董雅杰，楊旭，王凱，袁艦蘭，余婷，郭麗

(西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500)

水基泡沫是氣體與表面活性劑水溶液形成的分散體系，具有密度低、黏度高、含液量少、可乳化攜帶原油等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于沖砂、洗井、攜砂、調(diào)剖堵水和驅(qū)油等領(lǐng)域［1］。但泡沫本質(zhì)上是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，良好的穩(wěn)定性是其應(yīng)用前提。高穩(wěn)定性的泡沫可有效運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域，滿足現(xiàn)場施工要求，一般單一的表面活性劑產(chǎn)生泡沫的穩(wěn)定性通常較差;而在一定條件下，不同種類的表面活性劑復(fù)配會(huì)表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應(yīng)，研究者們已經(jīng)通過各類表面活性劑的復(fù)配，極大地提升了泡沫體系的穩(wěn)定性，將半衰期延長至40 ～1 080 min 不等［2］。本文通過多種起泡劑、降低凝固點(diǎn)的輔劑和穩(wěn)泡劑的復(fù)配，篩選出一種低凍點(diǎn)、閃點(diǎn)高、發(fā)泡能力強(qiáng)和高穩(wěn)定性的起泡劑，以獲得性能優(yōu)越的水基泡沫。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

沙索高泡脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(LAES)有效成分70%、α-烴基磺酸鈉(AOS)有效成分70%、椰油酰胺丙基甜菜堿(CAB)有效成分40%、重烷基苯磺酸鈉(HABS-2024)有效成分88.2%;十二烷基硫酸鈉(SDS)、異丙醇、甘油、1，2-丙二醇均為分析純;分子量1 600 萬水解聚丙烯酰胺(HPAM-1600);分子量10 萬羥乙基纖維素(HEC-10);羥丙基胍膠(HPG)，化學(xué)純。

HZY-B300 電子天平;GJ-1 型高速攪拌機(jī);2151型羅氏泡沫儀;BSY-179D 多功能低溫測定儀;BSY-102 閉口閃點(diǎn)測定儀;JZHY-180 表面張力儀;XEDSPJ 旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

先采用羅氏-邁爾斯(Ross-Miles)法評(píng)價(jià)復(fù)配體系的起泡及穩(wěn)泡能力。具體步驟:將200 cm3試液從高900 mm，內(nèi)徑為2.9 mm 細(xì)孔中流下，沖入盛有50 cm3同樣溫度和濃度的試液中，記下剛流完200 cm3溶液時(shí)的泡沫高度H0和5 min 后的泡沫高度H5作為發(fā)泡劑起泡能力和泡沫穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，加入穩(wěn)泡劑以后再采用Waring Blender 法［3］評(píng)價(jià)基液的起泡能力及所形成泡沫的穩(wěn)定性，具體步驟:在常溫下(25 ℃)配制100 mL 的一定濃度的起泡基液，采用高速攪拌機(jī)持續(xù)攪拌1 min，然后迅速將泡沫倒入1 000 mL的帶封口的量筒中，讀取泡沫體積V0(mL)，用以表征泡沫的起泡能力。然后記錄從泡沫中析出一半液體(50 mL)時(shí)所需的時(shí)間t1/2(min)，即泡沫的半衰期，以衡量泡沫的穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 低凝固點(diǎn)、高發(fā)泡能力起泡劑配方

2.1.1 起泡劑 在起泡劑濃度為3 g/L 的情況下，5 種單一起泡劑的起泡性能見表1。

表1 單一起泡劑的起泡性能Table 1 The blistering performance of single foaming agent

由表1 可知，起泡劑LAES 和起泡劑CAB 起泡能力要較其他起泡劑起泡能力好，因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)選用LAES 和CAB 進(jìn)行復(fù)配，由于CAB 是兩性表面活性劑，價(jià)格昂貴，可以考慮加入聚合物與少許CAB 形成一種空間結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)泡沫膜的強(qiáng)度，提高其發(fā)泡能力，而加入陽離子聚合物之后，起泡劑可能被吸附到巖石上，不能發(fā)揮作用，筆者選用陰離子聚合物HPAM 進(jìn)行復(fù)配，而HABS-2024 的疏水基團(tuán)很長能有效降低表面張力，復(fù)配體系的起泡性能見表2。

表2 復(fù)配體系的起泡性能(濃度3 g/L)Table 2 The blistering performance of the synergy system

由表2 可知，編號(hào)為8 的起泡劑起泡效果好，由 于復(fù)配HABS-2024 可以降低泡沫體系的表面張力，故在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選用編號(hào)14 的起泡劑。

起泡劑濃度對(duì)起泡劑起泡能力影響見圖1。

圖1 起泡劑濃度對(duì)泡沫性能的影響Fig.1 The effect of foaming agent’s concentration on blistering performance

由圖1 可知，隨著起泡劑濃度的增大體系的發(fā)泡能力呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，峰值出現(xiàn)在濃度為3 g/L 左右，因此并不是起泡劑濃度越大越好。以下實(shí)驗(yàn)均采用濃度為3 g/L 的編號(hào)為14 的起泡劑，命名為14#。

2.1.2 降低凝固點(diǎn)的輔劑 當(dāng)物質(zhì)液相蒸汽壓與固相的蒸汽壓相等，且能平衡共存時(shí)的溫度為該物質(zhì)的凝固點(diǎn)，當(dāng)純?nèi)軇┲腥芙庖环N難揮發(fā)的非電解質(zhì)后，該溶劑的凝固點(diǎn)會(huì)降低，也就是溶液的凝固點(diǎn)降低與溶液的質(zhì)量摩爾濃度成正比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

ΔTf為凝固點(diǎn)降低值，Kf為溶劑的凝固點(diǎn)降低常數(shù)［水為1.86 K/(kg·mol)］，bB為溶液的質(zhì)量摩爾濃度，常用的降低凝固點(diǎn)物質(zhì)為醇、鹽類物質(zhì)，筆者分別選用異丙醇、甘油、1，2 丙二醇、NaCl 進(jìn)行篩選作為起泡劑的防凍劑，測復(fù)配起泡劑的凝固點(diǎn)和閃點(diǎn)，為能使起泡劑在低溫下具有良好的流動(dòng)性，起泡劑凝固點(diǎn)應(yīng)低于－15 ℃，同時(shí)為了起泡劑儲(chǔ)存的安全性，閃點(diǎn)應(yīng)該要夠高，降低凝固點(diǎn)的輔劑與14#起泡劑復(fù)配效果見表3。

表3 降低凝固點(diǎn)的輔劑與14#起泡劑復(fù)配性能Table 3 The performance for compounds of 14 # foaming agent with different freezing point reducing builder

由表3 可知，當(dāng)14#起泡劑與1，2-丙二醇復(fù)配質(zhì)量比為7∶3 時(shí)，最終的起泡劑凝固點(diǎn)為－16 ℃，在102 ℃時(shí)開始沸騰，閃點(diǎn)也滿足要求，而且加入的1，2-丙二醇幾乎對(duì)原14#起泡劑起泡能力沒有任何影響，將最終復(fù)配的起泡劑命名為ZX-28。

2.2 高穩(wěn)定性起泡體系復(fù)配配方

考慮到地層巖石一般顯正電性，筆者分別選擇分子量1 600 萬水解聚丙烯酰胺(HPAM-1600)、分子量10 萬羥乙基纖維素(HEC-10)、羥丙基胍膠(HPG)作為穩(wěn)泡劑，3 種穩(wěn)泡劑均屬于增粘性穩(wěn)泡劑，可以增加溶液的粘度，一定程度上延緩泡膜排液和氣體擴(kuò)散，從而增加泡沫體系的穩(wěn)定性［4-6］，分別將其交聯(lián)以后與起泡劑體系復(fù)配有望獲得穩(wěn)定性較高的泡沫體系，采用Waring Blender 法評(píng)價(jià)基液的起泡能力，結(jié)果見表4。

向基液中加入穩(wěn)泡劑后，體系的發(fā)泡能力均有不同程度的降低但泡沫穩(wěn)定性卻顯著提髙。主要原因是穩(wěn)泡劑的加入使溶液的黏度增大一方面使得起泡時(shí)需要克服的黏滯阻力增大氣體進(jìn)入液相更加困難，導(dǎo)致發(fā)泡量降低;另一方面，較高的黏度減緩了液膜排液及氣泡破裂的速率，從而提高了泡沫的穩(wěn)定性［6］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ZX-28 起泡劑濃度為3 g/L，穩(wěn)泡劑為HPAM-1600，濃度為2 g/L 時(shí)，基液發(fā)泡能力和穩(wěn)定性最好，發(fā)泡量為788 mL，半衰期達(dá)3 720 min，有良好的應(yīng)用前景。

2.3 起泡劑性能

2.3.1 表面張力和界面張力的測試 按照表5 配制標(biāo)準(zhǔn)勝利鹽水水樣，采用JZHY-180 表面張力儀測試含3 g/L ZX-28 起泡劑溶液的表面張力，測試結(jié)果見圖2。

表4 穩(wěn)泡劑種類對(duì)泡沫性能的影響Table 4 The effect of different kinds of foam stabilizer on blistering performance

表5 配制1.0 L 勝利鹽水所需試劑質(zhì)量表Table 5 The demand reagents mass table of 1.0 L self-prepared Shengli brine

圖2 起泡劑濃度對(duì)表面張力的影響Fig.2 The effect of foaming agent’s concentration on surface tension

由圖2 可知，在起泡劑濃度為3 g/L 時(shí)，溶液表面張力為28.8 mN/m，而勝利鹽水水樣表面張力標(biāo)準(zhǔn)為≤32 mN/m，故滿足作業(yè)發(fā)泡劑要求，在后續(xù)測界面張力時(shí)，起泡劑濃度也為3 g/L。

采用旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀測試體系的油水界面張力，油相為大慶原油，實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃，界面張力儀轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，平衡2 h 之后，讀取界面張力值。

圖3 HPAM 濃度對(duì)油水界面張力的影響Fig.3 The effect of HPAM’s concentration on water-oil interfacial tension

由圖3 可知，HPAM 對(duì)油水界面張力影響并不大，HAPM 濃度為2 g/L 時(shí)，油水界面張力為2.5 mN/m，油水已經(jīng)可以很好的互溶，該體系可以用來驅(qū)油，油水混合物可以很好的被破乳。HPAM是水溶性很強(qiáng)的聚合物，在油水界面上吸附較弱，但由于其在水相中的存在，必然會(huì)有HPAM 分子擴(kuò)散到界面上。HPAM 分子在界面上會(huì)頂替部分原吸附的界面活性物質(zhì)，從而影響界面層中各種分子間的作用力，且從HPAM 分子結(jié)構(gòu)分析其界面活性不大，因此對(duì)體系的界面張力不存在明顯影響［7］。油水界面張力仍主要取決于原油中界面活性物質(zhì)在油水界面的吸附量。

3 結(jié)論

(1)1，2-丙二醇、甘油對(duì)起泡劑發(fā)泡能力幾乎沒任何影響，加入30%的1，2-丙二醇可以把起泡劑凝固點(diǎn)降低到－16 ℃，使得起泡劑在低溫下具有良好的流動(dòng)性，能在冬天投產(chǎn)使用。

(2)ZX-28 起泡劑濃度為3 g/L，穩(wěn)泡劑為HPAM-1600，濃度為2 g/L 時(shí)，基液發(fā)泡能力和穩(wěn)定性最好，發(fā)泡量為788 mL，半衰期達(dá)3 720 min，油水界面張力可達(dá)2.5 mN/m，說明該起泡劑可用于驅(qū)油，也可用于洗井、沖砂等作用起泡劑。

(3)HPAM 是水溶性很強(qiáng)的聚合物，對(duì)油水界面張力影響不大。

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