可逆乳状液逆转过程及其影响因素研究与分析

张志行

（中国石油大学（北京），北京 102249）

近年来，随着页岩气配套钻井液体系的研发，乳液逆转慢慢地变成一种技术进行应用，如用于可逆乳化钻井液，增强注水井的注入能力[1-2]，以及制备纳米乳液等领域。探索乳液逆转过程，有利于乳液逆转过程的分析与调控，是乳液科学的重要研究内容之一。

很多文献报道，钻井用可逆乳化钻井液是聚氧乙烯脂肪胺型乳状液体系[3-4]，该体系可由酸物质诱导，将W/O 型乳状液变型为O/W 型乳状液[5]，目的是改善乳液水溶性以提高含油钻屑的除油效率、油基滤饼的清除效率[6-8]。但是，此类乳液的逆转过程以及影响控制因素，文献报道很少。本文通过加入不同量的醋酸溶液使得乳状液处于逆转过程的不同阶段，通过测试其各项性能参数，得到其逆转过程的变化情况。又通过改变乳状液的配比及醋酸溶液的浓度考察其逆转过程的影响因素。从而为该类可逆乳化钻井液体系的优化及控制提供参考。

1 实验方法

1.1 实验材料及仪器

实验材料：可逆乳化剂（聚氧乙烯脂肪胺：纯度99.5 %，密度0.916 g/cm3），5 号白油（纯度7 级，碳链分布C11～C31，密度0.87 g/cm3），CaCl2（分析纯），去离子水，醋酸（分析纯），氯化钠（分析纯）。

实验仪器：高速搅拌器，破乳电压仪，电导率仪。

1.2 逆转过程研究与分析

1.2.1 初乳的制备 按照一定配比将5 号白油、可逆乳化剂混合液在转速为10 000 r/min 下高搅5 min，然后加入一定浓度的CaCl2溶液继续搅拌40 min，并测定乳液的破乳电压。

1.2.2 初乳的酸化处理 对配制好的初乳进行酸化处理：将初乳按一定质量分为若干份，按一定浓度梯度顺次加入不同量的醋酸溶液，在转速为10 000 r/min 下高搅5 min，静置4 h。记录醋酸溶液的加量以及对应的乳液类型。

1.2.3 乳液类型的鉴别 对酸化处理后的乳液进行类型的鉴别：若乳液只溶于水中，则其为O/W 型乳状液；若乳液只溶于油中，则其为W/O 型乳状液；若乳液既溶于水中又溶于油中，则其为BC 乳液（国外文献称其为Bi-continuous pHase，简称BC）。

1.2.4 逆转过程中pH 值、电导率的测定 按照初乳的制备方法配制油水比为50/50，可逆乳化剂加量为6 %，CaCl2溶液浓度为25 %的初乳，将初乳按20 g分成若干份用25 %的醋酸溶液进行酸化处理，测定其在逆转过程中的破乳电压、pH 值、电导率以及乳液类型的变化情况。

1.3 影响因素研究与分析

1.3.1 不同油水比、不同乳化剂加量对逆转过程的影响 按照初乳的制备方法配制油水比为30/70、40/60、50/50、60/40、70/30，可逆乳化剂加量为2 %、3 %、4 %、5 %、6 %、7 %、8 %，CaCl2溶液浓度为25 %的一系列初乳，将初乳按20 g 分成若干份用25 %的醋酸溶液进行酸化处理，测定并记录其从W/O 变为BC 型时的醋酸溶液的加量。

1.3.2 不同浓度的醋酸溶液对逆转过程的影响 制备油水比为50/50，可逆乳化剂加量为6 %，CaCl2溶液浓度为25 %的乳状液，将初乳按250 g 分成5 份，用不同浓度的醋酸溶液（5 %、10 %、25 %、30 %、35 %）对其进行酸化处理，记录并计算出初乳从W/O 变为BC相时的纯醋酸的加量，作为第一转相点。以及乳液从BC 转变为O/W 时的纯醋酸的加量，作为第二转相点。以此考察不同浓度的醋酸溶液对逆转过程的影响。

纯醋酸的体积=醋酸溶液的体积×醋酸溶液的浓度。

1.3.3 不同Ca2+浓度的水溶液对逆转过程的影响 用不同浓度的CaCl2溶液（15%、20%、25%、30%、35%）配制油水比50/50，可逆乳化剂加量6%的乳状液，将初乳按20 g 分成若干份用25 %的醋酸溶液进行酸化处理，测定其第一、第二转相点所需要的醋酸溶液的体积。

2 实验结果

2.1 逆转过程中乳液的破乳电压、pH 值、电导率以及相态变化

测定不同醋酸溶液加量下乳液的破乳电压、电导率及pH 值的变化，结果（见表1）。

根据表1 可以得知：（1）乳液在逆转的过程中先后经过了W/O、BC、O/W 三个阶段。

表1 初乳在逆转过程中的破乳电压、pH 值、电导率及乳液类型变化情况

（2）乳液的电导率在W/O 阶段变化不大，但当乳液类型变为BC 相时，电导率上升且处于变化状态，当乳液类型变为O/W 时，电导率达到稳定。

（3）乳液的pH 值在整个逆转的过程中始终保持不变，这是由于H+和可逆乳化剂结合，改变了可逆乳化剂的HLB 值，使乳液发生逆转而没有影响乳液的pH 值，这对于维持钻井液体系的pH 值恒定具有重要的意义。

2.2 不同油水比、不同乳化剂加量对逆转过程的影响

不同油水比、不同乳化剂加量对逆转过程的影响（见表2）。

表2 初乳不同配比下发生第一转相时的25 %醋酸溶液加量（mL）

根据图1 可以得知：油水比越大，即水的百分比越小，初乳从W/O 转变为BC 时所需要的酸量就越多；且随着乳化剂加量的增加，转相所需的酸量也逐渐增加。

2.3 不同浓度的醋酸溶液对逆转过程的影响

初乳经过不同浓度的醋酸溶液酸化从W/O 变为BC 相（第一转相点），再从BC 相转变为O/W 时（第二转相点）纯醋酸的体积（见表3）。

表3 不同浓度的醋酸溶液与转相点的关系

根据图2 可以得知：对于组成一定的初乳而言，醋酸溶液的浓度越小，转相所需的纯醋酸的体积就越少；反之，醋酸溶液浓度越大，转相所需的纯醋酸的体积就越多。这说明醋酸溶液中的水对转相有促进作用，加入的醋酸溶液中含水越多，乳液更偏向于水包油型，所需要的纯转相酸的体积就相对较少。

2.4 不同Ca2+浓度的水溶液对逆转过程的影响

图1 初乳不同配比下发生第一转相时的25 %醋酸溶液加量

图2 不同浓度的醋酸溶液与转相点的关系

图3 Ca2+浓度与转相点的关系

不同Ca2+浓度的水溶液形成的初乳经过25 %醋酸溶液酸化处理从W/O 变为BC 相，再从BC 相转变为O/W 时醋酸溶液的体积（见表4）。

表4 Ca2+浓度与转相点的关系

根据图3 可以得知：随着水相的Ca2+浓度的增加，所需要的醋酸溶液的体积逐渐减少，说明Ca2+浓度大有利于转相的发生。当水相的Ca2+浓度在15 %～25 %时，所需醋酸的体积变化较小，当水相的Ca2+浓度大于25 %时，所需醋酸的体积下降的幅度较大。

3 结论与建议

（1）乳液经酸诱导，逆转经过W/O，BC，O/W 三个阶段，BC 相既溶于水又溶于油，因此，在可逆钻井液含油钻屑处理、提高滤饼清除效率等过程中只需使乳液逆转到BC 相即可。

（2）油水比、可逆乳化剂加量、醋酸溶液的浓度以及水相的Ca2+浓度都会对转相点产生影响。

（3）本文未对乳状液逆转过程的微观结构进行考察，仅仅考察了宏观的变化。建议从微观的角度去解释乳液逆转过程。

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