ЭМУЛЬСИОННЫЕ ПРОМЫВОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ
Ряд ПАВ, как уже указывалось, представляют собой композиции различных веществ, одним из компонентов которых является гидрофобная составляющая — минеральное масло или органические жиры. При введении в воду таких составов образуются водомасляные эмульсии, которые широко применяются при алмазном бурении. По сравнению с водными растворами ПАВ эти эмульсии обладают повышенными смазочными и антивибрационными свойствами, активно воздействуют на процесс разрушения горных пород и обеспечивают более высокие технико-экономические показатели бурения. Для получения эмульсионной промывочной жидкости реже используется нефть и некоторые нефтепродукты (масла), которые не являются поверхностно-активными.
В бурении применяются эмульсии двух типов:
Эмульсии I рода типа масло в воде, в которой дисперсная (внешняя) среда — вода, а нефть или нефтепродукт — дисперсная фаза;
Эмульсии II рода, так называемые обращенные (обратные) типа вода в масле, в которой дисперсионная среда — нефть или нефтепродукт, а вода диспергирована и равномерно распределена по объему раствора; эмульсии II рода называются также инвертными эмульсиями.
Эмульсии I рода по многим свойствам, особенно по гидрофильности, напоминают воду, эмульсии II рода — нефть, поэтому последнюю дисперсную систему называют также гидрофобной эмульсией.
Эмульсии образуются при перемешивании двух взаимно нерастворимых жидкостей. При этом жидкости с более высоким поверхностным натяжением диспергируются в другой жидкости. Так как на поверхности раздела двух фаз существует высокое поверхностное натяжение, а степень дисперсности дисперсной фазы очень большая, свободная поверхностная энергия диспергированных глобул весьма значительна. Всякая система стремится к уменьшению свободной поверхностной энергии, поэтому эмульсия в состоянии покоя будет разрушаться; входя в контакт друг с другом, глобулы будут сливаться, образовывать крупные капли, и система расслоится.
Для стабилизации эмульсии вводят еще один компонент — эмульгатор.
В большинстве случаев эмульгатор — это поверхностно-активное вещество. Концентрируясь на поверхности раздела фаз, оно уменьшает поверхностное натяжение на этой границе, препятствует слиянию глобул. Вокруг каждой глобулы образуется тонкая плотная пленка, стабилизирующая глобулу. Стабилизация глобул возможна также за счет адсорбции на их поверхности ионов из дисперсионной среды.
Выбор эмульгатора во многом определяет тип эмульсии. Если поверхностное натяжение на границе контакта вода — эмульгатор оказывается меньше, чем на контакте нефтепродукт — эмульгатор, образуется эмульсия I рода, если же больше — эмульсия II рода. Поэтому возможна система, в которой вода, находясь в меньшем количестве, чем нефтепродукт, является дисперсионной средой. В то же время некоторые эмульгаторы (сульфонатровые смолы, кальциевые мыла жирных кислот и др.) стабилизируют эмульсию воды в нефти при содержании воды 80% и даже больше. Эти эмульсии называют обращенными, так как они получаются при замене (обращении) фаз в обычных гидрофильных эмульсиях, когда среда вместо гидрофильной становится гидрофобной, а дисперсная фаза из гидрофобной превращается в гидрофильную. Инвертные эмульсии обладают инертностью к неустойчивым глинам, исключают размыв стенок скважин в солях.
Простейшая эмульсионная промывочная жидкость — смесь воды и эмульгирующего концентрата, содержащего масляную фазу. Получение таких эмульсионных промывочных жидкостей в большинстве случаев сводится к добавке к воде эмульгирующего состава с последующим механическим перемешиванием. При использовании составов с повышенными гидрофобными свойствами (мылонафт, нефть, масла) высококачественную эмульсию получают в установках с ультразвуковыми устройствами.
Эмульсионные растворы могут иметь и более сложную рецептуру. Так, при бурении с КССК в сложных геологических условиях применяется, например, раствор такого состава: 0,05-0,06% ПАА, 2% ФХЛС, 1,5-2% СМАД-1, 10% УЩР, остальное вода. Порядок перемешивания: вода — ФХЛС — СМАД-1—раствор ПАА—УЩР. Такой раствор имеет высокие ингибирующие свойства и пониженные гидравлические сопротивления, что чрезвычайно важно при бурении с КССК. Параметры раствора: р=1,02 г/см3, Т = 17÷18 с, B = 6÷8 см3.
Основной показатель качества эмульсий — их устойчивость. Стабильность эмульсии определяется на пробе, отбираемой в стеклянный цилиндр из бесцветного стекла диаметром 25— 30 мм объемом 100 мл. Пробу выдерживают при температуре. 18—20 °С в течение времени, предусмотренного техническими условиями, но не менее 2 ч. Стабильной является эмульсия, сохранившая однородность и равномерную окраску во всем объеме и не выделившая масла.
Поступление в эмульсионную промывочную жидкость в процессе бурения высокодиспергированной твердой фазы, особенно глинистой, повышает устойчивость эмульсии. Введением эмульгирующих концентратов можно любую промывочную жидкость на водной основе перевести в категорию эмульсионных.