泡沫興衰機(jī)理及其穩(wěn)定性影響因素

泡沫興衰機(jī)理及其穩(wěn)定性影響因素

由于靜液柱壓力低、過(guò)濾量小、砂渣運(yùn)輸性能好、助排能力強(qiáng)、對(duì)地層的破壞小，泡沫流的特點(diǎn)是廣泛用于低壓、脫鹽和敏感地層的水井、井、油氣井和氣井的富產(chǎn)措施（如泡沫排水、真空沖砂等）。在國(guó)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(kāi)發(fā)中的一個(gè)重要發(fā)展方向。近年來(lái),雖然我國(guó)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(yàn),但還不十分成熟。1泡沫的流變機(jī)理泡沫的穩(wěn)定性是泡沫流體的主要性能。泡沫是氣體組成的氣泡分散體系,它具有非常大的表面自由能,從熱力學(xué)意義上講,泡沫都是不穩(wěn)定體系,但可以采取某些措施,改變條件,使存在時(shí)間長(zhǎng)一些,以滿足應(yīng)用要求。目前普遍認(rèn)為泡沫的衰變機(jī)理是:①泡沫中液體的流失;②氣體透過(guò)液膜擴(kuò)散。兩者均、泡膜性質(zhì)和液膜與Plateau邊界間的相互作用有直接關(guān)系。1.1氣泡的擠壓和開(kāi)裂泡沫中液體的流失是氣泡相互擠壓和重力作用的結(jié)果。氣泡的擠壓主要來(lái)源于曲面壓力。圖1表示3個(gè)氣泡泡膜交界的Plateau邊界。根據(jù)Laplaq公式,不難導(dǎo)出:P式中:P1.2小泡大小對(duì)大泡大小的影響無(wú)論用什么方法產(chǎn)生泡沫,其大小總是不均勻的,根據(jù)Laplace方程小泡內(nèi)的氣體壓力比大泡的高,因而小泡內(nèi)的氣體會(huì)透過(guò)液膜擴(kuò)散到大泡中去,造成小泡變小,大泡變大,最終均趨于破滅。2影響泡沫穩(wěn)定性的因素泡沫是相當(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(gè)方面。2.1表面張力的影響隨著泡沫的生成,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。由式(1)可知,毛細(xì)管壓力與溶液的表面張力δ成正比,δ低時(shí),毛細(xì)管壓力小,泡沫排液速度也慢;另外,δ低意味著純水與溶液表面張力的差值大,泡沫的修復(fù)作用強(qiáng),不易因受沖擊而破滅。2.2其他分子間的作用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(lèi)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。2.3水溶液聚合物的影響SITA等研究了水溶性聚合物對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響,他們?cè)?.2%C2.4壓力對(duì)泡沫排液時(shí)間的影響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(shí)間,發(fā)現(xiàn)壓力與泡沫排液時(shí)間呈直線關(guān)系。這是因?yàn)榕菽|(zhì)量一定時(shí),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。2.5泡沫排液中泡膜內(nèi)部變化的機(jī)理大量實(shí)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(guò)程不同:(1)低溫下,泡沫排液使泡膜達(dá)到一定厚度時(shí),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(kāi)始,泡沫體積隨時(shí)間增長(zhǎng)有規(guī)律地減小。33.1穩(wěn)泡劑:三乙醇胺-三乙醇胺起泡劑: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?jiān)?.05%(成都市醫(yī)藥公司化學(xué)試劑批發(fā)部);聚丙烯酰胺。3.2起泡能力和性能指標(biāo)(1)原理:正交設(shè)計(jì)(四水平),詳見(jiàn)表1。(2)按照正交設(shè)計(jì),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(cè)起泡時(shí)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(shí)間短,半衰期長(zhǎng),則說(shuō)明該起泡劑性能良好。起泡時(shí)間為產(chǎn)生600mL泡沫所需的時(shí)間,半衰期為泡沫體積衰減至半時(shí)的時(shí)間(見(jiàn)表2～表5)。3.33.3.1氣流量對(duì)起泡能力的影響常溫下,對(duì)兩種起泡劑的t′和t進(jìn)行測(cè)試。由圖2可知,隨著氣流量增大,起泡能力增強(qiáng),并逐漸趨于平緩。泡沫穩(wěn)定性先隨氣流量增大而增大,但達(dá)到一峰值后,又隨氣流量的增大而減小。3.3.2發(fā)泡能力分析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(cè)試。由圖3可知,起泡能力隨起泡劑濃度增大而增大,當(dāng)C分別等于0.4%和1.0%時(shí),兩種起泡劑的起泡能力達(dá)到最大。同時(shí),兩種泡沫半衰期隨起泡劑濃度增大而增大,當(dāng)C分別等于0.4%和1.0%時(shí),兩種起泡劑的起泡能力達(dá)到最大,兩種起泡劑的變化規(guī)律一致。故起泡劑的濃度對(duì)t′和t影響較大,隨著泡沫劑濃度增大,起泡能力和泡沫半衰期達(dá)到最大后又降低,一般取值為略超過(guò)表面張力臨界濃度為宜。主要原因是:活性劑溶液濃度較高時(shí),溶液中的活性劑迅速擴(kuò)散到表面,使局部的表面張力很快降低到原來(lái)的大小,而變薄的部分未得到修復(fù),泡沫的穩(wěn)定性降低。3.3.3固泡劑濃度對(duì)t按要求配制基液對(duì)三乙醇胺的濃度對(duì)t′和t影響進(jìn)行研究。由圖4可知,隨著三乙醇胺濃度的增加,泡沫起泡能力先增大,當(dāng)三乙醇胺濃度為1.0%時(shí),起泡能力最大。此后,由于起泡劑配制液的粘度過(guò)大,起泡能力降低。當(dāng)兩種起泡劑的濃度均為定值時(shí),測(cè)定三乙醇胺濃度對(duì)t的影響(圖4),由圖4可見(jiàn),泡沫的t隨三乙醇胺濃度的增大而增大。在起泡劑配制液中加入三乙醇胺后,由于形成氫鍵的作用,使得表面粘度增大,膜的強(qiáng)度增加,泡膜內(nèi)液體流失速度變慢,氣體透過(guò)性降低,故可使泡沫壽命顯著延長(zhǎng)(見(jiàn)表2、表3),穩(wěn)定性大大提高。3.3.4增粘劑濃度對(duì)起泡能力的影響固定十二烷基苯磺酸鈉的濃度,測(cè)定增粘劑聚丙烯酰胺的濃度對(duì)t′和t的影響。由圖5可知,當(dāng)PAM的濃度低于0.2%時(shí),起泡能力隨PAM的濃度的增加而增大,在PAM的濃度為0.2%時(shí)達(dá)最大值,當(dāng)PAM的濃度高于0.2%后,起泡能力隨PAM濃度增大而降低。在起泡劑配制液中加入增粘劑PAM后,配制液有了較大的粘度,既使氣泡間的液膜不易流失,又使氣體在液膜中的溶解度降低,從而使起泡能力和半衰期增大。但PAM的濃度不能太大,否則膜中起泡劑分子不能自由移動(dòng)而使起泡能力下降,膜局部受損時(shí)“傷口”不能迅速?gòu)浐?泡容易破,增粘劑PAM可使泡沫壽命顯著延長(zhǎng)(見(jiàn)表5),泡沫的穩(wěn)定性大大提高。3.3.5(zxd,三乙醇胺,聚丙烯酰胺)最佳配方的篩選根據(jù)表2可選出(十二烷基苯磺酸鈉,三乙醇胺)的最佳配方為(0.4%,1.0%)-a。對(duì)于表3同樣可選出(ZXD,三乙醇胺)的最佳配方為(1.0%,1.0%)-b。對(duì)于表4、表6,可根據(jù)正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)處理方法,可分別選出各因素最佳點(diǎn):表4:A:(4);B:(1),(3);C:(1),(3)將此五點(diǎn)作分組實(shí)驗(yàn):(A(4),B(1),C(1));A(4),B(1),C(3));(A(4),B(3),C(1));A(4),B(3),C(3));將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行篩選得(十二烷基苯磺酸鈉,三乙醇胺,聚丙烯酰胺)的最佳配方為:(1.6%,1.0%,0.15%)-c。同理:(ZXD,三乙醇胺,聚丙烯酰胺)的最佳配方為(1.3%,1.0%,0.15%)-d。將a,c;b,d分別作抗高溫實(shí)驗(yàn),進(jìn)行研究,見(jiàn)表7。由表7數(shù)據(jù)可看出,c比a的高溫穩(wěn)定性好,且溫度越高,效果越明顯。d與b也有類(lèi)似規(guī)律。此外,還可看出,b、d比a、c的高溫穩(wěn)定性要好。所以,起泡劑對(duì)泡沫高溫穩(wěn)定性有著很大的影響。故在深井中使用泡沫流體時(shí),盡量選用抗高溫的發(fā)泡劑,如X—烯烴磺酸鹽,N—甲基,N—?；；撬猁}等。這些發(fā)泡劑的碳原子數(shù)在15左右,高溫下的發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性很好。當(dāng)然,在沒(méi)有高溫發(fā)泡劑時(shí),就需根據(jù)泡沫衰變機(jī)理和參考影響因素采取一些有效的措施,如加處理劑等,以提高泡沫穩(wěn)定性。4泡沫體積、溫度對(duì)泡沫排水劑t(1)泡沫穩(wěn)定性隨泡沫質(zhì)量增加而增加,達(dá)到最大值后,又降低。(2)隨著起泡劑濃度的增大,起泡能力和泡沫半衰期先增至最大值,然后降低。(3)隨著固泡劑三乙醇胺和增粘劑PAM濃度的增加,起泡能力先增加,達(dá)到最大值后又降低,而t則單調(diào)增大。(4)泡沫質(zhì)量一定時(shí),隨著溫度的增加,泡沫穩(wěn)定性降低。但起泡劑不同,采取措施不同,在同一溫度下,所得泡沫的半衰期t也有差異;所以在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)注意起泡劑、穩(wěn)泡劑的種類(lèi)及加量的選擇。(5)起泡工藝對(duì)泡沫穩(wěn)定性有較大的影響,實(shí)驗(yàn)中,同種基液所產(chǎn)生的泡沫的半衰期竟相差2h,