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。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

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 實(shí)驗(yàn)步驟

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 結(jié)果與討論

2.1 雙面神納米顆粒對(duì)起泡體系氣液界面性質(zhì)的影響

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 可視化微流控實(shí)驗(yàn)

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。

3 結(jié) 論

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。