张丁涌,胡伟毅,许 辉,范恒杰,房晓,顾常月,蔡显江,陈泽华
(1.胜利油田有限公司现河采油厂,山东东营257000;2.胜利油田 钻井职工培训中心,山东东营257000;3.中海石油(中国)有限公司 上海分公司,上海200030;4.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266580)
泡沫是一种由气体、表面活性剂和水组成的多相流体,对地层的伤害较小,具有较高的视黏度和较好的选择性封堵作用[1],因此特别适合应用在驱油、调堵、酸化压裂等增产作业中[2-7]。起泡剂一般采用表面活性剂,最常用的有十二烷基硫酸钠(SDS)、α—烯烃磺酸钠(AOS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)等。稳泡剂一般采用聚合物,最常用的有部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)、羧甲基纤维素钠(CMC)、黄孢胶(XC)等[8-11]。醇是一种特殊的表面活性物质,具有良好的降低表面张力的能力。本文拟研究低碳醇对SDS泡沫性能的影响及其作用机理。
仪器:ASMT标准Ross—Miles泡沫仪、精密天平、恒温水浴锅、秒表、玻璃仪器。
药品:十二烷基硫酸钠(SDS)(工业品,活性物含量 >91%,无机盐含量 <5%);NaCl、CaCl2、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、异戊醇(均为分析纯)。
根据国家标准GB/T7462—92《表面活性剂发泡力测定的改进Ross—Miles方法》对SDS体系的泡沫性能进行测量。室温条件下向夹套量筒中加入50 mL一定浓度的起泡剂溶液,然后在分液漏斗中加入100 mL同样的待测溶液。打开分液漏斗的塞子开始倾注待测溶液,读取倾注完毕后0 min时的泡沫体积,即为起泡体积(用以评价发泡剂的起泡能力),然后读取泡沫体积变为初始泡沫体积一半时所需要的时间,即为半衰期(用以评价泡沫稳定性),具体操作见文献[13-14]。
实验首先考察了不同质量分数SDS溶液的泡沫性能,如表1。随着SDS质量分数的增加,起泡体积和半衰期迅速增加,当SDS质量分数超过0.20%后起泡体积和半衰期趋于稳定,最大起泡体积为194 mL,最大半衰期为538 s。由于低碳醇对不同浓度SDS泡沫性能的影响不同,因此选择0.01%和0.20%2种不同质量分数的SDS作为研究对象(分别为小于CMC和大于CMC)。
表1 不同质量分数SDS溶液的泡沫性能Tab.1 Foaming property of SDSsolution of different mass fraction
加入0.10%不同种类的醇时0.01%和0.20%SDS溶液的起泡体积及半衰期见表2。
表2 加入0.10%的不同醇时SDS溶液的起泡体积及泡沫半衰期Tab.2 Foaming volume and foam half-life of SDS solution of different mass fraction after adding different alcohol of 0.10%
从表2可以看出,0.01%的SDS起泡体积和半衰期都很小,分别为42 mL和96 s,加入0.10%的低碳醇(特别是正丁醇和异戊醇)可以较大幅度地增加0.01%SDS的起泡体积和泡沫半衰期。其中加入0.10%的异戊醇可以使0.01%SDS的起泡体积和半衰期增加一倍多。这是因为醇可以吸附到气液界面,其分子能够插入到SDS分子之间,因此醇可以补充起泡剂 SDS量的不足,促使更多气泡形成[15]。醇分子插入 SDS分子之间后,其碳链能与SDS的疏水链相互作用(相互吸引),增加气液界面膜强度,从而增加泡沫的稳定性[15]。随着醇碳数的增加,SDS溶液的起泡体积和半衰期逐渐增加。其原因可能是随着醇碳链的增加,醇在水中溶解度降低,因此更容易吸附到气液界面,与SDS形成界面膜,致使起泡体积增大;同时,随着醇碳链的增加,其与SDS疏水链的相互作用(相互吸引)增强,界面黏弹性增大,从而增加泡沫稳定性。
由表2可知,5种低碳醇的加入对0.20%SDS溶液的泡沫性能没有明显的影响。其原因是当SDS质量分数为0.20%时(此时SDS的浓度超过了其CMC值,溶液中有大量SDS胶束存在),绝大多数低碳醇被增溶到SDS胶束中,起不到增效作用。
地层水一般具有一定的矿化度,其中的金属阳离子会压缩表面活性剂的扩散双电层,影响表面活性剂的界面活性,甚至使表面活性剂溶解性大大降低,形成沉淀。表3为0.10%SDS溶液的起泡体积和半衰期随加入NaCl质量分数的变化。随着NaCl质量分数的增加,起泡体积和半衰期先增加,约在1%处取得最大值,而当NaCl质量分数大于2%后急剧减小。这是因为NaCl可以压缩SDS的扩散双电层,使其水溶性降低,逃离水相而吸附在气液界面上,因此随着NaCl质量分数的增加,吸附在气液界面上的SDS增多;同时,SDS扩散双电层被压缩后,其头基之间的斥力降低,界面膜上的SDS分子之间的距离减小,从而使界面膜更致密。这两个作用能够使起泡体积和半衰期增加。但当NaCl质量分数超过2%后,SDS的扩散双电层被过分压缩,其水溶性和活性大幅度降低;而且其头基带电大大减小,使气泡之间的斥力减小,因此使起泡体积和半衰期急剧减小。表4为0.10%SDS溶液起泡体积和半衰期随加入 CaCl2质量分数的变化情况。在0~0.10%范围内,随着CaCl2质量分数的增加,起泡体积和半衰期一直呈下降趋势。因为Ca2+压缩SDS扩散双电层的能力远大于Na+,加入CaCl2使SDS的水溶性和界面活性大大降低,气泡之间的斥力大大减小,因此起泡体积和半衰期减小。
当NaCl质量分数为4%时,异丙醇、正丁醇和异戊醇对0.10%SDS溶液起泡体积的影响如图1。从图1可以看出,3种醇的加入可以大大增加含4%NaCl的0.10%SDS溶液的起泡体积。图2为3种醇对其泡沫半衰期的影响。可见,3种醇的加入可以大大增加形成泡沫的稳定性。如图3,0.10%SDS+4%NaCl体系的水溶性很差,这是因为此体系过多的Na+严重压缩SDS的扩散双电层,使SDS头基的水化能力大大减弱。实验表明,0.10%SDS+4%NaCl体系的水溶性随加入异戊醇浓度的增加而增加。这是因为醇可以使水相极性变弱,增强高NaCl浓度下SDS的溶解性,从而增加活性[15]。SDS溶解性变强后其头基的负电性增强,气泡之间的斥力增加。因此除了吸附到界面同时增加界面膜的强度,醇还可以通过调整水相极性来增加高矿化度下SDS的泡沫性能。
表3 NaCl质量分数对0.10%SDS泡沫性能的影响Tab.3 Influence of NaCl mass fraction on the foaming property of 0.10%SDS solution
表4 CaCl2质量分数对0.10%SDS泡沫性能的影响Tab.4 Influence of CaCl2 mass fraction on the foaming property of 0.10%SDS solution
图1 不同醇对溶液起泡体积的影响(4%NaCl+0.10%SDS 体系)Fig.1 Influence of different alcohol on the foaming volume of 4%NaCl+0.10%SDS solution
图2 不同醇对溶液半衰期的影响(4%NaCl+0.10%SDS 体系)Fig.2 Influence of different alcohol on the foam half-life of 4%NaCl+0.10%SDS solution
图3 异戊醇质量分数对SDS溶解性的影响(4%NaCl+0.10%SDS体系,从左到右异戊醇质量分数分别为 0%,0.02%,0.05%,0.10%,0.30%)Fig.3 The influence of isoamyl alcohol mass fraction on the solubility of SDS(system of 4%NaCl+0.10%SDS,from left to right the isoamyl alcohol mass fraction is0%,0.02%,0.05%,0.10%,0.30%respectively)
图4 不同醇对溶液起泡体积的影响(0.05%CaCl2+0.10%SDS 体系)Fig.4 Influence of different alcohol on foaming volume of 0.05%CaCl2+0.10%SDS solution system
图5 不同醇对溶液半衰期的影响(0.05%CaCl2+0.10%SDS 体系)Fig.5 Influence of different alcohol on foam half-life of 0.05%CaCl2+0.10%SDS solution system
图4 、图5分别为当CaCl2质量分数为0.05%时加入正丁醇和异戊醇对0.10%SDS溶液泡沫体积和半衰期的影响。加入异戊醇或正丁醇能够使起泡体积和半衰期大大增加。总体来说,高矿化度下,随醇碳数的增加,低碳醇对SDS溶液泡沫性能的增效作用变强,这可能是因为除了随醇碳数增加,低碳醇与SDS分子之间的协同效应变强外,其调整水相极性的能力也增强,更能削弱高矿化度对SDS泡沫性能的不利影响。
(1)低碳醇对不同浓度的SDS溶液泡沫性能的增效作用不同,低碳醇可以提高低浓度 SDS(0.01%,小于CMC)溶液的起泡体积和泡沫半衰期,但对高浓度SDS(质量分数0.20%,大于CMC)溶液的起泡体积和泡沫半衰期影响不明显。随着醇碳数的增加,醇对低浓度SDS溶液的泡沫性能的增效作用增强。
(2)高矿化度下SDS的泡沫性能较差,醇的加入可以大大增加它的起泡体积和半衰期。
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