陰離子型泡排劑起泡過程研究方法

鄧 強(qiáng) 寧 陽 王曉玲 徐敬芳 陳 剛西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院

陰離子型泡排劑起泡過程研究方法

鄧 強(qiáng) 寧 陽 王曉玲 徐敬芳 陳 剛
西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院

注表面活性劑溶液泡沫排水是天然氣在開采過程中的常用措施，其起泡性能對于天然氣的開采至關(guān)重要。在泡沫排水模擬裝置上以α-烯烴磺酸鹽為例，考察了濃度、流量為參數(shù)，探討了室溫下的起泡過程，建立了室溫下的模擬起泡動(dòng)力學(xué)方程。采用單因素研究方法，逐一確定動(dòng)力學(xué)方程的參數(shù)，最終得到模擬起泡動(dòng)力學(xué)方程。這為該類表面活性劑起泡過程的研究提供了一種可行的方法。

泡沫排水 α-烯烴磺酸鹽 起泡 動(dòng)力學(xué)

天然氣在開采過程中，隨著地層能量的衰減，地層水不能隨氣流產(chǎn)出，井筒內(nèi)出現(xiàn)積液，造成回壓上升，使氣井減產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)會使氣井變?yōu)樗谰２蓺馍a(chǎn)中采取的措施是注表面活性劑溶液，進(jìn)行泡沫排水，而表面活性劑的起泡能力和泡沫穩(wěn)定性等性質(zhì)會影響采氣效果。因此，對泡沫排水劑起泡性能和動(dòng)力學(xué)的研究有著重要的意義[1-4]。目前，國內(nèi)在泡沫排水動(dòng)力學(xué)方面研究較少，有研究者提出了普通泡沫的一級、二級、三級排液動(dòng)力學(xué)方程，Save等又報(bào)道了“兩段論”排液機(jī)理，但是這些起泡模型并沒有完全結(jié)合天然氣開采中的泡沫排水過程，因而對生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)意義不大[5-8]。本實(shí)驗(yàn)建立了泡沫排水的模型，以常用的陰離子表面活性劑α-烯烴磺酸鹽為例，研究起泡動(dòng)力學(xué)，建立動(dòng)力學(xué)方程，為該類表面活性劑起泡過程的研究提供一種可行的方法，為泡排劑起泡和消泡提供必要的理論指導(dǎo)，使泡排劑篩選更加方便。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

α-烯烴磺酸鹽(AOS)，中輕化工責(zé)任有限公司；發(fā)泡儀，陜西凱利化玻儀器有限公司；氣體流量計(jì)，沈陽市北星流量儀表廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1) 配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的AOS溶液1 000 mL。

(2) 取0.10%(w)AOS溶液200 mL加入發(fā)泡管中，用超級恒溫水浴控制溫度在25 ℃，用高純氮?dú)夤呐?，分別測定氮?dú)饬髁吭?0 mL/min、40 mL/min、60 mL/min、80 mL/min、100 mL/min時(shí)的起泡體積，每隔一定時(shí)間記一次。

(3) 10 min后停止鼓泡，重新計(jì)時(shí)，測定不同時(shí)間泡沫體積。

2 結(jié)果與討論

2.1 建立起泡動(dòng)力學(xué)方程

基于天然氣開采過程中涉及的諸多因素(假設(shè)起泡過程中泡沫不消泡)[9-11]，假設(shè)在一定溫度下起泡動(dòng)力學(xué)方程為：

(1)

2.2 固定濃度和流量時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程

不同濃度下各流量起泡體積隨時(shí)間的變化如圖1～圖5所示。

由圖1～圖5可知，在不同濃度和流量下，起泡體積隨時(shí)間呈線性變化，即在濃度和流量相同的條件下，起泡過程為零級反應(yīng)，即：

(2)

積分得:

v=k′t

(3)

當(dāng)固定活性劑濃度和流量時(shí)，起泡體積隨時(shí)間變化為線性關(guān)系，動(dòng)力學(xué)方程體現(xiàn)為零級，說明假設(shè)的以濃度、流量為參數(shù)的起泡動(dòng)力學(xué)方程是合理的。由圖1～圖5可知：濃度相同時(shí)，k′的值隨流量的增大而增大；流量相同時(shí)，k′的值隨濃度的增大而增大。

2.3 流量級數(shù)β值的確定

在濃度不變的情況下，分別取各流量t=5 min時(shí)的起泡體積對流量作lg(dv/du)隨lgu變化圖，得兩組圖：

(1)u<50 mL/min時(shí)，得圖6～圖10。

由圖6～圖10得出，當(dāng)u<50 mL/min時(shí)，lg(dv/du)對lgu做圖得到一條直線，即有公式：

lg(dv/du)=I+(β-1)lgu

(4)

表1 u<50mL/min時(shí)不同濃度下的β值Table1 βvaluesunderdifferentconcentrationswithu<50mL/minw/%0.100.150.200.250.30β1.65381.65421.63951.64811.6255

(2)u>50 mL/min時(shí)，得圖11～圖15。

表2 u>50mL/min時(shí)不同濃度下的β值Table2 βvaluesunderdifferentconcentrationswithu>50mL/minw/%0.100.150.200.250.30β2.29542.31412.28472.30202.2565

2.4 濃度級數(shù)α值的確定

在流量不變的情況下，分別取各濃度t=5 min時(shí)的起泡體積對濃度作圖，得圖16～圖20。由圖16～圖20可知，在流量不變的情況下，相同時(shí)間起泡體積隨濃度變化圖為直線，說明體積對濃度為一級反應(yīng)，即α=1。

2.5 反應(yīng)速率常數(shù)k0值的確定

由以上討論得出，當(dāng)u<50 mL/min時(shí)，起泡動(dòng)力學(xué)方程為：

(5)

當(dāng)u>50 mL/min時(shí)，起泡動(dòng)力學(xué)方程為：

(6)

根據(jù)圖1～圖5體積與時(shí)間的關(guān)系以及上述推論，計(jì)算得表3所示k0值。由表3可見：相同流量下，k0值隨濃度增大而減小，至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%以上，變化不顯著；相同濃度下，k0值隨流量增大而減小，至60 mL/min以上，變化不顯著。這可能是因?yàn)槠鹋葸^程比較復(fù)雜，不僅只與濃度和流量有關(guān)。

表3 不同濃度不同流量下k0值Table3 k0withdifferentconcentrationandflowu/(mL·min-1)w/%0.100.150.200.250.3020117.390.879.674.870.240113.452.640.134.731.8605.22.52.01.71.5803.51.81.41.21.01002.71.61.21.00.9

3 結(jié) 論

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A study method of the foaming kinetics of an-ionic foaming agent

Deng Qiang, Ning Yang, Wang Xiaoling, Xu Jingfang, Chen Gang
CollegeofChemistryandChemicalEngineering,Xi’anShiyouUniversity,Xi’an,Shannxi,China

Surfactant solution foam drainage is commonly used in the process of natural gas production, so the foaming effect is vital for the exploitation of natural gas. As an example, the foaming process of sodium α-olefin sulfonate was discussed at room temperature with the parameters of foam concentration and flow rate by using a drainage simulator. Then a bubble dynamics equation was established. Using single factor research method, the kinetic equation parameters were determined one by one, finally the blistering kinetic equation was confirmed. This work provides a feasible method for the research of surfactant foaming process.

foam drainage, sodium α-olefin sulfonate, foaming, dynamics

西安石油大學(xué)優(yōu)秀學(xué)位論文培育項(xiàng)目(2015YP140709)。

陳剛，教授，研究方向?yàn)榫G色油氣田化學(xué)品與工藝。E-mail: gangchen@xsyu.edu.cn

TE357.46+2

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.02.015

2016-06-27；編輯：馮學(xué)軍