一种新型发泡剂的泡沫稳定性研究

周素林，邓明毅，苏俊霖

(1.西南石油大学 化学化工学院，四川 成都 610500;2.西南石油大学 石油工程学院，四川 成都 610500)

表面活性剂是一类具有特殊性质的物质，已广泛地应用于日化、工业清洗、印染、皮革、金属加工、石油开采和原油降粘等领域［1-2］。在石油开采过程中，利用表面活性剂的起泡稳泡性能，作低压泡沫钻井、泡沫修井中的处理剂。目前，低压泡沫钻井已发展成为一套成熟技术，但是，一直存在泡沫不稳定、处理剂种类单一等问题［3-5］。因此，迫切需要研制性能优异的新型发泡剂，探讨发泡剂的稳定性影响因素，以增强泡沫性能。本文对自制发泡剂进行泡沫性能研究，为其优异性能的发挥提供依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

脂肪酸(C10、C12、C14)、乙二胺、十二烷基苯磺酸钠、二甲苯、氯化钠、氯化钙均为分析纯;阳离子表面活性剂CHLB(发泡剂，临界胶束浓度在1.0 mol/L附近)，自制;CO2(g)，含量为99.99%。

DF-101 集热式恒温加热磁力搅拌器;RE52CS旋转蒸发器;SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵;FA-1004电子分析天平。

1.2 阳离子表面活性剂CHLB 的制备

在带有冷凝回流、分水器和搅拌装置的250 mL三口烧瓶中加入硬脂酸和二甲苯，加热搅拌，至原料完全溶解。滴加适量乙二胺，升温140 ℃回流反应5 h。减压蒸馏，除去未反应的胺和溶剂，得到淡黄色固体。溶于适量水和乙醚的溶剂体系中，置于装有冷凝回流和温度计的250 mL 三口烧瓶中，室温下以0.1 L/min 的恒定速率连续通入CO2气体，搅拌反应，得2-烷基-2-咪唑啉碳酸氢盐。

1.3 泡沫稳定性评价

采用目前广泛使用的Waring Blender 法对起泡剂CHLB 进行稳定性评价，实验方法:配制100 mL发泡液，高速(11 000 ～12 000 r/s)搅拌60 s 后停止，记录产生的泡沫体积V0用于衡量溶液的起泡能力。静置观察，记录析出50 mL 液体需要的时间t(s)用于衡量泡沫的稳定性。

2 结果与讨论

2.1 表面活性剂CHLB 的泡沫性能

测试CHLB 与十二烷基苯磺酸钠泡沫性能，结果见图1、图2。

图1 起泡剂加量与发泡体积的关系Fig.1 Relationship between the dosage of foaming agent and foam volume

图2 起泡剂加量与泡沫半衰期的关系Fig.2 Relationship between the dosage of foaming agent and foam half-life

由图可知，表面活性剂CHLB 在低浓度下能迅速起泡，且泡沫稳定性明显高于十二烷基苯磺酸钠。

2.2 起泡剂加量对稳定性的影响

室温20 ℃下，配制不同浓度的CHLB 水溶液。倒入带有刻度的透明量杯中，高速搅拌产生泡沫，测量泡沫体积，结果见图1。

由图1 可知，随起泡剂浓度增加，发泡能力达到最大后又降低，半衰期的增速变缓。起泡剂浓度为0.90%时，发泡体积最大，半衰期为907 s，浓度达到1.00%后，增速明显变缓。因此，以下实验起泡剂加量均为0.90%。

2.3 温度和矿化度对稳定性的影响

2.3.1 NaCl 的影响 配制0.90%CHLB 水溶液，加入不同质量分数的NaCl，测定不同温度下的起泡能力和半衰期，结果见图3、图4。

图3 不同温度下NaCl 加量与发泡体积的关系Fig.3 Relationship between the dosage of NaCl and foam volume at different temperatures

图4 不同温度下NaCl 加量与半衰期的关系Fig.4 Relationship between the dosage of NaCl and half-life at different temperatures

由图3、图4 可知，随NaCl 质量分数的增加，温度达到40 ℃后，发泡体积先升高后逐渐下降，80 ℃时达到最大值。泡沫半衰期基本保持不变，表明在此范围内该泡沫体系具备较好的抗盐性能。在40～80 ℃时，泡沫半衰期变化趋势较小，泡沫性能稳定，但此时的半衰期较短，为150 ～300 s，在此范围内，该泡沫体系不具备较好的抗温能力。这是因为温度较高时，一方面液膜的水分蒸发加剧，排液速度加快，在高速搅拌下生成的泡沫易破灭;另一方面，温度较高时，活性剂分子亲水基的水化作用下降，疏水基碳链间凝聚力减弱，表面粘度降低，泡沫稳定性下降［6］。

2.3.2 混合盐的影响 油气田地层水含较高浓度的Na+、Cl－外，还含有较高浓度的Ca2+、Mg2+等离子，使得地层水具有较高矿化度，因此，考察不同温度条件下多种离子存在时泡沫稳定性，结果见图5、图6。泡沫体系: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。

图5 不同温度下盐的加量与发泡体积的关系Fig.5 Relationship between the dosage of salt and foam volume at different temperatures

图6 不同温度下盐的加量与半衰期的关系Fig.6 Relationship between the dosage of salt and half-life at different temperatures

由图5、图6 可知，随温度的升高，a、b、c 三组配方发泡能力和泡沫半衰期变化趋势基本一致。在20 ～30 ℃时，泡沫半衰期减小幅度较大，表明该泡沫体系在此范围内对温度较为敏感;30 ～80 ℃时，泡沫性能较稳定，但此时的半衰期较短。低矿化度对泡沫性能随温度的变化规律影响小，但在矿化度较高时，对泡沫的发泡体积和半衰期影响较大。

以上实验表明，该泡沫流体受温度影响较大，有较好的抗盐性能。

2.4 岩屑对稳定性的影响

实验选用元坝地区上沙溪庙组的岩石，将岩石粉碎，制备不同目数的岩屑。加入不同粒径岩屑泡沫液的发泡体积和半衰期见图7。

图7 岩粉浓度对泡沫半衰期的影响Fig.7 The curve of rock dust concentration as foam half-life

表1 相同加量下不同目数的岩屑对稳定性影响Table 1 The different size of rock fragments have effecton foam stability at the same amount

由图7 可知，在岩粉浓度较低(＜2 g/100 mL)时，对泡沫半衰期的影响较小，浓度较高(＞5 g/100 mL)时，对泡沫稳定性的影响较大。岩屑直径对泡沫稳定性有较大影响，岩屑直径在6 ～40 目时，其半衰期明显减小。但当所加岩屑直径范围较广时，大直径岩屑对泡沫稳定性的消极作用便不明显了。

2.5 井眼出水对稳定性的影响

泡沫的稳定性和流变性取决于泡沫质量。泡沫质量即气体量/(气体量+液体量)，最佳泡沫质量为0.75 ～0.98，或含液量2% ～25%。泡沫质量与泡沫半衰期的关系见图8。

图8 气液比与泡沫半衰期的关系Fig.8 Relationship between gas-liquid ratio and foam half-life

由图8 可知，随着泡沫基液中注入水量的增加，泡沫液的泡沫质量逐渐下降，泡沫半衰期有下降趋势，当达到一定程度后，在泡沫质量为0.75 ～0.80时，半衰期下降明显。在泡沫质量＜0.75 时，泡沫半衰期较低，且粘度和动剪切力减小，已不能满足钻井需求。本次实验所用泡沫钻井液所能容忍的水侵量约为其泡沫基液的2 倍。

2.6 柴油对泡沫稳定性的影响

由图9 可知，柴油的加入使泡沫半衰期低于未加柴油时的1/2，但随着柴油加量的增加，泡沫半衰期基本无改变，表明柴油的加入及加量的改变对该泡沫体系基本无影响。这是因为，柴油的加入，使泡沫中存在一定的乳液，从而加速了排液，减小了泡沫半衰期。

图9 柴油加量与泡沫半衰期的关系Fig.9 Relationship between the dosage of diesel and foam half-life

3 结论

(1)阳离子表面活性剂CHLB 在体系中的最佳浓度为0.90%。

(2)随着温度的升高，发泡体积和半衰期的变化趋势减小，泡沫性能稳定，但此时的半衰期较短，为150 ～300 s，在此范围内，该泡沫体系不具备较好的抗温能力。

(3)随着NaCl 含量的升高，低矿化度对泡沫性能随温度的变化规律基本无影响，但矿化度过高时对泡沫的发泡体积和半衰期影响较大。说明其具有一定的抗盐性。

(4)CHLB 所形成的泡沫体系的稳定性较好，能够承受一定的岩屑、井眼出水以及柴油污染。

［1］ 刘彩娟. 表面活性剂的应用与发展［J］. 河北化工，2007，30(4):20-21.

［2］ 黄惠琴.表面活性剂的应用与发展趋势［J］. 现代化工，2001，21(5):6-8.

［3］ 刘佳奇，霍冀川，雷永林，等. 一种新型蛋白质发泡剂的泡沫稳定性研究［J］. 化学建材，2009，25(5):41-43.

［4］ 敬加强，李业，代科敏，等. 一种高稳定性水基泡沫体系的制备与性能评价［J］. 油田化学，2013，30(3):384-387.

［5］ 王中华.我国油田化学品开发现状及展望［J］.中外能源，2009，14(6):36-47.

［6］ 刘德生，陈小榆，周承富，等. 温度对泡沫稳定性的影响［J］.钻井液与完井液，2006，23(4):10-12.