Лекция 9. Эмульсионные растворы.

Это растворы на основе двух несмешивающихся жидкостей.

I тип эмульсионных растворов: растворы «масло в воде» (ЭРВО) – эмульсионные растворы на водной основе.

Эмульсионно-глинистые растворы применяются для бурения во вмещающих породах, глинистых породах, которые при контакте с другими растворами набухают.

Эмульсионно-безглинистые растворы или водноэмульсионные растворы применяются в тех случаях, когда нужно уменьшить трение бурового инструмента о стенки скважины.

II тип эмульсионных растворов: растворы типа «вода в масле». Глинистые растворы на углеводородной основе (ЭРУО).

1. Безводные ЭРУО, содержащие до 5% воды:

ИБР – известково-битумные растворы и загущенные нефти.

Применяются для бурения в сложных геологических условиях и вскрытия продуктивных залежей.

2. Обращенные или инвертные РУО, содержащие до 50-60% воды. Применяются для весьма сложных разрезов, представленных хемогенно-терригенными породами:.

ВИЭР - высококонцентрированный инвертный эмульсионный раствор;

ГЭР - гидрофобный эмульсионный раствор;

ТИЭР - термостойкий инвертный эмульсионный раствор. Такие растворы предназначены для перебуривания залежей углеводородов с высокой температурой (свыше 200⁰С).

Процесс эмульгирования – процесс получения эмульсионной жидкости, состоящей из непрерывной дисперсионной среды и раздробленной дисперсной фазы.

Стадии нестабильности эмульсионного раствора:

 

Стабильный раствор, в котором капельки воды (В) или масла

(М) находятся в диспергированном состоянии равномерно

по объему дисперсионной среды.

 

 

 

Флокуляция – сцепление (агрегатирование) частиц дисперсной

фазы.

 

Коалесценция – слияние частиц дисперсной фазы.

 

масло

Расслоение или возможно обращение фаз.

вода

 

 

Процесс получения эмульсии делится на 2 этапа:

1. Эмульгирование

2. Стабилизация

 

Способы получения эмульсий.

1. Механическое перемешивание, для чего применяют:

- глиномешалки;

- ФСМ – фрезерно-струйные мельницы;

- коллоидные мельницы;

2. Гидравлический способ – основан на смешивании потоков воды и эмульсола.

3. Ультразвуковой – позволяет создать высокочастотные колебания, приводящий к возникновению пустот с последующим их захлопыванием, что способствует эффективному перемешиванию воды и масла.

Для облегчения процесса получения эмульсии используют эмульгаторы – это по-своему действию ПАВ-эмульгаторы.

ПАВ-эмульгатор:

- облегчает процесс эмульгирования за счет снижения поверхностного натяжения на границе раздела «масло-вода»;

- стабилизирует получаемые эмульсии.

По агрегатному сотсоянию ПАВ-эмульгаторы бывают жидкие или твердые:

Мыла – это жидкие эмульгаторы.

жирная

кислота NaOH

(RCOOH)

вода

 

углеводородная

жидкость

RCOONa (ПАВ), адсорбированное на границе раздела масло-вода.

Омыление:

RCOOH + NaOH → RCOONa – натриевая соль жирной кислоты.

Поэтому жидкое ПАВ (мыло) облегчает эмульгирование, а затем способствует стабилизации полученной эмульсии.

 

 

Свойства ПАВ.

1. ПАВ – это те вещества, молекула которых состоит из двух различных по природе частей, т.е. имеют дифильное строение: гидрофильная и органофильная части.

 

Это обусловливает адсорбцию молекул ПАВ на границе раздела, в соответствии с их частями.

 

масло

 

В

эмульсия типа

вода в масле (II тип)

 

Пример: стеариновая кислота CH₂COOH

гидроксил – СООН СН₂ – алкил

 

О

С – СН₂ – СН₂ – СН₂ – …

ОН

 

СООН углеводородный радикал

2. Адсорбция – способность молекул ПАВ увеличивать свою концентрацию на границе раздела, что способствует:

- снижению поверхностного натяжения (σ ↓);

- эмульгированию одной жидкости в другую;

- стабилизации эмульсионного раствора.

Твёрдые эмульгаторы – это те материалы, которые имеют «мозаичное» строение, позволяющее сконцентрироваться тонкодисперсному веществу на границе раздела М/В, образуя защитный слой – «броню».

 

защитный слой «броня»

 

 

 

М В

 

Жидкие же ПАВ концентрируют на границе раздела молекулы, образуя защитный молекулярный монослой.

 

защитный слой

 

 

В М

 

 

3. ГЛБ – гидрофильно-липофильный баланс, характеризующий наличие гидрофильных (положительных) и органофильных (липофильных – отрицательных) групп в составе дифильной молекулы ПАВ.

ГЛБ=∑+ групп чисел+∑ - групп чисел + 7

Ведичина ГЛБ = 1 ÷ 40

Для определения ГЛБ используют метод растворимости ПАВ в воде:

Состояние ПАВ в ГЛБ

водном растворе

 

нерастворимый 1÷4

(сгусток)

слабая дисперсия 3÷6

молочная-дисперсия 10÷13

прозрачная дисперсия > 13

ПАВ имеющие ГЛБ=3-6 применяют для эмульсионных растворов типа В/М, а с ГЛБ=13-15 – для типа М/В.

4. Солюбилизация – коллойдное растворение ПАВ в воде.

масло, которое проникает внутрь мицелл

взаимодействуя с органофильной частью молекул ПАВ, образующих мицеллу.

 

 

Признаком солюбилизации или хорошего растворения ПАВ является прозрачность раствора.

 

5. Классификация ПАВ по химическому состоянию

1) Ионогенные – ПАВ, молекулы которых, попадая в водный раствор, диссоциируют с образованием заряженных частиц.

а) Анионактивные:

 

- + RSO₃ – сульфонат

RSO₄ – сульфонол

 

RCOO Me(металл)

 

RCOOMe – соли жирных кислот

С₁₅H₃₁COONa – стеарат Na для I-го типа эмульсионных растворов

C₁₇H₃₄COONa – пальмитат Na (масло в воде)

RCOOCa – для II-го типа (вода в масле)

б) Катионные ПАВ – насыщение раствора этими ПАВ приводит к коагуляции глинистых частиц, т.к. они образуют крупный органо-катион при диссоциации. Такие ПАВ являются токсичными. Применяют в нефтедобычею

Ме

+ -

 

2) Неионогенные ПАВ – не являются носителями зарядов и в воде не диссоциируют. Такие ПАВ представлены:

RCOOH – жирнми кислотами;

ROH – спиртами;

ОП – 4, ОП – 7, ОП – 10 – это образователи пены (полиоксиэтилированные полиалкилфенолы). Для них характерно:

- свойства от рН-среды не зависят

- можно целенаправленно изменять величину ГЛБ: применять их для получения эмульсионных растворов типа М/В (ГЛБ=8-18) или В/М (ГЛБ=3-6).

- действие не зависит от минерализации среды.

6. Влияние концентрации ПАВ на величину поверхностного натяжения водного раствора ПАВ.

Существует определенная концентрация ПАВ, превышение которой сопровождается увеличением поверхностного натяжения. Эта концентрация называется критической концентрацией мицеллообразования – С_ккм.

При увеличении концентрации ПАВ выше С_ккм дифильные молекулы ПАВ образуют пластинчатой формы мицеллярные агрегаты, которые присоединяют молекулы ПАВ, не давая возможности им концентрироваться на границе раздела. Поэтому поверхностное натяжение возрастает.

σ

 

Сккм с, %

Рис.49. Зависимость поверхностного натяжения (σ) от концентрации ПАВ (С).

ККМ – концентрация критического мицеллообразования