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        可逆乳狀液逆轉(zhuǎn)過程及其影響因素研究與分析

        2014-12-24 03:36:18張志行
        石油化工應(yīng)用 2014年7期
        關(guān)鍵詞:乳狀液乳化劑初乳

        張志行

        (中國石油大學(xué)(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(jìn)行應(yīng)用,如用于可逆乳化鉆井液,增強(qiáng)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(xué)的重要研究內(nèi)容之一。

        很多文獻(xiàn)報(bào)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(dǎo),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(xiàn)報(bào)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

        實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀器:高速攪拌器,破乳電壓儀,電導(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(xiàn)稱其為Bi-continuous pHase,簡稱BC)。

        1.2.4 逆轉(zhuǎn)過程中pH 值、電導(dǎo)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(jìn)行酸化處理,測定其在逆轉(zhuǎn)過程中的破乳電壓、pH 值、電導(dǎo)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(jìn)行酸化處理,測定并記錄其從W/O 變?yōu)锽C 型時(shí)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(jìn)行酸化處理,記錄并計(jì)算出初乳從W/O 變?yōu)锽C相時(shí)的純醋酸的加量,作為第一轉(zhuǎn)相點(diǎn)。以及乳液從BC 轉(zhuǎn)變?yōu)镺/W 時(shí)的純醋酸的加量,作為第二轉(zhuǎn)相點(diǎn)。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(jìn)行酸化處理,測定其第一、第二轉(zhuǎn)相點(diǎn)所需要的醋酸溶液的體積。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        2.1 逆轉(zhuǎn)過程中乳液的破乳電壓、pH 值、電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率及乳液類型變化情況

        (2)乳液的電導(dǎo)率在W/O 階段變化不大,但當(dāng)乳液類型變?yōu)锽C 相時(shí),電導(dǎo)率上升且處于變化狀態(tài),當(dāng)乳液類型變?yōu)镺/W 時(shí),電導(dǎo)率達(dá)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(shí)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(shí)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(diǎn)),再從BC 相轉(zhuǎn)變?yōu)镺/W 時(shí)(第二轉(zhuǎn)相點(diǎn))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(diǎn)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(jìn)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(shí)的25 %醋酸溶液加量

        圖2 不同濃度的醋酸溶液與轉(zhuǎn)相點(diǎn)的關(guān)系

        圖3 Ca2+濃度與轉(zhuǎn)相點(diǎn)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(shí)醋酸溶液的體積(見表4)。

        表4 Ca2+濃度與轉(zhuǎn)相點(diǎn)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(dāng)水相的Ca2+濃度在15 %~25 %時(shí),所需醋酸的體積變化較小,當(dāng)水相的Ca2+濃度大于25 %時(shí),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(dǎo),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(diǎn)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(jìn)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。

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