泡沫兴衰机理及其稳定性影响因素

泡沫兴衰机理及其稳定性影响因素

由于静液柱压力低、过滤量小、砂渣运输性能好、助排能力强、对地层的破坏小，泡沫流的特点是广泛用于低压、脱盐和敏感地层的水井、井、油气井和气井的富产措施（如泡沫排水、真空冲砂等）。在国外石油工业中,泡沫流体的应用已有三十多年的历史了,现已成为油气田开发中的一个重要发展方向。近年来,虽然我国石油工业在泡沫流体应用技术方面已积累了一些经验,但还不十分成熟。1泡沫的流变机理泡沫的稳定性是泡沫流体的主要性能。泡沫是气体组成的气泡分散体系,它具有非常大的表面自由能,从热力学意义上讲,泡沫都是不稳定体系,但可以采取某些措施,改变条件,使存在时间长一些,以满足应用要求。目前普遍认为泡沫的衰变机理是:①泡沫中液体的流失;②气体透过液膜扩散。两者均、泡膜性质和液膜与Plateau边界间的相互作用有直接关系。1.1气泡的挤压和开裂泡沫中液体的流失是气泡相互挤压和重力作用的结果。气泡的挤压主要来源于曲面压力。图1表示3个气泡泡膜交界的Plateau边界。根据Laplaq公式,不难导出:P式中:P1.2小泡大小对大泡大小的影响无论用什么方法产生泡沫,其大小总是不均匀的,根据Laplace方程小泡内的气体压力比大泡的高,因而小泡内的气体会透过液膜扩散到大泡中去,造成小泡变小,大泡变大,最终均趋于破灭。2影响泡沫稳定性的因素泡沫是相当复杂的体系,影响泡沫稳定性的因素较多,主要讨论以下几个方面。2.1表面张力的影响随着泡沫的生成,液体表面积增大,表面能增高。根据Gibbs原理,体系总是趋向于较低的表面能状态,低表面张力,可使泡沫体系能量降低,有利于泡沫的稳定。由式(1)可知,毛细管压力与溶液的表面张力δ成正比,δ低时,毛细管压力小,泡沫排液速度也慢;另外,δ低意味着纯水与溶液表面张力的差值大,泡沫的修复作用强,不易因受冲击而破灭。2.2其他分子间的作用表面粘度是指液体表面单分子层内的粘度。这种粘度,主要是表面活性剂分子在表面单分子层内的亲水基间相互作用及水化作用而产生的。皂素、蛋白质及其他类似物质的分子间,除范德华力外,分子间的羧基、胺和羰基间有形成氢键的能力;因而,有很高的表面粘度,形成很稳定的泡沫。2.3水溶液聚合物的影响SITA等研究了水溶性聚合物对泡沫稳定性的影响,他们在0.2%C2.4压力对泡沫排液时间的影响泡沫在不同压力下稳定性不同,压力越大,泡沫越稳定。Rand研究了活性剂水溶液泡沫,在不同压力下的排液时间,发现压力与泡沫排液时间呈直线关系。这是因为泡沫质量一定时,压力越大,泡沫半径越小;泡膜的面积越大,液膜变得越薄,排液速度越低。2.5泡沫排液中泡膜内部变化的机理大量实践表明,泡沫稳定性随温度升高而下降。在低温和高温下泡沫的衰变过程不同:(1)低温下,泡沫排液使泡膜达到一定厚度时,就呈亚稳状态,其衰变机理主要是气体扩散;(2)高温下,泡沫破灭由泡沫柱顶端开始,泡沫体积随时间增长有规律地减小。33.1稳泡剂:三乙醇胺-三乙醇胺起泡剂:ZXD;十二烷基苯磺酸钠(分子量:348.48含量≥83%,上海化学试剂站中心化工厂)稳泡剂:三乙醇胺(分子量:149.19三乙醇胺含量≥85.0%,灼烧残渣0.05%(成都市医药公司化学试剂批发部);聚丙烯酰胺。3.2起泡能力和性能指标(1)原理:正交设计(四水平),详见表1。(2)按照正交设计,配制定量基液,装入容器中,在合适的气流量下,使气液混合产生泡沫,测起泡时间t′和泡沫半衰期t,以此衡量起泡能力和泡沫稳定性。起泡时间短,半衰期长,则说明该起泡剂性能良好。起泡时间为产生600mL泡沫所需的时间,半衰期为泡沫体积衰减至半时的时间(见表2～表5)。3.33.3.1气流量对起泡能力的影响常温下,对两种起泡剂的t′和t进行测试。由图2可知,随着气流量增大,起泡能力增强,并逐渐趋于平缓。泡沫稳定性先随气流量增大而增大,但达到一峰值后,又随气流量的增大而减小。3.3.2发泡能力分析用十二烷基苯磺酸钠和ZXD配制成不同浓度溶液再与1.0%三乙醇胺分别配成100ml基液并在常温常压下进行测试。由图3可知,起泡能力随起泡剂浓度增大而增大,当C分别等于0.4%和1.0%时,两种起泡剂的起泡能力达到最大。同时,两种泡沫半衰期随起泡剂浓度增大而增大,当C分别等于0.4%和1.0%时,两种起泡剂的起泡能力达到最大,两种起泡剂的变化规律一致。故起泡剂的浓度对t′和t影响较大,随着泡沫剂浓度增大,起泡能力和泡沫半衰期达到最大后又降低,一般取值为略超过表面张力临界浓度为宜。主要原因是:活性剂溶液浓度较高时,溶液中的活性剂迅速扩散到表面,使局部的表面张力很快降低到原来的大小,而变薄的部分未得到修复,泡沫的稳定性降低。3.3.3固泡剂浓度对t按要求配制基液对三乙醇胺的浓度对t′和t影响进行研究。由图4可知,随着三乙醇胺浓度的增加,泡沫起泡能力先增大,当三乙醇胺浓度为1.0%时,起泡能力最大。此后,由于起泡剂配制液的粘度过大,起泡能力降低。当两种起泡剂的浓度均为定值时,测定三乙醇胺浓度对t的影响(图4),由图4可见,泡沫的t随三乙醇胺浓度的增大而增大。在起泡剂配制液中加入三乙醇胺后,由于形成氢键的作用,使得表面粘度增大,膜的强度增加,泡膜内液体流失速度变慢,气体透过性降低,故可使泡沫寿命显著延长(见表2、表3),稳定性大大提高。3.3.4增粘剂浓度对起泡能力的影响固定十二烷基苯磺酸钠的浓度,测定增粘剂聚丙烯酰胺的浓度对t′和t的影响。由图5可知,当PAM的浓度低于0.2%时,起泡能力随PAM的浓度的增加而增大,在PAM的浓度为0.2%时达最大值,当PAM的浓度高于0.2%后,起泡能力随PAM浓度增大而降低。在起泡剂配制液中加入增粘剂PAM后,配制液有了较大的粘度,既使气泡间的液膜不易流失,又使气体在液膜中的溶解度降低,从而使起泡能力和半衰期增大。但PAM的浓度不能太大,否则膜中起泡剂分子不能自由移动而使起泡能力下降,膜局部受损时“伤口”不能迅速弥合,泡容易破,增粘剂PAM可使泡沫寿命显著延长(见表5),泡沫的稳定性大大提高。3.3.5(zxd,三乙醇胺,聚丙烯酰胺)最佳配方的筛选根据表2可选出(十二烷基苯磺酸钠,三乙醇胺)的最佳配方为(0.4%,1.0%)-a。对于表3同样可选出(ZXD,三乙醇胺)的最佳配方为(1.0%,1.0%)-b。对于表4、表6,可根据正交设计实验数处理方法,可分别选出各因素最佳点:表4:A:(4);B:(1),(3);C:(1),(3)将此五点作分组实验:(A(4),B(1),C(1));A(4),B(1),C(3));(A(4),B(3),C(1));A(4),B(3),C(3));将实验结果进行筛选得(十二烷基苯磺酸钠,三乙醇胺,聚丙烯酰胺)的最佳配方为:(1.6%,1.0%,0.15%)-c。同理:(ZXD,三乙醇胺,聚丙烯酰胺)的最佳配方为(1.3%,1.0%,0.15%)-d。将a,c;b,d分别作抗高温实验,进行研究,见表7。由表7数据可看出,c比a的高温稳定性好,且温度越高,效果越明显。d与b也有类似规律。此外,还可看出,b、d比a、c的高温稳定性要好。所以,起泡剂对泡沫高温稳定性有着很大的影响。故在深井中使用泡沫流体时,尽量选用抗高温的发泡剂,如X—烯烃磺酸盐,N—甲基,N—酰基牛磺酸盐等。这些发泡剂的碳原子数在15左右,高温下的发泡能力和泡沫稳定性很好。当然,在没有高温发泡剂时,就需根据泡沫衰变机理和参考影响因素采取一些有效的措施,如加处理剂等,以提高泡沫稳定性。4泡沫体积、温度对泡沫排水剂t(1)泡沫稳定性随泡沫质量增加而增加,达到最大值后,又降低。(2)随着起泡剂浓度的增大,起泡能力和泡沫半衰期先增至最大值,然后降低。(3)随着固泡剂三乙醇胺和增粘剂PAM浓度的增加,起泡能力先增加,达到最大值后又降低,而t则单调增大。(4)泡沫质量一定时,随着温度的增加,泡沫稳定性降低。但起泡剂不同,采取措施不同,在同一温度下,所得泡沫的半衰期t也有差异;所以在实际应用中,应注意起泡剂、稳泡剂的种类及加量的选择。(5)起泡工艺对泡沫稳定性有较大的影响,实验中,同种基液所产生的泡沫的半衰期竟相差2h,