泡沫液性能研究分析

1.泡沫液研究現(xiàn)狀

　　泡沫流體因具有靜液柱壓力低、濾失量小、攜砂性能好、助排能力強及對地層傷害小等特征,廣泛用于低壓、漏失及水敏性地層的鉆井、完井、修井和油氣井增產(chǎn)措施(如泡沫排水、負(fù)壓沖砂等) 中。在國外石油工業(yè)中,泡沫流體的應(yīng)用已有三十多年的歷史了,現(xiàn)已成為油氣田開發(fā)中的一個重要發(fā)展方向。近年來,雖然我國石油工業(yè)在泡沫流體應(yīng)用技術(shù)方面已積累了一些經(jīng)驗,但還不十分成熟。

　　泡沫的穩(wěn)定性和發(fā)泡性是泡沫在實際應(yīng)用中最重要的兩個性質(zhì)。泡沫的穩(wěn)定性是泡沫的主要性能，好的發(fā)泡性是研究泡沫穩(wěn)定性的前提。

2.泡沫穩(wěn)定性的研究

　　2.1泡沫的衰變機(jī)理

　　目前普遍認(rèn)為泡沫衰變的機(jī)理有兩個：一是液膜的排液;另一個是氣體透過液膜的擴(kuò)散。兩種機(jī)理均與液膜性質(zhì)及液膜與Plateau(三個氣泡的交界區(qū))邊界間的相互作用有直接關(guān)系。

　　2.1.2液膜的排液

　　泡沫中液膜的排液是氣泡相互擠壓和重力作用的結(jié)果。氣泡的擠壓主要來源于曲面壓力。

　　2.1.3氣體透過液膜的擴(kuò)散

　　由于氣泡的大小總是不均勻的，根據(jù)Laplace方程，泡沫中小氣泡內(nèi)的氣體壓力高于大氣泡。在這一壓力差作用下，小氣泡中氣體會透過液膜擴(kuò)散到大氣泡中，導(dǎo)致小氣泡變小，以致消失，而大氣泡變大，最終破裂。對于浮在液面上的氣泡，氣體會透過液膜直接向氣相擴(kuò)散，導(dǎo)致泡沫衰變。

3 泡沫穩(wěn)定性的影響因素

　　泡沫是相當(dāng)復(fù)雜的體系，影響泡沫穩(wěn)定性的因素較多,主要討論以下幾個方面。

　　3.1 起泡溶液的表面張力

　　隨著泡沫的生成,液體表面積增大,表面能增高。根據(jù)Gibbs原理,體系總是趨向于較低的表面能狀態(tài),低表面張力,可使泡沫體系能量降低,有利于泡沫的穩(wěn)定。

　　3.2 表面粘度

　　表面粘度是指液體表面單分子層內(nèi)的粘度。這種粘度,主要是表面活性劑分子在表面單分子層內(nèi)的親水基間相互作用及水化作用而產(chǎn)生的。皂素、蛋白質(zhì)及其他類似物質(zhì)的分子間, 除范德華力外,分子間的羧基、胺和羰基間有形成氫鍵的能力;因而, 有很高的表面粘度, 形成很穩(wěn)定的泡沫。

　　3.3 溶液粘度

　　SITA等研究了水溶性聚合物對泡沫穩(wěn)定性的影響, 他們在0.2%C12 H25OSO3Na和0.5%NaCl的水溶液中, 加入C12H25OH和羥甲基纖維素鈉鹽,并測定了泡沫的有關(guān)參數(shù),得出以下結(jié)論:水溶性聚合物的加入,提高了溶液的粘度,增長了泡沫重力排液松馳時間,氣體擴(kuò)散松馳時間及泡沫半衰期。

　　3.4 壓力和氣泡大小分布

　　泡沫在不同壓力下穩(wěn)定性不同,壓力越大,泡沫越穩(wěn)定。Rand研究了活性劑水溶液泡沫,在不同壓力下的排液時間,發(fā)現(xiàn)壓力與泡沫排液時間呈直線關(guān)系。這是因為泡沫質(zhì)量一定時,壓力越大,泡沫半徑越小;泡膜的面積越大,液膜變得越薄,排液速度越低。

　　3.5 溫度

　　大量實踐表明, 泡沫穩(wěn)定性隨溫度升高而下降。在低溫和高溫下泡沫的衰變過程不同:(1)低溫下,泡沫排液使泡膜達(dá)到一定厚度時, 就呈亞穩(wěn)狀態(tài),其衰變機(jī)理主要是氣體擴(kuò)散.(2)高溫下,泡沫破滅由泡沫柱頂端開始, 泡沫體積隨時間增長有規(guī)律地減小。

　　3.6 泡沫質(zhì)量的影響

　　泡沫質(zhì)量是指泡沫中氣體所占總體積的百分比。Minssieux[20]認(rèn)為泡沫質(zhì)量對其穩(wěn)定性有決定性影響，且這種影響隨泡沫衰變的主要機(jī)理不同而異。以排液為主要衰變機(jī)理的泡沫，其穩(wěn)定性隨泡沫質(zhì)量的增加而增加;以氣體擴(kuò)散為主要衰變機(jī)理的泡沫，其泡沫穩(wěn)定隨泡沫質(zhì)量的增加而降低。前者因泡沫質(zhì)量提高，氣泡半徑變小，泡膜變薄，排液速率降低;后者，由于泡沫質(zhì)量增加，加速了氣體擴(kuò)散速率，泡沫變得不穩(wěn)定。

4.泡沫穩(wěn)定性的評價方法

　　(1)氣流法

　　氣流法產(chǎn)生泡沫的方式一般是以一定流速的氣體通過玻璃砂濾板, 濾板上有一定量的測試溶液, 于是在容器(刻度量筒)中會形成泡沫。當(dāng)固定氣體的流速并使用同一儀器時,流動平衡時的泡沫高度h 可以作為泡沫性能的量度。這種

　　方法又稱為改進(jìn)的Bikerman 法, 是目前比較常用的泡沫評價方法之一。

　　(2)攪動法

　　攪動法是在氣體(一般為空氣)中攪動液體, 將氣體攪入液體中形成泡沫。嚴(yán)格規(guī)定儀器規(guī)格、攪動方式、時間、速度及液體用量等,則生成泡沫的體積V0(剛停止攪拌時的體積)即可用來表示試液的起泡性; 記錄停止攪動后泡沫體積

　　隨時間的變化(減少)并作出曲線,由此可以了解泡沫的穩(wěn)定性。

德國SITA R2000泡沫測試儀

5.泡沫穩(wěn)定性實驗研究

　　5.1實驗藥品

　　起泡劑:ZXD;十二烷基苯磺酸鈉(分子量:348.48含量≥83%,上海化學(xué)試劑站中心化工廠)

　　穩(wěn)泡劑: 三乙醇胺(分子量:149.19三乙醇胺含量≥85.0%,灼燒殘渣0.05%(成都市醫(yī)藥公司化學(xué)試劑批發(fā)部);聚丙烯酰胺。

　　5.2實驗方法

　　(1)原理:正交設(shè)計(四水平),詳見表1

　　(2)按照正交設(shè)計,配制定量基液,裝入容器中,在合適的氣流量下,使氣液混合產(chǎn)生泡沫,測起泡時間t′和泡沫半衰期t,以此衡量起泡能力和泡沫穩(wěn)定性。起泡時間短,半衰期長, 則說明該起泡劑性能良好。起泡時間為產(chǎn)生600mL泡沫所需的時間,半衰期為泡沫體積衰減至半時的時間(表2~表5)

　　表1

　　表2十二烷基苯磺酸鈉(x)+三乙醇胺(y)

　　表3 ZXD(x)+三乙醇胺(y)

　　表4 十二烷基苯磺酸鈉(X)+三乙醇胺(Y)聚丙烯酰胺(z)

　　表5 十二烷基苯磺酸鈉(x)+聚丙烯酰胺(y)

6數(shù)據(jù)處理分析

　　6.1 氣液比對充氣條件的影響

　　常溫下,對兩種起泡劑的t′和t 進(jìn)行測試。

　　6.2 起泡劑濃度對t′和t的影響

　　用十二烷基苯磺酸鈉和ZXD配制成不同濃度溶液再與1.0%三乙醇胺分別配成100ml基液并在常溫常壓下進(jìn)行測試.

　　6.3 固泡劑濃度對t′和t影響

　　按要求配制基液對三乙醇胺的濃度對t′和t影響進(jìn)行研究

　　6.4 增粘劑濃度對t′和t的影響

　　固定十二烷基苯磺酸鈉的濃度,測定增粘劑聚丙烯酰胺的濃度對t′和t的影響

7 提高泡沫穩(wěn)定性的方法

　　提高本體溶液液相粘度SudarshiTA.Reg2ismond等在溶液中加入纖維素醚類聚合物,提高溶液粘度,降低液膜的排液速率,增加泡沫穩(wěn)定性R1J1Green和Anneke H1Martin等將蛋白質(zhì)加入溶液中,由于蛋白質(zhì)能夠在液膜上形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這樣一方面提高液膜的初始排水量,而且能降低泡沫排液速率,提高了泡沫穩(wěn)定性。

　　表面活性劑復(fù)配Britta M1Flome 等用陽離子型高分子表面活性劑與陰離子表面活性劑復(fù)配,由于二者強烈靜電作用,增加了陰陽離子在界面上的吸附量。同時,二者在膜間的液相粘度增加,提高了泡沫穩(wěn)定性。CecilMonteux 等將陰離子表面活性劑PSS和陽離子面活性劑CTAB復(fù)配,二者在界面上發(fā)生相互作用生成微型膠體,來增加膜間液相粘度,增加泡沫壽命。DUZhiping和EricDickison等將硅顆粒均勻分散在溶液中,當(dāng)泡沫生成后,微小硅顆粒在泡沫膜上形成一層致密殼層結(jié)構(gòu),阻止了泡沫膜逐級分層,使泡沫穩(wěn)定。

德國SITA  R2000 自動泡沫分析儀

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