一種低凝固點起泡劑的制備與性能評價

董雅杰，楊旭，王凱，袁艦蘭，余婷，郭麗

(西南石油大學 化學化工學院，四川 成都 610500)

水基泡沫是氣體與表面活性劑水溶液形成的分散體系，具有密度低、黏度高、含液量少、可乳化攜帶原油等特點，被廣泛應用于沖砂、洗井、攜砂、調剖堵水和驅油等領域［1］。但泡沫本質上是熱力學不穩(wěn)定體系，良好的穩(wěn)定性是其應用前提。高穩(wěn)定性的泡沫可有效運用于各個領域，滿足現(xiàn)場施工要求，一般單一的表面活性劑產生泡沫的穩(wěn)定性通常較差;而在一定條件下，不同種類的表面活性劑復配會表現(xiàn)出顯著的協(xié)同效應，研究者們已經通過各類表面活性劑的復配，極大地提升了泡沫體系的穩(wěn)定性，將半衰期延長至40 ～1 080 min 不等［2］。本文通過多種起泡劑、降低凝固點的輔劑和穩(wěn)泡劑的復配，篩選出一種低凍點、閃點高、發(fā)泡能力強和高穩(wěn)定性的起泡劑，以獲得性能優(yōu)越的水基泡沫。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

沙索高泡脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(LAES)有效成分70%、α-烴基磺酸鈉(AOS)有效成分70%、椰油酰胺丙基甜菜堿(CAB)有效成分40%、重烷基苯磺酸鈉(HABS-2024)有效成分88.2%;十二烷基硫酸鈉(SDS)、異丙醇、甘油、1，2-丙二醇均為分析純;分子量1 600 萬水解聚丙烯酰胺(HPAM-1600);分子量10 萬羥乙基纖維素(HEC-10);羥丙基胍膠(HPG)，化學純。

HZY-B300 電子天平;GJ-1 型高速攪拌機;2151型羅氏泡沫儀;BSY-179D 多功能低溫測定儀;BSY-102 閉口閃點測定儀;JZHY-180 表面張力儀;XEDSPJ 旋轉滴界面張力儀。

1.2 實驗方法

先采用羅氏-邁爾斯(Ross-Miles)法評價復配體系的起泡及穩(wěn)泡能力。具體步驟:將200 cm3試液從高900 mm，內徑為2.9 mm 細孔中流下，沖入盛有50 cm3同樣溫度和濃度的試液中，記下剛流完200 cm3溶液時的泡沫高度H0和5 min 后的泡沫高度H5作為發(fā)泡劑起泡能力和泡沫穩(wěn)定性的評價，加入穩(wěn)泡劑以后再采用Waring Blender 法［3］評價基液的起泡能力及所形成泡沫的穩(wěn)定性，具體步驟:在常溫下(25 ℃)配制100 mL 的一定濃度的起泡基液，采用高速攪拌機持續(xù)攪拌1 min，然后迅速將泡沫倒入1 000 mL的帶封口的量筒中，讀取泡沫體積V0(mL)，用以表征泡沫的起泡能力。然后記錄從泡沫中析出一半液體(50 mL)時所需的時間t1/2(min)，即泡沫的半衰期，以衡量泡沫的穩(wěn)定性。

2 結果與討論

2.1 低凝固點、高發(fā)泡能力起泡劑配方

2.1.1 起泡劑 在起泡劑濃度為3 g/L 的情況下，5 種單一起泡劑的起泡性能見表1。

表1 單一起泡劑的起泡性能Table 1 The blistering performance of single foaming agent

由表1 可知，起泡劑LAES 和起泡劑CAB 起泡能力要較其他起泡劑起泡能力好，因此在后續(xù)實驗選用LAES 和CAB 進行復配，由于CAB 是兩性表面活性劑，價格昂貴，可以考慮加入聚合物與少許CAB 形成一種空間結構，增強泡沫膜的強度，提高其發(fā)泡能力，而加入陽離子聚合物之后，起泡劑可能被吸附到巖石上，不能發(fā)揮作用，筆者選用陰離子聚合物HPAM 進行復配，而HABS-2024 的疏水基團很長能有效降低表面張力，復配體系的起泡性能見表2。

表2 復配體系的起泡性能(濃度3 g/L)Table 2 The blistering performance of the synergy system

由表2 可知，編號為8 的起泡劑起泡效果好，由 于復配HABS-2024 可以降低泡沫體系的表面張力，故在后續(xù)實驗中選用編號14 的起泡劑。

起泡劑濃度對起泡劑起泡能力影響見圖1。

圖1 起泡劑濃度對泡沫性能的影響Fig.1 The effect of foaming agent’s concentration on blistering performance

由圖1 可知，隨著起泡劑濃度的增大體系的發(fā)泡能力呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，峰值出現(xiàn)在濃度為3 g/L 左右，因此并不是起泡劑濃度越大越好。以下實驗均采用濃度為3 g/L 的編號為14 的起泡劑，命名為14#。

2.1.2 降低凝固點的輔劑 當物質液相蒸汽壓與固相的蒸汽壓相等，且能平衡共存時的溫度為該物質的凝固點，當純溶劑中溶解一種難揮發(fā)的非電解質后，該溶劑的凝固點會降低，也就是溶液的凝固點降低與溶液的質量摩爾濃度成正比，數(shù)學表達式為:

ΔTf為凝固點降低值，Kf為溶劑的凝固點降低常數(shù)［水為1.86 K/(kg·mol)］，bB為溶液的質量摩爾濃度，常用的降低凝固點物質為醇、鹽類物質，筆者分別選用異丙醇、甘油、1，2 丙二醇、NaCl 進行篩選作為起泡劑的防凍劑，測復配起泡劑的凝固點和閃點，為能使起泡劑在低溫下具有良好的流動性，起泡劑凝固點應低于－15 ℃，同時為了起泡劑儲存的安全性，閃點應該要夠高，降低凝固點的輔劑與14#起泡劑復配效果見表3。

表3 降低凝固點的輔劑與14#起泡劑復配性能Table 3 The performance for compounds of 14 # foaming agent with different freezing point reducing builder

由表3 可知，當14#起泡劑與1，2-丙二醇復配質量比為7∶3 時，最終的起泡劑凝固點為－16 ℃，在102 ℃時開始沸騰，閃點也滿足要求，而且加入的1，2-丙二醇幾乎對原14#起泡劑起泡能力沒有任何影響，將最終復配的起泡劑命名為ZX-28。

2.2 高穩(wěn)定性起泡體系復配配方

考慮到地層巖石一般顯正電性，筆者分別選擇分子量1 600 萬水解聚丙烯酰胺(HPAM-1600)、分子量10 萬羥乙基纖維素(HEC-10)、羥丙基胍膠(HPG)作為穩(wěn)泡劑，3 種穩(wěn)泡劑均屬于增粘性穩(wěn)泡劑，可以增加溶液的粘度，一定程度上延緩泡膜排液和氣體擴散，從而增加泡沫體系的穩(wěn)定性［4-6］，分別將其交聯(lián)以后與起泡劑體系復配有望獲得穩(wěn)定性較高的泡沫體系，采用Waring Blender 法評價基液的起泡能力，結果見表4。

向基液中加入穩(wěn)泡劑后，體系的發(fā)泡能力均有不同程度的降低但泡沫穩(wěn)定性卻顯著提髙。主要原因是穩(wěn)泡劑的加入使溶液的黏度增大一方面使得起泡時需要克服的黏滯阻力增大氣體進入液相更加困難，導致發(fā)泡量降低;另一方面，較高的黏度減緩了液膜排液及氣泡破裂的速率，從而提高了泡沫的穩(wěn)定性［6］。實驗結果表明，ZX-28 起泡劑濃度為3 g/L，穩(wěn)泡劑為HPAM-1600，濃度為2 g/L 時，基液發(fā)泡能力和穩(wěn)定性最好，發(fā)泡量為788 mL，半衰期達3 720 min，有良好的應用前景。

2.3 起泡劑性能

2.3.1 表面張力和界面張力的測試 按照表5 配制標準勝利鹽水水樣，采用JZHY-180 表面張力儀測試含3 g/L ZX-28 起泡劑溶液的表面張力，測試結果見圖2。

表4 穩(wěn)泡劑種類對泡沫性能的影響Table 4 The effect of different kinds of foam stabilizer on blistering performance

表5 配制1.0 L 勝利鹽水所需試劑質量表Table 5 The demand reagents mass table of 1.0 L self-prepared Shengli brine

圖2 起泡劑濃度對表面張力的影響Fig.2 The effect of foaming agent’s concentration on surface tension

由圖2 可知，在起泡劑濃度為3 g/L 時，溶液表面張力為28.8 mN/m，而勝利鹽水水樣表面張力標準為≤32 mN/m，故滿足作業(yè)發(fā)泡劑要求，在后續(xù)測界面張力時，起泡劑濃度也為3 g/L。

采用旋轉滴界面張力儀測試體系的油水界面張力，油相為大慶原油，實驗溫度為25 ℃，界面張力儀轉速為5 000 r/min，平衡2 h 之后，讀取界面張力值。

圖3 HPAM 濃度對油水界面張力的影響Fig.3 The effect of HPAM’s concentration on water-oil interfacial tension

由圖3 可知，HPAM 對油水界面張力影響并不大，HAPM 濃度為2 g/L 時，油水界面張力為2.5 mN/m，油水已經可以很好的互溶，該體系可以用來驅油，油水混合物可以很好的被破乳。HPAM是水溶性很強的聚合物，在油水界面上吸附較弱，但由于其在水相中的存在，必然會有HPAM 分子擴散到界面上。HPAM 分子在界面上會頂替部分原吸附的界面活性物質，從而影響界面層中各種分子間的作用力，且從HPAM 分子結構分析其界面活性不大，因此對體系的界面張力不存在明顯影響［7］。油水界面張力仍主要取決于原油中界面活性物質在油水界面的吸附量。

3 結論

(1)1，2-丙二醇、甘油對起泡劑發(fā)泡能力幾乎沒任何影響，加入30%的1，2-丙二醇可以把起泡劑凝固點降低到－16 ℃，使得起泡劑在低溫下具有良好的流動性，能在冬天投產使用。

(2)ZX-28 起泡劑濃度為3 g/L，穩(wěn)泡劑為HPAM-1600，濃度為2 g/L 時，基液發(fā)泡能力和穩(wěn)定性最好，發(fā)泡量為788 mL，半衰期達3 720 min，油水界面張力可達2.5 mN/m，說明該起泡劑可用于驅油，也可用于洗井、沖砂等作用起泡劑。

(3)HPAM 是水溶性很強的聚合物，對油水界面張力影響不大。

［1］ 曲彥平，杜鶴桂，葛利俊.表面黏度對泡沫穩(wěn)定性的影響［J］.沈陽工業(yè)大學學報，2002，24(4):283-286.

［2］ 趙留運.高性能欠平衡泡沫鉆井液體系的研究［J］.鉆井液與完井液，2007，24(3):7-9.

［3］ 劉常旭，鐘顯，楊旭.表面活性劑發(fā)泡體系的實驗室研究［J］.精細石油化工進展，2007，8(1):7-9.

［4］ 于偉波，張強.泡沫復合驅配方ZS-23 的研究［J］.應用化工，2012，41(3):415-416.

［5］ 馬寶岐，詹少淮. 泡沫特性的研究［J］. 油田化學，1990，7(4):334-338.

［6］ 郭東紅，李森，袁建國，等. 表面活性劑的驅油機理及應用［J］.精細石油化工進展，1990，7(3):1-5.

［7］ 敬加強，李業(yè)，代科敏，等. 一種高穩(wěn)定性水基泡沬體系的制備與性能評價［J］. 油田化學，2013，30(3):384-385.