可逆乳狀液逆轉過程及其影響因素研究與分析

張志行

（中國石油大學（北京），北京 102249）

近年來，隨著頁巖氣配套鉆井液體系的研發，乳液逆轉慢慢地變成一種技術進行應用，如用于可逆乳化鉆井液，增強注水井的注入能力[1-2]，以及制備納米乳液等領域。探索乳液逆轉過程，有利于乳液逆轉過程的分析與調控，是乳液科學的重要研究內容之一。

很多文獻報道，鉆井用可逆乳化鉆井液是聚氧乙烯脂肪胺型乳狀液體系[3-4]，該體系可由酸物質誘導，將W/O 型乳狀液變型為O/W 型乳狀液[5]，目的是改善乳液水溶性以提高含油鉆屑的除油效率、油基濾餅的清除效率[6-8]。但是，此類乳液的逆轉過程以及影響控制因素，文獻報道很少。本文通過加入不同量的醋酸溶液使得乳狀液處于逆轉過程的不同階段，通過測試其各項性能參數，得到其逆轉過程的變化情況。又通過改變乳狀液的配比及醋酸溶液的濃度考察其逆轉過程的影響因素。從而為該類可逆乳化鉆井液體系的優化及控制提供參考。

1 實驗方法

1.1 實驗材料及儀器

實驗材料：可逆乳化劑（聚氧乙烯脂肪胺：純度99.5 %，密度0.916 g/cm3），5 號白油（純度7 級，碳鏈分布C11～C31，密度0.87 g/cm3），CaCl2（分析純），去離子水，醋酸（分析純），氯化鈉（分析純）。

實驗儀器：高速攪拌器，破乳電壓儀，電導率儀。

1.2 逆轉過程研究與分析

1.2.1 初乳的制備 按照一定配比將5 號白油、可逆乳化劑混合液在轉速為10 000 r/min 下高攪5 min，然后加入一定濃度的CaCl2溶液繼續攪拌40 min，并測定乳液的破乳電壓。

1.2.2 初乳的酸化處理 對配制好的初乳進行酸化處理：將初乳按一定質量分為若干份，按一定濃度梯度順次加入不同量的醋酸溶液，在轉速為10 000 r/min 下高攪5 min，靜置4 h。記錄醋酸溶液的加量以及對應的乳液類型。

1.2.3 乳液類型的鑒別 對酸化處理后的乳液進行類型的鑒別：若乳液只溶于水中，則其為O/W 型乳狀液；若乳液只溶于油中，則其為W/O 型乳狀液；若乳液既溶于水中又溶于油中，則其為BC 乳液（國外文獻稱其為Bi-continuous pHase，簡稱BC）。

1.2.4 逆轉過程中pH 值、電導率的測定 按照初乳的制備方法配制油水比為50/50，可逆乳化劑加量為6 %，CaCl2溶液濃度為25 %的初乳，將初乳按20 g分成若干份用25 %的醋酸溶液進行酸化處理，測定其在逆轉過程中的破乳電壓、pH 值、電導率以及乳液類型的變化情況。

1.3 影響因素研究與分析

1.3.1 不同油水比、不同乳化劑加量對逆轉過程的影響 按照初乳的制備方法配制油水比為30/70、40/60、50/50、60/40、70/30，可逆乳化劑加量為2 %、3 %、4 %、5 %、6 %、7 %、8 %，CaCl2溶液濃度為25 %的一系列初乳，將初乳按20 g 分成若干份用25 %的醋酸溶液進行酸化處理，測定并記錄其從W/O 變為BC 型時的醋酸溶液的加量。

1.3.2 不同濃度的醋酸溶液對逆轉過程的影響 制備油水比為50/50，可逆乳化劑加量為6 %，CaCl2溶液濃度為25 %的乳狀液，將初乳按250 g 分成5 份，用不同濃度的醋酸溶液（5 %、10 %、25 %、30 %、35 %）對其進行酸化處理，記錄并計算出初乳從W/O 變為BC相時的純醋酸的加量，作為第一轉相點。以及乳液從BC 轉變為O/W 時的純醋酸的加量，作為第二轉相點。以此考察不同濃度的醋酸溶液對逆轉過程的影響。

純醋酸的體積=醋酸溶液的體積×醋酸溶液的濃度。

1.3.3 不同Ca2+濃度的水溶液對逆轉過程的影響 用不同濃度的CaCl2溶液（15%、20%、25%、30%、35%）配制油水比50/50，可逆乳化劑加量6%的乳狀液，將初乳按20 g 分成若干份用25 %的醋酸溶液進行酸化處理，測定其第一、第二轉相點所需要的醋酸溶液的體積。

2 實驗結果

2.1 逆轉過程中乳液的破乳電壓、pH 值、電導率以及相態變化

測定不同醋酸溶液加量下乳液的破乳電壓、電導率及pH 值的變化，結果（見表1）。

根據表1 可以得知：（1）乳液在逆轉的過程中先后經過了W/O、BC、O/W 三個階段。

表1 初乳在逆轉過程中的破乳電壓、pH 值、電導率及乳液類型變化情況

（2）乳液的電導率在W/O 階段變化不大，但當乳液類型變為BC 相時，電導率上升且處于變化狀態，當乳液類型變為O/W 時，電導率達到穩定。

（3）乳液的pH 值在整個逆轉的過程中始終保持不變，這是由于H+和可逆乳化劑結合，改變了可逆乳化劑的HLB 值，使乳液發生逆轉而沒有影響乳液的pH 值，這對于維持鉆井液體系的pH 值恒定具有重要的意義。

2.2 不同油水比、不同乳化劑加量對逆轉過程的影響

不同油水比、不同乳化劑加量對逆轉過程的影響（見表2）。

表2 初乳不同配比下發生第一轉相時的25 %醋酸溶液加量（mL）

根據圖1 可以得知：油水比越大，即水的百分比越小，初乳從W/O 轉變為BC 時所需要的酸量就越多；且隨著乳化劑加量的增加，轉相所需的酸量也逐漸增加。

2.3 不同濃度的醋酸溶液對逆轉過程的影響

初乳經過不同濃度的醋酸溶液酸化從W/O 變為BC 相（第一轉相點），再從BC 相轉變為O/W 時（第二轉相點）純醋酸的體積（見表3）。

表3 不同濃度的醋酸溶液與轉相點的關系

根據圖2 可以得知：對于組成一定的初乳而言，醋酸溶液的濃度越小，轉相所需的純醋酸的體積就越少；反之，醋酸溶液濃度越大，轉相所需的純醋酸的體積就越多。這說明醋酸溶液中的水對轉相有促進作用，加入的醋酸溶液中含水越多，乳液更偏向于水包油型，所需要的純轉相酸的體積就相對較少。

2.4 不同Ca2+濃度的水溶液對逆轉過程的影響

圖1 初乳不同配比下發生第一轉相時的25 %醋酸溶液加量

圖2 不同濃度的醋酸溶液與轉相點的關系

圖3 Ca2+濃度與轉相點的關系

不同Ca2+濃度的水溶液形成的初乳經過25 %醋酸溶液酸化處理從W/O 變為BC 相，再從BC 相轉變為O/W 時醋酸溶液的體積（見表4）。

表4 Ca2+濃度與轉相點的關系

根據圖3 可以得知：隨著水相的Ca2+濃度的增加，所需要的醋酸溶液的體積逐漸減少，說明Ca2+濃度大有利于轉相的發生。當水相的Ca2+濃度在15 %～25 %時，所需醋酸的體積變化較小，當水相的Ca2+濃度大于25 %時，所需醋酸的體積下降的幅度較大。

3 結論與建議

（1）乳液經酸誘導，逆轉經過W/O，BC，O/W 三個階段，BC 相既溶于水又溶于油，因此，在可逆鉆井液含油鉆屑處理、提高濾餅清除效率等過程中只需使乳液逆轉到BC 相即可。

（2）油水比、可逆乳化劑加量、醋酸溶液的濃度以及水相的Ca2+濃度都會對轉相點產生影響。

（3）本文未對乳狀液逆轉過程的微觀結構進行考察，僅僅考察了宏觀的變化。建議從微觀的角度去解釋乳液逆轉過程。

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