復合表面活性劑體系絨囊泡的形成與穩(wěn)定性研究①

易愛文 許 亮 楊永釗 曹岳成 高江江

(1.延長油田股份有限公司杏子川采油廠 2.延長油田股份有限公司開發(fā)部)

絨囊泡具有由氣核、氣液表面張力降低膜、高黏水層、高黏水層固定膜、水溶性改善膜、聚合物高分子和表面活性劑濃度過渡層構成的“一核兩層三膜”結構[1]。

在研究可循環(huán)泡沫[2]、微泡[3]鉆井液過程中發(fā)現，仿照細菌外觀結構，可以開發(fā)出含絨囊結構的鉆井液[4]，囊粒決定其封堵能力，囊層決定其流變性。本實驗旨在利用表面活性劑配制出囊泡[5]，在囊泡基礎上加入聚合物得到絨囊泡，然后研究聚合物的加入對體系黏度、表面張力以及粒徑的影響。

1 實驗部分

1.1 主要試劑及儀器

十二烷基硫酸鈉(SLS)、聚乙烯醇(PVA)，國藥集團化學試劑有限公司；十四烷基三甲基氯銨(TTAC)、十六烷基三甲基溴銨(CTAB)，廈門英諾威化工有限公司；十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)，上海三浦化工有限公司；聚丙烯酰胺(PAM)，中國醫(yī)藥(集團)上?；瘜W試劑公司。

UV-3300PC型分光光度計，上海美譜達儀器有限公司；B2-90PLUS型激光粒度儀，美國布魯克海文儀器公司；MODEL ESB-V型表面張力儀，KYOWA SCIENTIFIC CO.,LTD。

1.2 實驗方法

分別按1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2和9∶1的體積比將陰陽離子表面活性劑溶液混合，觀察互配體系是否出現淡藍色，確定合適體系并研究其基本性質。

2 結果與討論

2.1 囊泡體系的確定

2.1.1囊泡體系的選擇

以不同的體積比混合不同表面活性劑溶液后，形成了囊泡體系。圖1為所復配體系的表觀現象。

通過現象對比，淡藍色較明顯且無絮狀物生成的(c)為合適的囊泡體系。

2.1.2SDBS和TTAC體系濃度的選擇

以SDBS與TTAC不同體積比，分別在0.01 mol/L、0.02 mol/L、0.03 mol/L及0.04 mol/L時混合，可以很明顯地看出不同的表觀現象。

通過表觀現象可知，合適的體系總濃度為0.02 mol/L。

2.2 SDBS/TTAC配比對體系性能的影響

2.2.1SDBS/TTAC配比對體系黏度、表面張力的影響

SDBS與TTAC的體積比分別為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2及9∶1時，表面張力和黏度隨體積比的變化情況見圖3、圖4。

由圖3可知，體積比為5∶5、6∶4、7∶3的表面張力均比較小，說明這幾個體積比的下表面分子受力較為均衡，使表面張力減小。由圖4可知，在體積比為6∶4之前，黏度隨體積比的變化不是很大，在體積比為6∶4時黏度達到最大值，之后黏度急劇減小。

2.2.2SDBS與TTAC體積比對體系粒徑的影響

圖5為SDBS與TTAC體積比分別為1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2及9∶1時，粒徑隨體積比的變化情況。

由圖5可知，體積比在3∶7之前粒徑變化較小，之后粒徑變化較大，體積比為6∶4和7∶3時達到最大值。在絨囊形成體系研究中，根據絨囊的性質，選擇粒徑較大的作為研究對象，體積比為6∶4和7∶3是比較合適的研究體積比。

綜上所述，實驗方案為：選擇十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)和十四烷基三甲基氯化銨(TTAC)為絨囊形成體系，表面活性劑濃度均為0.02 mol/L，合適的SDBS與TTAC體積比為7∶3。

2.3 聚合物對體系性能的影響

2.3.1聚合物濃度對體系黏度的影響

加入不同體積比的聚丙烯酰胺和聚乙烯醇時體系黏度的變化見圖6和圖7。

由圖6可知，在加入聚丙烯酰胺后，黏度隨著聚合物濃度的增加而增加，聚丙烯酰胺的濃度越大，黏度越大，這是由于聚丙烯酰胺的加入使分子間的內摩擦力增加，從而增加了體系的黏度。由圖7可知，加入聚乙烯醇后，隨著體積比的不斷變化，絨囊體系的黏度也發(fā)生了很大的變化；絨囊泡體系的黏度變化規(guī)律大致與加入聚丙烯酰胺的絨囊體系變化規(guī)律一致，不同之處在于加入聚乙烯醇后，絨囊體系的黏度變化程度大，即聚乙烯醇加入對增加絨囊體系的分子間內摩擦力更有利。

2.3.2聚合物濃度對體系表面張力的影響

加入不同濃度的聚丙烯酰胺和聚乙烯醇時體系表面張力的變化見圖8和圖9。

對比加入聚丙烯酰胺的絨囊體系，加入聚乙烯醇后，表面張力隨聚合物濃度的增加而增大，大于未加入聚乙烯醇時的表面張力，這說明聚乙烯醇對于絨囊體系中表面分子的束縛力要小于聚丙烯酰胺。

2.3.3聚合物濃度對體系粒徑的影響

加入不同濃度的聚合物后體系粒徑的變化情況見圖10。

由圖10可知，隨著聚合物濃度的增加，絨囊體系的粒徑也隨之增大。加入PVA時體系粒徑增大的程度比加入PAM時的大。

2.4 絨囊體系的穩(wěn)定性評價

2.4.1CaCl2、MgCl2對SDBS與TTAC體積比為7∶3時絨囊體系的表觀影響

在圖11的(a)、(b)中，A、B、C、D、E中分別加入了質量分數為0%、1%、2%、3%、4%的鹽。由表觀可以發(fā)現，隨著鹽濃度的增加，淡藍色很快褪掉，進而出現白色絮狀沉淀。

2.4.2CaCl2、MgCl2對絨囊體系黏度的影響

在絨囊體系中分別加入質量分數為0.5%、1%、2%、3%、4%、5%的CaCl2和MgCl2后，體系的黏度變化見圖12和圖13。

對比圖12和圖13可知，鹽對絨囊體系的黏度影響是一致的，均為使體系的黏度減小，最后使黏度的大小趨于平衡。

2.4.3CaCl2、MgCl2對絨囊體系表面張力的影響

在絨囊體系中分別加入質量分數為0.5%、1%、2%、3%、4%、5%的CaCl2和MgCl2后，體系的表面張力變化見圖14和圖15。

由圖14和圖15可知，加入兩種鹽后體系表面張力的變化趨勢一致；加入聚乙烯醇的SDBS/TTAC體系在加鹽后表面張力大于加入聚丙烯酰胺SDBS/TTAC體系的表面張力，但是變化值不大，這說明加入聚乙烯醇的SDBS/TTAC體系更加穩(wěn)定。

綜上所述，兩種鹽均可使絨囊體系的表面張力增大，表明兩種鹽都破壞了絨囊體系表面分子的束縛力。

3 結 論

(1) 通過互配得到了囊泡合適的形成體系為：十四烷基三甲基氯化銨(TTAC)與十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)。

(2) 對SDBS∶TTAC體系配比性能的研究，得到表面活性劑的合適的總濃度應為0.02 mol/L，最優(yōu)體積比為7∶3。

(3) 加入聚合物后，聚乙烯醇相對于聚丙烯酰胺更有利于增加絨囊體系的黏度；結合粒徑圖發(fā)現聚乙烯醇增加粒徑的程度也比聚丙烯酰胺更大，而且聚乙烯醇的體系粒徑分布均勻。

(4) 通過對加聚合物體系表面張力的研究，可知聚合物的加入使體系的表面張力減小，即聚合物對絨囊體系中表面分子束縛力有減小作用，且聚乙烯醇對減小表面分子的束縛力作用更強。

(5) CaCl2、MgCl2均對此絨囊泡體系有破壞作用， CaCl2對體系的破壞力更大。

參考文獻

[1] 郭本廣，孟尚志，孔令琛.絨囊工作液在煤層氣勘探開發(fā)中的應用前[J]．資源與產業(yè)，2011，13(4)：17-21．

[2] 宮新軍，陳建華，成效華.超低壓易漏地層鉆井液新技術[J]．石油鉆探技術，1996(12)：61-62．

[3] 張振華.可循環(huán)微泡鉆井液的研制及應用[J]．石油學報，2004， 25(6)：92-95．

[4] 鄭力會，曹園，韓子軒.含絨囊結構的新型低密度鉆井液[J] ．石油學報，2010，31(3)：490-493．

[5] 周文婷，徐曉明，藍琴，等. 囊泡形成和破壞的動力學[J]．化學學報，2007，65(20)：2279-2284．