何宗禮,馬國(guó)慶,吉?jiǎng)P,曹啟
(1. 江漢油田石油工程技術(shù)研究院,湖北 武漢 430035; 2. 天水電氣傳動(dòng)研究所集團(tuán)有限公司,甘肅 天水 741020;3. 長(zhǎng)慶油田第六采油廠,陜西 榆林 718600; 4. 江漢油田坪北經(jīng)理部,陜西 延安 717408)
近年來(lái),泡沫在工業(yè)中的應(yīng)用相當(dāng)普遍。起泡體系中表面活性劑的作用不言而喻,而表面活性劑容易吸附在孔隙表面,使的泡沫的起泡能力和穩(wěn)定性都受到影響。研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)向起泡體系中添加納米二氧化硅可以增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性[1]。
孔隙介質(zhì)中泡沫的生成的本質(zhì)是產(chǎn)生能分割氣體的液膜,產(chǎn)生液膜的方式有卡斷、液膜分離[2]。本文通過(guò)微流控實(shí)驗(yàn)研究二氧化硅的加入對(duì)孔隙介質(zhì)中卡斷行為的影響,進(jìn)而揭示納米顆粒增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性的機(jī)理。
本實(shí)驗(yàn)所用到的實(shí)驗(yàn)儀器和藥劑如表1、表2所示。
表1 實(shí)驗(yàn)儀器
表2 實(shí)驗(yàn)藥品
1.2.1 雙面神納米顆粒制備
采用Pickering 乳液法,以親水納米顆粒為原材料,制備半親水-半疏水的雙面神納米顆粒。
1.2.2 起泡體系表面擴(kuò)張模量、表面張力的測(cè)試
分別配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%的APG1214 表面活性劑溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%APG1214+質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%親水納米顆粒復(fù)配體系溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%APG1214+質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%雙面神納米顆粒[3-5]復(fù)配體系溶液各100 mL,利用Kruss 表面張力儀和Kruss 表面擴(kuò)張流變儀分別測(cè)試表面張力和表面擴(kuò)張模量,并比較不同體系性質(zhì)的差異。
選用Kruss 動(dòng)態(tài)表面張力儀,采用最大氣泡壓力法測(cè)試溶液的表面張力。樣品池中量取60 mL 水,手動(dòng)操作控制器使毛細(xì)管最下端位于樣品池中液面正上方 1 cm處,查閱水在常溫25 ℃時(shí)的表面張力,輸入系統(tǒng)中,開(kāi)始測(cè)試毛細(xì)管直徑,得到毛細(xì)管直徑數(shù)據(jù);于樣品池中量取起泡體系溶液60 mL,溫度設(shè)置為常溫25 ℃,時(shí)間設(shè)置為10~10 000 ms,將先前測(cè)出的毛細(xì)管直徑輸入系統(tǒng),調(diào)整溶液界面和毛細(xì)管之間的距離,測(cè)量溶液的表面張力。
1.2.3 可視化微流控實(shí)驗(yàn)
利用可視化模型模擬地層孔隙中泡沫的生成行為。單連通孔喉模型如圖1、圖2 所示,在實(shí)驗(yàn)中,使用微量注射泵同時(shí)注入氣體和不同起泡體系,使其在孔隙中生成泡沫[6]。使用高速攝像機(jī)分別記錄各起泡體系在孔隙介質(zhì)模型中生成的泡沫在流動(dòng)過(guò)程中的形態(tài)變化,并計(jì)算發(fā)生卡斷行為后生成的泡沫尺寸,通過(guò)對(duì)比不同起泡體系的卡斷行為及其泡沫的尺寸變化差異,建立泡沫在流動(dòng)過(guò)程中特征參數(shù)和氣液界面性質(zhì)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[7-9],探索氣液兩相流量比、流速對(duì)卡斷生泡行為的影響。
圖1 可視化模型示意圖(單連通孔喉圖)
圖2 可視化模型示意圖(孔喉處放大圖)
考慮納米粒子自體相吸附到氣液界面需要一定時(shí)間,為了保證氣泡進(jìn)入孔喉前納米粒子在氣液界面的吸附達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),在孔喉結(jié)構(gòu)前面加入了一段較長(zhǎng)的平滑流動(dòng)通道。
玻璃刻蝕模型如圖3 所示,微流控可視化實(shí)驗(yàn)流程如圖4 所示,微流控可視化實(shí)驗(yàn)實(shí)物流程如圖5 所示。微流控實(shí)驗(yàn)操作步驟如下:
圖3 玻璃刻蝕模型
圖4 微流控可視化實(shí)驗(yàn)流程圖
圖5 微流控可視化實(shí)驗(yàn)實(shí)物流程圖
1)配制不同起泡體系溶液;
2)通過(guò)接頭將微量進(jìn)樣器、毛細(xì)管、過(guò)濾器與玻璃刻蝕模型連接起來(lái);
3)將計(jì)算機(jī)與顯微鏡連接,調(diào)整玻璃刻蝕模型的位置,調(diào)試顯微鏡的亮度及放大倍數(shù),使玻璃刻蝕模型孔喉位于顯示屏中央;
4)封堵3 接口,打開(kāi)4 接口,通過(guò)1 接口開(kāi)始向微流控刻蝕模型中注入蒸餾水,使整個(gè)孔隙中完全被水潤(rùn)濕,檢查整個(gè)裝置的氣密性,防止氣密性不良而產(chǎn)生漏水現(xiàn)象;
5)抽取一定量的溶液于微量進(jìn)樣器中,設(shè)定氣液兩相流量,1 接口注入溶液,2 接口注入氣體,開(kāi)始觀察玻璃刻蝕模型中產(chǎn)生泡沫的行為,開(kāi)啟高速攝像機(jī)記錄泡沫生成過(guò)程;
6)其他條件不變,比較不同的起泡體系在孔隙中卡斷生泡行為的差異,探究氣液兩相流量大小、不同流量比等條件對(duì)卡斷生泡行為的影響;
7)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將玻璃刻蝕模型孔隙中殘余液體用蒸餾水沖洗干凈,以便下次實(shí)驗(yàn)重復(fù)使用。
2.1.1 表面張力測(cè)試
3 種起泡體系的表面張力測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知,3 種起泡體系中,表面活性劑的表面張力最大,雙面神納米顆粒復(fù)配體系表面張力最小。
圖6 3 種起泡體系的表面張力
2.1.2 表面擴(kuò)張模量測(cè)試
3 種起泡體系的表面擴(kuò)張模量測(cè)試結(jié)果如圖7所示。由圖7 可知,3 種起泡體系中,表面活性劑體系的表面擴(kuò)張模量最小,雙面神納米顆粒復(fù)配體系的表面擴(kuò)張模量最大。
圖7 3 種起泡體系的表面擴(kuò)張模量
從上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知,表面活性劑中納米顆粒的加入可以小幅減小起泡體系的表面張力,大幅增加體系的表面擴(kuò)張模量,而經(jīng)過(guò)改性的雙面神納米顆粒減小體系表面張力、增大表面擴(kuò)張模量的作用更加明顯。
2.2.1 不同起泡體系在孔隙介質(zhì)中的卡斷行為
配制表面活性劑起泡體系、親水納米顆粒復(fù)配起泡體系、雙面神納米顆粒復(fù)配起泡體系,模型中,接口1 注入起泡體系,接口2 注入氣體,設(shè)定氣液流量都為5 μL·min-1,氣液比1∶1,開(kāi)啟注射泵,對(duì)比3 種起泡體系發(fā)生卡斷行為的差異,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9、圖10、表3 所示。
圖8 表面活性劑體系在孔喉處卡斷行為
圖9 親水納米顆粒復(fù)配體系在孔喉處卡斷行為
圖10 雙面神納米顆粒復(fù)配起體系在孔喉處卡斷行為
表3 卡斷生成的泡沫尺寸
1)表面活性劑起泡體系:
2)表面活性劑+親水納米顆粒復(fù)配起泡體系:
3)表面活性劑+雙面神納米顆粒復(fù)配起泡體系:
孔隙介質(zhì)中整個(gè)卡斷生泡過(guò)程可以分為3 個(gè)階段,即初始階段、過(guò)渡階段、穩(wěn)定階段。從實(shí)驗(yàn)中可知,初始階段、過(guò)渡階段持續(xù)時(shí)間很短,生成的泡沫體積較大,穩(wěn)定階段持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),生成的泡沫體積最小。在穩(wěn)定階段,相比表面活性劑體系,親水納米顆粒復(fù)配體系發(fā)生卡斷后產(chǎn)生的泡沫尺寸減小27.9%,雙面神納米顆粒復(fù)配體系減小48.9%。
對(duì)于表面活性劑體系而言,泡沫在流動(dòng)的過(guò)程中通過(guò)孔喉時(shí),主要是發(fā)生形變,氣液界面雖然受到擠壓,但是產(chǎn)生的表面張力梯度較小,泡沫能夠在很短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到平衡狀態(tài),因此發(fā)生卡斷的機(jī)率較低,即使發(fā)生卡斷,生成的泡沫尺寸較大;對(duì)于親水納米顆粒復(fù)配體系,氣泡在經(jīng)過(guò)孔喉時(shí),形變程度增加,氣液界面產(chǎn)生的表面張力梯度較大,發(fā)生卡斷的概率明顯增加,但是由于表面擴(kuò)張模量不夠大,產(chǎn)生的泡沫尺寸依舊較大;而對(duì)于雙面神納米顆粒復(fù)配體系,在3 種起泡體系中表面擴(kuò)張模量[10]最大,氣泡在經(jīng)過(guò)孔喉時(shí),泡沫產(chǎn)生的形變量最大,氣液界面產(chǎn)生了很大的表面張力梯度,泡沫還未來(lái)得及恢復(fù)到原始狀態(tài)就被卡斷,在孔喉出口處生成了數(shù)量較多、尺寸很小且分布均勻的小泡沫。
2.2.2 注入條件對(duì)卡斷行為的影響
配制雙面神納米顆粒復(fù)配起泡體系,使用微量注射泵向模型中注入氣體和復(fù)配起泡體系。氣液比為1∶1,改變氣液注入流量,氣液流量分別為1、2、3、4、5 μL·min-1,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11、表4 所示。
圖11 雙面神納米顆粒復(fù)配體系在孔喉處穩(wěn)定階段卡斷行為
表4 卡斷生成的泡沫尺寸
由圖11 可以發(fā)現(xiàn),注入條件不同時(shí)穩(wěn)定階段生成的泡沫尺寸存在差異。隨著氣液流量的增加,泡沫尺寸緩慢減小。隨著氣液流量的增大,孔喉處起泡體系流速增大,泡沫的形變量越大,此時(shí)孔喉處泡沫的氣液界面表面張力梯度較大,而在相同的外界條件下,泡沫整體面積形變量較小,表面擴(kuò)張模量較大,此時(shí)泡沫的卡斷是通過(guò)表面擴(kuò)張模量控制泡沫變形時(shí)的形態(tài)而實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)比較氣液注入流量為1 μL·min-1和5 μL·min-1時(shí)泡沫的尺寸,可知流量增大4 倍,而泡沫尺寸只減小了15%,因此注入條件對(duì)卡斷生泡的影響不是特別顯著。
2.2.3 氣液流量比對(duì)卡斷行為的影響
配制雙面神納米顆粒復(fù)配體系,起泡體系注入流量不變,增加氣體注入流量,氣液兩相流量比分別為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12、表5 所示。
圖12 雙面神納米顆粒復(fù)配體系在孔喉處穩(wěn)定階段卡斷行為
表5 卡斷生成的泡沫尺寸
由圖12 和表5 可知,隨著氣液兩相流量比的增大,穩(wěn)定階段生成的泡沫尺寸增大。液體流量保持不變,隨著氣體流量增大,單位體積內(nèi)進(jìn)入到吼道的起泡劑溶液越來(lái)越少,泡沫含水飽和度越來(lái)越低,導(dǎo)致本應(yīng)該發(fā)生卡斷行為的泡沫未來(lái)得及發(fā)生卡斷而直接穿過(guò)吼道,生成的泡沫尺寸變大。
2.2.4 雙面神納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)卡斷行為的影響
配制雙面神納米顆粒復(fù)配體系,氣液流量比(1∶1)、注入條件(氣液流量為5 μL·min-1)等因素不變,增加復(fù)配體系中雙面神納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13、表6 所示。
圖13 雙面神納米顆粒復(fù)配體系在孔喉處穩(wěn)定階段卡斷行為
表6 卡斷生成的泡沫尺寸
隨著復(fù)配體系中雙面神納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,孔喉處發(fā)生卡斷行為時(shí)生成的泡沫尺寸減小,雙面神納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,泡沫尺寸減小幅度越低。對(duì)于高表面擴(kuò)張模量起泡體系,泡沫在剛進(jìn)入到孔喉時(shí)則會(huì)發(fā)生劇烈的卡斷行為,直到整個(gè)泡沫分裂完成;對(duì)于低表面擴(kuò)張模量起泡體系,這種行為會(huì)延遲出現(xiàn)。隨著起泡體系表面擴(kuò)張模量的增大,泡沫在經(jīng)過(guò)孔喉時(shí)越容易在短時(shí)間內(nèi)獲得一定的周長(zhǎng)和面積,生成的泡沫尺寸更小,泡沫分布越均勻且致密,泡沫質(zhì)量越好,穩(wěn)定性越強(qiáng),雙面神納米顆粒通過(guò)調(diào)控氣液界面性質(zhì)進(jìn)而影響了孔隙介質(zhì)中的生泡行為。
通過(guò)測(cè)試表面活性劑單體系、親水納米顆粒復(fù)配體系、雙面神納米顆粒復(fù)配體系的氣液界面性質(zhì),結(jié)果表明,雙面神納米顆粒在氣液界面的吸附可以小幅地降低體系的表面張力,顯著地增加了體系的表面擴(kuò)張模量。
微流控可視化實(shí)驗(yàn)揭示了氣液界面性質(zhì)對(duì)孔隙中卡斷生泡的影響機(jī)制,相比表面活性劑單體系、親水納米顆粒復(fù)配體系,具有高表面擴(kuò)張模量的雙面神納米顆粒復(fù)配體系在經(jīng)過(guò)孔喉時(shí),氣泡更易于斷裂,產(chǎn)生的泡沫粒徑更小,泡沫分布越均勻,因此泡沫穩(wěn)定性越強(qiáng),高表面擴(kuò)張模量與泡沫高穩(wěn)定性具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。