CN105567182B - 一种可实现多次相转变的pH值调控的可逆乳状液及其制备方法 - Google Patents

一种可实现多次相转变的pH值调控的可逆乳状液及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可实现多次相转变的pH值调控的可逆乳状液及其制备方法。所述可逆乳状液的原料组成为：纳米二氧化硅或纳米氧化钛纳米颗粒，N,N‑二(2‑羟乙基)酰胺，油相和水相。本发明采用N,N‑二(2‑羟乙基)酰胺和纳米颗粒共同稳定乳状液，两者协同作用，增加了乳状液的稳定性。本发明的pH值调控的可逆乳状液加酸可转变为O/W型，再加碱又可转变为W/O型，如此重复操作，能实现多次相转变，提高了乳状液在实际应用中的利用率。

Description

一种可实现多次相转变的pH值调控的可逆乳状液及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种可实现多次相转变的pH值调控的可逆乳状液，属于油田化工及胶体化学领域。
背景技术
乳状液是一种多相分散体系，它是一种液体以极小的液滴形式分散在另一种与其不相混溶的液体中所构成的。乳状液分为油包水型乳状液、水包油型乳状液和多重乳状液。不同类型的乳状液具有不同的特点，在乳状液使用的不同阶段有时需要乳状液有不同的性能特点。可逆乳状液便可以满足这个要求，可逆乳状液可以通过改变外界条件，在水包油型乳状液和油包水型乳状液之间可逆转化，通过实现在不同的阶段在乳状液不同类型之间的转变，达到最佳的使用效果。
可逆乳状液在钻井液中的使用对钻井液的发展具有重要的意义。在钻井过程中，油基乳状液具有良好的热稳定性、润滑性、防塌抑制性和储层保护性，性能明显优于水基钻井液。但是在完井过程中，使用油基钻井液又有滤饼清除难、水泥和地层之间的胶结强度弱、钻屑表面的残余油、钻屑和废泥浆难处理的问题，所以完井过程中使用水基钻井液性能明显优于水基钻井液。可逆乳化钻井液通过控制体系的酸碱性，使钻井液在钻井、完井的不同阶段中在油包水和水包油乳化钻井液之间转化，即在钻井阶段具有油基钻井液的性能，而在完井阶段及其后续操作中，通过添加水溶性酸，可变成水包油型乳状液，将油基钻井液和水基钻井液的优势结合起来，达到理想的钻完井效果。
2014年，张志行在《石油化工与应用》第33卷第7期第92-94页发表了名为“可逆乳状液逆转过程及其影响因素研究与分析”的文章，报道了使用醋酸作为pH调节剂的pH控制的可逆转乳状液，配方为5#白油+25％的CaCl2溶液+6％乳化剂，油水比为50:50，乳化剂为聚氧乙烯脂肪胺(纯度为99.5％，密度为0.916g/cm3)。
2013年，任妍君等在《石油钻探技术》第41卷第04期第87-91页发表了名为“基于乳状液转相技术的钻井液新体系室内研究”的文章，报道了pH值控制的可逆乳化液钻井液体系，其主要配方为5#白油+25％CaCl2溶液+1％有机土+0.5％石灰+4％乳化剂+1％润湿剂，油水比为50:50。乳化剂为有机胺类表面活性剂，其分子结构式为：Rx—NH—Ry—NH2(1≤x≤3，12≤y≤22)。
以上方法所制备的可逆乳状液，可以达到pH值控制转相的目的，但是存在乳状液稳定性差、相转变次数少等缺点，油包水-水包油型乳状液之间转变几次之后，乳状液就不能发生转相，不能很好适应油田钻井完井作业的要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种利用表面活性剂、纳米颗粒稳定的可实现多次相转变的pH值调控的可逆乳状液，所述乳状液稳定性好。
本发明还提供所述可逆乳状液的制备方法。
术语解释：
本发明所述可实现多次相转变，是指在制备好的可逆乳状液中加入酸，乳状液从W/O型转变为O/W型，再加入碱，乳状液从O/W型转变为W/O型；再加入酸，又转变为O/W型，这样在酸碱的作用下，发生多次转相。
本发明的技术方案如下：
一种可实现多次相转变的pH值调控的可逆乳状液，原料组成如下：
纳米颗粒 2-10重量份，
N,N-二(2-羟乙基)酰胺 1-10重量份，
油相 40-60体积份，
水相 60-40体积份，
且油相与水相的总体积为100体积份，所述重量份/体积份的单位为：g/mL或kg/L；
所述的纳米颗粒优选自纳米二氧化硅或纳米氧化钛；
所述N,N-二(2-羟乙基)酰胺优选自N,N-二(2-羟乙基)月桂酰胺、N,N-二(2-羟乙基)椰油酰胺、N,N-二(2-羟乙基)芥子基酰胺或N,N-二(2-羟乙基)油酸酰胺。
根据本发明优选的，所述的纳米颗粒粒径为30-200nm。
根据本发明优选的，所述的油相是柴油、白油、正癸烷或正己烷。进一步优选所述的油相是0#柴油、5#白油、正癸烷或正己烷。
根据本发明优选的，所述的水相是水或质量分数30-40％的CaCl2水溶液。
根据本发明优选的，所述可逆乳状液，原料组成如下：
纳米颗粒3-6重量份，N,N-二(2-羟乙基)酰胺3-8重量份，油相50体积份，水相50体积份，所述重量份/体积份的单位为：g/mL或kg/L。
本发明所用原料均可市场购买，或按现有技术制备。本发明优选提供以下N,N-二(2-羟乙基)酰胺的制备方法。
所述N,N-二(2-羟乙基)酰胺的合成方法，步骤如下：
带有温度计、搅拌器、冷凝管的三口烧瓶中，按摩尔比1：1加入二乙醇胺和月桂酸、椰子油、芥子酸或油酸之一，在140-170℃温度下反应1-2h后，抽真空，在真空度12～15kPa抽去反应产生的水，继续反应3-5h，至无水分被抽出来，分别得到N,N-二(2-羟乙基)月桂酰胺、N,N-二(2-羟乙基)椰油酰胺、N,N-二(2-羟乙基)芥子酸酰胺或N,N-二(2-羟乙基)油酸酰胺。即N,N-二(2-羟乙基)酰胺。
根据本发明，一种可实现多次相转变的pH值调控的可逆乳状液的制备方法，包括以下步骤：
(1)将N,N-二(2-羟乙基)酰胺与油相混合后在10000-12000r/min转速下搅拌5-8min，分散均匀；
(2)向步骤(1)制得的溶液中加入纳米颗粒，常温下超声波振荡1-2小时；
(3)向步骤(2)的体系中加入水相，在10000-12000r/min转速下搅拌30-40min，形成W/O乳状液。即为本发明所述的可逆乳状液。
一种可逆乳状液的转相方法，包括前述方法制备的W/O乳状液，步骤如下：
向本发明制备的W/O乳状液中加入盐酸使pH值至6.0-6.8，在转速为10000～12000r/min下搅拌5～10min，乳状液转变为O/W型；继续加入碱溶液使pH值至8.5-9.0，在转速为10000～12000r/min下搅拌5～10min，乳状液又转变为W/O型。
如此重复处理，使得乳状液可在W/O型、O/W型之间多次转变。
本发明的pH值调控的可逆乳状液，所采用的N,N-二(2-羟乙基)酰胺是W/O型乳化剂，形成W/O乳状液，通过添加水溶性酸，表面活性剂上的氨基-NH与氢离子反应生成-NH2 +，HLB值升高，变成O/W乳化剂，乳状液转相为O/W型乳状液。接着加入碱，表面活性剂上的-NH2 +又转变成氨基-NH，变成O/W乳化剂，乳状液又转相为W/O型乳状液。如此重复处理，乳状液可在W/O型、O/W型之间多次转变，本发明的乳状液的转相次数可以达到40次。
本发明的优良效果：
1、本发明采用N,N-二(2-羟乙基)酰胺和纳米颗粒共同作为乳化剂，N,N-二(2-羟乙基)酰胺带有羟基，可与纳米颗粒表面上的羟基形成氢键，牢固吸附在纳米颗粒表面，提高了乳化性能。
2、本发明采用表面活性剂N,N-二(2-羟乙基)酰胺、纳米颗粒共同稳定乳状液，表面活性剂与纳米颗粒协同作用，增加了乳状液的稳定性。
3、本发明的pH值调控的可逆乳状液，可实现多次重复转相，转相次数可达40次，在实际应用中，提高了乳状液的利用率。
4、本发明的一种可实现多次相转变的pH值调控的可逆乳状液，可用作油田钻井液，钻井阶段是W/O型乳状液，具有油基钻井液的性能，而在完井阶段及其后续操作中，通过添加水溶性酸，可变成O/W型乳状液，将油基钻井液和水基钻井液的优势结合起来，达到理想的钻完井效果。钻完井结束后，加入碱，又转变成W/O型乳状液，可以重新用于新的钻完井施工。
附图说明
图1是实施例8所制备的乳状液转相前后的照片，其中，a.转相前，W/O型乳状液；
b.转相后，O/W型乳状液。
图2是实施例8所制备的乳状液在显微镜下放大1000倍的照片，乳状液的颗粒较小而且粒径均匀。
具体实施方式
以下通过具体实施方式详细描述本发明。下面结合实施例对本发明做进一步说明，但并不限制本发明。除特别说明外，实施例中所用原料均为可市购材料。实施例中所述的％均为质量百分比。
实施例中所述盐酸浓度20％质量百分比，二氧化硅纳米颗粒粒径为50-150nm。
实施例1、N,N-二(2-羟乙基)月桂酰胺的合成：
带有温度计、搅拌器、冷凝管的三口烧瓶中，加入月桂酸和二乙醇胺，摩尔比为1：1，在140℃反应1h后，抽真空，在真空度12～15kPa抽去反应产生的水，继续反应3h，至无水分被抽出来，得到N,N-二(2-羟乙基)月桂酰胺。
实施例2、N,N-二(2-羟乙基)椰油酰胺的合成：
带有温度计、搅拌器、冷凝管的三口烧瓶中，加入椰子油和二乙醇胺，摩尔比为1：1，在150℃反应1h后，抽真空，在真空度12～15kPa抽去反应产生的水，继续反应3h，至无水分被抽出来，得到N,N-二(2-羟乙基)椰油基酰胺。
实施例3、N,N-二(2-羟乙基)芥子酰胺的合成：
带有温度计、搅拌器、冷凝管的三口烧瓶中，加入芥子酸和二乙醇胺，摩尔比为1：1，在170℃反应2h后，抽真空，在真空度12～15kPa抽去反应产生的水，继续反应5h，至无水分被抽出来，得到N,N-二(2-羟乙基)芥子酰胺。
实施例4、N,N-二(2-羟乙基)油酸酰胺的合成：
带有温度计、搅拌器、冷凝管的三口烧瓶中，加入油酸和二乙醇胺，摩尔比为1：1，在150℃反应2h后，抽真空，在真空度12～15kPa抽去反应产生的水，继续反应3h，至无水分被抽出来，得到N,N-二(2-羟乙基)油酸酰胺。
实施例5、一种可实现多次相转变的pH值调控的可逆乳状液，制备方法如下：
将实施例1合成得到的乳化剂N,N-二(2-羟乙基)月桂酰胺1g与正己烷40mL混合后在12000r/min转速下搅拌5min，分散均匀；加入二氧化硅纳米颗粒2g，常温下超声波振荡1小时；然后加入60mL水，在12000r/min转速下搅拌40min，形成乳白色W/O乳状液，即为本发明的可逆乳状液。
W/O乳状液的稳定性：破乳电压200V。
可逆转相性能：加入盐酸，调pH值至6.5，乳状液转相为O/W乳状液，加入质量分数20％的氢氧化钠溶液，调pH值至9.0，乳状液又转相为W/O乳状液。
实施例6
一种可实现多次相转变的pH值调控的可逆乳状液，其制备方法如下：
将实施例2合成得到的乳化剂N,N-二(2-羟乙基)椰油基酰胺10g与0#柴油60mL混合后在12000r/min转速下搅拌5min，分散均匀；加入二氧化硅纳米颗粒10g，常温下超声波振荡1小时；然后加入40mL水，在12000r/min转速下搅拌40min，形成乳白色W/O乳状液，即为本发明的可逆乳状液。
W/O乳状液的稳定性：破乳电压320V。
可逆转相性能：加入盐酸，调pH值至6.3，乳状液转相为O/W乳状液，加入质量分数20％的氢氧化钠溶液，调pH值至8.7，乳状液又转相为W/O乳状液。
实施例7
一种可实现多次相转变的pH值调控的可逆乳状液，其制备方法如下：
将实施例3合成得到的乳化剂N,N-二(2-羟乙基)芥子酰胺6g与5#白油50mL混合后在12000r/min转速下搅拌5min，分散均匀；加入二氧化钛纳米颗粒6g，常温下超声波振荡2小时；然后加入50mL质量分数40％的CaCl2水溶液，在12000r/min转速下搅拌40min，形成乳白色W/O乳状液，即为本发明的可逆乳状液。
W/O乳状液的稳定性：破乳电压510V。
可逆转相性能：加入盐酸，调pH值至6.0，乳状液转相为O/W乳状液，加入质量分数20％的氢氧化钠溶液，调pH值至9.0，乳状液又转相为W/O乳状液。
实施例8
一种可实现多次相转变的pH值调控的可逆乳状液，其制备方法如下：
将实施例4合成得到的乳化剂N,N-二(2-羟乙基)油酸酰胺4g与正癸烷50mL混合后在12000r/min转速下搅拌5min，分散均匀；加入二氧化硅纳米颗粒8g，常温下超声波振荡2小时；然后加入50mL质量分数30％的CaCl2水溶液，在12000r/min转速下搅拌40min，形成乳白色W/O乳状液，即为本发明的可逆乳状液。
W/O乳状液的稳定性：破乳电压350V。
可逆转相性能：加入盐酸，调pH值至6.3，乳状液转相为O/W乳状液，加入质量分数20％的氢氧化钠溶液，调pH值至8.5，乳状液又转相为W/O乳状液。如此重复处理，使得乳状液可在W/O型、O/W型之间多次转变。根据应用时的需要，最多可进行40次相转变。

Claims (7)

1.一种可实现多次相转变的pH值调控的可逆乳状液，原料组成如下：
纳米颗粒 2-10重量份，
N,N-二(2-羟乙基)酰胺 1-10重量份，
油相 40-60体积份，
水相 60-40体积份，
且油相与水相的总体积为100体积份，所述重量份/体积份的单位为：g/mL或kg/L；
所述的纳米颗粒选自纳米二氧化硅或纳米氧化钛；所述的纳米颗粒粒径为30-200nm；
所述N,N-二(2-羟乙基)酰胺选自N,N-二(2-羟乙基)月桂酰胺、N,N-二(2-羟乙基)椰油酰胺、N,N-二(2-羟乙基)芥子基酰胺或N,N-二(2-羟乙基)油酸酰胺。
2.如权利要求1所述的可逆乳状液，其特征在于，所述的油相是柴油、白油、正癸烷或正己烷。
3.如权利要求1所述的可逆乳状液，其特征在于，所述的油相是0#柴油、5#白油、正癸烷或正己烷。
4.如权利要求1所述的可逆乳状液，其特征在于，所述的水相是水或质量分数30-50％的CaCl2水溶液。
5.如权利要求1所述的可逆乳状液，其特征在于，原料组成如下：
纳米颗粒3-6重量份，N,N-二(2-羟乙基)酰胺3-8重量份，油相50体积份，水相50体积份，所述重量份/体积份的单位为：g/mL或kg/L。
6.权利要求1-5任一项所述的可逆乳状液的制备方法，包括以下步骤：
(1)将N,N-二(2-羟乙基)酰胺与油相混合后在10000-12000r/min转速下搅拌5-8min，分散均匀；
(2)向步骤(1)制得的溶液中加入纳米颗粒，常温下超声波振荡1-2小时；
(3)向步骤(2)的体系中加入水相，在10000-12000r/min转速下搅拌30-40min，形成W/O乳状液，即为本发明所述的可逆乳状液。
7.一种可逆乳状液的转相方法，包括权利要求6制备的W/O乳状液，步骤如下：
向所制备的W/O乳状液中加入盐酸使pH值至6.0-6.8，在转速为10000～12000r/min下搅拌5～10min，乳状液转变为O/W型；继续加入碱溶液使pH值至8.5-9.0，在转速为10000～12000r/min下搅拌5～10min，乳状液又转变为W/O型；
如此重复处理，使得乳状液可在W/O型、O/W型之间多次转变；转相次数可达40次。
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