低碳醇對(duì)十二烷基硫酸鈉溶液泡沫性能的影響

張丁涌，胡偉毅，許 輝，范恒杰，房曉，顧常月，蔡顯江，陳澤華

(1.勝利油田有限公司現(xiàn)河采油廠，山東東營257000;2.勝利油田 鉆井職工培訓(xùn)中心，山東東營257000;3.中海石油(中國)有限公司 上海分公司，上海200030;4.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島266580)

泡沫是一種由氣體、表面活性劑和水組成的多相流體，對(duì)地層的傷害較小，具有較高的視黏度和較好的選擇性封堵作用［1］，因此特別適合應(yīng)用在驅(qū)油、調(diào)堵、酸化壓裂等增產(chǎn)作業(yè)中［2-7］。起泡劑一般采用表面活性劑，最常用的有十二烷基硫酸鈉(SDS)、α—烯烴磺酸鈉(AOS)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)等。穩(wěn)泡劑一般采用聚合物，最常用的有部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)、羧甲基纖維素鈉(CMC)、黃孢膠(XC)等［8-11］。醇是一種特殊的表面活性物質(zhì)，具有良好的降低表面張力的能力。本文擬研究低碳醇對(duì)SDS泡沫性能的影響及其作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器和藥品

儀器:ASMT標(biāo)準(zhǔn)Ross—Miles泡沫儀、精密天平、恒溫水浴鍋、秒表、玻璃儀器。

藥品:十二烷基硫酸鈉(SDS)(工業(yè)品，活性物含量 ＞91%，無機(jī)鹽含量 ＜5%);NaCl、CaCl2、甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇、異戊醇(均為分析純)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7462—92《表面活性劑發(fā)泡力測定的改進(jìn)Ross—Miles方法》對(duì)SDS體系的泡沫性能進(jìn)行測量。室溫條件下向夾套量筒中加入50 mL一定濃度的起泡劑溶液，然后在分液漏斗中加入100 mL同樣的待測溶液。打開分液漏斗的塞子開始傾注待測溶液，讀取傾注完畢后0 min時(shí)的泡沫體積，即為起泡體積(用以評(píng)價(jià)發(fā)泡劑的起泡能力)，然后讀取泡沫體積變?yōu)槌跏寂菽w積一半時(shí)所需要的時(shí)間，即為半衰期(用以評(píng)價(jià)泡沫穩(wěn)定性)，具體操作見文獻(xiàn)［13-14］。

2 結(jié)果與討論

2.1 醇對(duì)不同濃度SDS溶液泡沫性能的影響

實(shí)驗(yàn)首先考察了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SDS溶液的泡沫性能，如表1。隨著SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，起泡體積和半衰期迅速增加，當(dāng)SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.20%后起泡體積和半衰期趨于穩(wěn)定，最大起泡體積為194 mL，最大半衰期為538 s。由于低碳醇對(duì)不同濃度SDS泡沫性能的影響不同，因此選擇0.01%和0.20%2種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SDS作為研究對(duì)象(分別為小于CMC和大于CMC)。

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SDS溶液的泡沫性能Tab.1 Foaming property of SDSsolution of different mass fraction

加入0.10%不同種類的醇時(shí)0.01%和0.20%SDS溶液的起泡體積及半衰期見表2。

表2 加入0.10%的不同醇時(shí)SDS溶液的起泡體積及泡沫半衰期Tab.2 Foaming volume and foam half-life of SDS solution of different mass fraction after adding different alcohol of 0.10%

從表2可以看出，0.01%的SDS起泡體積和半衰期都很小，分別為42 mL和96 s，加入0.10%的低碳醇(特別是正丁醇和異戊醇)可以較大幅度地增加0.01%SDS的起泡體積和泡沫半衰期。其中加入0.10%的異戊醇可以使0.01%SDS的起泡體積和半衰期增加一倍多。這是因?yàn)榇伎梢晕降綒庖航缑?，其分子能夠插入到SDS分子之間，因此醇可以補(bǔ)充起泡劑 SDS量的不足，促使更多氣泡形成［15］。醇分子插入 SDS分子之間后，其碳鏈能與SDS的疏水鏈相互作用(相互吸引)，增加氣液界面膜強(qiáng)度，從而增加泡沫的穩(wěn)定性［15］。隨著醇碳數(shù)的增加，SDS溶液的起泡體積和半衰期逐漸增加。其原因可能是隨著醇碳鏈的增加，醇在水中溶解度降低，因此更容易吸附到氣液界面，與SDS形成界面膜，致使起泡體積增大;同時(shí)，隨著醇碳鏈的增加，其與SDS疏水鏈的相互作用(相互吸引)增強(qiáng)，界面黏彈性增大，從而增加泡沫穩(wěn)定性。

由表2可知，5種低碳醇的加入對(duì)0.20%SDS溶液的泡沫性能沒有明顯的影響。其原因是當(dāng)SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%時(shí)(此時(shí)SDS的濃度超過了其CMC值，溶液中有大量SDS膠束存在)，絕大多數(shù)低碳醇被增溶到SDS膠束中，起不到增效作用。

2.2 低碳醇對(duì)高礦化度SDS溶液泡沫性能的影響

地層水一般具有一定的礦化度，其中的金屬陽離子會(huì)壓縮表面活性劑的擴(kuò)散雙電層，影響表面活性劑的界面活性，甚至使表面活性劑溶解性大大降低，形成沉淀。表3為0.10%SDS溶液的起泡體積和半衰期隨加入NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，起泡體積和半衰期先增加，約在1%處取得最大值，而當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%后急劇減小。這是因?yàn)镹aCl可以壓縮SDS的擴(kuò)散雙電層，使其水溶性降低，逃離水相而吸附在氣液界面上，因此隨著NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，吸附在氣液界面上的SDS增多;同時(shí)，SDS擴(kuò)散雙電層被壓縮后，其頭基之間的斥力降低，界面膜上的SDS分子之間的距離減小，從而使界面膜更致密。這兩個(gè)作用能夠使起泡體積和半衰期增加。但當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過2%后，SDS的擴(kuò)散雙電層被過分壓縮，其水溶性和活性大幅度降低;而且其頭基帶電大大減小，使氣泡之間的斥力減小，因此使起泡體積和半衰期急劇減小。表4為0.10%SDS溶液起泡體積和半衰期隨加入 CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況。在0～0.10%范圍內(nèi)，隨著CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，起泡體積和半衰期一直呈下降趨勢。因?yàn)镃a2+壓縮SDS擴(kuò)散雙電層的能力遠(yuǎn)大于Na+，加入CaCl2使SDS的水溶性和界面活性大大降低，氣泡之間的斥力大大減小，因此起泡體積和半衰期減小。

當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，異丙醇、正丁醇和異戊醇對(duì)0.10%SDS溶液起泡體積的影響如圖1。從圖1可以看出，3種醇的加入可以大大增加含4%NaCl的0.10%SDS溶液的起泡體積。圖2為3種醇對(duì)其泡沫半衰期的影響?？梢?，3種醇的加入可以大大增加形成泡沫的穩(wěn)定性。如圖3，0.10%SDS+4%NaCl體系的水溶性很差，這是因?yàn)榇梭w系過多的Na+嚴(yán)重壓縮SDS的擴(kuò)散雙電層，使SDS頭基的水化能力大大減弱。實(shí)驗(yàn)表明，0.10%SDS+4%NaCl體系的水溶性隨加入異戊醇濃度的增加而增加。這是因?yàn)榇伎梢允顾鄻O性變?nèi)酰鰪?qiáng)高NaCl濃度下SDS的溶解性，從而增加活性［15］。SDS溶解性變強(qiáng)后其頭基的負(fù)電性增強(qiáng)，氣泡之間的斥力增加。因此除了吸附到界面同時(shí)增加界面膜的強(qiáng)度，醇還可以通過調(diào)整水相極性來增加高礦化度下SDS的泡沫性能。

表3 NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)0.10%SDS泡沫性能的影響Tab.3 Influence of NaCl mass fraction on the foaming property of 0.10%SDS solution

表4 CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)0.10%SDS泡沫性能的影響Tab.4 Influence of CaCl2 mass fraction on the foaming property of 0.10%SDS solution

圖1 不同醇對(duì)溶液起泡體積的影響(4%NaCl+0.10%SDS 體系)Fig.1 Influence of different alcohol on the foaming volume of 4%NaCl+0.10%SDS solution

圖2 不同醇對(duì)溶液半衰期的影響(4%NaCl+0.10%SDS 體系)Fig.2 Influence of different alcohol on the foam half-life of 4%NaCl+0.10%SDS solution

圖3 異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SDS溶解性的影響(4%NaCl+0.10%SDS體系，從左到右異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 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)

圖4 不同醇對(duì)溶液起泡體積的影響(0.05%CaCl2+0.10%SDS 體系)Fig.4 Influence of different alcohol on foaming volume of 0.05%CaCl2+0.10%SDS solution system

圖5 不同醇對(duì)溶液半衰期的影響(0.05%CaCl2+0.10%SDS 體系)Fig.5 Influence of different alcohol on foam half-life of 0.05%CaCl2+0.10%SDS solution system

圖4 、圖5分別為當(dāng)CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí)加入正丁醇和異戊醇對(duì)0.10%SDS溶液泡沫體積和半衰期的影響。加入異戊醇或正丁醇能夠使起泡體積和半衰期大大增加?？傮w來說，高礦化度下，隨醇碳數(shù)的增加，低碳醇對(duì)SDS溶液泡沫性能的增效作用變強(qiáng)，這可能是因?yàn)槌穗S醇碳數(shù)增加，低碳醇與SDS分子之間的協(xié)同效應(yīng)變強(qiáng)外，其調(diào)整水相極性的能力也增強(qiáng)，更能削弱高礦化度對(duì)SDS泡沫性能的不利影響。

3 結(jié)論

(1)低碳醇對(duì)不同濃度的SDS溶液泡沫性能的增效作用不同，低碳醇可以提高低濃度 SDS(0.01%，小于CMC)溶液的起泡體積和泡沫半衰期，但對(duì)高濃度SDS(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.20%，大于CMC)溶液的起泡體積和泡沫半衰期影響不明顯。隨著醇碳數(shù)的增加，醇對(duì)低濃度SDS溶液的泡沫性能的增效作用增強(qiáng)。

(2)高礦化度下SDS的泡沫性能較差，醇的加入可以大大增加它的起泡體積和半衰期。

［1］ 李兆敏，孫茂盛，林日億，等.泡沫封堵及選擇性分流實(shí)驗(yàn)研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2007，28(4):115-118.

LI Zhao-min，SUN Mao-sheng，LIN Ri-yi，et al.Laboratory study on foaming plugging and selective divided-flow［J］.Acta Petrolei Sinica，2007，28(4):115-118.

［2］ 袁士義，劉尚奇，張義堂，等.熱水添加氮?dú)馀菽?qū)提高稠油采收率研究［J］.石油學(xué)報(bào)，2004，25(1):57-61，65.

［3］ 周國華，宋新旺，王其偉，等.泡沫復(fù)合驅(qū)在勝利油田的應(yīng)用［J］.石油勘探與開發(fā)，2006，33(3):369-373.

ZHOU Guo-hua，SONG Xin-wang，WANG Qi-wei，et al.Application of foam combination flooding in Shengli Oilfield［J］.Petroleum Exploration and Development，2006，33(3):369-373.

［4］ 王振鐸，王曉泉，盧擁軍.二氧化碳泡沫壓裂技術(shù)在低滲透低壓氣藏中的應(yīng)用［J］.石油學(xué)報(bào)，2004，25(3):66-70.

WANG Zhen-duo，WANG Xiao-quan，LU Yong-jun.Application of carbon dioxide foam fracturing technology in low-permeability and low-pressure gas reservoir［J］.Acta Petrolei Sinica，2004，25(3):66-70.

［5］ 許衛(wèi)，李勇明，郭建春，等.氮?dú)馀菽瓑毫岩后w系的研究與應(yīng)用［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，24(3):64-67.

［6］ 鄭力軍，楊立華，張濤，等.泡沫酸化技術(shù)研究及其在低滲非均質(zhì)油藏中應(yīng)用［J］.油田化學(xué)，2011，28(1):9-12，27.

ZHENG Li-jun，YANG Li-hua，ZHANG Tao，et al.Research of foamed acid system and its application in low permeability reservoirs［J］.Oilfield Chemistry，2011，28(1):9-12，27.

［7］ 黃翔，張鳳麗.稠油油藏高溫泡沫調(diào)剖體系室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，29(5):116-118，206.

HUANG Xiang，ZHANG Feng-li.High-temperature foam profile control system for heavy oil reservoir in lab experiment［J］.Journal of Southwest Petroleum University:Edition of Science and Technology，2007，29(5):116-118，206.

［8］ 王冬梅，韓大匡，許關(guān)利，等.部分水解聚丙烯酰胺對(duì)α-烯烴磺酸鈉泡沫性能的影響［J］.石油勘探與開發(fā)，2008，35(3):335-338.

WANG Dong-mei，HAN Da-kuang，XU Guan-li，et al.Influence of hydrolyzed polyacrylamide on the foam capacity ofα olefin sulfonate surfactant［J］.Petroleum Exploration and Development，2008，35(3):335-338.

［9］ Huh C，Rossen W R.Approximate pore level modeling for apparent viscosity of polymer enhanced foam in porous media［C］.SPE 99653，2006.

［10］樊澤霞，李玉英，丁長燦，等.聚合物對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響研究［J］.特種油氣藏，2013，20(6):102-104.

FAN Ze-xia，LI Yu-ying，DINGChang-can，et al.Effects of polymer on foam stability［J］.Special Oil＆ Gas Reservoirs，2013，20(6):102-104.

［11］江建林，岳湘安，高震.聚合物在泡沫復(fù)合調(diào)驅(qū)中的作用［J］.石油鉆采工藝，2011，33(1):61-64.

JIANG Jian-lin，YUE Xiang-an，GAO Zhen.Role of polymer in polymer/foam combinational profile controlling and flooding technology［J］.Oil Drilling ＆ Production Technology，2011，33(1):61-64.

［12］陳淑玲，劉鵬飛，朱志強(qiáng)，等.幾種醇類水溶液表面張力的實(shí)驗(yàn)研究［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32(1):112-115.

CHEN Shu-ling，LIU Peng-fei，ZHU Zhi-qiang，et al.Experimental study on surface tension of several alcohol aqueous solutions［J］.Journal of Beijing Jiaotong University，2008，32(1):112-115.

［13］趙國璽，朱步瑤.表面活性劑作用原理［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2003:356-538.

［14］張鎖兵，程月，田春友，等.脂肪醇聚氧乙烯醚系列磺酸鹽的泡沫性能研究［J］.日用化學(xué)工業(yè)，2007，37(3):172-175.

ZHANG Suo-bing，CHENG Yue，TIAN Chun-you，et al.Foaming properties of polyoxyethylene alkyl ether sulfonates［J］.China Surfactant Detergent ＆ Cosmetics，2007，37(3):172-175.

［15］王彥玲，鄭晶晶，趙修太，等.低碳醇對(duì)氟碳與碳?xì)浔砻婊钚詣?fù)配體系泡沫性能的影響［J］.化工學(xué)報(bào)，2010，61(5):1202-1207.

WANG Yan-ling，ZHENG Jing-jing，ZHAO Xiu-tai，et al.Effect of low carbon alcohols on foaming properties of fluorocarbon and hydrocarbon surfactant mixed system［J］.CIESCJournal，2010，61(5):1202-1207.