表面活性劑濃度對(duì)泡沫體系穩(wěn)定性的影響論文

　　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(guò)程，還分析了液膜的排液過(guò)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)

　　近年來(lái)，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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(méi)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)槠湟耗づ乓海瑘D2所示，即為液膜薄化階段的過(guò)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(guò)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(méi)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(shuō)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(wú)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(lái)說(shuō)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(guò)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(kāi)始變薄，當(dāng)膜的厚度小于104nm時(shí)，膜厚開(kāi)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(guò)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10nm。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(guò)屏蔽靜電排斥來(lái)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(guò)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(wèn)題仍需在未來(lái)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(lái)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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