颗粒粒径对可逆乳状液性能的影响

张 捷 刘 飞* 代晓东 陈孟鑫 郑 政 王 硕 薛 琳 徐莹雪 杜得辉 刘志华 邢春玉 蒋 虹

（中国石油大学胜利学院，山东 东营257061）

外界条件转变时，可逆乳状液可以在油包水乳状液和水包油乳状液之间可逆转化[1]，目前最广泛应用于制备可逆乳化钻井液[2]。现阶段可逆乳化钻井液主要由表面活性剂型乳化剂稳定，在稳定性上存在缺点，故考虑引入颗粒形成复合型乳化剂增强可逆乳化钻井液体系的稳定性[3]。

在工科行业的科学研究中，一直存在一个问题，就是室内实验与现场实验之间存在差别，比如渗透率差异测试[4]，怎么有效联系起室内实验与现场使用效果也一直是研究的热点。颗粒应用于油田现场也一直存在一个问题，很多在室内试验用纳米二氧化硅形成的效果很好的制备方案应用于油田现场时效果不理想，经检查很重要的一个影响因素是，室内试验使用的纳米二氧化硅都是化学试剂，粒度范围较为准确，而现场使用的纳米二氧化硅由于工业品本身存在的缺陷、油田施工现场环境的复杂性导致纳米二氧化硅比实验室环境下更易团聚，故现场使用的纳米二氧化硅其实粒径已接近微米级别[5]。

综上，要引入颗粒形成复合型乳化剂增强可逆乳化钻井液体系稳定性，就必须将该研究的室内实验与现场应用联系起来，即明确二氧化硅颗粒粒径变化对可逆乳化钻井液体系性能的影响。而可逆乳化钻井液体系的核心在于可逆乳状液，故首先要研究二氧化硅粒径变化对可逆乳状液体系的影响，笔者选取纳米二氧化硅与微米二氧化硅进行对比试验，测试其制备的可逆乳状液的性能，明确二氧化硅颗粒粒径对可逆乳状液性能的影响，并分析相关影响产生的微观结构层面的原因，以期推动可逆乳状液研究更好的发展，促进可逆乳化钻井液（转下页）在更广泛范围内的应用。

基于前期试验，亲水性颗粒与实验室自制表面活性剂型可逆乳化剂SL-3 复配所制备乳状液不可实现可逆转相，亲油性颗粒与实验室自制表面活性剂型可逆乳化剂SL-3 复配所制备乳状液可逆转相效果最好，故笔者使用不同粒径亲油性二氧化硅颗粒来研究二氧化硅颗粒粒径对可逆乳状液性能的影响。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

试剂：斯卡兰2#白油，工业级，斯卡兰石油（重庆）有限公司；氢氧化钠、盐酸、亲油性纳米二氧化硅、表面活性剂SL-3，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；亲油性微米二氧化硅，实验室自制；去离子水。

仪器：NGJ-2 型泥浆高速搅拌机：青岛胶南分析仪器厂；DWY-2A 型智能电稳定性测试仪：青岛新领机电科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 可逆乳状液的制备

①改性纳米颗粒为亲油型纳米二氧化硅。将1g 表面活性剂和100ml 白油混合后搅拌5min（12000r/min），向其中加入3g 亲油型纳米二氧化硅混合后搅拌5min（12000r/min），形成表面活性剂/亲油型纳米二氧化硅复合材料的白油分散体系，记为分散体系3，然后向其中加入100ml 去离子水，搅拌40min（12000r/min），形成1 号乳状液。

②改性微米颗粒为亲油型微米二氧化硅。将1g 表面活性剂和100ml 白油混合后搅拌5min（12000r/min），向其中加入3g 亲油型微米二氧化硅混合后搅拌5min（12000r/min），形成表面活性剂/亲油型微米二氧化硅复合材料的白油分散体系，记为分散体系3，然后向其中加入100ml 去离子水，搅拌40min（12000r/min），形成2 号乳状液。

1.2.2 乳状液可逆转相性能的研究

①加酸转相：做多组平行实验，每组都是取100mL 1 号乳状液，向不同组的乳状液里分别加入不同体积的浓度为5wt.%的盐酸（0vol.%～5vol.%），搅拌10min（12000r/min），使用电稳定测试仪测定乳状液类型，其中，基于前期研究，加量为0.6 vol.%的组别制备的水包油乳状液记作3 号乳状液，用作测试乳状液加碱转相性能的初始乳状液[5]。

②加碱转相（加酸转相后）：做多组平行实验，每组都是取100mL3 号乳状液，向不同组乳状液中分别加入不同体积的浓度为5wt.%的NaOH 溶液（0vol.～5vol.%），搅拌10min（12000r/min），使用电稳定测试仪测定乳状液类型[5]。

2 实验结果与讨论

经过实验测试可知，在表面活性剂SL-3 与二氧化硅颗粒质量比一定的情况下，“表面活性剂/纳米二氧化硅复合体系稳定的初始油包水乳状液”破乳电压高于“表面活性剂/微米二氧化硅复合体系稳定的初始油包水乳状液”的破乳电压。分析主要原因为，微米颗粒没有纳米颗粒高比表面积所带来的独特性质，导致表面活性剂在颗粒表面吸附密度较低，且颗粒较大，自由移动程度较差，导致与纳米颗粒相比，微米颗粒较少的分布在在油水界面，综合因素导致改性纳米颗粒稳定的可逆乳状液稳定性高于改性微米颗粒稳定的可逆乳状液。

在表面活性剂SL-3 与二氧化硅颗粒质量比一定的情况下，“表面活性剂/纳米二氧化硅复合体系稳定的乳状液”与“表面活性剂/微米二氧化硅复合体系稳定的乳状液”均能表现出较好的可逆转相性能。分析主要原因为，改性纳米二氧化硅表面吸附有大量表面活性剂，对其表面改性较为彻底，导致改性纳米二氧化硅表面的酸/碱响应可逆转化性能较好，使其稳定的乳状液具备较好的可逆转化性能；表面活性剂在微米颗粒表面吸附密度较低，但也有部分吸附，故其表面部分区域具备酸/碱响应性能，部分区域无酸/碱响应性能（无表面活性剂吸附区域），还有大量处于游离状态的表面活性剂SL-3，且颗粒较大，自由移动程度较差，导致与纳米颗粒相比，微米颗粒较少的分布在油水界面，导致大量处于游离状态的表面活性剂SL-3 吸附在油水界面，表面活性剂SL-3 具有较好的酸/碱响应性能，上述因素综合导致“表面活性剂/纳米二氧化硅复合体系稳定的乳状液”与“表面活性剂/微米二氧化硅复合体系稳定的乳状液”均能表现出较好的可逆转相性能。

3 结论

二氧化硅颗粒的粒径对“纳米二氧化硅与表面活性剂复合材料稳定的乳状液”的性质有一定影响。在乳状液稳定方面，改性纳米颗粒稳定的可逆乳状液稳定性高于改性微米颗粒稳定的可逆乳状液；在乳状液可逆转相性能方面，“表面活性剂/纳米二氧化硅复合体系稳定的乳状液”与“表面活性剂/微米二氧化硅复合体系稳定的乳状液”均能表现出较好的可逆转相性能。