剪切條件對(duì)可逆乳狀液性能的影響規(guī)律研究

劉 飛，王立強(qiáng)，張程翔，王學(xué)武，代曉東，劉清雪，楊 劍，劉 暢，孫 娜，孟嘉孟

(山東石油化工學(xué)院 油氣工程學(xué)院,山東 東營(yíng) 257061)

油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中合適的鉆井液性能可提高鉆井成功的可能性，因此，開(kāi)發(fā)高性能鉆井液已成為現(xiàn)階段研究熱點(diǎn)[1]。目前，油基鉆井液和水基鉆井液應(yīng)用最廣泛，其中油基鉆井液在敏感性?xún)?chǔ)層中使用優(yōu)勢(shì)明顯。但是，油基鉆井液的使用會(huì)給后續(xù)的完井及廢棄鉆井液處理帶來(lái)問(wèn)題[2]。對(duì)此，行業(yè)專(zhuān)家研制出了一種利用pH值控制實(shí)現(xiàn)鉆井液在水基鉆井液和油基鉆井液之間可逆轉(zhuǎn)化的體系，這樣一來(lái)可在油田鉆完井不同階段達(dá)到理想的效果[3-4]。研制可逆乳化鉆井液的關(guān)鍵是可逆乳狀液，現(xiàn)階段可逆乳化鉆井液主要由表面活性劑型可逆乳化劑穩(wěn)定，其穩(wěn)定性較差，為此筆者提出使用改性納米顆粒性可逆乳化劑穩(wěn)定可逆乳化鉆井液[5-6]。通常小于100 nm的顆粒稱(chēng)為納米材料，在鉆井液體系中加入納米材料，可有效提高可逆乳狀液性能，為制備出性能優(yōu)良的可逆鉆井液提供可能性[7-8]。納米二氧化硅是具有乳化和催化雙重功能的固體顆粒，在乳狀液轉(zhuǎn)化過(guò)程中始終存在于液體界面[9]。通過(guò)一定的工藝方法對(duì)納米二氧化硅進(jìn)行表面改性，可使顆粒表面的親油、親水性發(fā)生改變，從而控制其穩(wěn)定的乳狀液在油包水和水包油之間轉(zhuǎn)化[10-11]?，F(xiàn)階段，相關(guān)研究人員針對(duì)可逆乳狀液的研究主要集中在可逆乳狀液體系的構(gòu)筑[12-13]及組分性質(zhì)[14]對(duì)可逆乳狀液的影響，包括油相性質(zhì)[12]、水相性質(zhì)[15-16]、pH調(diào)控用試劑[17]、可逆乳化劑[18-20]對(duì)可逆乳狀液性質(zhì)的影響，但少有針對(duì)工藝條件對(duì)可逆乳狀液性質(zhì)影響的研究，考慮可逆乳狀液制備過(guò)程不可避免將與實(shí)驗(yàn)室工藝有所區(qū)別，該區(qū)別會(huì)對(duì)可逆乳狀液性質(zhì)產(chǎn)生影響，故在前期經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研及預(yù)實(shí)驗(yàn)的研究已初步構(gòu)建了可逆乳狀液體系的基礎(chǔ)上，針對(duì)攪拌時(shí)間、攪拌速度對(duì)可逆乳狀液性能的影響進(jìn)行研究，并對(duì)其影響機(jī)制進(jìn)行分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑及儀器

試劑：3#柴油，工業(yè)級(jí)，中國(guó)石化銷(xiāo)售股份有限公司山東東營(yíng)石油分公司第一加油站；可逆乳化劑SS-1，實(shí)驗(yàn)室自制；去離子水。

儀器：NGJ-2型泥漿高速攪拌機(jī)，青島膠南分析儀器廠；DWY-2A型智能電穩(wěn)定性測(cè)試儀，青島新領(lǐng)機(jī)電科技有限公司；DDS-307雷磁電導(dǎo)率儀，上海精科；數(shù)顯恒溫水浴鍋，上海力辰邦西儀器；電子天平，上海卓精電子科技。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 可逆乳狀液初始乳狀液的制備

將1.3 g可逆乳化劑SS-1與100 mL 3#柴油混合，混合均勻，然后向其中加入100 mL去離子水，高速(速度V1)攪拌(攪拌時(shí)長(zhǎng)A)，得到初始乳狀液，使用電穩(wěn)定測(cè)試儀、電導(dǎo)率儀(配合滴加稀釋法)測(cè)定乳狀液類(lèi)型，記作1號(hào)乳狀液。

1.2.2 可逆乳狀液酸致轉(zhuǎn)相

取100 mL按照上述步驟制備的1號(hào)乳狀液，向其中加入體積分?jǐn)?shù)為0.8%的鹽酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%)，高速(速度V2)攪拌(攪拌時(shí)長(zhǎng)B)，使用電穩(wěn)定測(cè)試儀、電導(dǎo)率儀(配合滴加稀釋法)測(cè)定乳狀液類(lèi)型，基于前期研究，選取所得穩(wěn)定的水包油乳狀液記作2號(hào)乳狀液，用作下一步乳狀液堿致轉(zhuǎn)相的初始乳狀液。

1.2.3 可逆乳狀液堿致轉(zhuǎn)相

取100 mL按照上述步驟制備的2號(hào)乳狀液，向其中加入體積分?jǐn)?shù)為0.8%的氫氧化鈉溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%)，高速(速度V3)攪拌(攪拌時(shí)長(zhǎng)C)，使用電穩(wěn)定測(cè)試儀、電導(dǎo)率儀(配合滴加稀釋法)測(cè)定乳狀液類(lèi)型。

1.2.4 乳狀液類(lèi)型判定方法

(1)電穩(wěn)定測(cè)試法、電導(dǎo)率法。使用電導(dǎo)率儀、電穩(wěn)定測(cè)試儀，將電導(dǎo)率儀探頭、電穩(wěn)定測(cè)試儀探頭浸于乳狀液，由于油相是不導(dǎo)電的，在體系電導(dǎo)率≤0.1 μs/cm、破乳電壓>5 V時(shí)判定液體體系中油相為連續(xù)相，若為穩(wěn)定的乳狀液則乳狀液類(lèi)型為油包水型乳狀液;而水相是導(dǎo)電的，在體系電導(dǎo)率>0.1 μs/cm、破乳電壓≤5 V時(shí)判定液體體系中水相為連續(xù)相，若為穩(wěn)定的乳狀液則乳狀液類(lèi)型為水包油型乳狀液[21]。

(2)滴加稀釋法。將乳狀液滴入水中，油包水型乳狀液滴入水中成滴、不可分散且最終浮于水上；水包油型乳狀液滴入水中會(huì)在水中快速分散[22]，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見(jiàn)圖1。

圖1 不同類(lèi)型乳狀液滴入水中稀釋狀態(tài)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 初始乳狀液制備工藝對(duì)乳狀液性能的影響

按照實(shí)驗(yàn)方法，初步選取攪拌時(shí)間分別為2、5、10、15、20 min，選取速度1分別為3 000、4 000、6 000、8 000、10 000、12 000 r/min，測(cè)試攪拌時(shí)間、攪拌速度對(duì)初始乳狀液在水中滴加稀釋現(xiàn)象及靜置穩(wěn)定性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出，當(dāng)攪拌速度較低(3 000、4 000、6 000 r/min)時(shí)，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間內(nèi)不能形成穩(wěn)定的W/O型初始乳狀液；在攪拌速度為8 000 r/min、攪拌時(shí)間≥10 min時(shí)可形成穩(wěn)定的W/O型初始乳狀液；在攪拌速度為10 000 r/min、攪拌時(shí)間≥5 min時(shí)可形成穩(wěn)定的W/O型初始乳狀液；在攪拌速度為12 000 r/min、攪拌時(shí)間≥5 min時(shí)可形成穩(wěn)定的W/O型初始乳狀液。為分析所形成的乳狀液的內(nèi)部構(gòu)型變化，分別測(cè)試不同組別乳狀液的破乳電壓和電導(dǎo)率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

基于攪拌時(shí)間和攪拌速度對(duì)初始乳狀液破乳電壓和電導(dǎo)率影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同組別乳狀液的內(nèi)部構(gòu)型變化進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在攪拌速度分別為3 000、4 000、6 000 r/min時(shí)，乳狀液破乳電壓為0 V，電導(dǎo)率大于0.1 μs/cm，乳狀液在水中滴加稀釋現(xiàn)象均為部分分散、部分成滴，體系靜置10 min后狀態(tài)均為分層，即乳狀液在此攪拌條件范圍內(nèi)不能形成穩(wěn)定的乳狀液。但分析乳狀液電導(dǎo)率的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)體系電導(dǎo)率隨攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)而減小、隨攪拌速度的提高而減小，即雖未形成穩(wěn)定的W/O型乳狀液，但體系內(nèi)水相的連續(xù)性隨攪拌速度和攪拌時(shí)間的增加而變差。

表1 攪拌時(shí)間、攪拌速度對(duì)初始乳狀液在水中滴加稀釋現(xiàn)象及靜置穩(wěn)定性的影響

圖2 攪拌時(shí)間和攪拌速度對(duì)初始乳狀液破乳電壓的影響

圖3 攪拌時(shí)間和攪拌速度對(duì)初始乳狀液電導(dǎo)率的影響

在可形成穩(wěn)定初始W/O型乳狀液的攪拌條件范圍內(nèi)，在攪拌速度為8 000 r/min、攪拌時(shí)間為10 min時(shí)所形成W/O型乳狀液破乳電壓為423 V(未形成結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的W/O型乳狀液)，攪拌時(shí)間≥15 min時(shí)所形成的W/O型乳狀液破乳電壓為605 ～633 V，且破乳電壓不隨攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)而升高(形成結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的W/O型乳狀液)；在攪拌速度為10 000 r/min、攪拌時(shí)間為5 min時(shí)所形成W/O型乳狀液破乳電壓為257 V(未形成結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的W/O型乳狀液)，攪拌時(shí)間≥10 min時(shí)所形成的W/O型乳狀液破乳電壓為607～633 V，且破乳電壓不隨攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)而升高(形成結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的W/O型乳狀液)；在攪拌速度為12 000 r/min、攪拌時(shí)間為5 min時(shí)所形成W/O型乳狀液破乳電壓為504 V(未形成結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的W/O型乳狀液)，攪拌時(shí)間≥10 min時(shí)所形成的W/O型乳狀液破乳電壓為603～641 V，且破乳電壓不隨攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)而升高(形成結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的W/O型乳狀液)。

綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和減少耗能的需求，明確最佳攪拌條件為攪拌速度8 000 r/min、攪拌時(shí)間15 min或攪拌速度10 000 r/min、攪拌時(shí)間10 min。

2.2 攪拌時(shí)間和攪拌速度對(duì)乳狀液酸致轉(zhuǎn)相后體系性能的影響

在攪拌速度8 000 r/min、攪拌時(shí)間15 min條件下制備初始乳狀液，初步選取攪拌時(shí)間分別為2、5、10、15、20 min，選取速度2分別為3 000、4 000、6 000、8 000 r/min，測(cè)試所得體系性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 攪拌時(shí)間和攪拌速度對(duì)乳狀液酸致轉(zhuǎn)相后體系在水中滴加現(xiàn)象和靜置穩(wěn)定性的影響

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，明確攪拌速度較低(3 000、4 000 r/min)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間內(nèi)不能形成穩(wěn)定的O/W型乳狀液；在攪拌速度為6 000 r/min、攪拌時(shí)間≥5 min時(shí)可形成穩(wěn)定的O/W型乳狀液；在攪拌速度為8 000 r/min、攪拌時(shí)間≥5 min時(shí)可形成穩(wěn)定的O/W型乳狀液。為分析所形成的乳狀液的內(nèi)部構(gòu)型變化，分別測(cè)試不同組別乳狀液的破乳電壓和電導(dǎo)率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 攪拌時(shí)間和攪拌速度對(duì)乳狀液酸致轉(zhuǎn)相后體系破乳電壓的影響

圖5 攪拌時(shí)間和攪拌速度對(duì)乳狀液酸致轉(zhuǎn)相后體系電導(dǎo)率的影響

基于攪拌時(shí)間和攪拌速度對(duì)酸致轉(zhuǎn)相后體系破乳電壓和電導(dǎo)率影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同組別乳狀液的內(nèi)部構(gòu)型變化進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在攪拌速度為3 000 r/min、攪拌時(shí)間為2 min時(shí)所形成體系還有破乳電壓為23 V、電導(dǎo)率為11.3 μs/cm，分析是形成了水相與油相互相間隔的結(jié)構(gòu)、水相處于被油相阻隔的弱連續(xù)狀態(tài)。在可形成穩(wěn)定O/W型乳狀液的攪拌條件范圍內(nèi)，在攪拌速度為6 000 r/min、攪拌時(shí)間為5 min時(shí)所形成O/W型乳狀液電導(dǎo)率594 μs/cm(未形成結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的O/W型乳狀液)，攪拌時(shí)間≥10 min時(shí)所形成的O/W型乳狀液電導(dǎo)率623～652 μs/cm，且電導(dǎo)率不隨攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)而升高(形成結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的O/W型乳狀液)；在攪拌速度為8 000 r/min、攪拌時(shí)間≥5 min時(shí)所形成的O/W型乳狀液電導(dǎo)率625～641 μs/cm，且電導(dǎo)率不隨攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)而升高(形成結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的O/W型乳狀液)。

綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和減少耗能的需求，明確最佳酸致轉(zhuǎn)相攪拌條件為攪拌速度6 000 r/min、攪拌時(shí)間10 min或攪拌速度8 000 r/min、攪拌時(shí)間5 min。

2.3 攪拌速度和攪拌時(shí)間對(duì)乳狀液堿致轉(zhuǎn)相后體系性能的影響

在攪拌速度8 000 r/min、攪拌時(shí)間15 min條件下制備初始乳狀液，進(jìn)一步在酸致轉(zhuǎn)相攪拌條件為攪拌速度6 000 r/min、攪拌時(shí)間10 min構(gòu)建O/W型乳狀液，初步選取攪拌時(shí)間分別為2、5、10、15、20 min，選取速度3分別為3 000、4 000、6 000、8 000 r/min，測(cè)試所得體系性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，明確攪拌速度較低(3 000 r/min)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間內(nèi)不能形成穩(wěn)定的W/O型乳狀液；在攪拌速度為4 000 r/min、攪拌時(shí)間≥10 min時(shí)可形成穩(wěn)定的W/O型乳狀液；在攪拌速度為6 000 r/min、攪拌時(shí)間≥5 min時(shí)可形成穩(wěn)定的W/O型乳狀液；在攪拌速度為8 000 r/min、攪拌時(shí)間≥5 min時(shí)可形成穩(wěn)定的W/O型乳狀液。為分析所形成的乳狀液的內(nèi)部構(gòu)型變化，分別測(cè)試不同組別乳狀液的破乳電壓和電導(dǎo)率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

基于攪拌時(shí)間和攪拌速度對(duì)初始乳狀液破乳電壓和電導(dǎo)率的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同組別乳狀液所形成的乳狀液的內(nèi)部構(gòu)型變化進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在攪拌速度分別為3 000 r/min時(shí)，乳狀液破乳電壓為0 V，電導(dǎo)率大于0.1 μs/cm，乳狀液在水中滴加稀釋現(xiàn)象均為部分分散、部分成滴，體系靜置10 min后狀態(tài)均為分層，即乳狀液在此攪拌條件范圍內(nèi)不能形成穩(wěn)定的乳狀液，但分析乳狀液電導(dǎo)率的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)體系電導(dǎo)率隨攪拌速度和攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)而減小，即雖未形成穩(wěn)定的W/O型乳狀液，但體系內(nèi)水相的連續(xù)性隨攪拌速度和攪拌時(shí)間的增大而變差。

在可形成穩(wěn)定W/O型乳狀液的攪拌條件范圍內(nèi)，在攪拌速度為4 000 r/min、攪拌時(shí)間為10 min時(shí)所形成W/O型乳狀液破乳電壓為389 V(未形成結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的W/O型乳狀液)，攪拌時(shí)間≥15 min時(shí)所形成的W/O型乳狀液破乳電壓為533～541 V，且破乳電壓不隨攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)而升高(形成結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的W/O型乳狀液)；在攪拌速度為6 000 r/min、攪拌時(shí)間為5min時(shí)所形成W/O型乳狀液破乳電壓為332 V(未形成結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的W/O型乳狀液)，攪拌時(shí)間≥10 min時(shí)所形成的W/O型乳狀液破乳電壓為571～582 V，且破乳電壓不隨攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)而升高(形成結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的W/O型乳狀液)；在攪拌速度為8 000 r/min、攪拌時(shí)間為5 min時(shí)所形成W/O型乳狀液破乳電壓為409 V(未形成結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的W/O型乳狀液)，攪拌時(shí)間≥10 min時(shí)所形成的W/O型乳狀液破乳電壓為587～607 V，且破乳電壓不隨攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)而升高(形成結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的W/O型乳狀液)。

表3 攪拌時(shí)間和攪拌速度對(duì)乳狀液堿致轉(zhuǎn)相后體系在水中滴加稀釋現(xiàn)象/靜置穩(wěn)定性的影響

圖6 攪拌時(shí)間和攪拌速度對(duì)乳狀液堿致轉(zhuǎn)相后體系破乳電壓的影響

圖7 攪拌時(shí)間和攪拌速度對(duì)乳狀液堿致轉(zhuǎn)相后體系電導(dǎo)率的影響

綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和減少耗能的需求，明確最佳堿致轉(zhuǎn)相攪拌條件為攪拌速度4 000 r/min、攪拌時(shí)間15 min或攪拌速度6 000 r/min、攪拌時(shí)間10 min。

3 結(jié) 論

(1)綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素和減少耗能的需求，明確最佳攪拌條件為攪拌速度8 000 r/min、攪拌時(shí)間15 min或攪拌速度10 000 r/min、攪拌時(shí)間10 min；

(2)基于上述最佳工藝制備的可逆乳狀液，明確最佳酸致轉(zhuǎn)相剪切條件為攪拌速度6 000 r/min、攪拌時(shí)間10 min或攪拌速度8 000 r/min、攪拌時(shí)間5 min；最佳堿致轉(zhuǎn)相剪切條件為攪拌速度4 000 r/min、攪拌時(shí)間15 min或攪拌速度6 000 r/min、攪拌時(shí)間10 min。