高溫條件下原油和煤油對泡沫性能的影響

吳軼君，孫琳，蒲萬芬，魏鵬，柳敏

(1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；2.中國石油大港油田分公司采油工藝研究院，天津 300280)

近年來，油田開發(fā)逐漸轉(zhuǎn)向高溫、非均質(zhì)性嚴重的油藏，地下原油開采難度逐漸增大。針對這些問題，開發(fā)了空氣泡沫調(diào)驅(qū)技術[1]。

泡沫的穩(wěn)定性是空氣泡沫驅(qū)的關鍵，大量學者已對影響泡沫性能(發(fā)泡能力和穩(wěn)定性)的因素進行了研究[2-4]，但這些研究主要集中于礦化度、溫度、壓力對泡沫性能的影響[5-6]，關于高溫下原油和煤油對泡沫性能影響的研究較少。目前，關于油對泡沫的影響主要存在三個相互作用機理[7]:1)美國膠體化學家Ross[8]認為當油滴與泡沫液膜接觸時，首先應該是浸入，浸入之后才是在液膜上進行擴展，使液膜局部變薄破裂。因為鋪展系數(shù)S與泡沫穩(wěn)定性無關，該理論不適合三相泡沫穩(wěn)定性解釋。2)“膜數(shù)”理論[9]根據(jù)膜數(shù)取值范圍確定油對泡沫的作用，但該理論不能預測三相泡沫的穩(wěn)定性。3)通過油在泡沫中的存在方式來說明油對泡沫性能的影響，認為泡沫與油接觸會產(chǎn)生兩種相互作用[10]。一種是油溶解在泡沫里[11]，這將降低第二維力系數(shù)、減小膠束體積分數(shù)，從而壓縮液膜分層降低泡沫穩(wěn)定性。另一種是油在泡沫里形成乳化油，乳化油的假乳液膜將決定泡沫的穩(wěn)定性[12]。該理論能有效的解釋油對泡沫穩(wěn)定性的影響。因此，筆者將根據(jù)油在水相泡沫中的存在方式來分析油對泡沫性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要材料

陰離子表面活性劑烷基磺酸鹽JD-2、醇類助表面活性劑，分析純，成都科龍化工試劑廠；兩性咪唑啉，有效濃度為40%，中國日用化學工業(yè)研究院；注入水(礦化度及主要離子組成見表1)；原油(地層原油黏度為19.4 mPa·s，膠質(zhì)+瀝青含量為28.3% ，含蠟量11.9%)；煤油(101 ℃黏度為0.75 mPa·s)。

表1 注入水主要離子組成

1.2 實驗方法

泡沫性能一般使用泡沫的起泡體積和析液半衰期來衡量。實驗通過油與泡沫兩種不同的接觸方式來考察兩種油(原油、煤油)對泡沫體系的起泡體積和析液半衰期的影響。

1.2.1起泡后加油

1)分別將用200 mL注入水配制好的質(zhì)量分數(shù)為0.15%的烷基磺酸鹽與兩性咪唑啉復配體系YL和質(zhì)量分數(shù)為0.225%的YL與醇類助表面活性劑復配體系YC-2加熱到101 ℃；

2)使用Waring Blender恒速攪拌器在4 000 r/min的轉(zhuǎn)速下起泡1 min；

3)將生成的泡沫倒入裝有不同體積油(泡沫體系體積的5%、10%、20%、30%、40%)的1 000 mL加熱量筒中(此處體系相同，起泡體積一樣，故不討論起泡體積的變化)；

4)將裝有泡沫的1 000 mL量筒放入101 ℃恒溫箱中(用保鮮膜密封)，記錄泡沫的析液半衰期。

1.2.2加油后起泡

1)分別將用200 mL注入水配制好的質(zhì)量分數(shù)為0.15%的YL和質(zhì)量分數(shù)為0.225%的YC-2泡沫體系、油加熱到101 ℃；

2)將加熱的體系與不同體積加熱油(泡沫體系體積的5%、10%、20%、30%、40%)混合后使用Waring Blender恒速攪拌器在4 000 r/min的轉(zhuǎn)速下起泡1 min；

3)將生成的含油泡沫倒入1 000 mL加熱量筒中，記錄起泡體積；

4)將量筒放入101 ℃恒溫箱中(用保鮮膜密封)，記錄泡沫的析液半衰期。

2 結(jié)果與討論

2.1 原油對泡沫性能影響

2.1.1起泡后加油

由起泡后加油實驗結(jié)果知(如圖1所示)，YL和YC-2體系隨著原油加量的增加，泡沫析液半衰期呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是因為在含油量較小的情況下，油滴與泡沫接觸自發(fā)乳化，形成的小油滴在毛管壓差作用下向Plateau區(qū)遷移，隨著油滴的聚集，Plateau區(qū)毛管壓差減小，液膜的排液速率降低。因此，隨著含油量的增加，自發(fā)乳化的油滴增多， Plateau區(qū)毛管壓差減小速度加快，導致液膜排液速率越來越慢，泡沫析液半衰期逐漸增大。但當原油加量達到一定數(shù)值時，大量的油滴和原油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、蠟頂替了泡沫液膜上表面活性劑分子的位置，使其此處的表面張力降低，而存在著表面活性劑的液膜表面表面張力高，將產(chǎn)生收縮力，從而使表面張力低處的液膜伸長變薄，最后破裂。同時，因為泡沫液膜上的表面活性劑濃度降低，泡沫自我修復作用消失。因此，泡沫析液半衰期降低。

對比YL和YC-2體系產(chǎn)生的泡沫的析液半衰期隨含油體積分數(shù)的變化知，當含油體積分數(shù)在20%內(nèi)時，YL產(chǎn)生的泡沫的析液半衰期大于YC-2產(chǎn)生的泡沫的析液半衰期。這說明助表面活性劑的加入降低了泡沫的穩(wěn)定性，因為助表面活性劑易吸附在泡沫液膜上，使液膜的局部表面張力降低，同時帶走液膜下部鄰近液體，導致液膜變薄而破裂。但當含油體積分數(shù)增大到30%時，YC-2產(chǎn)生的泡沫的析液半衰期大于YL產(chǎn)生的泡沫的析液半衰期，因為助表面活性劑能使大量的原油增溶到泡沫中，自發(fā)乳化形成了穩(wěn)定性較好的假乳化膜，從而增強了泡沫的穩(wěn)定性。

圖1 起泡后加油的泡沫性能

2.1.2加油后起泡

加油后起泡實驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：泡沫體系與原油混合后可形成大量含油泡沫，且原油體積分數(shù)在40%范圍內(nèi)，含油泡沫的體積與無油泡沫的體積相近，這說明原油的加量對起泡體積影響較小。析液半衰期隨著含油量的增加，先增大后減小，在含油體積分數(shù)20%范圍內(nèi)具有一定的穩(wěn)泡性能，這主要是因為在高速攪拌器的強力攪拌下，泡沫體系與油發(fā)生乳化，形成了穩(wěn)定性較好的假乳化膜，從而增大了泡沫的穩(wěn)定性[13-14]。且隨著加油量的增加，乳狀液由水包油(O/W)型向油包水(W/O)型轉(zhuǎn)變，并形成了水包油包水(W/O/W)型假乳化膜，因此，析液半衰期不斷增大。當含油體積分數(shù)大于30%時，大量的原油吸附在泡沫液膜上，雖能在一定程度上增大液膜黏度，但液膜表面活性劑分子大幅度減少，形成的泡沫大小差異較大，氣泡間氣體擴散較快，且液膜較薄，從而泡沫破裂速度加快，所以，泡沫析液半衰期降低。

2.2 膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和蠟對泡沫性能的影響

在其他條件不變的情況下，使用煤油代替原油進行實驗，考察膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、蠟對泡沫性能的影響。

a.YL泡沫性能變化

b.YC-2泡沫性能變化圖2 加油后起泡對YL和YC-2的泡沫性能的影響

2.2.1起泡后加油

圖3為起泡后泡沫分別與不同體積煤油和原油接觸后的起泡體積和析液半衰期對比。由圖3可知：在含油體積分數(shù)為20%內(nèi)，起泡后加煤油的析液半衰期低于起泡后加原油的析液半衰期，這是因為原油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和蠟增大了原油的黏度[15]，在含油量較小的情況下，降低了泡沫液膜的排液速度，所以，加油量相同的情況下，原油的穩(wěn)泡能力好于煤油。當含油體積分數(shù)大于30%時，原油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和蠟覆蓋在泡沫液膜上，占據(jù)表面活性劑分子在液膜上的位置，液膜強度減小，泡沫穩(wěn)定性降低。因此，析液半衰期低于加煤油的泡沫的析液半衰期。

2.2.2加油后起泡

圖4實驗結(jié)果表明：在含油量相同的情況下，加煤油的體系起泡體積大于加原油的體系的起泡體積。在含油體積分數(shù)為20%內(nèi)，加原油后起泡的泡沫析液半衰期比加煤油起泡后的泡沫析液半衰期長，這是因為原油中富含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和蠟，與泡沫體系混合攪拌后，提高了整個體系的黏度，進而形成的假乳化膜強度比煤油與泡沫體系形成的假乳化膜強度大，液膜排液速率更慢。但含油體積分數(shù)大于30%時，因為原油中大量的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和蠟覆蓋在泡沫液膜表面，阻礙了表面活性劑分子在液膜上的定向排列，液膜上表面活性劑分子減少，形成的泡沫液膜較薄，強度降低，析液半衰期減小，因此，加原油后起泡的泡沫析液半衰期小于加煤油起泡后的泡沫析液半衰期。

圖3 起泡后加油對YL泡沫性能的影響

圖4 加油后起泡對YL泡沫性能的影響

2.3 油與泡沫接觸方式對泡沫性能的影響

通過兩種加油順序，考察油與泡沫不同的接觸方式對泡沫析液半衰期的影響。實驗結(jié)果如表2。從表2可以看出：不管是加原油還是加煤油，先加油后起泡比先起泡后加油的泡沫析液半衰期長，穩(wěn)泡性能更好。因為先起泡后加油，只有少量的油與泡沫接觸后自發(fā)的發(fā)生乳化，生成的假乳化膜較少；而對于先加油后起泡，經(jīng)過混合攪拌，油與泡沫體系充分乳化，形成了大量的假乳化膜，形成的穩(wěn)定性假乳化膜增強了泡沫的穩(wěn)定性。所以，泡沫體系先加油比先起泡的析液半衰期長。

表2 油與泡沫接觸方式對泡沫性能的影響

3 結(jié) 論

a.加油后起泡對泡沫體系的起泡體積影響較小；加煤油后起泡的起泡體積大于加原油后起泡的起泡體積。

b.無論是起泡后加油還是加油后起泡，泡沫的析液半衰期隨著含油量的增加都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在含油量較小時表現(xiàn)出一定的穩(wěn)泡性能。當含油體積分數(shù)在20%內(nèi)時，助表面活性劑的加入將降低泡沫的穩(wěn)定性，但當含油體積分數(shù)增大到30%時，助表面活性劑能促使假乳化膜的形成，從而增大泡沫的穩(wěn)定性。

c.在含油體積分數(shù)為20%內(nèi)，含膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和蠟的原油的穩(wěn)泡能力強于煤油。

d.泡沫與油不同接觸方式將對泡沫析液半衰期產(chǎn)生影響。泡沫體系加油后起泡比起泡后加油的析液半衰期長。

參 考 文 獻

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