周素林，鄧明毅，蘇俊霖

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

表面活性劑是一類具有特殊性質(zhì)的物質(zhì)，已廣泛地應(yīng)用于日化、工業(yè)清洗、印染、皮革、金屬加工、石油開采和原油降粘等領(lǐng)域［1-2］。在石油開采過程中，利用表面活性劑的起泡穩(wěn)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(fā)展成為一套成熟技術(shù)，但是，一直存在泡沫不穩(wěn)定、處理劑種類單一等問題［3-5］。因此，迫切需要研制性能優(yōu)異的新型發(fā)泡劑，探討發(fā)泡劑的穩(wěn)定性影響因素，以增強(qiáng)泡沫性能。本文對(duì)自制發(fā)泡劑進(jìn)行泡沫性能研究，為其優(yōu)異性能的發(fā)揮提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)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(yáng)離子表面活性劑CHLB(發(fā)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(zhuǎn)蒸發(fā)器;SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵;FA-1004電子分析天平。

1.2 陽(yáng)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(yīng)5 h。減壓蒸餾，除去未反應(yīng)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(jì)的250 mL 三口燒瓶中，室溫下以0.1 L/min 的恒定速率連續(xù)通入CO2氣體，攪拌反應(yīng)，得2-烷基-2-咪唑啉碳酸氫鹽。

1.3 泡沫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

采用目前廣泛使用的Waring Blender 法對(duì)起泡劑CHLB 進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)方法:配制100 mL發(fā)泡液，高速(11 000 ～12 000 r/s)攪拌60 s 后停止，記錄產(chǎn)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(shí)間t(s)用于衡量泡沫的穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面活性劑CHLB 的泡沫性能

測(cè)試CHLB 與十二烷基苯磺酸鈉泡沫性能，結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 起泡劑加量與發(fā)泡體積的關(guān)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(guān)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(wěn)定性明顯高于十二烷基苯磺酸鈉。

2.2 起泡劑加量對(duì)穩(wěn)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(chǎn)生泡沫，測(cè)量泡沫體積，結(jié)果見圖1。

由圖1 可知，隨起泡劑濃度增加，發(fā)泡能力達(dá)到最大后又降低，半衰期的增速變緩。起泡劑濃度為0.90%時(shí)，發(fā)泡體積最大，半衰期為907 s，濃度達(dá)到1.00%后，增速明顯變緩。因此，以下實(shí)驗(yàn)起泡劑加量均為0.90%。

2.3 溫度和礦化度對(duì)穩(wěn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl，測(cè)定不同溫度下的起泡能力和半衰期，結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 不同溫度下NaCl 加量與發(fā)泡體積的關(guān)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(guān)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，溫度達(dá)到40 ℃后，發(fā)泡體積先升高后逐漸下降，80 ℃時(shí)達(dá)到最大值。泡沫半衰期基本保持不變，表明在此范圍內(nèi)該泡沫體系具備較好的抗鹽性能。在40～80 ℃時(shí)，泡沫半衰期變化趨勢(shì)較小，泡沫性能穩(wěn)定，但此時(shí)的半衰期較短，為150 ～300 s，在此范圍內(nèi)，該泡沫體系不具備較好的抗溫能力。這是因?yàn)闇囟容^高時(shí)，一方面液膜的水分蒸發(fā)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(shí)，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(wěn)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(shí)泡沫穩(wěn)定性，結(jié)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(fā)泡體積的關(guān)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(guān)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(fā)泡能力和泡沫半衰期變化趨勢(shì)基本一致。在20 ～30 ℃時(shí)，泡沫半衰期減小幅度較大，表明該泡沫體系在此范圍內(nèi)對(duì)溫度較為敏感;30 ～80 ℃時(shí)，泡沫性能較穩(wěn)定，但此時(shí)的半衰期較短。低礦化度對(duì)泡沫性能隨溫度的變化規(guī)律影響小，但在礦化度較高時(shí)，對(duì)泡沫的發(fā)泡體積和半衰期影響較大。

以上實(shí)驗(yàn)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(duì)穩(wěn)定性的影響

實(shí)驗(yàn)選用元壩地區(qū)上沙溪廟組的巖石，將巖石粉碎，制備不同目數(shù)的巖屑。加入不同粒徑巖屑泡沫液的發(fā)泡體積和半衰期見圖7。

圖7 巖粉濃度對(duì)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(shù)的巖屑對(duì)穩(wěn)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(shí)，對(duì)泡沫半衰期的影響較小，濃度較高(＞5 g/100 mL)時(shí)，對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響較大。巖屑直徑對(duì)泡沫穩(wěn)定性有較大影響，巖屑直徑在6 ～40 目時(shí)，其半衰期明顯減小。但當(dāng)所加巖屑直徑范圍較廣時(shí)，大直徑巖屑對(duì)泡沫穩(wěn)定性的消極作用便不明顯了。

2.5 井眼出水對(duì)穩(wěn)定性的影響

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

圖8 氣液比與泡沫半衰期的關(guān)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(zhì)量逐漸下降，泡沫半衰期有下降趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到一定程度后，在泡沫質(zhì)量為0.75 ～0.80時(shí)，半衰期下降明顯。在泡沫質(zhì)量＜0.75 時(shí)，泡沫半衰期較低，且粘度和動(dòng)剪切力減小，已不能滿足鉆井需求。本次實(shí)驗(yàn)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(duì)泡沫穩(wěn)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(shí)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(duì)該泡沫體系基本無影響。這是因?yàn)?，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(guān)系Fig.9 Relationship between the dosage of diesel and foam half-life

3 結(jié)論

(1)陽(yáng)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(fā)泡體積和半衰期的變化趨勢(shì)減小，泡沫性能穩(wěn)定，但此時(shí)的半衰期較短，為150 ～300 s，在此范圍內(nèi)，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(duì)泡沫性能隨溫度的變化規(guī)律基本無影響，但礦化度過高時(shí)對(duì)泡沫的發(fā)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(wěn)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(yīng)用與發(fā)展［J］. 河北化工，2007，30(4):20-21.

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