乳化剂提高油包水乳状液稳定性的作用机理及其验证

摘要：油包水乳状液的稳定性是很多因素共同作用的结果，包括基础油、乳化剂、油水比、搅拌时间和强度，以及高温的影响等。选择两种乳化剂，其中一种是大庆油田常用的油包水乳状液的乳化剂，另外一种是亲水基带正电的乳化剂，对两种乳化剂进行了分子结构分析，通过评价两种油包水乳状液在不同老化温度下的破乳电压，验证乳化剂提高油包水乳状液的抗高温稳定性的作用机理。

关键词：乳化剂 油包水乳状液 抗高温

The Stability Enhancement Mechanism and Verificationof Emulsifier in W/O Emulsion

Daqing Drilling and Exploring Engineering Company Drilling Engineering Technical Research Institute Drilling Fluid Technical Research Institute, Hei Longjiang Daqing 163413

Abstract: There are many factors influence the W/O drilling emulsion stability, including base oil, emulsifier, water oil ratio, stirring time and intensity, high temperature and so on. Two emulsifiers were chosen and analyzed, one is used traditionally in Daqing Oil Field, and another is belong to the kind of which hydrophilic radical is electropositive. We validate the mechanism of emulsifier enhance W/O emulsion stability through evaluating the Es of two different W/O emulsion after aging at different temperature.

Key words: emulsifier W/O emulsion high temperature resistant

乳化剂为表面活性剂，由极性的亲水基和非极性的亲油基两部分组成。亲水基与水分子通过氢键作用吸引水相，而亲油基与水分子相排斥，与非极性或弱极性溶剂分子通过分子间力吸引油相。乳化剂分子的亲油基一般是由烃基构成的，而亲水基则由各种极性基团组成，种类繁多，因此，乳化剂在性质上的差异，除与烃基的大小和形状有关外，主要与亲水基团的类型有关[1]。研究油包水乳状液乳化剂的作用机理其实质就是分析乳化剂分子的结构，从组成乳化剂的各基团入手分析其抗高温稳定性的原因。

1、油包水乳化剂分子结构分析

稳定性强的油包水乳化剂应该：

(1)亲油基具有较长的饱和碳链(10～20个碳原子)。只有碳原子数增加到一定程度后，才能表现出明显的表面活性，而如果碳原子数过多则成为不溶于水的物质，即失去表面活性，因此，要求碳链上的碳原子数为10～20较宜。长碳链不仅相互吸引、相互作用，而且与油中的非极性烃相吸引。碳链越长，它们与油分子的作用范围越大，具有较长碳链的乳化剂在油水界面上分布，水滴必须克服较长距离的空间阻碍作用才能相互接触、聚并，因此，乳状液的稳定性增强[2]；

(2)亲水基具有较强的极性。一般油包水钻井液乳化剂亲水基的极性头小，不易与水相相吸引而吸附在界面上，因而采用与HLB值>7的亲水性强的乳化剂相复配的方法来提高其吸附在界面上的能力。即将HLB值为3～6的主乳和HLB值>7的辅乳复合使用，在油水界面形成密堆复合膜，增强乳化效果。提高亲水基的极性即提高了乳化剂在界面吸附的能力，因此提高了乳状液的稳定性[3][4]；

(3)亲水基含有高价阳离子。含有高价阳离子即有多条碳链，从几何形状来考虑，其在界面上的排列趋向于形成一个凸形油面，有利于形成油包水型乳状液。这种由乳化剂分子的空间构型决定乳状液类型的原理在胶体化学在中被称为定向楔型理论。而实际上，乳状液液滴的大小比乳化剂分子要大很多，所以液滴的曲面相对于乳化剂分子近于平面，故乳化剂分子两端的大小就不是很重要了，也无所谓楔形插入。同时，影响乳状液稳定性的因素是多方面的，因此定向楔理论和亲水基含有高价阳离子对乳状液的影响也就较弱。因此，乳化剂提高油包水钻井液的抗高温稳定性主要是通过提高其在油水两相的吸附强度。

1.1 Span-80分子结构分析

斯盘-80（主要成分为山梨糖醇酐单油酸酯）结构式如下：分析以上结构式可以看出，斯盘-80亲油基为较长的饱和碳链，亲水基为多元醇，因其具有与水分子相似的羟基而易溶于水，通过羧基连接亲油基和亲水基，主要靠氢键作用。

1.2 抗高温油包水钻井液主乳分子结构分析

抗高温油包水钻井液乳化剂与Span-80的结构式相比，最主要有两个区别：(1)亲油基和亲水基之间的连接键裂解能大，抗高温能力增强；(2)亲水基带正电，增强了亲水基的极性。亲水基中引入了仲胺或叔胺基，由于胺中的氮含有孤对电子，能以氢键与氢结合，吸引氢离子使胺基带正电荷，进一步增强了乳化剂分子的极性，提高乳化稳定能力，抗高温能力增强。

2、油包水乳状液的抗高温稳定性评价

乳状液稳定性的评价方法有观察法、离心法和电稳定法，本文使用fann MODEL 23D型电稳定测试仪测量破乳电压（测三次取平均值），评价油包水乳状液的稳定性。为了实验有可比性，将其他条件都统一，只改变乳化剂的类型和老化温度进行稳定性评价。