表面活性劑濃度對泡沫體系穩定性的影響

陳宇豪　焦鈺嘉

摘 要： 主要探討了在泡沫體系內，表面活性劑對泡沫穩定性的影響，以表活劑濃度為主要研究點，總結了不同表活劑濃度下氣泡的聚并過程，還分析了液膜的排液過程，指出界面流變學因素以及表活劑高濃度情況下的膠束分層現象是影響泡沫穩定的主要因素。表活劑濃度低于CMC時，界面流變學因素起主要決定作用；表活劑濃度高于CMC時，膠團分層起主要決定作用。

關 鍵 詞：表面活性劑濃度；泡沫穩定性；液膜；膠團

中圖分類號：TQ 423 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2017）07-1337-03

Effect of Surfactant Concentration on Foam System Stability

CHEN Yu-hao， JIAO Yu-jia

（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing163000，China）

Abstract： The effect of surfactant on foam system stability was discussed in this article. The coalescence process of bubbles under different surfactant concentration was analyzed as well as the foam drainage process. It's pointed out that interface rheological factor and micellar stratification under high surfactant concentration are main factors to affect the foam stability. When the concentration is below CMC，the interfacial rheological factor acts as an important role； when the concentration is higher than CMC，micellar stratification has obvious effect on the foam stablity.

Key words： Surfactant concentration； Foam stability； Rheological properties； Micellar stratifiction

近年來，隨著國內主力油田都進入高含水階段，二次采油所能達到的效果已經不理想了，聚合物驅和二元復合驅雖然可以提高采收率，但在某些條件比如低滲透油藏條件下，起不到預想的作用，泡沫驅由于其良好的封堵效能和調整油層間非均質性的能力，逐步得到重視。向純水中加入氣體這種方式并不能得到達標的驅油標準的泡沫。工業上，通常是將具有良好起泡性能的表活劑（起泡劑）溶液與氣體按一定比例混合，用以產生大量驅油泡沫。泡沫驅能否成功的關鍵在于泡沫能否在地層條件下穩定大量存在。從目前的研究來看，影響泡沫穩定性的因素有很多，表活劑也是其中一種影響因素，本文主要從泡沫穩泡機理上來探討不同表活劑濃度情況下的穩泡機理。

1 泡沫氣泡的聚并過程

泡沫的穩定性主要取決于分散氣泡聚并的相對程度以及液膜的排液程度。分散氣泡液膜的薄化以及破裂都影響著泡沫的聚并過程。實驗觀察得到結果是泡沫的壽命主要取決于薄化時間而不是破裂時間。相近的氣泡若大小相同，聚并過程可以分成三個階段：（1）兩個氣泡形成厚夾層； （2）夾層變薄成液膜； （3）膜表面波紋不斷擴張，最終氣泡破滅[1]。

圖1所示，描述了兩個大小相似的氣泡間形成薄液膜以及液膜進一步的變化流程

a.兩個相近的氣泡接近時，水合作用形成一個厚層；b.泡沫表面變形產生了“凹陷”的鐘型構造；c.“凹陷”逐漸消失，形成了一個半徑為R的平行平面，在Plateau區吸引力和分離壓力的綜合作用下，液膜排液；d.低表活劑濃度時（低于CMC），膜表面形成波紋，膜的破裂或者膜厚度的變化，都會形成穩定或亞穩定結構。這種向穩定或亞穩定態轉變的過程稱為“形成黑斑”，因為在此厚度下液膜會變灰或黑；e.黑斑逐漸變大并覆蓋整個薄膜；f.這種平衡液膜的壽命本質上取決于毛管壓力的量級，不受其他因素限制；g.高表活劑濃度時（高于CMC）由于液膜內部膠團的內部分層會形成大范圍的的膠質晶狀結構；h.薄膜顯示出一定程度的亞穩態，而且其厚度呈階梯式的變化；i.液膜達到了一個平衡態，沒有進一步的變化，最終膜會變厚而且很穩定，膜內含有部分膠團[2]。

氣泡變薄原因是因為其液膜排液，圖2所示，即為液膜薄化階段的過程圖。

2 低表活劑濃度時的泡沫穩定機理

表活劑濃度低于或接近于CMC時，液膜表面流變學特性是影響泡沫穩定性的主要因素。對活性分子的吸附以及吸附層的性質，決定著泡沫的排液性以及穩定性。

2.1 馬拉格尼效應

在這里首先提到馬拉格尼效應，兩個氣泡在界面上由于毛管壓力的作用，會相互靠近，從而導致薄液膜中的液體被擠出到臨近的Plateau區。這種液體流動從而導致了表層表活劑發生對流傳導。因此，界面上液流方向的表活劑濃度增加，從而降低了界面張力。這種沿著界面變化的表面張力梯度遞變產生了液流阻力[3]。這個現象就是我們熟知的馬拉格尼效應。圖3為馬氏效應圖。

馬拉格尼效應就是表面張力的修復作用，可以恢復液膜強度，使得泡沫具有良好的穩定性，不易被破壞。表面張力的修復作用源于兩種過程：

（1）活性劑分子自液膜的低表面張力區域遷移至高表面張力區域.

（2） 活性劑分子自溶液中吸附至表面上。

以第二種方式為主進行修復的液膜，只是從溶液中吸取活性劑分子，只是復原了密度，沒有復原厚度，因此強度不高。若要使馬氏效應顯著，加入的起泡劑應能夠引起表面張力顯著降低，因此，此效應的最大值應出現在濃度較低，而又接近CMC處。（只是針對單一活性劑溶液）。

2.2 粘彈性

液膜排液期間，表活劑單分子層會經歷膨脹變形和剪切變形，變形會產生界面梯度張力。表活劑粘度的增長也會引起表面流度的降低從而延長排液時間。然而，如果界面張力梯度很高，即使在低界面粘度下，液膜排液速度依然很慢，這說明在低表活劑濃度時，粘度不是影響泡沫穩定性的主要因素，由于變形導致的界面梯度張力才是主要影響因素。界面張力梯度可以提高泡沫粘性，從而延長排液時間，這是因為張力梯度產生了一個更大的液膜壓力從而阻礙了薄膜表面附近的液體流動[4]。對于建立穩定泡膜界面而言，最重要的動力學表面特性無非就是界面膨脹彈性，圖4所示，即為泡沫穩定性（泡沫壽命），還有起泡性（初始泡沫高度）這兩者與膨脹彈性的函數關系圖。

3 高表活劑濃度時的泡沫穩定機理

濃度高于CMC時，泡沫穩定性隨表活劑濃度增加而增加。這個增長的原因是另一種穩定機理：膠團締合分層。在工業體系中，表活劑溶液的濃度通常是高于CMC的，因此這個機理從現場應用的角度上來說很重要[5]。表活劑濃度很高時，泡膜會逐漸變薄，表活劑溶液形成的薄泡膜在薄化時，會呈現出一定的亞穩態直到達到平衡液膜厚度[6]。這個過程如圖5所示，該圖是一個乙氧基醇非離子表活劑溶液形成的水平液膜光電流-時間圖表。

液膜一形成，就開始變薄，當膜的厚度小于104 nm時，膜厚開始逐步變化。液膜處于亞穩均勻態一小段時間。然后出現比現有膜更薄的黑斑并且逐步增大。黑斑最終覆蓋整個液膜并且液膜處于一個新的亞穩態。然后，更小的黑斑出現，之后擴張，又產生一個新的亞穩態[7]。這個過程不斷重復，直到液膜最終達到穩態。干涉圖中液膜的亞穩態的階梯寬度與每個亞穩態階段的泡沫壽命一一成比例。階梯高度是相等的，與膠團直徑對應，大約10 nm。分層現象實際是逐層液膜內締合膠團和膠體粒子的薄化。由于液膜體積有限，膠團通過屏蔽靜電排斥來相互作用。液膜分層是一個普遍現象，這個現象是因為泡膜中出現長鏈晶狀膠體還有就是因為膠團的逐層薄化。由于帶電布朗粒子間相互排斥作用，使得帶電粒子進入液膜內部的不流動區域，從而產生了這種締合分層的現象。薄膜中形成長鏈締合膠體，這個機理在抑制液膜排液方面有明顯的理論意義和實際應用意義，含有分層液膜的分散相，其流變性會發生變化，分層泡膜粘度要高于純溶劑內泡膜粘度[8]。圖6所示的照片是一個水基泡沫體系，該體系的穩定性由于泡沫夾層間發生分層現象而增加，這也證明了實際泡沫中存在膠團締合分層。含有膠團分層液膜的泡沫壽命更長，穩定性更好。

4 結 論

通過閱讀大量文獻以及實驗，了解了關于活性劑，原油，泡沫三相之間的相互關系和作用，我們可以得出下面一些結論。

泡沫穩定性機理與表活劑濃度有密切關系，且這個濃度的分界點通常就是臨界膠束濃度（CMC），表活劑濃度低于CMC時，達不到在溶液中形成膠團的濃度，此時，諸如表面張力效應（馬拉格尼效應），界面粘彈性等界面流變學因素是影響泡沫穩定的關鍵，但這些因素中最重要的就是界面張力。當表活劑濃度高于CMC時，由于表活劑分子將在溶液中從單個離子狀態締合成“膠態聚集體”，也就是膠團。而膠團相互間會發生締合分層，從而起到穩定液膜的作用。

本文基于一些學者的實驗和觀點，主要闡述了表面活性劑（起泡劑）濃度對于泡沫穩定性的影響，但還有很多問題仍需在未來逐步研究解決，例如上述結論都是建立在泡沫穩定性是基于液膜排液理論還有氣體擴散理論這個大前提的，但如今也有學者質疑這兩個理論是否是泡沫穩定性理論的全部。地層條件內泡沫的穩定機理是極其復雜的，還有許多因素的影響，例如溫度，壓力，電解質含量等。所以，未來對于泡沫在地層中穩定機理的研究仍應在結合現場實際，考慮多因素復雜影響的條件下進行，需要將泡沫類型，表活劑類別，原油性質，地層條件這些因素進行細分，綜合考量，進一步探索出更具體，對應性更強的穩定機理。

參考文獻：

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