一種新型發泡劑的泡沫穩定性研究

周素林，鄧明毅，蘇俊霖

(1.西南石油大學 化學化工學院，四川 成都 610500;2.西南石油大學 石油工程學院，四川 成都 610500)

表面活性劑是一類具有特殊性質的物質，已廣泛地應用于日化、工業清洗、印染、皮革、金屬加工、石油開采和原油降粘等領域［1-2］。在石油開采過程中，利用表面活性劑的起泡穩泡性能，作低壓泡沫鉆井、泡沫修井中的處理劑。目前，低壓泡沫鉆井已發展成為一套成熟技術，但是，一直存在泡沫不穩定、處理劑種類單一等問題［3-5］。因此，迫切需要研制性能優異的新型發泡劑，探討發泡劑的穩定性影響因素，以增強泡沫性能。本文對自制發泡劑進行泡沫性能研究，為其優異性能的發揮提供依據。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

脂肪酸(C10、C12、C14)、乙二胺、十二烷基苯磺酸鈉、二甲苯、氯化鈉、氯化鈣均為分析純;陽離子表面活性劑CHLB(發泡劑，臨界膠束濃度在1.0 mol/L附近)，自制;CO2(g)，含量為99.99%。

DF-101 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器;RE52CS旋轉蒸發器;SHB-Ⅲ循環水式多用真空泵;FA-1004電子分析天平。

1.2 陽離子表面活性劑CHLB 的制備

在帶有冷凝回流、分水器和攪拌裝置的250 mL三口燒瓶中加入硬脂酸和二甲苯，加熱攪拌，至原料完全溶解。滴加適量乙二胺，升溫140 ℃回流反應5 h。減壓蒸餾，除去未反應的胺和溶劑，得到淡黃色固體。溶于適量水和乙醚的溶劑體系中，置于裝有冷凝回流和溫度計的250 mL 三口燒瓶中，室溫下以0.1 L/min 的恒定速率連續通入CO2氣體，攪拌反應，得2-烷基-2-咪唑啉碳酸氫鹽。

1.3 泡沫穩定性評價

采用目前廣泛使用的Waring Blender 法對起泡劑CHLB 進行穩定性評價，實驗方法:配制100 mL發泡液，高速(11 000 ～12 000 r/s)攪拌60 s 后停止，記錄產生的泡沫體積V0用于衡量溶液的起泡能力。靜置觀察，記錄析出50 mL 液體需要的時間t(s)用于衡量泡沫的穩定性。

2 結果與討論

2.1 表面活性劑CHLB 的泡沫性能

測試CHLB 與十二烷基苯磺酸鈉泡沫性能，結果見圖1、圖2。

圖1 起泡劑加量與發泡體積的關系Fig.1 Relationship between the dosage of foaming agent and foam volume

圖2 起泡劑加量與泡沫半衰期的關系Fig.2 Relationship between the dosage of foaming agent and foam half-life

由圖可知，表面活性劑CHLB 在低濃度下能迅速起泡，且泡沫穩定性明顯高于十二烷基苯磺酸鈉。

2.2 起泡劑加量對穩定性的影響

室溫20 ℃下，配制不同濃度的CHLB 水溶液。倒入帶有刻度的透明量杯中，高速攪拌產生泡沫，測量泡沫體積，結果見圖1。

由圖1 可知，隨起泡劑濃度增加，發泡能力達到最大后又降低，半衰期的增速變緩。起泡劑濃度為0.90%時，發泡體積最大，半衰期為907 s，濃度達到1.00%后，增速明顯變緩。因此，以下實驗起泡劑加量均為0.90%。

2.3 溫度和礦化度對穩定性的影響

2.3.1 NaCl 的影響 配制0.90%CHLB 水溶液，加入不同質量分數的NaCl，測定不同溫度下的起泡能力和半衰期，結果見圖3、圖4。

圖3 不同溫度下NaCl 加量與發泡體積的關系Fig.3 Relationship between the dosage of NaCl and foam volume at different temperatures

圖4 不同溫度下NaCl 加量與半衰期的關系Fig.4 Relationship between the dosage of NaCl and half-life at different temperatures

由圖3、圖4 可知，隨NaCl 質量分數的增加，溫度達到40 ℃后，發泡體積先升高后逐漸下降，80 ℃時達到最大值。泡沫半衰期基本保持不變，表明在此范圍內該泡沫體系具備較好的抗鹽性能。在40～80 ℃時，泡沫半衰期變化趨勢較小，泡沫性能穩定，但此時的半衰期較短，為150 ～300 s，在此范圍內，該泡沫體系不具備較好的抗溫能力。這是因為溫度較高時，一方面液膜的水分蒸發加劇，排液速度加快，在高速攪拌下生成的泡沫易破滅;另一方面，溫度較高時，活性劑分子親水基的水化作用下降，疏水基碳鏈間凝聚力減弱，表面粘度降低，泡沫穩定性下降［6］。

2.3.2 混合鹽的影響 油氣田地層水含較高濃度的Na+、Cl－外，還含有較高濃度的Ca2+、Mg2+等離子，使得地層水具有較高礦化度，因此，考察不同溫度條件下多種離子存在時泡沫穩定性，結果見圖5、圖6。泡沫體系:a.0.90%CHLB;b.0.90%CHLB +3%NaCl;c.0.90%CHLB +3%NaCl +0.50%CaCl2;d.0.90%CHLB+5%NaCl+1.00%CaCl2。

圖5 不同溫度下鹽的加量與發泡體積的關系Fig.5 Relationship between the dosage of salt and foam volume at different temperatures

圖6 不同溫度下鹽的加量與半衰期的關系Fig.6 Relationship between the dosage of salt and half-life at different temperatures

由圖5、圖6 可知，隨溫度的升高，a、b、c 三組配方發泡能力和泡沫半衰期變化趨勢基本一致。在20 ～30 ℃時，泡沫半衰期減小幅度較大，表明該泡沫體系在此范圍內對溫度較為敏感;30 ～80 ℃時，泡沫性能較穩定，但此時的半衰期較短。低礦化度對泡沫性能隨溫度的變化規律影響小，但在礦化度較高時，對泡沫的發泡體積和半衰期影響較大。

以上實驗表明，該泡沫流體受溫度影響較大，有較好的抗鹽性能。

2.4 巖屑對穩定性的影響

實驗選用元壩地區上沙溪廟組的巖石，將巖石粉碎，制備不同目數的巖屑。加入不同粒徑巖屑泡沫液的發泡體積和半衰期見圖7。

圖7 巖粉濃度對泡沫半衰期的影響Fig.7 The curve of rock dust concentration as foam half-life

表1 相同加量下不同目數的巖屑對穩定性影響Table 1 The different size of rock fragments have effecton foam stability at the same amount

由圖7 可知，在巖粉濃度較低(＜2 g/100 mL)時，對泡沫半衰期的影響較小，濃度較高(＞5 g/100 mL)時，對泡沫穩定性的影響較大。巖屑直徑對泡沫穩定性有較大影響，巖屑直徑在6 ～40 目時，其半衰期明顯減小。但當所加巖屑直徑范圍較廣時，大直徑巖屑對泡沫穩定性的消極作用便不明顯了。

2.5 井眼出水對穩定性的影響

泡沫的穩定性和流變性取決于泡沫質量。泡沫質量即氣體量/(氣體量+液體量)，最佳泡沫質量為0.75 ～0.98，或含液量2% ～25%。泡沫質量與泡沫半衰期的關系見圖8。

圖8 氣液比與泡沫半衰期的關系Fig.8 Relationship between gas-liquid ratio and foam half-life

由圖8 可知，隨著泡沫基液中注入水量的增加，泡沫液的泡沫質量逐漸下降，泡沫半衰期有下降趨勢，當達到一定程度后，在泡沫質量為0.75 ～0.80時，半衰期下降明顯。在泡沫質量＜0.75 時，泡沫半衰期較低，且粘度和動剪切力減小，已不能滿足鉆井需求。本次實驗所用泡沫鉆井液所能容忍的水侵量約為其泡沫基液的2 倍。

2.6 柴油對泡沫穩定性的影響

由圖9 可知，柴油的加入使泡沫半衰期低于未加柴油時的1/2，但隨著柴油加量的增加，泡沫半衰期基本無改變，表明柴油的加入及加量的改變對該泡沫體系基本無影響。這是因為，柴油的加入，使泡沫中存在一定的乳液，從而加速了排液，減小了泡沫半衰期。

圖9 柴油加量與泡沫半衰期的關系Fig.9 Relationship between the dosage of diesel and foam half-life

3 結論

(1)陽離子表面活性劑CHLB 在體系中的最佳濃度為0.90%。

(2)隨著溫度的升高，發泡體積和半衰期的變化趨勢減小，泡沫性能穩定，但此時的半衰期較短，為150 ～300 s，在此范圍內，該泡沫體系不具備較好的抗溫能力。

(3)隨著NaCl 含量的升高，低礦化度對泡沫性能隨溫度的變化規律基本無影響，但礦化度過高時對泡沫的發泡體積和半衰期影響較大。說明其具有一定的抗鹽性。

(4)CHLB 所形成的泡沫體系的穩定性較好，能夠承受一定的巖屑、井眼出水以及柴油污染。

［1］ 劉彩娟. 表面活性劑的應用與發展［J］. 河北化工，2007，30(4):20-21.

［2］ 黃惠琴.表面活性劑的應用與發展趨勢［J］. 現代化工，2001，21(5):6-8.

［3］ 劉佳奇，霍冀川，雷永林，等. 一種新型蛋白質發泡劑的泡沫穩定性研究［J］. 化學建材，2009，25(5):41-43.

［4］ 敬加強，李業，代科敏，等. 一種高穩定性水基泡沫體系的制備與性能評價［J］. 油田化學，2013，30(3):384-387.

［5］ 王中華.我國油田化學品開發現狀及展望［J］.中外能源，2009，14(6):36-47.

［6］ 劉德生，陳小榆，周承富，等. 溫度對泡沫穩定性的影響［J］.鉆井液與完井液，2006，23(4):10-12.