表面活性劑濃度對(duì)泡沫體系穩(wěn)定性的影響

陳宇豪　焦鈺嘉

摘 要： 主要探討了在泡沫體系內(nèi)，表面活性劑對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響，以表活劑濃度為主要研究點(diǎn)，總結(jié)了不同表活劑濃度下氣泡的聚并過程，還分析了液膜的排液過程，指出界面流變學(xué)因素以及表活劑高濃度情況下的膠束分層現(xiàn)象是影響泡沫穩(wěn)定的主要因素。表活劑濃度低于CMC時(shí)，界面流變學(xué)因素起主要決定作用；表活劑濃度高于CMC時(shí)，膠團(tuán)分層起主要決定作用。

關(guān) 鍵 詞：表面活性劑濃度；泡沫穩(wěn)定性；液膜；膠團(tuán)

中圖分類號(hào)：TQ 423 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2017）07-1337-03

Effect of Surfactant Concentration on Foam System Stability

CHEN Yu-hao， JIAO Yu-jia

（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing163000，China）

Abstract： The effect of surfactant on foam system stability was discussed in this article. The coalescence process of bubbles under different surfactant concentration was analyzed as well as the foam drainage process. It's pointed out that interface rheological factor and micellar stratification under high surfactant concentration are main factors to affect the foam stability. When the concentration is below CMC，the interfacial rheological factor acts as an important role； when the concentration is higher than CMC，micellar stratification has obvious effect on the foam stablity.

Key words： Surfactant concentration； Foam stability； Rheological properties； Micellar stratifiction

近年來，隨著國(guó)內(nèi)主力油田都進(jìn)入高含水階段，二次采油所能達(dá)到的效果已經(jīng)不理想了，聚合物驅(qū)和二元復(fù)合驅(qū)雖然可以提高采收率，但在某些條件比如低滲透油藏條件下，起不到預(yù)想的作用，泡沫驅(qū)由于其良好的封堵效能和調(diào)整油層間非均質(zhì)性的能力，逐步得到重視。向純水中加入氣體這種方式并不能得到達(dá)標(biāo)的驅(qū)油標(biāo)準(zhǔn)的泡沫。工業(yè)上，通常是將具有良好起泡性能的表活劑（起泡劑）溶液與氣體按一定比例混合，用以產(chǎn)生大量驅(qū)油泡沫。泡沫驅(qū)能否成功的關(guān)鍵在于泡沫能否在地層條件下穩(wěn)定大量存在。從目前的研究來看，影響泡沫穩(wěn)定性的因素有很多，表活劑也是其中一種影響因素，本文主要從泡沫穩(wěn)泡機(jī)理上來探討不同表活劑濃度情況下的穩(wěn)泡機(jī)理。

1 泡沫氣泡的聚并過程

泡沫的穩(wěn)定性主要取決于分散氣泡聚并的相對(duì)程度以及液膜的排液程度。分散氣泡液膜的薄化以及破裂都影響著泡沫的聚并過程。實(shí)驗(yàn)觀察得到結(jié)果是泡沫的壽命主要取決于薄化時(shí)間而不是破裂時(shí)間。相近的氣泡若大小相同，聚并過程可以分成三個(gè)階段：（1）兩個(gè)氣泡形成厚夾層； （2）夾層變薄成液膜； （3）膜表面波紋不斷擴(kuò)張，最終氣泡破滅[1]。

圖1所示，描述了兩個(gè)大小相似的氣泡間形成薄液膜以及液膜進(jìn)一步的變化流程

a.兩個(gè)相近的氣泡接近時(shí)，水合作用形成一個(gè)厚層；b.泡沫表面變形產(chǎn)生了“凹陷”的鐘型構(gòu)造；c.“凹陷”逐漸消失，形成了一個(gè)半徑為R的平行平面，在Plateau區(qū)吸引力和分離壓力的綜合作用下，液膜排液；d.低表活劑濃度時(shí)（低于CMC），膜表面形成波紋，膜的破裂或者膜厚度的變化，都會(huì)形成穩(wěn)定或亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這種向穩(wěn)定或亞穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變的過程稱為“形成黑斑”，因?yàn)樵诖撕穸认乱耗?huì)變灰或黑；e.黑斑逐漸變大并覆蓋整個(gè)薄膜；f.這種平衡液膜的壽命本質(zhì)上取決于毛管壓力的量級(jí)，不受其他因素限制；g.高表活劑濃度時(shí)（高于CMC）由于液膜內(nèi)部膠團(tuán)的內(nèi)部分層會(huì)形成大范圍的的膠質(zhì)晶狀結(jié)構(gòu)；h.薄膜顯示出一定程度的亞穩(wěn)態(tài)，而且其厚度呈階梯式的變化；i.液膜達(dá)到了一個(gè)平衡態(tài)，沒有進(jìn)一步的變化，最終膜會(huì)變厚而且很穩(wěn)定，膜內(nèi)含有部分膠團(tuán)[2]。

氣泡變薄原因是因?yàn)槠湟耗づ乓?，圖2所示，即為液膜薄化階段的過程圖。

2 低表活劑濃度時(shí)的泡沫穩(wěn)定機(jī)理

表活劑濃度低于或接近于CMC時(shí)，液膜表面流變學(xué)特性是影響泡沫穩(wěn)定性的主要因素。對(duì)活性分子的吸附以及吸附層的性質(zhì)，決定著泡沫的排液性以及穩(wěn)定性。

2.1 馬拉格尼效應(yīng)

在這里首先提到馬拉格尼效應(yīng)，兩個(gè)氣泡在界面上由于毛管壓力的作用，會(huì)相互靠近，從而導(dǎo)致薄液膜中的液體被擠出到臨近的Plateau區(qū)。這種液體流動(dòng)從而導(dǎo)致了表層表活劑發(fā)生對(duì)流傳導(dǎo)。因此，界面上液流方向的表活劑濃度增加，從而降低了界面張力。這種沿著界面變化的表面張力梯度遞變產(chǎn)生了液流阻力[3]。這個(gè)現(xiàn)象就是我們熟知的馬拉格尼效應(yīng)。圖3為馬氏效應(yīng)圖。

馬拉格尼效應(yīng)就是表面張力的修復(fù)作用，可以恢復(fù)液膜強(qiáng)度，使得泡沫具有良好的穩(wěn)定性，不易被破壞。表面張力的修復(fù)作用源于兩種過程：

（1）活性劑分子自液膜的低表面張力區(qū)域遷移至高表面張力區(qū)域.

（2） 活性劑分子自溶液中吸附至表面上。

以第二種方式為主進(jìn)行修復(fù)的液膜，只是從溶液中吸取活性劑分子，只是復(fù)原了密度，沒有復(fù)原厚度，因此強(qiáng)度不高。若要使馬氏效應(yīng)顯著，加入的起泡劑應(yīng)能夠引起表面張力顯著降低，因此，此效應(yīng)的最大值應(yīng)出現(xiàn)在濃度較低，而又接近CMC處。（只是針對(duì)單一活性劑溶液）。

2.2 粘彈性

液膜排液期間，表活劑單分子層會(huì)經(jīng)歷膨脹變形和剪切變形，變形會(huì)產(chǎn)生界面梯度張力。表活劑粘度的增長(zhǎng)也會(huì)引起表面流度的降低從而延長(zhǎng)排液時(shí)間。然而，如果界面張力梯度很高，即使在低界面粘度下，液膜排液速度依然很慢，這說明在低表活劑濃度時(shí)，粘度不是影響泡沫穩(wěn)定性的主要因素，由于變形導(dǎo)致的界面梯度張力才是主要影響因素。界面張力梯度可以提高泡沫粘性，從而延長(zhǎng)排液時(shí)間，這是因?yàn)閺埩μ荻犬a(chǎn)生了一個(gè)更大的液膜壓力從而阻礙了薄膜表面附近的液體流動(dòng)[4]。對(duì)于建立穩(wěn)定泡膜界面而言，最重要的動(dòng)力學(xué)表面特性無非就是界面膨脹彈性，圖4所示，即為泡沫穩(wěn)定性（泡沫壽命），還有起泡性（初始泡沫高度）這兩者與膨脹彈性的函數(shù)關(guān)系圖。

3 高表活劑濃度時(shí)的泡沫穩(wěn)定機(jī)理

濃度高于CMC時(shí)，泡沫穩(wěn)定性隨表活劑濃度增加而增加。這個(gè)增長(zhǎng)的原因是另一種穩(wěn)定機(jī)理：膠團(tuán)締合分層。在工業(yè)體系中，表活劑溶液的濃度通常是高于CMC的，因此這個(gè)機(jī)理從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的角度上來說很重要[5]。表活劑濃度很高時(shí)，泡膜會(huì)逐漸變薄，表活劑溶液形成的薄泡膜在薄化時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出一定的亞穩(wěn)態(tài)直到達(dá)到平衡液膜厚度[6]。這個(gè)過程如圖5所示，該圖是一個(gè)乙氧基醇非離子表活劑溶液形成的水平液膜光電流-時(shí)間圖表。

液膜一形成，就開始變薄，當(dāng)膜的厚度小于104 nm時(shí)，膜厚開始逐步變化。液膜處于亞穩(wěn)均勻態(tài)一小段時(shí)間。然后出現(xiàn)比現(xiàn)有膜更薄的黑斑并且逐步增大。黑斑最終覆蓋整個(gè)液膜并且液膜處于一個(gè)新的亞穩(wěn)態(tài)。然后，更小的黑斑出現(xiàn)，之后擴(kuò)張，又產(chǎn)生一個(gè)新的亞穩(wěn)態(tài)[7]。這個(gè)過程不斷重復(fù)，直到液膜最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)。干涉圖中液膜的亞穩(wěn)態(tài)的階梯寬度與每個(gè)亞穩(wěn)態(tài)階段的泡沫壽命一一成比例。階梯高度是相等的，與膠團(tuán)直徑對(duì)應(yīng)，大約10 nm。分層現(xiàn)象實(shí)際是逐層液膜內(nèi)締合膠團(tuán)和膠體粒子的薄化。由于液膜體積有限，膠團(tuán)通過屏蔽靜電排斥來相互作用。液膜分層是一個(gè)普遍現(xiàn)象，這個(gè)現(xiàn)象是因?yàn)榕菽ぶ谐霈F(xiàn)長(zhǎng)鏈晶狀膠體還有就是因?yàn)槟z團(tuán)的逐層薄化。由于帶電布朗粒子間相互排斥作用，使得帶電粒子進(jìn)入液膜內(nèi)部的不流動(dòng)區(qū)域，從而產(chǎn)生了這種締合分層的現(xiàn)象。薄膜中形成長(zhǎng)鏈締合膠體，這個(gè)機(jī)理在抑制液膜排液方面有明顯的理論意義和實(shí)際應(yīng)用意義，含有分層液膜的分散相，其流變性會(huì)發(fā)生變化，分層泡膜粘度要高于純?nèi)軇﹥?nèi)泡膜粘度[8]。圖6所示的照片是一個(gè)水基泡沫體系，該體系的穩(wěn)定性由于泡沫夾層間發(fā)生分層現(xiàn)象而增加，這也證明了實(shí)際泡沫中存在膠團(tuán)締合分層。含有膠團(tuán)分層液膜的泡沫壽命更長(zhǎng)，穩(wěn)定性更好。

4 結(jié) 論

通過閱讀大量文獻(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)，了解了關(guān)于活性劑，原油，泡沫三相之間的相互關(guān)系和作用，我們可以得出下面一些結(jié)論。

泡沫穩(wěn)定性機(jī)理與表活劑濃度有密切關(guān)系，且這個(gè)濃度的分界點(diǎn)通常就是臨界膠束濃度（CMC），表活劑濃度低于CMC時(shí)，達(dá)不到在溶液中形成膠團(tuán)的濃度，此時(shí)，諸如表面張力效應(yīng)（馬拉格尼效應(yīng)），界面粘彈性等界面流變學(xué)因素是影響泡沫穩(wěn)定的關(guān)鍵，但這些因素中最重要的就是界面張力。當(dāng)表活劑濃度高于CMC時(shí)，由于表活劑分子將在溶液中從單個(gè)離子狀態(tài)締合成“膠態(tài)聚集體”，也就是膠團(tuán)。而膠團(tuán)相互間會(huì)發(fā)生締合分層，從而起到穩(wěn)定液膜的作用。

本文基于一些學(xué)者的實(shí)驗(yàn)和觀點(diǎn)，主要闡述了表面活性劑（起泡劑）濃度對(duì)于泡沫穩(wěn)定性的影響，但還有很多問題仍需在未來逐步研究解決，例如上述結(jié)論都是建立在泡沫穩(wěn)定性是基于液膜排液理論還有氣體擴(kuò)散理論這個(gè)大前提的，但如今也有學(xué)者質(zhì)疑這兩個(gè)理論是否是泡沫穩(wěn)定性理論的全部。地層條件內(nèi)泡沫的穩(wěn)定機(jī)理是極其復(fù)雜的，還有許多因素的影響，例如溫度，壓力，電解質(zhì)含量等。所以，未來對(duì)于泡沫在地層中穩(wěn)定機(jī)理的研究仍應(yīng)在結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，考慮多因素復(fù)雜影響的條件下進(jìn)行，需要將泡沫類型，表活劑類別，原油性質(zhì)，地層條件這些因素進(jìn)行細(xì)分，綜合考量，進(jìn)一步探索出更具體，對(duì)應(yīng)性更強(qiáng)的穩(wěn)定機(jī)理。

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