聚合物對泡沫穩(wěn)定性的影響研究

樊澤霞，李玉英，丁長燦，朱猛飛，杜建德

(中國石油大學(xué)，山東 青島 266580)

引 言

泡沫在油田的應(yīng)用范圍非常廣泛[1－3]，其中起泡劑的起泡性能、泡沫的穩(wěn)定性能直接決定了泡沫的有效性。為提高泡沫的穩(wěn)定性，除了選擇較好的表面活性劑外，穩(wěn)定劑的性能也十分關(guān)鍵。聚合物類[4]的穩(wěn)泡劑是研究較早也是應(yīng)用比較廣泛的一種穩(wěn)定劑，如聚丙烯酰胺、羧甲基纖維素鈉、黃原膠。對該類穩(wěn)泡劑的穩(wěn)泡效果認(rèn)識較早，但很少對其在不同條件下的穩(wěn)泡性能進(jìn)行對比研究，而在實(shí)際應(yīng)用中條件差異對穩(wěn)定劑影響存在不同[5]。為方便不同環(huán)境下的應(yīng)用，對其在不同條件下的穩(wěn)泡效果進(jìn)行了對比研究，進(jìn)一步明確穩(wěn)泡機(jī)理。

1 聚合物類穩(wěn)泡劑的穩(wěn)泡機(jī)理

聚合物類穩(wěn)泡劑的穩(wěn)泡機(jī)理[6－8]主要是增加溶液黏度。較高的黏度會降低表面活性劑在界面排列的密度，因此會在一定程度上增加體系的界面張力，表面張力的增加不利于泡沫的穩(wěn)定，但是影響程度不大。隨著體系黏度增加，相同條件下液膜排液速度降低，氣泡間的氣體交換速度也降低，泡沫穩(wěn)定性變好，但由于液相黏度的增加，起泡時(shí)需要克服的黏滯阻力相應(yīng)變大，體系的發(fā)泡能力降低，產(chǎn)生的泡沫較大，且不均勻，會影響泡沫的穩(wěn)定性，同時(shí)使用時(shí)受到成本等因素的限制，存在一個(gè)最佳的使用范圍。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 藥品

實(shí)驗(yàn)藥品主要包括:AOS液體，氯化鈉(分析純)，氯化鈣(分析純)，羥甲基纖維素鈉(工業(yè)品)，黃原膠(工業(yè)品)，聚丙烯酰胺(水解度為25%，分子質(zhì)量為12×106)。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器主要包括秒表、電子天平、高速攪拌器、量筒(500 mL)、燒杯以及移液管等。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

室溫條件下，配置不同要求的溶液100 mL，倒入攪拌杯里攪拌1 min，迅速將泡沫倒入量筒中，靜置觀察，記錄泡沫的初始體積，用秒表記錄泡沫的析水半衰期和泡沫半衰期。用100 mL溶液高速攪拌1 min時(shí)的起泡體積衡量起泡劑的發(fā)泡性能，用泡沫半衰期衡量泡沫的穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同的聚合物對泡沫穩(wěn)定性的影響

圖1為不同聚合物對泡沫體積的影響。由圖1可見，隨著聚合物加量的增加，泡沫體系的起泡體積逐漸降低，部分水解聚丙烯酰胺對起泡體積的影響最大，黃原膠和羧甲基纖維素鈉對起泡體積影響較小。圖2為不同聚合物對泡沫半衰期的影響。由圖2可見，黃原膠的穩(wěn)泡能力超過部分水解聚丙烯酰胺和羧甲基纖維素鈉。這是因?yàn)辄S原膠是水溶性的高分子，不僅增加液相黏度，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上還具有重要特點(diǎn)，其丙酮酸基團(tuán)相互之間可能形成氫鍵，并與鄰近側(cè)鏈的乙?；a(chǎn)生氫鍵，在一定程度上提高了膜的黏度和強(qiáng)度，從而提高泡沫體系的穩(wěn)定性。部分水解聚丙烯酰胺[9]主要是增加液相黏度，而且在增黏方面比黃原膠和羧甲基纖維素鈉的幅度大得多，因此大幅降低了泡沫體系的起泡體積，但穩(wěn)泡效果一般。羧甲基纖維素鈉[10]的加入沒有對起泡體積造成明顯影響，也沒有大幅度延長泡沫半衰期，效果介于二者之間。

圖1 不同聚合物對泡沫體積的影響

圖2 不同聚合物對泡沫半衰期的影響

3.2 鈉離子對聚合物穩(wěn)泡能力的影響

圖3為鈉離子對不同聚合物泡沫體系起泡體積的影響。圖4為鈉離子對不同聚合物泡沫體系半衰期的影響。對比圖1、3和圖2、4可見，鈉離子的加入對3種泡沫體系都造成了不利影響，但沒有改變3種穩(wěn)泡劑的穩(wěn)泡能力順序。鈉離子能夠壓縮擴(kuò)散層厚度，增加分子的卷曲程度，降低高分子溶液的黏度，從而影響穩(wěn)泡劑的穩(wěn)泡效果，此外，鹽濃度過高時(shí)易使離子型表面活性劑在溶液中鹽析而沉淀，對泡沫穩(wěn)定起到負(fù)面影響[11]。對外表現(xiàn)為部分水解聚丙烯酰胺對金屬陽離子最敏感，在鈉離子濃度達(dá)到4%時(shí)，起泡體積和泡沫半衰期迅速下降，失去穩(wěn)定泡沫的效果。羧甲基纖維素鈉隨著鈉離子濃度的升高，泡沫半衰期變化幅度不大，但當(dāng)鈉離子濃度達(dá)到6%時(shí)，起泡體積迅速下降，泡沫的性能受到影響。加入黃原膠的泡沫體系，因?yàn)殁c離子的逐漸加入，泡沫半衰期變化不明顯，保持平穩(wěn)，起泡體積與未加鈉離子前相同，但是濃度超過6%時(shí)，起泡體積也受到了很大的影響，穩(wěn)泡效果變差。

圖3 鈉離子對不同聚合物泡沫體系起泡體積影響

圖4 鈉離子對不同聚合物泡沫體系半衰期影響

3.3 鈣離子對聚合物穩(wěn)泡能力的影響

圖5為鈣離子對不同聚合物泡沫體系起泡體積的影響，圖6為鈣離子對不同聚合物泡沫體系半衰期的影響。對比分析圖1～6，鈣離子濃度很低時(shí)對3種添加不同穩(wěn)泡劑的泡沫體系影響較大，但同樣沒有改變3種穩(wěn)泡劑的穩(wěn)泡能力順序。鈣離子的離子半徑與鈉離子相近，但其電荷數(shù)增加，會導(dǎo)致擴(kuò)散層厚度變小，雙電層厚度變薄，分子卷曲的程度增大，高分子溶液黏度大幅降低[9]。表現(xiàn)為部分水解聚丙烯酰胺在鈣離子超過0.4%時(shí)，半衰期變化不大，起泡體積迅速下降，嚴(yán)重影響了泡沫體系的性能。黃原膠和羧甲基纖維素鈉的泡沫半衰期受鈣離子影響不大，起泡體積在鈣離子濃度超過0.6%時(shí)迅速下降，性能受到嚴(yán)重影響。

圖5 鈣離子對不同聚合物泡沫體系起泡體積影響

圖6 鈣離子對不同聚合物泡沫體系半衰期影響

4 結(jié)論

(1)黃原膠、羧甲基纖維素鈉、部分水解聚丙烯酰胺的加入均能不同程度地增加泡沫的穩(wěn)定性。

(2)在鈉離子和鈣離子存在的條件下，3種聚合物的穩(wěn)泡能力均下降，但未改變3種聚合物穩(wěn)泡能力的順序。

(3)綜合來看，黃原膠的穩(wěn)泡及耐鹽效果最好，羧甲基纖維素鈉的效果次之，部分水解聚丙烯酰胺最差。

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