油包水乳狀液

油包水(W/O)乳化液是由油、水和乳化劑混合形成的。體系的形態是水以小液滴的形式分散於油中。水相是內相或分散相，油是外相或分散介質。油包水乳狀液穩定性是影響油基鑽井液電穩定性的關鍵，所以研究和分析其主要影響因素具有很重大的意義，獲得穩定的油包水乳狀液是配製油基鑽井液的關鍵一步。

基本介紹

• 中文名：油包水乳狀液
• 外文名：water-in-oil emulsion
• 符號表示：W/O

定義

油包水(W/O)乳化液是由油、水和乳化劑混合形成的。體系的形態是水以小液滴的形式分散於油中。水相是內相或分散相，油是外相或分散介質。

乳狀液的形成

兩種互不相溶的液體經振盪後形成的分散體系的表面吉布斯函式很高，是熱力學不穩定體系，因此，要形成穩定的乳狀液，必須設法降低混合體系的吉布斯函式。常用的方法是加入乳化劑(表面活性劑)。乳化劑分子的一端親水，另一端親油。在乳狀液中，乳化劑分子在水、油兩相的界面定向排列，如圖下圖所示。極性基團指向水，非極性基團指向油，從而降低界面張力，增強乳狀液的穩定性。另外，乳化劑分子緊密地定向排列在油一水界面上，形成一層保護膜，阻止了液滴的自動聚集，使乳狀液趨於穩定。

除了乳化劑之外．固體粉末也能使乳狀液起到穩定作用。易被水潤濕的固體粉末有利於形成O/W型乳狀液，易被油潤濕的固體粉末有利於形成W/O型乳狀液。

乳狀液的穩定性

乳狀液是一種多相分散體系，分散相與連續相之間有液－液界面，因而有界面自由能（見界面現象）。乳化時，液－液界面增加,體系的界面自由能增加。因此，乳化過程是熱力學不自發過程（見熱力學過程），需要外界對體系作功。乳狀液液滴在互相碰撞時合併，則是界面縮小，體系界面自由能下降過程,屬於熱力學自發過程。因此，乳狀液是熱力學不穩定體系。如果乳狀液液滴的合併速度很慢，則可認為乳狀液具有一定的相對穩定性。液滴能否在熱運動或重力作用下互相碰撞而合併的關鍵是液－液界面膜的性質。

乳化劑的加入，可降低油－水界面張力，因而也降低了乳化時能量的消耗，有利於體系的乳化和乳狀液的穩定。但降低界面張力的更重要作用是表面活性劑在油-水界面上形成一種定向單分子層，根據吉布斯吸附公式，界面張力下降得越低，表面活性劑在界面上的吸附量越大，則定向單分子層在界面上排列越緊密,界面膜的強度越大,乳狀液越穩定。為了增加界面膜的強度，用混合乳化劑比用單一乳化劑效果更好。例如十六烷基硫酸鈉加入膽甾醇即可在油－水界面上形成緊密混合膜。對陰離子表面活性劑，一般高級脂肪醇、胺、酸均有此種作用。對非離子表面活性劑，特溫型與斯潘型混合使用也可形成緊密混合膜。這種油－水界面上的緊密混合膜，因雙電層重疊時的排斥作用（離子型表面活性劑）或因兩個吸附層接近時的空間阻礙作用，都可阻止液滴互相接近時發生合併，因而可提高乳狀液的穩定性。

乳狀液液滴的顆粒較大，油－水兩相的密度一般不等，因而在重力作用下，液滴上浮（分散介質密度大於分散相的）或下沉（分散介質密度小於分散相的），乳狀液分為兩層，在一層中分散相比原來的多，在另一層中則相反。此即乳狀液的分層。對已分層的乳狀液，只需輕輕攪動，液滴即可重新均勻分布於整個體系中。

乳狀液的不穩定性

乳狀液的不穩定性有幾種可能的表現形式：分層或沉降、絮凝、聚結、破乳、變型或相轉變和熟化。這些過程代表著乳狀液不穩定性不同的表現形式或階段，某些情況下，這些過程可能是相互關連的。乳狀液在完全破乳以前可能經歷絮凝、聚結和分層。如牛奶、奶油的上浮，或未經過均質化的牛奶會分為兩層，在一層中分散相比原來的多，在另一層中分散相則較少變型則是乳狀液由O/W(W/O)型變成W/O( O/W)型，破乳聚沉過程可分為兩步：第一步，絮凝過程中分散相的液珠可逆地聚集成團；第二步，聚結過程中聚集團不可逆地合成一個大滴。破乳聚沉與分層或變型可以同時發生。

下面介紹兩種：

分層或沉降：由於油相和水相的密度不同，在外力（如重力、離心力）作用下液滴將上浮或下沉，在乳狀液中建立平衡的液滴濃度梯度，這個過程稱為分層或沉降。雖然分層使乳狀液的均勻性遭到破壞，但乳狀液並未真正被破壞，往往液滴密集地排列在體系的一端（上層或下層），分成兩層，其界限可以足漸變或明顯的；一般情況下，分層過程中液滴大小和分布沒有明顯的改變，只是在乳狀液內建立起平衡的液滴濃度梯度。

絮凝：乳狀液中分散相的液滴聚集成團，形成二維的液滴簇，稱為絮凝物，這個過程稱為絮凝。一般情況下，絮凝物中液滴的大小和分布沒有明顯的變化，不會發生液滴的聚結，液滴仍然保持其原有特性。絮凝是由於液滴之間的吸引力引起的，這種作用會使得乳狀液中的分散相聚集成團。

油包水乳狀液的穩定性影響因素

油水比

油水比高有利於乳狀液的穩定。水相質量分數少，分散的乳狀液滴密集程度較小，大大下降了液滴碰撞聚結成大液珠的幾率；在相同乳化劑加量下，乳化液顆粒外吸附的表面活性劑的密度大，界面膜更緻密，強度更大，乳狀液的電穩定性高。當水相質量分數大於40%時，乳狀液體系不易形成W/O乳狀液，井底條件改變，體系容易發生乳液反相，成為O/W乳狀液。

配製條件

1）攪拌強度

當分散相質點越小，乳狀液越穩定。在相同時間的攪拌條件下，攪拌強度越大，有利於將水相分散成越小的液滴，形成的乳狀液穩定性越高。

2）攪拌時間

在相同的攪拌強度下，隨攪拌時間增加，水相能分散成更小的液滴。在油基鑽井液中充足的攪拌時間不僅有利於穩定乳狀液的形成，也有利於有機土、石灰、加重劑等固相顆粒在油基鑽井液中的均勻分散，形成穩定的油基鑽井液體系。

3）配製順序

油包水乳狀液的穩定性直接決定了油包水鑽井液的穩定性。配漿時處理劑的加入順序對乳狀液的形成影響較大。配製原則：應先形成乳狀液後加入固相顆粒，使油相和水相充分的接觸，避免固相顆粒對乳狀液的影響，有利於形成更穩定的乳狀液。

乳化劑種類

1 油包水乳化劑選擇原則：

1）HLB值在3~6；

2）非極性基團的截面直徑必須大於極性基團截面直徑；

3）首選鹼土金屬的二價皂類；

4）與油的親和力強；

5）能大幅度降低界面張力。

2 乳化劑類型

油基鑽井液中一般使用石灰作為酸鹼度調節劑，防止地層中的酸性氣體對鑽井液的污染。在高溫條件下，鑽井液中的鹼度越高將越容易加速酯類表面活性劑（如Span系列）的水解，所以在選擇油基鑽井液乳化劑時，則需要從表面活性劑的分子結構和特點考慮。一般油包水的乳化劑有：羧酸的皂類或二價金屬鹽、磺酸的皂鹽、有機酸酯、胺鹽類。不同的乳化劑對礦物油的乳化效果是不同的。當乳化效果不好時，表現為乳狀液分層，出油或出水。實驗配方：油水比（氣制油∶25%CaCl₂溶液）80∶20+2.0%有機土+1.5%CaO。

3 乳化劑加量

一般乳狀液的破乳電壓隨乳化劑的加量增大而增大。乳化劑加量過低，乳狀液體系不穩定，表現為老化後乳狀液電穩定性下降。

其他因素

1）內相中電解質

內相電解質的濃度應與地層活度平衡，即水相活度與實鑽泥頁岩中水活度的大小平衡，才能有利於井壁穩定和鑽井的順利進行。通常採用NaCl或CaCl₂調節，現場一般通過CaCl₂調節，Ca²⁺能加強液滴的界面強度，高溫下游離的Ca²⁺能與乳化劑形成複合乳化劑更有利於乳狀液穩定。與Na⁺比較，Ca²⁺能使分散相帶電量多，使乳狀液間的相互斥力增大，乳狀液越不容易發生聚結；且一價金屬皂類易形成O/W型乳液，二價金屬皂則形成W/O型乳狀液，所以使用CaCl₂調節活度，有利於形成W/O型乳狀液，使乳狀液越穩定。

2）外相種類

外相種類是指在油包水乳狀液中連續相油相的類型。外相的種類對體系黏度和靜切力有很大的影響。當油包水乳化劑的分子結構應與油相分子結構相近，乳化劑與油相具有較好的相容性，有利於乳狀液的穩定。