[科普中国]-油包水乳状液

油包水(W/O)乳化液是由油、水和乳化剂混合形成的。体系的形态是水以小液滴的形式分散于油中。水相是内相或分散相，油是外相或分散介质。油包水乳状液稳定性是影响油基钻井液电稳定性的关键，所以研究和分析其主要影响因素具有很重大的意义，获得稳定的油包水乳状液是配制油基钻井液的关键一步。

定义油包水(W/O)乳化液是由油、水和乳化剂混合形成的。体系的形态是水以小液滴的形式分散于油中。水相是内相或分散相，油是外相或分散介质。1

乳状液的形成两种互不相溶的液体经振荡后形成的分散体系的表面吉布斯函数很高，是热力学不稳定体系，因此，要形成稳定的乳状液，必须设法降低混合体系的吉布斯函数。常用的方法是加入乳化剂(表面活性剂)。乳化剂分子的一端亲水，另一端亲油。在乳状液中，乳化剂分子在水、油两相的界面定向排列，如图下图所示。极性基团指向水，非极性基团指向油，从而降低界面张力，增强乳状液的稳定性。另外，乳化剂分子紧密地定向排列在油一水界面上，形成一层保护膜，阻止了液滴的自动聚集，使乳状液趋于稳定。

除了乳化剂之外．固体粉末也能使乳状液起到稳定作用。易被水润湿的固体粉末有利于形成O/W型乳状液，易被油润湿的固体粉末有利于形成W/O型乳状液。1

乳状液的稳定性乳状液是一种多相分散体系，分散相与连续相之间有液－液界面，因而有界面自由能（见界面现象）。乳化时，液－液界面增加,体系的界面自由能增加。因此，乳化过程是热力学不自发过程（见热力学过程），需要外界对体系作功。乳状液液滴在互相碰撞时合并，则是界面缩小，体系界面自由能下降过程,属于热力学自发过程。因此，乳状液是热力学不稳定体系。如果乳状液液滴的合并速度很慢，则可认为乳状液具有一定的相对稳定性。液滴能否在热运动或重力作用下互相碰撞而合并的关键是液－液界面膜的性质。

乳化剂的加入，可降低油－水界面张力，因而也降低了乳化时能量的消耗，有利于体系的乳化和乳状液的稳定。但降低界面张力的更重要作用是表面活性剂在油-水界面上形成一种定向单分子层，根据吉布斯吸附公式，界面张力下降得越低，表面活性剂在界面上的吸附量越大，则定向单分子层在界面上排列越紧密,界面膜的强度越大,乳状液越稳定。为了增加界面膜的强度，用混合乳化剂比用单一乳化剂效果更好。例如十六烷基硫酸钠加入胆甾醇即可在油－水界面上形成紧密混合膜。对阴离子表面活性剂，一般高级脂肪醇、胺、酸均有此种作用。对非离子表面活性剂，特温型与斯潘型混合使用也可形成紧密混合膜。这种油－水界面上的紧密混合膜，因双电层重叠时的排斥作用（离子型表面活性剂）或因两个吸附层接近时的空间阻碍作用，都可阻止液滴互相接近时发生合并，因而可提高乳状液的稳定性。

乳状液液滴的颗粒较大，油－水两相的密度一般不等，因而在重力作用下，液滴上浮（分散介质密度大于分散相的）或下沉（分散介质密度小于分散相的），乳状液分为两层，在一层中分散相比原来的多，在另一层中则相反。此即乳状液的分层。对已分层的乳状液，只需轻轻搅动，液滴即可重新均匀分布于整个体系中。1

乳状液的不稳定性乳状液的不稳定性有几种可能的表现形式：分层或沉降、絮凝、聚结、破乳、变型或相转变和熟化。这些过程代表着乳状液不稳定性不同的表现形式或阶段，某些情况下，这些过程可能是相互关连的。乳状液在完全破乳以前可能经历絮凝、聚结和分层。如牛奶、奶油的上浮，或未经过均质化的牛奶会分为两层，在一层中分散相比原来的多，在另一层中分散相则较少变型则是乳状液由O/W(W/O)型变成W/O( O/W)型，破乳聚沉过程可分为两步：第一步，絮凝过程中分散相的液珠可逆地聚集成团；第二步，聚结过程中聚集团不可逆地合成一个大滴。破乳聚沉与分层或变型可以同时发生。

下面介绍两种：

分层或沉降：由于油相和水相的密度不同，在外力（如重力、离心力）作用下液滴将上浮或下沉，在乳状液中建立平衡的液滴浓度梯度，这个过程称为分层或沉降。虽然分层使乳状液的均匀性遭到破坏，但乳状液并未真正被破坏，往往液滴密集地排列在体系的一端（上层或下层），分成两层，其界限可以足渐变或明显的；一般情况下，分层过程中液滴大小和分布没有明显的改变，只是在乳状液内建立起平衡的液滴浓度梯度。

絮凝：乳状液中分散相的液滴聚集成团，形成二维的液滴簇，称为絮凝物，这个过程称为絮凝。一般情况下，絮凝物中液滴的大小和分布没有明显的变化，不会发生液滴的聚结，液滴仍然保持其原有特性。絮凝是由于液滴之间的吸引力引起的，这种作用会使得乳状液中的分散相聚集成团。1

油包水乳状液的稳定性影响因素油水比油水比高有利于乳状液的稳定。水相质量分数少，分散的乳状液滴密集程度较小，大大下降了液滴碰撞聚结成大液珠的几率；在相同乳化剂加量下，乳化液颗粒外吸附的表面活性剂的密度大，界面膜更致密，强度更大，乳状液的电稳定性高。当水相质量分数大于40%时，乳状液体系不易形成W/O乳状液，井底条件改变，体系容易发生乳液反相，成为O/W乳状液。2

配制条件1）搅拌强度

当分散相质点越小，乳状液越稳定。在相同时间的搅拌条件下，搅拌强度越大，有利于将水相分散成越小的液滴，形成的乳状液稳定性越高。

2）搅拌时间

在相同的搅拌强度下，随搅拌时间增加，水相能分散成更小的液滴。在油基钻井液中充足的搅拌时间不仅有利于稳定乳状液的形成，也有利于有机土、石灰、加重剂等固相颗粒在油基钻井液中的均匀分散，形成稳定的油基钻井液体系。

3）配制顺序

油包水乳状液的稳定性直接决定了油包水钻井液的稳定性。配浆时处理剂的加入顺序对乳状液的形成影响较大。配制原则：应先形成乳状液后加入固相颗粒，使油相和水相充分的接触，避免固相颗粒对乳状液的影响，有利于形成更稳定的乳状液。3

乳化剂种类1 油包水乳化剂选择原则：

1）HLB值在3~6；

2）非极性基团的截面直径必须大于极性基团截面直径；

3）首选碱土金属的二价皂类；

4）与油的亲和力强；

5）能大幅度降低界面张力。

2 乳化剂类型

油基钻井液中一般使用石灰作为酸碱度调节剂，防止地层中的酸性气体对钻井液的污染。在高温条件下，钻井液中的碱度越高将越容易加速酯类表面活性剂（如Span系列）的水解，所以在选择油基钻井液乳化剂时，则需要从表面活性剂的分子结构和特点考虑。一般油包水的乳化剂有：羧酸的皂类或二价金属盐、磺酸的皂盐、有机酸酯、胺盐类。不同的乳化剂对矿物油的乳化效果是不同的。当乳化效果不好时，表现为乳状液分层，出油或出水。实验配方：油水比（气制油∶25%CaCl2溶液）80∶20+2.0%有机土+1.5%CaO。

3 乳化剂加量

一般乳状液的破乳电压随乳化剂的加量增大而增大。乳化剂加量过低，乳状液体系不稳定，表现为老化后乳状液电稳定性下降。3

其他因素1）内相中电解质

内相电解质的浓度应与地层活度平衡，即水相活度与实钻泥页岩中水活度的大小平衡，才能有利于井壁稳定和钻井的顺利进行。通常采用NaCl或CaCl2调节，现场一般通过CaCl2调节，Ca2+能加强液滴的界面强度，高温下游离的Ca2+能与乳化剂形成复合乳化剂更有利于乳状液稳定。与Na+比较，Ca2+能使分散相带电量多，使乳状液间的相互斥力增大，乳状液越不容易发生聚结；且一价金属皂类易形成O/W型乳液，二价金属皂则形成W/O型乳状液，所以使用CaCl2调节活度，有利于形成W/O型乳状液，使乳状液越稳定。

2）外相种类

外相种类是指在油包水乳状液中连续相油相的类型。外相的种类对体系黏度和静切力有很大的影响。当油包水乳化剂的分子结构应与油相分子结构相近，乳化剂与油相具有较好的相容性，有利于乳状液的稳定。23

本词条内容贡献者为:

蒲富永 - 教授 - 西南大学