低碳醇對(duì)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的影響

陳澤華，趙修太

（中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580）

低碳醇對(duì)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的影響

陳澤華，趙修太

（中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580）

低碳醇因?yàn)榕c表面活性劑有很好的協(xié)同效應(yīng)，經(jīng)常被用作表面活性劑的助劑?？疾炝说吞即紝?duì)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)α-烯烴磺酸鈉溶液（以0.02%為例）泡沫性能的影響。結(jié)果表明，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.2%）α-烯烴磺酸鈉溶液與低碳醇協(xié)同效應(yīng)不明顯；低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.02%）α-烯烴磺酸鈉溶液與異丙醇、正丁醇和異戊醇有明顯的協(xié)同效應(yīng)，即這3種醇能大幅度增加低質(zhì)量分?jǐn)?shù)α-烯烴磺酸鈉溶液的泡沫性能，且隨醇碳數(shù)增加，低碳醇增加α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的幅度越大；但甲醇和乙醇基本不能增強(qiáng)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)α-烯烴磺酸鈉溶液的泡沫性能。高NaCl和高CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)α-烯烴磺酸鈉溶液的泡沫性能很差，而異戊醇能大幅度提高其泡沫性能，且隨異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，增效作用增強(qiáng)。

低碳醇；α-烯烴磺酸鈉溶液；泡沫性能；協(xié)同效應(yīng)

醇作為表面活性劑的助劑廣泛應(yīng)用于油田鉆采領(lǐng)域，以往的研究表明，合適的表面活性劑/醇體系可以將油水界面張力降至超低［1］，醇可以大幅度降低溶液的表面張力［2-4］，低碳醇可以在一定程度上提高表面活性劑溶液的泡沫性能［5］、乳化能力［6-7］和乳化穩(wěn)定性［8］。也有研究表明，醇可以增加纖維素類聚合物的黏度［9］。醇耐溫耐鹽耐剪切，不污染地層，沒(méi)有不可及孔隙體積，穩(wěn)定性好，成本較低，作為助劑有很多其他化學(xué)劑無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。泡沫在油田鉆采領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景［10-14］，為了增加泡沫穩(wěn)定性，通常需要在起泡液中加入助劑。起泡體系中常用的助劑是聚合物，起穩(wěn)泡作用，但聚合物的加入經(jīng)常降低起泡劑的起泡能力［15］，而且聚合物有較強(qiáng)的鹽敏效應(yīng)［16］。根據(jù)礦場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，醇可以作為起泡劑的一種助劑。本文考察了低碳醇對(duì)α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的影響，以期為起泡劑及表面活性劑在油田鉆采中的應(yīng)用提供思路。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1儀器和藥品

儀器包括Waring Blender攪拌機(jī)、精密天平、秒表、燒杯、玻璃棒、量筒。

藥品包括α-烯烴磺酸鈉（碳數(shù)為14～16，工業(yè)品，其中以Na2SO4計(jì)算的無(wú)機(jī)鹽含量小于5%）；NaCl，CaCl2、甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇、異戊醇均為分析純。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

采用攪拌法評(píng)價(jià)起泡體系的泡沫性能，實(shí)驗(yàn)時(shí)先向攪拌杯中加入200 mL起泡體系，之后在室溫下以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌起泡體系60 s，然后迅速將泡沫倒入1 000 mL的量筒中，記錄開(kāi)始時(shí)量筒內(nèi)的泡沫體積（起泡體積）；最后利用秒表記錄泡沫中析出100 mL溶液所用的時(shí)間，即析液半衰期。本研究采用起泡體積來(lái)衡量溶液的起泡能力，采用析液半衰期來(lái)衡量泡沫的穩(wěn)定性，其中起泡體積越大，溶液起泡能力越強(qiáng)；析液半衰期越長(zhǎng)，泡沫穩(wěn)定性越好。

2　結(jié)果與討論

（1）異戊醇對(duì)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的影響為方便對(duì)比，首先測(cè)定了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)α-烯烴磺酸鈉溶液的起泡體積和析液半衰期（表1）。從表1可以看出，當(dāng)α-烯烴磺酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.10%時(shí)，起泡體積和析液半衰期隨α-烯烴磺酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，在α-烯烴磺酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%時(shí)基本達(dá)到最大，再繼續(xù)增加α-烯烴磺酸鈉溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，泡沫性能變化不大，說(shuō)明這時(shí)多余的α-烯烴磺酸鈉在溶液中形成膠束。在α-烯烴磺酸鈉溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%時(shí)，α-烯烴磺酸鈉溶液的表面張力基本達(dá)到最低；再繼續(xù)增加α-烯烴磺酸鈉溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其表面張力變化不大，這與文獻(xiàn)［17］的結(jié)果是一致的。當(dāng)α-烯烴磺酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%時(shí)，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的異戊醇，對(duì)α-烯烴磺酸鈉溶液的泡沫性能影響不大，原因可能是加入的異戊醇大多增溶在α-烯烴磺酸鈉膠束中，不能充分發(fā)揮與α-烯烴磺酸鈉的協(xié)同效應(yīng)（表2）。但當(dāng)α-烯烴磺酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)，加入異戊醇能大大增加α-烯烴磺酸鈉溶液的起泡體積和析液半衰期（表2），且隨加入的異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，α-烯烴磺酸鈉溶液的起泡體積增大，達(dá)到最大值后有小幅度降低，其中α-烯烴磺酸鈉溶液的起泡體積在異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)就能上升近60%.實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，α-烯烴磺酸鈉溶液中加入異戊醇對(duì)溶液表面張力基本沒(méi)有影響（表面張力值為36.8～37.3 mN/m）。異戊醇增加α-烯烴磺酸鈉起泡體積的原因可能是異戊醇吸附到溶液與空氣之間的界面上，與表面活性劑組成界面膜，補(bǔ)充了用于起泡的α-烯烴磺酸鈉量的不足，促使更多氣泡的形成。析液半衰期隨異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加先迅速增加，達(dá)到一定值后增加緩慢，加入0.02%的異戊醇就可以將析液半衰期翻倍。異戊醇分子能夠插入α-烯烴磺酸鈉分子之間，其碳鏈可以與α-烯烴磺酸鈉的疏水鏈相互作用（相似相容原理，碳鏈之間相互吸引，使界面膜更緊密），使界面膜強(qiáng)度增加；同時(shí)，異戊醇分子插入α-烯烴磺酸鈉分子之間后使α-烯烴磺酸鈉頭基之間斥力減小，界面膜上的分子排列更緊密，從而增加界面膜強(qiáng)度，使泡沫穩(wěn)定性增加。

表1　不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的α-烯烴磺酸鈉溶液起泡體積和析液半衰期

表2　不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的α-烯烴磺酸鈉溶液的泡沫性能隨異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

（2）不同低碳醇對(duì)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的影響為方便分析，將某溶液的起泡體積和析液半衰期的乘積除以10 000作為泡沫綜合值，以綜合值大小判斷溶液的泡沫性能，綜合值越大，說(shuō)明溶液的泡沫性能越好。不同低碳醇對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02%α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的影響結(jié)果見(jiàn)圖1.從圖1可以看出，當(dāng)α-烯烴磺酸鈉溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)，加入異丙醇、正丁醇和異戊醇能顯著提高α-烯烴磺酸鈉溶液的泡沫性能，增加α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的強(qiáng)弱順序?yàn)楫愇齑迹菊〈迹井惐?，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02%的異戊醇可以將溶液的泡沫綜合值提高到原來(lái)的3倍。如圖1所示，泡沫綜合值從不加醇時(shí)的0.76×10-3mL·s上升為加入0.02%異戊醇時(shí)的2.21×10-3mL·s，這是因?yàn)殡S醇碳數(shù)的增加，醇從水相吸附到氣水界面的能力增強(qiáng)（隨醇碳數(shù)增加，醇在水中的的溶解度減小，逃離水相吸附到界面的趨勢(shì)增加）。同時(shí)，醇的碳鏈與α-烯烴磺酸鈉疏水鏈相互作用增強(qiáng)（長(zhǎng)碳鏈與α-烯烴磺酸鈉疏水鏈的吸引作用更強(qiáng)），使形成的界面膜分子排列越緊密，因此越有利于溶液泡沫性能的提高。乙醇在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)可以小幅度降低α-烯烴磺酸鈉溶液的泡沫性能，在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)（＞0.20%）時(shí)，可以小幅度地增加溶液的泡沫綜合值；而甲醇的加入減小了溶液的泡沫綜合值，這是因?yàn)榧状己鸵掖紡乃辔降綒馑缑娴哪芰Σ粡?qiáng)，同時(shí)甲醇和乙醇的碳鏈與α-烯烴磺酸鈉疏水鏈的相互作用也不強(qiáng)。

圖1　不同低碳醇對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02%α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的影響

（3）加入無(wú)機(jī)鹽時(shí)異戊醇對(duì)α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的影響金屬陽(yáng)離子會(huì)壓縮陰離子表面活性劑的擴(kuò)散雙電層，進(jìn)而影響表面活性劑的性質(zhì)。表3為NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02%α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的影響。可以看出，隨NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，α-烯烴磺酸鈉溶液的起泡體積先緩慢上升，后緩慢降低，而析液半衰期隨NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高先上升后較快下降。因此，NaCl對(duì)溶液析液半衰期的影響大于對(duì)起泡體積的影響。Na+可以壓縮α-烯烴磺酸鈉的擴(kuò)散雙電層，使α-烯烴磺酸鈉親油性增強(qiáng)，水溶性降低（頭基水化能力減弱），頭基帶電減少，從而使α-烯烴磺酸鈉分子之間的斥力減小，使泡沫穩(wěn)定性減小。當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于2%時(shí)，Na+對(duì)α-烯烴磺酸鈉擴(kuò)散雙電層的壓縮較弱，氣泡之間的靜電排斥較強(qiáng)，因此α-烯烴磺酸鈉溶液的泡沫性能較好。隨NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，α-烯烴磺酸鈉的表面活性降低，泡沫中氣泡之間的電性排斥力減小，因此起泡體積和泡沫穩(wěn)定性減小。當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到6%時(shí)，析液半衰期從150 s降低到27 s.在體系6% NaCl+0.02%α-烯烴磺酸鈉體系中加入異戊醇后能增加起泡體積和析液半衰期（表4），且在0～0.2%范圍內(nèi)，隨異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，0.02%α-烯烴磺酸鈉溶液的起泡體積和析液半衰期先迅速增加，在異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.10%后變化不大。異戊醇能提高高NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)下α-烯烴磺酸鈉溶液的泡沫性能，這是因?yàn)楫愇齑汲擞醒a(bǔ)充表面活性劑量的不足和增強(qiáng)界面膜強(qiáng)度的功能以外，還能調(diào)整水相極性（使水相極性降低），使α-烯烴磺酸鈉在高礦化度下（α-烯烴磺酸鈉此時(shí)具有較強(qiáng)的親油性和較弱的親水性）的溶解度增加。實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)往0.02%α-烯烴磺酸鈉+ 6%NaCl體系中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的異戊醇（其中不同比色管中異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%，0.02%，0.05%，0.10%，0.20%），隨異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，溶液變得越澄清，即α-烯烴磺酸鈉越能溶于水并電離出擴(kuò)散雙電層，增加α-烯烴磺酸鈉分子的負(fù)電性（使氣泡之間的斥力增加），所以越有利于質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02% α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的提高。

表3　NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)0.02%α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的影響

表4　異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)0.02%α-烯烴磺酸鈉+6% NaCl體系泡沫性能的影響

CaCl2對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02%α-烯烴磺酸鈉溶液的泡沫性能的影響見(jiàn)表5.從表5可以看出，隨CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02%的α-烯烴磺酸鈉溶液的析液半衰期降低，說(shuō)明Ca2+強(qiáng)烈壓縮了α-烯烴磺酸鈉的擴(kuò)散雙電層，使α-烯烴磺酸鈉的表面活性降低，并使其頭基之間的斥力減小，氣泡之間的排斥力過(guò)分減小，從而降低泡沫性能。而異戊醇的加入可以大大降低Ca2+對(duì)α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的不利影響（圖2）。從圖2可以看出，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02%以上的異戊醇可以使質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.02%α-烯烴磺酸鈉溶液的泡沫綜合值在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CaCl2的存在下提高3倍以上，適當(dāng)增加異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以大大削弱Ca2+對(duì)α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的不利影響，且隨異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其降低Ca2+對(duì)α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的不利影響的幅度越大。分析原因認(rèn)為，一方面，異戊醇可以調(diào)整水的極性，增加α-烯烴磺酸鈉在Ca2+存在時(shí)的溶解度，使α-烯烴磺酸鈉頭基斥力增加，從而增加氣泡之間的排斥力；同時(shí)，異戊醇碳鏈與α-烯烴磺酸鈉疏水鏈的相互作用增加了氣液界面膜強(qiáng)度，從而增加泡沫穩(wěn)定性；醇的這些作用增加了Ca2+存在時(shí)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)α-烯烴磺酸鈉溶液的泡沫綜合值。

表5　CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)0.02%α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的影響

圖2　異戊醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CaCl2的0.02%α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的影響

3　結(jié)論

（1）低碳醇的加入對(duì)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)α-烯烴磺酸鈉溶液的泡沫性能的影響不大，但能提高低質(zhì)量分?jǐn)?shù)α-烯烴磺酸鈉溶液的泡沫性能，且從甲醇到異戊醇，低碳醇的增效作用依次變強(qiáng)。高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CaCl2和NaCl降低了α-烯烴磺酸鈉溶液的泡沫性能，加入異戊醇可降低CaCl2和NaCl對(duì)α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能的不利影響。

（2）低碳醇提高α-烯烴磺酸鈉溶液泡沫性能是因?yàn)榈吞即嫉奶兼溑cα-烯烴磺酸鈉疏水鏈的相互作用增強(qiáng)了氣液界面膜強(qiáng)度，而且醇在氣液界面的吸附補(bǔ)充了α-烯烴磺酸鈉量的不足；異戊醇能夠充分調(diào)整水相的極性，增加高礦化度下α-烯烴磺酸鈉的溶解性，同時(shí)增加α-烯烴磺酸鈉頭基的負(fù)電性，從而提高低質(zhì)量分?jǐn)?shù)α-烯烴磺酸鈉溶液在高礦化度下的泡沫性能。

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Effect of Low Carbon Alcohols on Foaming Performance of α?Olefine Sodium Sulfonate Solution with Low Mass Fraction

CHEN Zehua，ZHAO Xiutai
（College of Petroleum Engineering，ChinaUniversity of Petroleum，Qingdao，Shandong 266580，China）

Low carbon alcohol is often used as additives for surfactant because of its better synergistic effect with surfactant.This paper in?vestigates the effect of low carbon alcohol on the foaming performance of α?olefine sodium sulfonate solution with low mass fraction of 0.02%.The result shows that the synergistic effect of this solution with high mass fraction of 0.2%is not obvious on the low carbon alcohol；there exist obvious synergistic effects between the α?olefine sodium sulfonate solution with low mass fraction of 0.02%and such three alco?hols as isopropanol，n?butyl alcohol and isoamyl alcohol，respectively，showing that these alcohols can greatly improve the foaming perfor?mance of low mass fraction sulfonate solution，and with the increasing of the carbon number of alcohols，the foaming performance becomes better and better，except for methanol and ethanol.Also，NaCl and CaCl2with high mass fraction may not be directly used to improve the foaming performance of the solutions with low mass fraction，while isoamyl alcohol can do it well in presence of the NaCl and CaCl2，and with the increasingof isoamyl alcohol’s mass fraction，the synergism effect also becomes better and better.

low carbon alcohol；α?olefine sodium sulfonate solution；foamingperformance；synergistic effect

TE357.435

A

1001-3873（2015）06-0729-04

10.7657/XJPG20150617

2015-04-08

2015-10-10

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（2011ZX05002-005）

陳澤華（1988-），男，山東壽光人，碩士研究生，油田化學(xué)，（Tel）15275211632（E-mail）chenzehua1210@163.com.