В целом, применение эмульсии 1-го рода в качестве бурового раствора позволяет:
1) предотвратить диспергирование глинистых пород и улучшить очистку скважины от выбуренной породы, благодаря оптимальным технологическим параметрам бурового раствора;
2) повысить устойчивость аргиллито-глинистых пород и снизить риск осыпей в процессе углубления скважины, в т.ч. при долговременных простоях;
3) снизить количество фильтрационных потерь, повысить стабильность бурового раствора во времени и многократность его применения, что значительно снижает издержки сервисной компании;
4) повысить смазывающие свойства системы бурового раствора.
Для обеспечения устойчивости прямых эмульсий в минерализованной воде применяют низковязкие производные лигносульфонаты, полисахариды, а также олигомеры на основе акрилата или метилсиликоната натрия [1–3]. Прямые эмульсии содержат до 40 % углеводородов (минеральное масло, дизельное топливо, газоконденсат) и стабилизируются преимущественно водо- и маслорастворимыми эмульгаторами. Общим недостатком эмульсионных составов является их низкая устойчивость при высокой концентрации минеральных солей в водной фазе, составляющей 10–25 %, что является серьезным ограничением их использования. [4]
Использование прямых эмульсий сталкивается также с существенными проблемами, связанными с более низкой устойчивостью такого рода систем, по сравнению с РУО. При наличии солевого фона в сочетании с повышенной температурой устойчивость прямых эмульсий снижается, что ограничивает их применение. В среднем данные системы агрегативно устойчивы до 90 °С при условии отсутствия высокой минерализации.
Для решения вышеуказанной проблемы была инициирована работа по разработке новых методов повышения стабильности прямых эмульсий. В частности, создания и испытания компенсирующего соэмульгатора, задача которого заключается в противостоянии гидрофобизирующему действию солей и обеспечении гидрофильности капель масла в присутствии соли, что напрямую способствует повышению устойчивости прямых эмульсий.
Устойчивость прямой эмульсии, представляющей собой микродисперсную масляную фазу, распределенную в пресной воде, достигает максимума в интервале рН = 9–9,5, соответствующем наибольшей степени электростатической защиты. В отсутствии эмульгирующего ПАВ устойчивость эмульсии весьма низкая. Скорость коалесценции масляных капель пропорциональна разнице плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды, радиусу капель масляной фазы и обратно пропорциональна вязкости водной фазы. Поэтому капли масляной фазы в прямых эмульсиях необходимо стабилизировать добавкой эмульгаторов.
Причины снижения устойчивости прямых эмульсий
Вопрос стабилизации прямых эмульсий остается актуальной темой для исследований. Использование поверхностно-активных веществ и их влияние на стабильность эмульсии хорошо известны [5,6]. Благодаря своему амфифильному характеру поверхностно-активные вещества адсорбируются на границе масло/вода в зависимости от размера их гидрофильной и гидрофобной частей [7].
Прямые эмульсии являются термодинамически нестабильными системами, и их стабильность зависит от влияния различных факторов, в основном таких, как температура и минерализация водной фазы [8]. Температура может значительно влиять на свойства прямых эмульсий. С повышением температуры может произойти коалесценция или объединение капель воды, что приведет к разрушению эмульсии. Это происходит из-за того, что при повышенной температуре увеличивается кинетическая энергия частиц, что приводит к более интенсивным столкновениям между каплями и их последующему объединению.
Минерализованная вода, которая содержит высокую концентрацию растворенных солей, также может оказывать влияние на стабильность прямых эмульсий. Эти соли могут взаимодействовать с эмульгаторами, приводя к изменению их свойств и, следовательно, свойств эмульсии. Также соли, присутствующие в минерализованной воде, могут изменить поверхностное натяжение между водной и масляной фазами, что может привести к разрушению эмульсии.
Неустойчивость прямых эмульсий в условиях минерализации водной фазы и повышенных температур (повышение температуры оказывает аналогичное гидрофобизирующее действие, как и введение соли) также связана с их коллоидно-химической природой – при нагревании любой прямой эмульсии наблюдается ее переход в состояние инвертной эмульсии при определенной температуре, называемой температурой инверсии фаз (ТИФ). Это связано с термообусловленным разрушением водородных связей молекул эмульгатора, что приводит к его гидрофобизации и смещению величины гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ) из области стабилизации прямых эмульсий (ГЛБ>8) в область стабилизации обратных эмульсий (ГЛБ<6). Аналогичным образом происходит увеличение гидрофобности эмульгатора при засолении водной фазы прямой эмульсии, при котором растворимость эмульгатора в соленой воде существенно снижается, что также приводит к понижению его ГЛБ ниже 6, и прямая эмульсия дестабилизируется.
Полиоксиэтиленовые цепочки эмульгатора обеспечивают реализацию стерического фактора устойчивости, возникающего при понижении энтропии при взаимопроникновении адсорбционных слоев при сближении соседних капель.
В условиях пресной водной фазы молекулы эмульгатора ассоциированы в мицеллы, которые находятся в динамическом равновесии с индивидуальными молекулами эмульгатора, участвующими непосредственно в образовании капель эмульсии. Чем в большей степени равновесие смещено в сторону индивидуальных молекул ПАВ, тем выше эффективность эмульгатора. При увеличении концентрации соли в водной фазе эмульсии происходит увеличение гидрофобизации молекул эмульгатора за счет снижения гидратации гидрофильных функциональных групп (полиоксиэтиленовых цепочек), что приводит к смещению равновесия в сторону увеличения концентрации мицелл и соответствующему снижению эффективной концентрации индивидуальных молекул эмульгатора. Электростатической стабилизации микрокапель прямой эмульсии оказывается недостаточно при увеличении ионной силы водной фазы при растворении NaCl/KCl. Это приводит к обеднению межфазного адсорбционного слоя молекулами эмульгатора. Кроме того, величина ГЛБ эмульгатора снижается, и он теряет способность стабилизировать прямую эмульсию, что выражается в понижении ТИФ и соответствующем развитии коалесценции эмульсии.
Cоэмульгатор Neodirect-emul Stab
Для обеспечения устойчивости прямой эмульсии в условиях насыщения водной фазы электролитом необходимо ввести дополнительный структурно-механический фактор устойчивости. Специалистами отдела разработок и инноваций ООО «Химпром» был создан соэмульгатор Neodirect-emul Stab, который представляет собой органо-минеральную смесь ПАВ. Данный реагент вводят в сухом виде в водную фазу перед эмульгированием органической фазы. При введении соэмульгатора происходит увеличение гидрофильности молекул ПАВ, что сопровождается снижением концентрации мицелл и соответствующим увеличением плотности адсорбционного слоя эмульгатора на межфазной границе.
Роль соэмульгатора в обеспечении процесса диссоциации мицелл ПАВ (основного эмульгатора) и соответствующего повышения концентрации «свободных» молекул ПАВ, способных к адсорбции на поверхности масляной капли с образованием прочных и гидрофильных адсорбционных слоев. Поэтому введение соэмульгатора в несколько раз понижает межфазное натяжение на границе водной и масляной фаз. Соэмульгатор способствует формированию более мелкодисперсной и стабильной эмульсии.
Механизм действия соэмульгатора отражен
на рис. 1, рис. 2, рис. 3.
Рис. 1 и рис. 2 демонстрируют разницу между пресным и минерализованным раствором. Cоэмульгатор обеспечивает эффективность эмульгатора при наличии солей. На рис. 1 показано, что в пресной среде на границе капли масла существует монослой из дифильных молекул эмульгатора. При введении соли гидрофобность молекул эмульгатора увеличивается (иначе говоря, увеличивается сродство молекул эмульгатора к маслу). Это приводит, во-первых, к снижению растворимости эмульгатора в воде, а, во-вторых, часть молекул эмульгатора в составе адсорбционного слоя на поверхности капли масла как бы «проваливается» внутрь масла (как показано на рисунке). При этом адсорбционный слой становится более разряженным, то есть хуже защищает каплю масла от коагуляции (снижается сорбционно-сольватный фактор устойчивости эмульсии). Поэтому в соленой среде эмульсия постепенно деградирует и разделяется на фазы. При введении соэмульгатора гидрофильность части молекул эмульгатора восстанавливается – растворимость эмульгатора в воде снова увеличивается (это означает, что увеличивается концентрация в воде адсорбционно активных молекул эмульгатора) и адсорбционный слой на поверхности капли масла снова восстанавливается.
С увеличением концентрации соли в водной фазе прямой эмульсии концентрация соэмульгатора также должна увеличиваться. Если концентрация хлорида калия в водной фазе составляет 5 %, то концентрация соэмульгатора должна быть в пределах от 0,5 до 2 % в зависимости от природы масляной фазы. Если водная фаза прямой эмульсии насыщена хлоридом калия, то стабилизирующая концентрация соэмульгатора, соответственно, увеличивается до 5–10 %.
Лабораторные исследования прямых эмульсий с использованием соэмульгатора
На первом этапе исследований оценивалось влияние соэмульгатора на снижение фильтрации прямой эмульсии в растворах с наличием хлорида калия. Термостарение проводили при относительно невысокой температуре, чтобы оценить влияние соэмульгатора только при одном факторе нестабильности.
Для приготовления эмульсий следует добавить реагенты в порядке, указанном в табл.1, перемешивая в течение заданного времени на верхнеприводной мешалке. Когда все реагенты введены и выдержано время перемешивания, убрать стакан с перемешивателя, оставить одну часть каждой эмульсии на стабилизацию не менее 16 часов, а другую поставить на термостарение в динамическом режиме в течение 24 часов при 50 °С. После ночной выдержки и термостарения эмульсии следует перемешать на верхнеприводной мешалке в течение
30 минут. Далее произвести измерение плотности, реологии, рН и фильтрации.
В табл. 2 приведены результаты измерения фильтрации эмульсий до и после термостарения (24 ч при 50 °С), измеренные при температурах 20–22 °C и 49 °С
Эмульсия получилась стабильной, расслоения после термостарения не наблюдалось. На втором этапе исследований, соэмульгатор тестировался в системе с наличием хлорида калия и при температуре термостарения 85 °С (табл. 3).
В табл. 4 приведены результаты измерения эмульсий до и после термостарения, измеренные при температурах. Эмульсия получилась стабильной, расслоения после термостарения не наблюдалось.
По данной рецептуре Заказчиком были проведены исследования в сторонней аккредитованной лаборатории. Планируется проведение опытно-промышленных работ.
Выводы
Проведена работа по подбору и тестированию компонентов для повышения стабильности прямых эмульсий. Разработанный соэмульгатор Neodirect-emul Stab может использоваться вместе с основными эмульгаторами для улучшения свойств эмульсий и расширения условий их применения. Соэмульгатор играет важную роль в формировании и поддержании стабильности эмульсий. Эффективность применения соэмульгатора обусловлена использованием в его составе компонентов, способных эффективно разрушать мицеллы основного эмульгатора, повышая тем самым концентрацию молекул эмульгатора, активно участвующих в адсорбции на межфазной границе и, тем самым, эмульгирующих масляную фазу. При введении соэмульгатора происходит увеличение гидрофильности молекул основного эмульгатора, что сопровождается снижением концентрации мицелл и соответствующем увеличением плотности адсорбционного слоя эмульгатора на межфазной границе.
Роль соэмульгатора:
1. Улучшение стабильности: соэмульгатор помогает улучшить стабильность эмульсии, уменьшая напряжение на межфазной границе и облегчая формирование мелкодисперсной эмульсии.
2. Регулирование размера частиц: соэмульгатор способствует уменьшению размера капель, что положительно влияет на функциональные свойства прямой эмульсии как бурового раствора.
3. Решение проблем солеустойчивости: в условиях высокой минерализации соэмульгатор может помочь поддерживать стабильность эмульсии, обеспечивая гидрофильность капель эмульсии в присутствии солей, противостоя проблеме гидрофобизации, вызванной этими солями.
Планируется дальнейшее внедрение данного компонента в составе прямых эмульсий.
