Представление о теории эмульгирования, процессах стабилизации эмульсий поверхностно-активными веществами

Известно, что буровые растворы на водяной компоненте обладают характерными свойствами, которые не редко оказывают отрицательное врздейсвие на качество вскрытия продуктивных пластов, устойчивость стенок скважин в терригенных отложениях, а также не редко приводят к растворению сульфатно-галоидных пород [75,76].
В следствии чего в начале двадцатого века активно ведутся работы, направленные на создание дисперсных систем, нейтрализующих воздействие водной фазы, тогда дисперсионная среда представляется в виде неполярной жидкости. Первые системы, работающими на такой основе, являются безводные суспензии, рабочей средой которых являются сырые нефтепродукты (нефть), а дисперсной фазой - окисленный битум, ламповая или газовая сажа [77]. Данная технология показала себя эффективной при бурении небольших скважин с отсутствием пород с увеличенным содержанием влажности в них.В работе Дж. Грея и Г.С.Г. Дарли [18], которая обобщила накопленные знания многих видов  промывочных жидкостей, говорилось, что жидкости созданные на углеводородной основе рекомендуется применять с целью сохранения эффективности скважин. Такие материалы характеризуются сниженной фильтрацией жидкой фазы в разрабатываемые пласты и остаются стабильными к воздействию забойных температур и притоку пластовой жидкости. Так же растворы на углеводородной основе многообещающими в условиях сероводородной агрессии, так как 
устойчивы к воздействию кислых газов и обладают высокой поглотительной 
способностью.Основной целью создания  растворов с углеводородной основой является эмульгирование одной фазы в объеме другой. При эммульгировании дисперсной фазы в дисперсионной среде в тоже время проходят несколько противоречащих друг другу процессов: диспергирование и коалесценсия. При смещении баланса в сторону диспергирования будет образовываться эмульсия. При таком процессе  энергия, используемая для эмульгирования совершает полезную работу.Данный процесс можно рассмотреть, как процесс состоящий из двух протекающих стадий. При первой стадии в результате механического воздействия образуется одновременно как эмульсия М/В (масло в воде), так и В/М (вода в масле). При второй – стабилизируется один тип эмульсий, зависящих от свойств находящегося в системе эмульгатора. Тип образовавшийся эмульсии зависит от следующих условий: избирательного смачивания в процессе эмульгирования и природы эмульгатора. При выборе эмульгатора следует опираться правилом Банкрофта, чем сильнее выражено взаимодействие ПАВ – эмульгатора с одной из фаз, тем вероятнее образование эмульсии, в которой эта фаза будет дисперсионной средой, то есть при необходимости создания эмульсии М/В эмульгатор должен растворяться в водной фазе и, наоборот.
Для обеспечения заданного типа эмульсии необходимо соблюсти порядок ввода фаз. Жидкость, представляющая в эмульсии дисперсную фазу, должна вводиться в жидкость, представляющую дисперсионную среду. Данный способ используется для обращения фаз эмульсии. При этом эмульсию вводят при интенсивном перемешивании в жидкость, которая должна стать дисперсионной средой. Так, для обращения эмульсии М/В в В/М, ее при интенсивном перемешивании небольшими порциями вводят в углеводородную среду.
Вышеизложенные правила создания различных типов эмульсий с использованием эмульгаторов не нарушаются, если концентрация дисперсной фазы не превышает пиковых значений. В ином случае происходит фазовое обращение в независимости от последовательности ввода фаз.
Во всех остальных случаях, где в качестве эмульгаторов используются мыла, наиболее целесообразно получить их в процессе эмульгирования. В связи с этим, в углеводородной фазе растворяется жирная кислота, а в водной – щелочь. В процессе эмульгирования на границе раздела двух фаз образуется мыло.
На свойства эмульсии существенное влияние оказывает продолжительность эмульгирования. В периоде перемешивания баланс сдвинут в сторону диспергирования. С течением некоторого он перемещается к равновесному процессу, и дальнейшее перемешивание можно не проводить. Это может провести к возможности нежелательного изменения физических свойств системы. В таком случае, при длительном перемешивании эмульсии возможно существенное повышение температуры перемешиваемой среды, что скорее всего приведет к изменению поверхностного натяжения, вязкости и адсорбции эмульгатора.
Для определенной среды существует вполне конкретное время эмульгирования, зависящее не только от свойств эмульгатора, а также от типа выбранного смесителя

. В теории считается [28], что время эмульгирования при оптимальных условиях не превышает 1 – 5 минут, и дальнейший процесс эмульгирования нецелесообразен, так как энергетические затраты не дают должного эффекта.
В практических реалиях время эмульгирования может превышать его теоретическое значение. Зависимость образуется от нескольких факторов, в том числе от количества подводимой энергии, метода эмульгирования и свойств используемых компонентов. Плотность и вязкость фаз оказывает значительное воздействие на данную процедуру. На основании чего с увеличением разности плотностей дисперсионной среды и дисперсной фазы степень дисперсности системы так же увеличивается. Это объясняет увеличенный градиент скорости глобул дисперсной фазы и, как следствие, ростом касательных напряжений, вызывающих деформацию глобул и их диспергирование.
Характеристика деформации и последующего диспергирования глобулы находиться в зависимости и от отношения вязкости дисперсионной среды и дисперсной фазы. В ходе изменения данного отношения в сторону повышения вязкости дисперсной фазы, процесс эмульгирования затрудняется.
Ф.Д. Румшейдтом и С.Г. Мессоном [72] получены микрофотографии процесса диспергирования жидкостей различной вязкости ( ʋф , ʋс –вязкости дисперсной фазы и дисперсной среды соответственно. При ʋф /ʋс1 капля приобретает форму наклонного эллипса с последующем ее расщеплением на более мелкие капли (рисунок 1.1 а), при ʋф /ʋс = 1 центральная часть капли вытягивается в цилиндр, из средней части которого образуются мелкие капли (рисунок 1.1 б), а при ʋф /ʋс 1 механизм каплеобразования может быть различным (рисунок 1.1 в, г).
По Л.Я. Кремневу [37,38], рассмотрение процесса эмульгирования можно провести с точки зрения изменений, происходящих в дисперсионной среде, которая в процессе эмульгирования преобразуется в слой с минимальной толщиной кр и увеличенных концентраций в дисперсионной среде обусловливается константными показателями кр и S∞. Показатели кр и S считаются самыми важными факторами в теории эмульгирования, характеризующие строение и свойства защитной пленки, которая образуется в ходе диспергирования второй фазы. 5134610-12509502893695-7785103357245-7086604302125-778510
91757557150
Рисунок 1.1 – Схема микропроцесса диспергирования глобулы в плоском гиперболическом течении в зависимости от изменения относительной вязкости
Процессом эмульгирования предусматривает максимальное уменьшение размера глобулы дисперсной фазы. Однако, как показывают практические эксперименты. наряду с мелкими глобулами, существуют капли большего размера.
Помимо осуществления процесса эмульгирования одной из главных задач является устойчивое состояние дисперсной фазы эмульсии. В.И. Токунов, И.Б. Хейфец [72,73] считают, что главным показателеммм устойчивого состояния дисперсной системы считается минимальное количество свободной энергии. На основании этих данных эмульсии относятся к неравновесным и термодинамически нестабильным системам, с непрерывно протекающими коалесценсии глобул дисперсной фазы, приводящие к уменьшению поверхности раздела фаз. Что может привести к полному разделению на водную и углеводородную фазы или к обращению фаз, чему соответствует минимуму межфазной и свободной поверхности.
center945515Процесс разделения эмульсии можно выделить следующие фазы: флокуляция (агрегатирование), коалесценция, седиментация и обращение фаз (рисунок 1.2).
Рисунок 1.2 – Виды нестабильного состояния эмульсии
а– стабильная эмульсия; б – флокуляция (агрегатирование); в – коалесценция; г, ж – седиментация; д – расслоение фаз; е – обращение фаз
Данные нестабильности переходят из одной в другую и заканчиваются тотальной коалесценцией (расслоением) или фазовым обращением. Исключением является седиментационная нестабильность, существующая самостоятельно без перехода в следующую фазу (например, отслаивание сливок в молоке) (рисунок 1.2 ж). Флокуляция дисперсных систем (рисунок 1.2 б), в некторой степени объясняется соотношением сил молекулярного притяжения и электростатического отталкивания