鄧 強 寧 陽 王曉玲 徐敬芳 陳 剛西安石油大學化學化工學院

陰離子型泡排劑起泡過程研究方法

鄧 強 寧 陽 王曉玲 徐敬芳 陳 剛
西安石油大學化學化工學院

注表面活性劑溶液泡沫排水是天然氣在開采過程中的常用措施，其起泡性能對于天然氣的開采至關重要。在泡沫排水模擬裝置上以α-烯烴磺酸鹽為例，考察了濃度、流量為參數(shù)，探討了室溫下的起泡過程，建立了室溫下的模擬起泡動力學方程。采用單因素研究方法，逐一確定動力學方程的參數(shù)，最終得到模擬起泡動力學方程。這為該類表面活性劑起泡過程的研究提供了一種可行的方法。

泡沫排水 α-烯烴磺酸鹽 起泡 動力學

天然氣在開采過程中，隨著地層能量的衰減，地層水不能隨氣流產(chǎn)出，井筒內出現(xiàn)積液，造成回壓上升，使氣井減產(chǎn)，嚴重時會使氣井變?yōu)樗谰?。采氣生產(chǎn)中采取的措施是注表面活性劑溶液，進行泡沫排水，而表面活性劑的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性等性質會影響采氣效果。因此，對泡沫排水劑起泡性能和動力學的研究有著重要的意義[1-4]。目前，國內在泡沫排水動力學方面研究較少，有研究者提出了普通泡沫的一級、二級、三級排液動力學方程，Save等又報道了“兩段論”排液機理，但是這些起泡模型并沒有完全結合天然氣開采中的泡沫排水過程，因而對生產(chǎn)實踐的指導意義不大[5-8]。本實驗建立了泡沫排水的模型，以常用的陰離子表面活性劑α-烯烴磺酸鹽為例，研究起泡動力學，建立動力學方程，為該類表面活性劑起泡過程的研究提供一種可行的方法，為泡排劑起泡和消泡提供必要的理論指導，使泡排劑篩選更加方便。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

α-烯烴磺酸鹽(AOS)，中輕化工責任有限公司；發(fā)泡儀，陜西凱利化玻儀器有限公司；氣體流量計，沈陽市北星流量儀表廠。

1.2 實驗方法

(1) 配制質量分數(shù)為0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的AOS溶液1 000 mL。

(2) 取0.10%(w)AOS溶液200 mL加入發(fā)泡管中，用超級恒溫水浴控制溫度在25 ℃，用高純氮氣鼓泡，分別測定氮氣流量在20 mL/min、40 mL/min、60 mL/min、80 mL/min、100 mL/min時的起泡體積，每隔一定時間記一次。

(3) 10 min后停止鼓泡，重新計時，測定不同時間泡沫體積。

2 結果與討論

2.1 建立起泡動力學方程

基于天然氣開采過程中涉及的諸多因素(假設起泡過程中泡沫不消泡)[9-11]，假設在一定溫度下起泡動力學方程為：

(1)

2.2 固定濃度和流量時的動力學方程

不同濃度下各流量起泡體積隨時間的變化如圖1～圖5所示。

由圖1～圖5可知，在不同濃度和流量下，起泡體積隨時間呈線性變化，即在濃度和流量相同的條件下，起泡過程為零級反應，即：

(2)

積分得:

v=k′t

(3)

當固定活性劑濃度和流量時，起泡體積隨時間變化為線性關系，動力學方程體現(xiàn)為零級，說明假設的以濃度、流量為參數(shù)的起泡動力學方程是合理的。由圖1～圖5可知：濃度相同時，k′的值隨流量的增大而增大；流量相同時，k′的值隨濃度的增大而增大。

2.3 流量級數(shù)β值的確定

在濃度不變的情況下，分別取各流量t=5 min時的起泡體積對流量作lg(dv/du)隨lgu變化圖，得兩組圖：

(1)u<50 mL/min時，得圖6～圖10。

由圖6～圖10得出，當u<50 mL/min時，lg(dv/du)對lgu做圖得到一條直線，即有公式：

lg(dv/du)=I+(β-1)lgu

(4)

表1 u<50mL/min時不同濃度下的β值Table1 βvaluesunderdifferentconcentrationswithu<50mL/minw/%0.100.150.200.250.30β1.65381.65421.63951.64811.6255

(2)u>50 mL/min時，得圖11～圖15。

表2 u>50mL/min時不同濃度下的β值Table2 βvaluesunderdifferentconcentrationswithu>50mL/minw/%0.100.150.200.250.30β2.29542.31412.28472.30202.2565

2.4 濃度級數(shù)α值的確定

在流量不變的情況下，分別取各濃度t=5 min時的起泡體積對濃度作圖，得圖16～圖20。由圖16～圖20可知，在流量不變的情況下，相同時間起泡體積隨濃度變化圖為直線，說明體積對濃度為一級反應，即α=1。

2.5 反應速率常數(shù)k0值的確定

由以上討論得出，當u<50 mL/min時，起泡動力學方程為：

(5)

當u>50 mL/min時，起泡動力學方程為：

(6)

根據(jù)圖1～圖5體積與時間的關系以及上述推論，計算得表3所示k0值。由表3可見：相同流量下，k0值隨濃度增大而減小，至質量分數(shù)為0.25%以上，變化不顯著；相同濃度下，k0值隨流量增大而減小，至60 mL/min以上，變化不顯著。這可能是因為起泡過程比較復雜，不僅只與濃度和流量有關。

表3 不同濃度不同流量下k0值Table3 k0withdifferentconcentrationandflowu/(mL·min-1)w/%0.100.150.200.250.3020117.390.879.674.870.240113.452.640.134.731.8605.22.52.01.71.5803.51.81.41.21.01002.71.61.21.00.9

3 結 論

[1] 傅學秀. 泡沫排水采氣是有水氣田的有效增產(chǎn)措施[J]. 天然氣工業(yè), 1984, 4(1): 67-71.

[2] NEGM N A, AIAD I A. Synthesis and characterization of multifunctional surfactants in oil-field protection applications[J]. Journal of Surfactants and Detergents, 2007, 10(2): 87-92.

[3] 費海虹. 鹽城氣田泡沫排水采氣用起泡劑的室內實驗篩選[J]. 油田化學, 2006, 23(4): 329-333.

[4] 周風山. 泡沫性能的研究[J]. 油田化學, 1989, 6(3): 267-271.

[5] RAFATI R, HAMIDI H, IDRIS A K, et al. Application of sustainable foaming agents to control the mobility of carbon dioxide in enhanced oil recovery[J]. Egyptian Journal of Petroleum, 2012, 21(2): 155-163.

[6] NEGM N A, KANDILE N G, MOHAMAD A M. Synthesis, characterization and surface activity of new eco-friendly schiff bases vanillin derived cationic surfactants[J]. Journal of Surfactants and Detergents, 2011, 14(3): 325-331.

[7] 燕永利, 張寧生, 屈撐囤, 等. 膠體泡沫(CGA)排液動力學研究[J]. 化學學報, 2005, 63(18): 1686-1692.

[8] 趙國璽. 表面活性劑作用原理[M]. 北京: 北京大學出版社, 1984: 408-409.

[9] 顧德中. 泡沫形成和特性的研究[J]. 紡織學報, 1985, 6(6): 52-57.

[10] 周靜, 譚永生. 穩(wěn)定泡沫流體的機理研究[J]. 鉆采工藝, 1999, 22(6): 75-78.

[11] 王其偉, 周國華, 李向良, 等. 泡沫穩(wěn)定性改進劑研究[J]. 大慶石油地質與開發(fā), 2003, 22(3): 80-81, 84.

A study method of the foaming kinetics of an-ionic foaming agent

Deng Qiang, Ning Yang, Wang Xiaoling, Xu Jingfang, Chen Gang
CollegeofChemistryandChemicalEngineering,Xi’anShiyouUniversity,Xi’an,Shannxi,China

Surfactant solution foam drainage is commonly used in the process of natural gas production, so the foaming effect is vital for the exploitation of natural gas. As an example, the foaming process of sodium α-olefin sulfonate was discussed at room temperature with the parameters of foam concentration and flow rate by using a drainage simulator. Then a bubble dynamics equation was established. Using single factor research method, the kinetic equation parameters were determined one by one, finally the blistering kinetic equation was confirmed. This work provides a feasible method for the research of surfactant foaming process.

foam drainage, sodium α-olefin sulfonate, foaming, dynamics

西安石油大學優(yōu)秀學位論文培育項目(2015YP140709)。

陳剛，教授，研究方向為綠色油氣田化學品與工藝。E-mail: gangchen@xsyu.edu.cn

TE357.46+2

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.02.015

2016-06-27；編輯：馮學軍