分子結(jié)構(gòu)對(duì)起泡劑泡沫性能的影響

鄭繼龍

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452

泡沫作為油田開發(fā)的智能流體[1]，在泡沫驅(qū)油過程中具有“堵大不堵小、堵水不堵油”的特性[2-3]，其中泡沫的穩(wěn)定性和起泡性能對(duì)泡沫的驅(qū)油性能影響比較大[4]，泡沫調(diào)驅(qū)過程中篩選泡沫性能較好的起泡劑至關(guān)重要。起泡劑分子結(jié)構(gòu)對(duì)起泡劑泡沫性能的影響較大[5]，其分子結(jié)構(gòu)主要由親水基團(tuán)和疏水鏈組成[6]，疏水鏈的長(zhǎng)度以及構(gòu)成直接影響起泡劑的溶解性，親水基團(tuán)的種類對(duì)起泡劑的溶解性和配伍性會(huì)造成較大影響[7]，而溶解性直接影響起泡劑的泡沫性能，起泡劑的配伍性受到地層壓力、溫度以及礦化度等因素的影響[8]。因此，對(duì)于起泡劑而言，分子結(jié)構(gòu)對(duì)起泡劑體系的泡沫性能具有直接影響，需對(duì)起泡劑分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析和研究，從而找出其分子結(jié)構(gòu)對(duì)泡沫性能的影響規(guī)律。由于起泡劑中含有陽(yáng)離子基團(tuán)會(huì)造成起泡劑在地層中的強(qiáng)烈吸附，因此本文重點(diǎn)從陰離子及非離子起泡劑的類型、疏水鏈長(zhǎng)、親水基團(tuán)類型和起泡劑中的極性基團(tuán)類型的不同來分析起泡劑分子結(jié)構(gòu)的變化對(duì)起泡劑泡沫性能的影響，為低界面張力泡沫調(diào)驅(qū)的研究提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥劑

起泡劑：陰離子型起泡劑(十二烷基磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、十四烷基羧酸鈉、十四烷基磺酸鈉、十四烷基硫酸鈉、十二烷基酰胺基磺酸鹽、十二烷基乙氧基磺酸鹽、十二烷基羥丙基磺酸鹽、十四烷基酰胺基磺酸鹽、十四烷基乙氧基磺酸鹽、十六烷基酰胺基磺酸鹽，上海諾頌實(shí)業(yè)有限公司)；非離子型起泡劑(聚氧乙烯十二醇醚、聚氧乙烯十四醇醚、聚乙二醇單月桂酸酯、聚乙二醇單椰油酸酯、正癸烷酰胺醇、十二烷基酰胺醇、十四烷基酰胺醇、雙十四烷基酰胺醇、十六烷基酰胺基磺酸鹽，江蘇海安石油化工)。

實(shí)驗(yàn)用配制水：QK 油田模擬注入水，礦化度9 709.14 mg/L，屬于NaHCO3型水型。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

2512 改進(jìn)型Ross-Miles 泡沫儀，美國(guó)CNG 公司；恒溫水浴鍋，天津科諾儀器設(shè)備有限公司；電子天平，上海上天精密儀器有限公司，等。其他：容量瓶、玻璃棒、膠頭滴管和燒杯等。

1.3 起泡劑泡沫體系性能評(píng)價(jià)

配置一定質(zhì)量濃度的起泡劑溶液，按照《GB/T 7462—94 表面活性劑發(fā)泡力的測(cè)定改進(jìn)Ross-Miles 法》[9]測(cè)定起泡劑的起泡性能(Vmax，mL)和穩(wěn)泡性能(t1/2，min)，按照泡沫綜合值C=3/4×Vmax×t1/2來表征發(fā)泡劑的起泡能力、穩(wěn)泡能力以及泡沫衰減的過程[10]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 起泡劑類型對(duì)泡沫性能的影響

由于起泡劑中含有陽(yáng)離子基團(tuán)會(huì)造成起泡劑在地層中的強(qiáng)烈吸附，因此在起泡劑類型對(duì)泡沫性能的影響研究中重點(diǎn)研究了陰離子型、非離子型2 類起泡劑對(duì)泡沫性能的影響。實(shí)驗(yàn)選用陰離子起泡劑為十二烷基羧酸鈉、十二烷基磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉；實(shí)驗(yàn)選用非離子型起泡劑為聚氧乙烯十二醇醚、聚乙二醇單月桂酸酯、十二烷基酰胺醇。參照1.3 節(jié)起泡劑泡沫體系性能評(píng)價(jià)方法進(jìn)行泡沫性能評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、圖1 所示。

表1 起泡劑類型對(duì)其泡沫性能的影響

圖1 起泡劑類型對(duì)其泡沫性能的影響

通過表1 和圖1 中的數(shù)據(jù)可知，疏水鏈碳數(shù)相同或相近，且用量或使用濃度相同時(shí)，陰離子型起泡劑的起泡體積、半衰期均高于非離子型起泡劑。由此說明起泡劑類型對(duì)泡沫性能存在明顯影響，而陰離子型起泡劑更有利于其泡沫性能發(fā)揮。陰離子型起泡劑較非離子型起泡劑具有更好的泡沫性能，主要是由于在疏水鏈碳數(shù)相同或相近時(shí)，陰離子型起泡劑中的磺酸基與硫酸基較非離子型起泡劑更具有親水性，因此陰離子型起泡劑在水中具有更好的溶解性，從而導(dǎo)致陰離子型起泡劑分子附著于泡沫液膜表面時(shí)相較于非離子型起泡劑具有更強(qiáng)的“鎖水”作用，泡沫液膜上的水分不易流失，泡沫的穩(wěn)定性也更強(qiáng)。

2.2 親水頭基對(duì)起泡劑泡沫性能的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同親水頭基(羧酸基、磺酸基、硫酸基)對(duì)起泡劑泡沫性能的影響，具體起泡劑及發(fā)泡性能、半衰期結(jié)果如表2、圖2 所示。

表2 起泡劑親水頭基對(duì)泡沫性能的影響

圖2 起泡劑親水頭基對(duì)穩(wěn)泡性能的影響

通過表2 和圖2 中的數(shù)據(jù)可知，烷基疏水碳鏈數(shù)為12、14 時(shí)，陰離子型羧酸鹽、磺酸鹽、硫酸鹽型起泡劑的泡沫性能變化規(guī)律相同，磺酸鹽型起泡劑的泡沫綜合值大于羧酸鹽與硫酸鹽型起泡劑。由此說明起泡劑親水頭基不同，起泡劑的泡沫性能不同，磺酸鹽型起泡劑的泡沫性能皆優(yōu)于羧酸鹽、硫酸鹽型起泡劑。羧酸鹽型起泡劑溶解性較弱，因而其泡沫性能較硫酸鹽與磺酸鹽弱。硫酸鹽親水基-O-SO3Na 中的硫原子不與碳原子直接相連，造成硫酸鹽穩(wěn)定性較差。

2.3 極性基團(tuán)對(duì)起泡劑泡沫性能的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同親極性基團(tuán)(酰胺基、乙氧基、羥丙基)對(duì)起泡劑泡沫性能的影響，具體起泡劑及發(fā)泡性能、半衰期結(jié)果如表3、圖3 所示。

表3 不同極性基團(tuán)對(duì)磺酸鹽起泡劑泡沫性能影響

圖3 不同極性基團(tuán)對(duì)磺酸鹽泡沫性能的影響

通過表3 和圖3 中的數(shù)據(jù)可知，酰胺基、乙氧基、羥丙基相同的十二烷基磺酸鹽型起泡劑與十四烷基磺酸鹽型起泡劑的泡沫性能的變化規(guī)律相同，其中帶有酰胺基的磺酸鹽型起泡劑的泡沫綜合值最優(yōu)。由此可知，極性基團(tuán)不同泡沫性能不同，帶有酰胺基的磺酸鹽型起泡劑泡沫性能優(yōu)于帶有乙氧基、羥丙基的磺酸鹽型起泡劑。主要是由于酰胺基團(tuán)相比于羥丙基、乙氧基更容易通過分子間氫鍵或者偶極矩的相互作用，使吸附層表面活性劑分子更緊密的排布，從而增加吸附層的黏性和彈性，增強(qiáng)吸附膜的穩(wěn)定性，提高表面活性劑的起泡、穩(wěn)泡性能。

2.4 疏水鏈長(zhǎng)度對(duì)起泡劑泡沫性能的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同疏水鏈長(zhǎng)(12、14、16)對(duì)起泡劑泡沫性能的影響，具體起泡劑及發(fā)泡性能、半衰期結(jié)果見表4、圖4。

表4 不同疏水烷基鏈長(zhǎng)起泡劑泡沫性能

圖4 不同疏水烷基鏈長(zhǎng)起泡劑泡沫性能的影響

通過表4 和圖4 中的數(shù)據(jù)可知，隨疏水鏈的延長(zhǎng)，起泡劑泡沫綜合值呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，其中在碳鏈數(shù)為14 時(shí)起泡劑泡沫綜合值達(dá)到最大。烷基疏水鏈長(zhǎng)的不同對(duì)起泡劑的起泡性以及穩(wěn)泡性造成不同的影響。烷基鏈逐漸延長(zhǎng)，起泡劑分子的疏水性逐漸增強(qiáng)，起泡劑的水溶性逐漸降低，但起泡劑分子更容易在氣液界面上富集，起泡劑分子在氣液界面上的排布更加緊密，烷基鏈延長(zhǎng)帶來的負(fù)影響被正影響所掩蓋，起泡劑的起泡體積增大，穩(wěn)泡時(shí)間延長(zhǎng)。隨烷基鏈繼續(xù)延長(zhǎng)，其水溶性進(jìn)一步下降，起泡劑濃度下降，起泡劑分子在氣液界面上的吸附已達(dá)到飽和，起泡劑分子在氣液界面上的進(jìn)一步吸附會(huì)壓縮泡沫薄膜導(dǎo)致液膜破裂。同時(shí)當(dāng)疏水鏈碳數(shù)較高時(shí)，起泡劑分子會(huì)有排列傾斜彎曲的傾向，致使表面活性劑分子在氣液表面的吸附變?nèi)?，此時(shí)起泡劑烷基鏈延長(zhǎng)帶來的負(fù)影響掩蓋了正影響，起泡量降低，穩(wěn)泡時(shí)間縮短。

3 結(jié)論

1）陰離子型起泡劑較非離子型起泡劑具有更優(yōu)的泡沫性能。

2）在陰離子型的起泡劑中，帶有酰胺基團(tuán)的磺酸鹽型起泡劑較帶有其他極性基團(tuán)的羧酸鹽型與硫酸鹽型起泡劑具有更好的泡沫性能。

3）起泡劑的疏水鏈長(zhǎng)并非越長(zhǎng)越有益于起泡劑的泡沫性能，烷基疏水鏈長(zhǎng)在12～16 時(shí)，鏈長(zhǎng)為14 的起泡劑具有更優(yōu)的泡沫性能。