黃原膠和碩葡聚 糖）、合成聚合物（如丙烯酸與丙烯酰胺的均聚或共聚物）、聚半乳糖 甘露聚糖及其衍生物、竣基烷基化或交聯(lián)的竣基烷基化淀粉。含冇上述添加劑的鉆井液在使用時，必須滿足詳細(xì)的技術(shù)要求， 然而由于巖層高度的多變性、溫度及壓力條件等因素的影響，添加劑 的用量或為達(dá)到預(yù)期效果而選用的添加劑種類需

3、耍作較大的變動。 正是由于這些添加劑或其使用，通常也會以一種不良的方式影響到 泥漿其它的可變特性（如粘性、潤滑性、粘土膨脹阻力等）。最后的鉆 井液配方必須詳盡地綜合考慮流休損失和其它流體特性，還要考慮 配方自身的成本和因使用這些添加劑而帶來的生物降解及其潛在的 環(huán)境污染等問題。這類環(huán)保問題已逐漸為人所重視，與此同時，既具 冇環(huán)境可以接受的特性，又兼?zhèn)涠喙δ茏饔?，并能潛在地取代少?shù) 功能單一品種的添加劑已逐漸為人們所關(guān)注。二、apg近年來，以可再生性天然糖化物或類脂為原料而生產(chǎn)的糖基非 離子表面活性劑作為洗滌劑，尤其在化妝品和個人護(hù)理用品方而，已 被發(fā)現(xiàn)具冇日益廣泛的用途。這些半天然的表血活性劑

4、及apg顆粒 的迅速應(yīng)用主要是受兩個良性因素所驅(qū)使：首先是其優(yōu)良的潤濕性 和乳化性；其次是其高效率的需氧生物降解性。apg木身低毒和降解 迅速的良好品質(zhì)成為其在眾多領(lǐng)域得以大量應(yīng)用的關(guān)鍵所在。由葡萄糖與55的脂肪醇經(jīng)生物酶催化制備的apg產(chǎn)品（其中 s&。的apg產(chǎn)品為水溶性,c12c14為油溶性）,除apg外，其產(chǎn)品中 還不可避免地含有少量足以拓寬其商業(yè)使用價值的異構(gòu)體及烷基 鏈長不同的脂肪醇。與其它傳統(tǒng)的表面活性劑不同，apg具有良好而 規(guī)律的表面活性，以apg作為鉆井液的一種組成部分的進(jìn)一步研究 也許可以獲得更多有價值的資料。本文把apg作為降濾失的一種協(xié) 同添加劑使用，室內(nèi)研究

5、了其對鉆井液降濾失特性的增益情況以及 作為糖基表而活性劑聚合物為環(huán)境接受的可能性，發(fā)現(xiàn)在鉆井液中 加入極低濃度的apg即可以極大地改善整個泥漿系統(tǒng)的所有特性。以適當(dāng)溶劑溶解的長鏈的apg顆粒與短鏈的apg產(chǎn)品一樣具有 良好的水溶性，能夠發(fā)出令人愉悅的氣息，其水溶液呈現(xiàn)出較低的 粘度和較好的牛頓流變性，且在對水硬度敏感的環(huán)境apg都顯示出 較高的起泡能力（尤其是具有短鏈烷基的apg）和潤濕能力。apg能 降低水/油界而張力，這使其還兼?zhèn)淞肆己玫娜ノ哿腿榛匦浴Ｆ?產(chǎn)品中所含脂肪鏈基長短的巨大變化為其在獲得最佳hlb值的范圍 內(nèi)，營造了一個寬松的選擇空間和因材施用的上佳環(huán)境。三、實驗測試根據(jù)所研

6、究的齊個配方準(zhǔn)備鉆井液，其流變性及流體損失特性， 采用api儀器和方法測定。水溶性的apg （短鏈）可以直接加入，水不溶性的apg （長鏈）經(jīng)由 10vt%的apg/乙醇的乙醇溶解后加入。盡管由于極低的apg用量以 及商業(yè)級apg產(chǎn)品屮含有本身就具有消泡特性的少量脂肪醇雜質(zhì)， 使得消泡劑的使用顯得不太必要，但應(yīng)用時仍可以加入適量的消泡劑 以避免潛在的起泡問題。生物降解測試可采用0ecd301d（封閉罐式測試）方法，經(jīng)28天 的實驗，約60%以上的apg已經(jīng)降解，這證實了 apg可以“迅速生物 降解”的性質(zhì)。潤滑性測試采用的是0 fit e潤滑孤0定儀。地層損害測試是用u clashach sa

7、ndstone （含有90%石英和 2%粘土）的巖心樣品，在70°c下進(jìn)行。該巖心樣品的半徑為5cm,長 度為5cm,被裝在hassler容器中，在約14001b/in2的限制壓力下測 試。這項測試包括評價巖心對氣體和3%kc1鹽水的初始滲透率 （kin.gas和kin.b）,然后將其在70kg/cm3高壓的鉆井液中放置2h（lh動 態(tài)，lh靜態(tài)），隨后測試其對氣體和鹽水的最終滲透率（kfg如和 kfin.b） o氣體和鹽水的流動方向與鉆井液正好相反。放置2h期間的 流體損失也附帶地被測量。巖心滲透實驗完成后，測試“l(fā)ift-off 壓力”（即巖心脫去泥餅時的使用壓力）。然后，在測試

8、其“回流滲 透率” z前，將該巖心用酸進(jìn)行處理。根據(jù)astmd1141-75（為替代真 實海水制定的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則）的詳細(xì)程序制備合成海水。四、流體損失、流變學(xué)和輔助效應(yīng)被研究的泥漿至少含有一種水溶性的聚合物及一種以上的烷 基（多）葡萄糖昔，且這些泥漿具有有效地減少流體損失和較好地抑 制加熱老化的特性。此外，其潤滑性和抗細(xì)菌侵襲的敏感性也得到 了改善。曾報道過有關(guān)高濃度甲基昔在水基鉆井液中具有良好的頁巖 穩(wěn)定作用。我們止在研究的是當(dāng)apg用于水基泥漿時，其對頁巖失 水的抑制情況。在大多數(shù)實驗中，輕泥漿用來增加實驗z間的差異，最好的apg 則在更現(xiàn)實的泥漿體系小研究（例6）o例1:配制一系列含水溶性聚

9、合物和apg總重量相同的實驗用 鉆井泥漿。水溶性聚合物（規(guī)整的pac與黃原膠的比例為1 ： 1）和 apg的比例在確?？傊亓亢愣ǖ那疤岵酚兴兓?。由實驗可知，在總含量相同的前提下，將水溶性聚合物和a p g復(fù) 配用于減少流體損失的情況與其各自單獨作為所謂的添加劑使用的 情況對比，發(fā)現(xiàn)單獨使用apg的效果不如與聚合物混合更有效。然 而，用apg替代15%的水溶性聚合物能將液體損失減少約50%。添加 了 apg的泥漿其粘度幾乎沒有變化。例2:將一定量微量的不同類型的烷基（多）葡萄糖昔添加到含 有可溶性聚合物（規(guī)整的pac和黃原膠）的泥漿屮，配制成一系列輕 質(zhì)泥漿。這些泥漿在120°c老化

10、16h后，其iipiitflaa（高溫高壓下的 流體損失值）降低，測定結(jié)果顯示將特定類型apg以極低的濃度（約 占泥漿總重的0. 008wt%）添加到泥漿中，即可把老化后泥漿的i1piit 流體損失降低至原先的一半。這種hphtfl值的降低情況在甲基葡 糖昔或apgc4的泥漿體系中均觀察不到，僅對長鏈的apg泥漿體系 是有效的。作為參考的其他類型表而活性劑，dme （鉆井泥漿乳化劑）和 dms （鉆井泥漿表面活性劑）在減少流體損失方面的貢獻(xiàn)幾乎沒有。 在同一類型的泥漿配方中，測試并研究了兩種apg對泥漿潤滑性的 影響。含有apg的泥漿的摩擦系數(shù)得以改善，這也許應(yīng)該歸因于不 純的apg產(chǎn)品中殘存

11、有少量脂肪醇的緣故。例3: 個為頂部井眼（topholc）配制的泥漿用于研究加入apg 后對泥漿特性所起的作用。其結(jié)果顯示用上述被監(jiān)控的泥漿，隨著 其小apga（ 一種優(yōu)化的apg組合）加入量的增加，增強(qiáng)了泥漿的流變 性，提高了懸浮特性（較高yp/pv比例），因而減少了流體損失。然而, 經(jīng)濟(jì)因素限制了 apg為頂部井眼使用的應(yīng)用可能性。例4:表1展示了幾種以不同濃度（約占泥漿總重量的005wt% 和0. 5wt%）配制的含有apga（不溶于水）的水溶性聚合物泥漿與作為 對比樣的甲基葡糖昔及apgs （都是水溶性）水溶性聚合物泥漿的對 比試驗。裘i在聚會恂泥狹體系apg a的作用爲(wèi)談配方-水鈿6

12、6*4童改性淀紛3取見下和*冠化顆見下表毘累ii3d$i78q10h0. jl.$71 57am c4 < 1)1.5?a (g)1<t)000000gn)nav ba "時l$i31$i)is152$uib627dv ba (ip|7 j? $7 $t1 2 j8b >t人 ukis1 5is1$iii 425i b15162sa?r fl ttl)66“676666i fr7 71 b7 12flx ( *il)i i iil 51 1 tlou.sll 55今it4其結(jié)果再次表明，增加apga的用量可以改善泥漿的流體損失。 僅在泥漿流變學(xué)上良性的變化也是顯而易

13、見的。又一次表明甲基葡 糖昔、apgcn 丁基葡糖昔）在這方面沒有明顯的效果。另夕卜，在含有 apga的泥漿表現(xiàn)出更好的抗微生物侵襲的能力，據(jù)對泥漿存放兩個 星期的初步觀察，發(fā)現(xiàn)僅冇不含apgd的泥漿遭受到微生物的侵襲。例5:按表2配制的鉆井液用于證實由于apg的加入在硅酸鹽體 系中所產(chǎn)生的差異。實驗結(jié)果表明，apg的加入冇助于改善硅酸鹽體 系的流變性、濾液性能及耐溫能力。表2在硅酸鹽體系中apga的作用泥漿配方：水350g +氯化鉀15g +黃原膠lg+規(guī)整pac1. 5g +改性淀 粉4g +膨潤土鈉鹽0. 5g+純堿硅酸鈉5（vol%）+apga（見下表）+氧化300g+apga（見下表

14、）+氧化頓12g2泥漿apg a <>)00, i 50 6$api fl ba < t>l)6 85. 67av ba (cp)43鳩50av aa ( ep)2229pv ba cp)252】50av aa (cp)i5i 320vp ba i bllwi fl1)4650$2yp aa <16/100 i?)142218注：試驗溫度為105°c例6:表3用于記錄在13ppgkcl-聚合物泥漿體系中隨apga用 量的增加其泥漿行為的改變。測定結(jié)果表明，該泥漿的耐溫能力和 高溫濾失性均有所改善。表3在13ppgkcl-聚合物體系中apga的作用泥漿配方

15、：合成海水350g +氯化鉀10. 5g +黃原膠lg +規(guī)整paclg+paclg類型2混彖廠泥漿apg a <a)000. $1.0av ba («p)60 577. 5z5av aa ( cp)445d欠.5pv ba 訃)353740pv aa (<p)17at12yp ba 3100 n1)6。界yp aa 16/ 1 00 h1)4u456" oio時ba讀敎2013236 bilk時aa讀數(shù)10131 3jr/ mb w ba 讀數(shù)1$181$bin時aa瀆數(shù)7to10hprt fl aa < ml)232例7:表4顯示了加入apga后，可以

16、改善黃原膠溶液的耐溫穩(wěn)定 性。將不含apga的黃原膠溶液與老化前后均加入apga的黃原膠溶 液分別進(jìn)行老化，實驗數(shù)據(jù)表明，在黃原膠溶液老化前加入apga可 以充分地保護(hù)該聚合物抗熱降解的泥漿流變性能。表4在黃原膠溶液體系中apg的作用類型1 君液2 溥液3濬液人pg a 戲盤(ba) (1)000 d人pg a 質(zhì)址(aa) <a)00d0av < ba/ aa)2" 521/7 523 14pv <aa)8/35if b 511 fl¥p < ba/ aa)iv 127/ i)0/ 146 ”的風(fēng)扇讀數(shù)5心0 5un五、地層損害性能用兩種以碳酸鈣聚

17、合物為主的鉆井液作對照，其中一種加入了 apga（o. 5ppb） o將這兩種鉆井液與巖石接觸2h,從濾液的角度觀察 其各自的差異。含冇apga鉆井液的濾液為29ml （相當(dāng)于6. 8ml的 aplfdifu另一鉆井液的濾液為79ml（相當(dāng)于8. 4ml的ap1fl）,從而 證實使用apga作為抑制聚合物流體損失的協(xié)同添加劑是有效的。巖 心樣品的初始滲透率介于250450md的氣體滲透率和2136md的 鹽水滲透率z間，該巖心與鉆井液接觸2h后，超過2h巖心的持續(xù)滲 透率介于含有apga的體系81%氣/90%鹽水的滲透率值和不含apg 的體系62%氣/97%鹽水的滲透率值z間。這兩種鉆井液各門

18、的初動 壓力均較低（含有apga的為2. 51b/in2,不含apg的為4. 51b/in2）。 酸化處理后其滲透率的恢復(fù)值為：含有apga的體系為87%氣/90%鹽 水的滲透率，沒有apg的體系為60%氣/100%鹽水的滲透率。這些數(shù) 據(jù)表明，不含apga的更高濾失率在巖心內(nèi)部會造成更多的傷害，這 種傷害即使通過移去濾餅或酸化處理也難以得到恢復(fù)。六、作用機(jī)理與apg 樣，“聚乙二醇”為人所熟知地應(yīng)用于水基鉆井液中 以改善傳統(tǒng)的聚合物體系的i1piit穩(wěn)定性。實際上，這些“聚乙二 醇”為烷氧基化的脂肪醇、酸或胺。通常它們是含有與文獻(xiàn)屮所討論 的apg極為相似的一個疏水基和親水基團(tuán)的非離子表而活

19、性劑。用于解釋“聚乙二醇”和其它表面活性劑的降低流體損失聚 合物的溫度穩(wěn)定性機(jī)理也許可以拓寬，為apg與傳統(tǒng)的降低流體損 失聚合物相互作用而具有上述貢獻(xiàn)的顯著能力提供一個解釋。即 apg “棒狀的”小膠束群能與每一個聚合物分了通過形成分了間氫 鍵亦或apg與降低流體損失聚合物z間的疏水基 親水基的相互作 用而聯(lián)系在一起。這種相互作用也許可以屏蔽聚合物的氧化降解。用apg具有降低流體損失協(xié)同效應(yīng)的說法也許有助于解釋該機(jī) 理的其它可能的因素，包括：1、apg的表而活性或許影響到鉆井液表面和濾餅形成的界而區(qū) 域的表面張力和親水性，可想而知，該相疏水能力的降低必然伴隨 有流體損失的降低。2、apg （尤其是apga是非水溶性的）也許以形成泥餅的方式堵塞 了地層孔隙而使z變得更不易被滲透。七、環(huán)保因素含有甲基葡糖昔的水基鉆井液在報道小被視為是對環(huán)境安全 的鉆井液，與z類似，apg也應(yīng)該能被接受。這種觀點已被apg的生 物降解性和水生毒性的實驗所證實。例如含有c8cl4的apg在封瓶 試驗中所展示的那樣具有“迅速生物降解”