可逆乳狀液逆轉(zhuǎn)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(fā)，乳液逆轉(zhuǎn)慢慢地變成一種技術(shù)進行應(yīng)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(lǐng)域。探索乳液逆轉(zhuǎn)過程，有利于乳液逆轉(zhuǎn)過程的分析與調(diào)控，是乳液科學的重要研究內(nèi)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(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)過程的不同階段，通過測試其各項性能參數(shù)，得到其逆轉(zhuǎn)過程的變化情況。又通過改變?nèi)闋钜旱呐浔燃按姿崛芤旱臐舛瓤疾炱淠孓D(zhuǎn)過程的影響因素。從而為該類可逆乳化鉆井液體系的優(yōu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xù)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(zhì)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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?yōu)锽C 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(zhuǎn)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?yōu)锽C相時的純醋酸的加量，作為第一轉(zhuǎn)相點。以及乳液從BC 轉(zhuǎn)變?yōu)镺/W 時的純醋酸的加量，作為第二轉(zhuǎn)相點。以此考察不同濃度的醋酸溶液對逆轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)相點所需要的醋酸溶液的體積。

2 實驗結(jié)果

2.1 逆轉(zhuǎn)過程中乳液的破乳電壓、pH 值、電導率以及相態(tài)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(jié)果（見表1）。

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

表1 初乳在逆轉(zhuǎn)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?yōu)锽C 相時，電導率上升且處于變化狀態(tài)，當乳液類型變?yōu)镺/W 時，電導率達到穩(wěn)定。

（3）乳液的pH 值在整個逆轉(zhuǎn)的過程中始終保持不變，這是由于H+和可逆乳化劑結(jié)合，改變了可逆乳化劑的HLB 值，使乳液發(fā)生逆轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過程的影響

不同油水比、不同乳化劑加量對逆轉(zhuǎn)過程的影響（見表2）。

表2 初乳不同配比下發(fā)生第一轉(zhuǎn)相時的25 %醋酸溶液加量（mL）

根據(jù)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(zhuǎn)變?yōu)锽C 時所需要的酸量就越多；且隨著乳化劑加量的增加，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過程的影響

初乳經(jīng)過不同濃度的醋酸溶液酸化從W/O 變?yōu)锽C 相（第一轉(zhuǎn)相點），再從BC 相轉(zhuǎn)變?yōu)镺/W 時（第二轉(zhuǎn)相點）純醋酸的體積（見表3）。

表3 不同濃度的醋酸溶液與轉(zhuǎn)相點的關(guān)系

根據(jù)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(zhuǎn)相所需的純醋酸的體積就越少；反之，醋酸溶液濃度越大，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)相酸的體積就相對較少。

2.4 不同Ca2+濃度的水溶液對逆轉(zhuǎn)過程的影響

圖1 初乳不同配比下發(fā)生第一轉(zhuǎn)相時的25 %醋酸溶液加量

圖2 不同濃度的醋酸溶液與轉(zhuǎn)相點的關(guān)系

圖3 Ca2+濃度與轉(zhuǎn)相點的關(guān)系

不同Ca2+濃度的水溶液形成的初乳經(jīng)過25 %醋酸溶液酸化處理從W/O 變?yōu)锽C 相，再從BC 相轉(zhuǎn)變?yōu)镺/W 時醋酸溶液的體積（見表4）。

表4 Ca2+濃度與轉(zhuǎn)相點的關(guān)系

根據(jù)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(zhuǎn)相的發(fā)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(jié)論與建議

（1）乳液經(jīng)酸誘導，逆轉(zhuǎn)經(jīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)相點產(chǎn)生影響。

（3）本文未對乳狀液逆轉(zhuǎn)過程的微觀結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)過程。

［1］ M. A. Dick, C. Svoboda, M. Jones. Reversible Invert Emulsion System used to Significantly Increase Water Injection－Rates in an Open Hole, Stand-Alone Screen Completion in West Africa［J］.SPE 82278.

［2］ T.C.Green, J.A.Headley, P.D.Scott, et al.Minimizing formation damage with a reversible invert emulsion drill-in fluid［J］.IADS/SPE 72283.

［3］ 吳滿祥，楊斌，卓綠燕，等.國外新型可逆乳化鉆井液技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2008，34（9）：47-49.

［4］ 華桂友，舒福昌，向興金，等.可逆轉(zhuǎn)乳化鉆井液乳化劑的研究［J］.精細石油化工進展，2009，10（10）：5-8.

［5］ Hao Liu, Chaoyang Wang, Shengwen Zou.et al. Simple, Reversible Emulsion System witched by pH on the Basis of Chitosan without Any HydropHobic Modification［J］.Langmuir，2012，（28）：11017-11024.

［6］ 任妍君，蔣官澄，張弘，等.基于乳狀液轉(zhuǎn)相技術(shù)的鉆井液新體系室內(nèi)研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2013，41（4）：87-91.

［7］ 華桂友，舒福昌，向興金，等.可逆轉(zhuǎn)油基鉆井液體系配制及性能評價［J］.精細石油化工進展，2009，10（11）：8-11.

［8］ A.D.Patel.Reversible invert emulsion drilling fluids: A quantum leap in technology［J］.SPE- 59479- PA.