鉆井液用高效有機硅消泡劑的研制

王雅新，盧景峰，謝富強，陳靜

（1.大港油田集團(tuán)油田化學(xué)有限公司，天津 300280；2.中國石油大港石化公司，天津 300280）

鉆井液用高效有機硅消泡劑的研制

王雅新1，盧景峰2，謝富強1，陳靜1

（1.大港油田集團(tuán)油田化學(xué)有限公司，天津 300280；2.中國石油大港石化公司，天津 300280）

本文介紹了以二甲基硅油為主要原料合成硅膏，采用復(fù)合乳化體系對其進(jìn)行乳化，研制成鉆井液用乳液型消泡劑，該消泡劑具有生產(chǎn)工藝簡單、消泡能力強的特性。

高效；有機硅；消泡劑

本文以二甲基硅油為主要原料，通過添加分散劑、穩(wěn)定劑合成主體消泡劑，然后采用復(fù)合乳化體系對其進(jìn)行乳化，合成出性能優(yōu)良的鉆井液用乳液型消泡劑。

1 消泡劑的作用機理

形成泡沫是因為較多的氣體，分散在較少液體中形成的兩相體系。純液體在通氣時很少起泡，只有當(dāng)液體中存在表面活性劑時，就會產(chǎn)生一個穩(wěn)定的氣液分散系統(tǒng)。而消泡劑是一種與此相反的表面活性劑，它有助于大量液體的濃縮。

利用消泡劑可降低泡沫的表面張力，使泡沫破裂而消失。消泡劑的“抑泡”、“破泡”過程是：當(dāng)體系加入消泡劑后，其分子雜亂無章地廣布于液體表面，抑制形成彈性膜，即終止泡沫的產(chǎn)生；當(dāng)體系大量產(chǎn)生泡沫后，加入消泡劑，其分子立即散布于泡沫表面，快速鋪展，形成很薄的雙膜層，進(jìn)一步擴散、滲透，層狀入侵，從而取代原泡膜薄壁。由于其表面張力低，便流向產(chǎn)生泡沫的高表面張力的液體，低表面張力的消泡劑分子在氣液界面間不斷擴散、滲透，使其膜壁迅速變薄，泡沫同時又受到周圍表面張力大的膜層強力牽引，這樣，致使泡沫周圍應(yīng)力失衡，從而導(dǎo)致其“破泡”。不溶于體系的消泡劑分子，再重新進(jìn)入另一個泡沫膜的表面，如此重復(fù)，所有泡沫，全部覆滅。

2 高效有機硅消泡劑的研制

2.1 實驗所需儀器與藥品

儀器：燒杯、電子天平、量筒、六速旋轉(zhuǎn)粘度計、膠體磨、低速攪拌器、三口燒瓶、加熱套、離心機等。

藥品：二甲基硅油（工業(yè)級）、白炭黑（工業(yè)級）、多元醇（分析純）、山梨糖醇酐油酸酯（span-80）（工業(yè)級）、聚氧乙烯脫水山梨醇油酸酯（Tween-80）（工業(yè)級）、增稠劑（工業(yè)級）、高粘羧甲基纖維素鈉（CMC）、蒸餾水等。

2.2 消泡劑的合成工藝

2.2.1 主消泡劑的合成

將定量硅油、多元醇倒入裝有冷凝器、攪拌器、溫度計的四口燒瓶中，在攪拌狀態(tài)下緩慢加入白炭黑，然后升溫至180℃，反應(yīng)2.5 h；2.5 h后停止加熱、攪拌，冷卻至室溫后將其倒入膠體磨中，使體系得到高速剪切的作用，主消泡劑合成完畢。

2.2.2 復(fù)配乳化

稱取定量主乳化劑于燒杯中，然后攪拌、加熱（溫度控制在80～90℃）；待溫度到后依次加入乳化劑span-80、Tween-80繼續(xù)攪拌（溫度控制在80～90℃）；攪拌 15～20 min后，加入總水量的 0.3/7～0.5/7，15 min后再加入總水量的0.3/7～0.5/7，繼續(xù)攪拌15 min后，加入總水量的0.5/7～0.8/7，繼續(xù)攪拌15 min后，緩慢加入剩余量的水；繼續(xù)攪拌10 min后，依次緩慢加入增稠劑、高粘CMC，繼續(xù)攪拌3 h后，停止攪拌即為成品。

2.3 消泡劑的主要性能指標(biāo)

主要性能指標(biāo)：穩(wěn)定性≥30 min，淡水漿密度恢復(fù)率≥90%，鹽水漿密度恢復(fù)率≥98%。

2.4 消泡劑的性能評價方法

2.4.1 穩(wěn)定性的測定

取定量的消泡劑于離心管中，在轉(zhuǎn)速為3000r/min的高速離心機中離心，每隔5 min停機觀察一次，記錄分層的時間，若連續(xù)離心30 min不分層，表明消泡劑的性能穩(wěn)定。作為商品的有機硅消泡劑其壽命應(yīng)大于6個月，在3 000 r/min的高速離心機中離心30 min乳液不分層即可。

2.4.2 密度恢復(fù)率的測定

消泡劑在淡水漿、鹽水漿的性能按SY/T 5560-92進(jìn)行評價，加量均為0.2%。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 白炭黑的選擇及混合

消泡劑中添加白炭黑，一方面可以乳化硅油，另一方面增加消泡劑的消泡性能，其機理為白炭黑能迅速擴散于液膜內(nèi)，從而使液膜發(fā)生破裂。但普通型白炭黑與硅油的相容性很差，必須經(jīng)過一種或幾種聚合物或單體處理、改性，使之具有較強的疏水作用。我們選用比表面積大于200 m2/g的白炭黑，用六甲二硅醚及硅氮烷、脂肪醇處理而得。為了使處理后的白炭黑能均勻分散于硅油中，我們借助于具有高剪切力的膠體磨進(jìn)行混合，同時為了提高其穩(wěn)定性我們還加入了親水性化合物作穩(wěn)定劑。

3.2 主消泡劑的制備

主消泡劑硅膏的質(zhì)量直接影響消泡劑的消泡性能及穩(wěn)定性，為此我們進(jìn)行了有關(guān)制備實驗。我們選定白炭黑加量、硅膏的制備溫度及反應(yīng)時間作為三個重要影響因素進(jìn)行了正交實驗。通過實驗得知：在1%～9%條件下實驗，白炭黑的加量愈大，乳液的穩(wěn)定性愈差，但加量越大產(chǎn)品成本越低；在120～180℃條件下實驗，隨著反應(yīng)溫度的升高產(chǎn)品穩(wěn)定性能增加，150℃以上時反應(yīng)溫度對消泡劑的消泡性能沒有影響；在1～3 h條件下實驗，2.5 h之前消泡劑的消泡性能隨反應(yīng)時間的延長而增加，2.5 h之后，消泡性能不隨時間的延長而變化。綜合以上三個因素的影響，我們認(rèn)為白炭黑的最佳加量為6%，制備溫度宜選180℃，制備時間應(yīng)以2.5 h為宜。

3.3 復(fù)合乳化劑的選擇

硅油雖經(jīng)白炭黑初步乳化，但其分散性仍很差，必須經(jīng)乳化成為O/W型乳狀液。實驗證明，有機硅消泡劑的穩(wěn)定性、消泡性能主要與復(fù)合乳化劑的HLB值、加量及乳化溫度有關(guān)。通過正交實驗得知：HLB值在5～10進(jìn)行實驗時，當(dāng)HLB值在5～8時，消泡劑的穩(wěn)定性及消泡性能隨HLB值的增加而增大，當(dāng)復(fù)合乳化劑的HLB值大于8時，消泡劑的穩(wěn)定性不變，HLB在8～9時消泡性能最好；復(fù)合乳化劑的加量在2%～5%進(jìn)行實驗時，當(dāng)乳化劑加量在2%～4%時，產(chǎn)品穩(wěn)定性及消泡性隨加量增加而增大，當(dāng)乳化劑加量大于4%時，產(chǎn)品穩(wěn)定性不隨加量而變化，產(chǎn)品消泡性隨加量增大而降低；乳化溫度在60～100℃條件下實驗時，乳化溫度在60～90℃時，產(chǎn)品穩(wěn)定性能、消泡性能隨溫度升高而增大，大于90℃時對產(chǎn)品性能不隨溫度升高而變化，但如果體系出現(xiàn)局部受熱，可能會發(fā)生液體濺暴現(xiàn)象，所以最高溫度不宜超過90℃。綜合以上三個因素的影響，我們認(rèn)為HLB在8～9時最好，復(fù)合乳化劑加量宜選4%，乳化溫度宜選80～90℃。

3.4 增稠劑的選擇

增稠劑在消泡劑體系中，可提高分散介質(zhì)的粘度，也能增加產(chǎn)品的穩(wěn)定性。因為水溶液粘度較高，可防止硅油微滴凝聚，提高其穩(wěn)定性能。常用的增稠劑有聚乙烯醇、聚乙二醇、羧甲基纖維素鈉鹽等。

3.5 高效有機硅消泡劑的應(yīng)用

我們將制得的高效有機硅消泡劑同市售的一些消泡劑作對比實驗，自制消泡劑的穩(wěn)定性及消泡性能均優(yōu)于其它幾種。下面將所得結(jié)果列于表中。

表1 幾種消泡劑性能比較

［1］幸松民,王一璐.有機硅合成工藝及產(chǎn)品應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社 ，1999：481～509.

［2］嵇北武.精細(xì)石油化工，1986，（3）：3.

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

［4］焦學(xué)瞬，張瓊，安家駒.消泡劑制備與應(yīng)用[M]，北京：中國輕工業(yè)出版社，1995.

［5］化工百科全書（6），北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994.

［6］趙國璽.表面活性劑物理化學(xué) [M]，北京：北京大學(xué)出版社，1984：167-189.

［7］孫會易.有機硅表面活性劑品種及應(yīng)用[J]，大連：大連出版社，1999：66-76.

［8］楊俊玲.泡沫劑消泡技術(shù)[J]，印染助劑，1995，12（4）：29-32.

Preparation of high efficiency organic silicon defoamer for drilling fluid

WANG Ya-xin1,LU Jing-feng2,XIE Fu-qiang1,CHEN Jing1
（1.Dagang Oilfield Chemical Co.,Ltd,Tianjin 30080,China;2.Petrochina Dagang Petrochemical Company,Tianjin 300280,China)

The thesis describes the successful study of Emulsifier Deformer for Drilling Fluid-first synthesizing silicon ointment by dimethyl silicon oil as main raw material,then treating it with multi-emulsification system.Simple techniques and high defoaming efficiency are advantages of this Defoamer.

high efficiency;organic silicon;defoamer

10.3969/j.issn.1008-1267.2011.05.011

TE254+.4

B

1008-1267（2011）05-0032-03

2011-03-09