改性納米顆粒對孔隙介質中泡沫穩定機理研究

何宗禮，馬國慶，吉凱，曹啟

（1. 江漢油田石油工程技術研究院，湖北 武漢 430035； 2. 天水電氣傳動研究所集團有限公司，甘肅 天水 741020；3. 長慶油田第六采油廠，陜西 榆林 718600； 4. 江漢油田坪北經理部，陜西 延安 717408）

近年來，泡沫在工業中的應用相當普遍。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定性都受到影響。研究發現，通過向起泡體系中添加納米二氧化硅可以增強泡沫的穩定性[1]。

孔隙介質中泡沫的生成的本質是產生能分割氣體的液膜，產生液膜的方式有卡斷、液膜分離[2]。本文通過微流控實驗研究二氧化硅的加入對孔隙介質中卡斷行為的影響，進而揭示納米顆粒增強泡沫穩定性的機理。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

本實驗所用到的實驗儀器和藥劑如表1、表2所示。

表1 實驗儀器

表2 實驗藥品

1.2 實驗步驟

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 起泡體系表面擴張模量、表面張力的測試

分別配置質量分數0.4%的APG1214 表面活性劑溶液、質量分數0.4%APG1214+質量分數0.2%親水納米顆粒復配體系溶液、質量分數0.4%APG1214+質量分數0.2%雙面神納米顆粒[3-5]復配體系溶液各100 mL，利用Kruss 表面張力儀和Kruss 表面擴張流變儀分別測試表面張力和表面擴張模量，并比較不同體系性質的差異。

選用Kruss 動態表面張力儀，采用最大氣泡壓力法測試溶液的表面張力。樣品池中量取60 mL 水，手動操作控制器使毛細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 ℃時的表面張力，輸入系統中，開始測試毛細管直徑，得到毛細管直徑數據；于樣品池中量取起泡體系溶液60 mL，溫度設置為常溫25 ℃，時間設置為10～10 000 ms，將先前測出的毛細管直徑輸入系統，調整溶液界面和毛細管之間的距離，測量溶液的表面張力。

1.2.3 可視化微流控實驗

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，在實驗中，使用微量注射泵同時注入氣體和不同起泡體系，使其在孔隙中生成泡沫[6]。使用高速攝像機分別記錄各起泡體系在孔隙介質模型中生成的泡沫在流動過程中的形態變化，并計算發生卡斷行為后生成的泡沫尺寸，通過對比不同起泡體系的卡斷行為及其泡沫的尺寸變化差異，建立泡沫在流動過程中特征參數和氣液界面性質之間的對應關系[7-9]，探索氣液兩相流量比、流速對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間，為了保證氣泡進入孔喉前納米粒子在氣液界面的吸附達到穩定狀態，在孔喉結構前面加入了一段較長的平滑流動通道。

玻璃刻蝕模型如圖3 所示，微流控可視化實驗流程如圖4 所示，微流控可視化實驗實物流程如圖5 所示。微流控實驗操作步驟如下：

圖3 玻璃刻蝕模型

圖4 微流控可視化實驗流程圖

圖5 微流控可視化實驗實物流程圖

1）配制不同起泡體系溶液；

2）通過接頭將微量進樣器、毛細管、過濾器與玻璃刻蝕模型連接起來；

3）將計算機與顯微鏡連接，調整玻璃刻蝕模型的位置，調試顯微鏡的亮度及放大倍數，使玻璃刻蝕模型孔喉位于顯示屏中央；

4）封堵3 接口，打開4 接口，通過1 接口開始向微流控刻蝕模型中注入蒸餾水，使整個孔隙中完全被水潤濕，檢查整個裝置的氣密性，防止氣密性不良而產生漏水現象；

5）抽取一定量的溶液于微量進樣器中，設定氣液兩相流量，1 接口注入溶液，2 接口注入氣體，開始觀察玻璃刻蝕模型中產生泡沫的行為，開啟高速攝像機記錄泡沫生成過程；

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卡斷生泡行為的影響；

7）實驗結束后，將玻璃刻蝕模型孔隙中殘余液體用蒸餾水沖洗干凈，以便下次實驗重復使用。

2 結果與討論

2.1 雙面神納米顆粒對起泡體系氣液界面性質的影響

2.1.1 表面張力測試

3 種起泡體系的表面張力測試結果如圖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 表面擴張模量測試

3 種起泡體系的表面擴張模量測試結果如圖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張模量最小，雙面神納米顆粒復配體系的表面擴張模量最大。

圖7 3 種起泡體系的表面擴張模量

從上述實驗測試結果可知，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張模量，而經過改性的雙面神納米顆粒減小體系表面張力、增大表面擴張模量的作用更加明顯。

2.2 可視化微流控實驗

2.2.1 不同起泡體系在孔隙介質中的卡斷行為

配制表面活性劑起泡體系、親水納米顆粒復配起泡體系、雙面神納米顆粒復配起泡體系，模型中，接口1 注入起泡體系，接口2 注入氣體，設定氣液流量都為5 μL·min-1，氣液比1∶1，開啟注射泵，對比3 種起泡體系發生卡斷行為的差異，實驗結果如圖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 親水納米顆粒復配體系在孔喉處卡斷行為

圖10 雙面神納米顆粒復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+親水納米顆粒復配起泡體系：

3）表面活性劑+雙面神納米顆粒復配起泡體系：

孔隙介質中整個卡斷生泡過程可以分為3 個階段，即初始階段、過渡階段、穩定階段。從實驗中可知，初始階段、過渡階段持續時間很短，生成的泡沫體積較大，穩定階段持續時間最長，生成的泡沫體積最小。在穩定階段，相比表面活性劑體系，親水納米顆粒復配體系發生卡斷后產生的泡沫尺寸減小27.9%，雙面神納米顆粒復配體系減小48.9%。

對于表面活性劑體系而言，泡沫在流動的過程中通過孔喉時，主要是發生形變，氣液界面雖然受到擠壓，但是產生的表面張力梯度較小，泡沫能夠在很短的時間內恢復到平衡狀態，因此發生卡斷的機率較低，即使發生卡斷，生成的泡沫尺寸較大；對于親水納米顆粒復配體系，氣泡在經過孔喉時，形變程度增加，氣液界面產生的表面張力梯度較大，發生卡斷的概率明顯增加，但是由于表面擴張模量不夠大，產生的泡沫尺寸依舊較大；而對于雙面神納米顆粒復配體系，在3 種起泡體系中表面擴張模量[10]最大，氣泡在經過孔喉時，泡沫產生的形變量最大，氣液界面產生了很大的表面張力梯度，泡沫還未來得及恢復到原始狀態就被卡斷，在孔喉出口處生成了數量較多、尺寸很小且分布均勻的小泡沫。

2.2.2 注入條件對卡斷行為的影響

配制雙面神納米顆粒復配起泡體系，使用微量注射泵向模型中注入氣體和復配起泡體系。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，實驗結果如圖11、表4 所示。

圖11 雙面神納米顆粒復配體系在孔喉處穩定階段卡斷行為

表4 卡斷生成的泡沫尺寸

由圖11 可以發現，注入條件不同時穩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，表面擴張模量較大，此時泡沫的卡斷是通過表面擴張模量控制泡沫變形時的形態而實現的。通過比較氣液注入流量為1 μL·min-1和5 μL·min-1時泡沫的尺寸，可知流量增大4 倍，而泡沫尺寸只減小了15%，因此注入條件對卡斷生泡的影響不是特別顯著。

2.2.3 氣液流量比對卡斷行為的影響

配制雙面神納米顆粒復配體系，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，實驗結果如圖12、表5 所示。

圖12 雙面神納米顆粒復配體系在孔喉處穩定階段卡斷行為

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，單位體積內進入到吼道的起泡劑溶液越來越少，泡沫含水飽和度越來越低，導致本應該發生卡斷行為的泡沫未來得及發生卡斷而直接穿過吼道，生成的泡沫尺寸變大。

2.2.4 雙面神納米顆粒質量分數對卡斷行為的影響

配制雙面神納米顆粒復配體系，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，增加復配體系中雙面神納米顆粒的質量分數，實驗結果如圖13、表6 所示。

圖13 雙面神納米顆粒復配體系在孔喉處穩定階段卡斷行為

表6 卡斷生成的泡沫尺寸

隨著復配體系中雙面神納米顆粒質量分數的增加，孔喉處發生卡斷行為時生成的泡沫尺寸減小，雙面神納米顆粒質量分數越大，泡沫尺寸減小幅度越低。對于高表面擴張模量起泡體系，泡沫在剛進入到孔喉時則會發生劇烈的卡斷行為，直到整個泡沫分裂完成；對于低表面擴張模量起泡體系，這種行為會延遲出現。隨著起泡體系表面擴張模量的增大，泡沫在經過孔喉時越容易在短時間內獲得一定的周長和面積，生成的泡沫尺寸更小，泡沫分布越均勻且致密，泡沫質量越好，穩定性越強，雙面神納米顆粒通過調控氣液界面性質進而影響了孔隙介質中的生泡行為。

3 結 論

通過測試表面活性劑單體系、親水納米顆粒復配體系、雙面神納米顆粒復配體系的氣液界面性質，結果表明，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張模量。

微流控可視化實驗揭示了氣液界面性質對孔隙中卡斷生泡的影響機制，相比表面活性劑單體系、親水納米顆粒復配體系，具有高表面擴張模量的雙面神納米顆粒復配體系在經過孔喉時，氣泡更易于斷裂，產生的泡沫粒徑更小，泡沫分布越均勻，因此泡沫穩定性越強，高表面擴張模量與泡沫高穩定性具有較好的對應關系。