(東北石油大學(xué)石油工程大學(xué),江蘇南京)摘要闡述了氣溫對泡沫衰變過程,對泡沫表原液性質(zhì)(包括表面吸附、效應(yīng)、表面彈性和表面黏度)和對表面活性劑堿液的影響。推論是:高溫時,主要是二氧化碳擴散;低溫時,泡沫破滅由頂端開始,泡沫容積隨時間延長而有規(guī)律地降低;隨氣溫下降,吸附量降低,分子獨占面積減小,表面黏度增加,效應(yīng)作用減小,表面彈性增加,造成泡沫穩(wěn)定性增加;(3)隨氣溫下降,泡沫體系的表面張力降低,有利于泡沫的穩(wěn)定性增強此時表面張力不是影響泡沫穩(wěn)定性的主導(dǎo)誘因。另外,氣溫下降,堿液黏度增加,排液速度推進,泡沫穩(wěn)定性增長。關(guān)鍵詞泡沫穩(wěn)定性體溫表原液性質(zhì)表面張力中圖分類號:TE242.文獻標(biāo)示碼:A泡沫在現(xiàn)場循環(huán)過程中,在井下不同深度處其體溫是變化的。因而,有必要考慮濕度對泡沫穩(wěn)定性的影響。按照Gibbs原理,體系總是趨于于較低的表面能狀態(tài),而當(dāng)體溫下降時,分子運動激化,造成泡沫體系能量下降,泡沫穩(wěn)定性增長。氣溫對泡沫衰變過程的影響高溫和低溫下的泡沫衰變過程不同:高溫下,泡沫排液使泡膜達到一定長度時,就呈現(xiàn)亞穩(wěn)狀態(tài),其衰變過程主要是二氧化碳擴散;低溫下,泡沫破滅由頂端開始,泡沫容積隨時間延長而有規(guī)律地降低。
其緣由是最前面的泡膜兩側(cè)總是向下凸的分子熱運動和溫度的關(guān)系,因為表原液性質(zhì)增長,這些彎曲膜對蒸發(fā)作用很敏感,氣溫越高蒸發(fā)越快,膜變薄到一定程度,就自行破滅。因而,多數(shù)泡沫在低溫下是不穩(wěn)定的,圖1表明泡沫穩(wěn)定性隨氣溫下降而升高。1排液半衰期與濕度的關(guān)系2氣溫對表原液性質(zhì)的影響表原液的性質(zhì)對泡沫穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。表原液的性質(zhì)主要有液膜的硬度、粘度和彈性。下邊討論表面吸附、表面黏度、效應(yīng)、表面彈性隨氣溫下降而形成的變化,從而影響泡沫的穩(wěn)定性。表面吸附21111吸附量從吸附熱力學(xué)角度考慮分子熱運動和溫度的關(guān)系,在給定的氣溫下,吸附都是自發(fā)進行的,所以吸附過程的表面自由能變化大于并且對于多數(shù)表面活性劑分子被吸附在堿液表面時,活性劑分子由原先的三維空間中運動,轉(zhuǎn)變?yōu)槎S空間運動,混亂度增加,則過程的熵變大于0;依據(jù)熱力學(xué)公式G=TS,必然吸附熱大于0,即等溫吸附過程是吸熱過程。因而,隨氣溫下降吸附遇阻,造成吸附量降低。在高溫下,活性劑分子的極性基之間存在抵觸作用致使吸附分子保持一定的分子獨占面積。在低溫下,不僅這些抵觸作用外,因氣溫下降而使分子熱運動激化,勢必降低分子的獨占面積,使吸附一般存在一極限值,叫做極限吸附量。
極限吸附量的大小是測度表面活性劑吸附能力的重要參數(shù)。氣溫對離子型表面活性劑吸附量的影響。第一作者簡介年生,流體熱學(xué)專業(yè)在讀碩士研究生,從事泡沫流體熱學(xué)方向的研究。地址河北省成都市東北石油大學(xué)石油工程大學(xué);郵政編碼影響離子型表面活性劑極限吸附量的主要誘因是電性敵視和分子規(guī)格。電性抵觸不會因氣溫下降而減小,而分子熱運動會隨氣溫下降而提高,致使吸附量有所增長。表列舉的一些數(shù)據(jù)表明了極限吸附量和平均分子面積隨氣溫下降的變化情況。1氣溫對離子型表面活性劑堿液表面吸附量的影響表面活性劑氣溫極限吸附量μmol平均分子面積水堿液)十烷磺酸鈉NaCl水堿液)十烷磺酸鈉(水堿液)氣溫對非離子型表面活性劑吸附量的影響。氣溫下降對聚氧乙烯類表面活性劑極限吸附量影響不大。報導(dǎo)在較低含量時,非離子型表面活性劑水堿液的-隨氣溫上升而變大,等在研究癸醇六聚氧乙腈的性質(zhì)時也得到同樣規(guī)律。21112吸附層結(jié)構(gòu)可看出,表面活性劑分子的極限吸附量隨氣溫下降而減少,平均分子面積隨氣溫下降而降低。
可以推測出吸附層的表面吸附分子排列的緊密度與堅固性隨氣溫下降而減少;且分子間的互相作用,因分子熱運動的降低而增加,則表鼻貼的硬度增加。另外吸附層分子的這些松散性能夠使吸附層下邊毗鄰堿液排液速度減小,二氧化碳的透過性降低,因而增加泡沫的穩(wěn)定性。21113堿液表面的吸附速率通常覺得吸附速率主要決定于溶質(zhì)分子自堿液內(nèi)部到表面的擴散。在不攪拌及無“能壘”的情況下,分子達到表面的速率為:為遠離表面的氨水內(nèi)部含量;n為在時間數(shù);π為圓周率;NA并未考慮脫附,僅能適用于吸附的起始階段。考慮了吸附分子脫附因子,對此理論進行整修,得出一個完全的公式:為鄰近在吸附膜下邊的氨水中溶質(zhì)隨時間改變的含量。從式(3)可知,當(dāng)含量c與時間定,氣溫下降,吸附達到新的吸附平衡時,堿液表面的吸附速率主要決定于體相中的擴散系數(shù)D大,則吸附速率降低。效應(yīng)該液膜受某種外力的影響局部擴張時,將形成個后果:液膜變薄;活性劑表面含量局部增加,膜硬度增長,造成變型區(qū)周圍吸附膜中的表面活性劑分子向此處遷移,并因親水作用攜帶水份子流向此處,使液膜增厚,形成液膜的自修補功能,稱作效應(yīng)。
它使泡沫具有了一定的穩(wěn)定性。對于此種效應(yīng),表面活性劑分子的補齊有不同的途徑:自低表面張力的區(qū)域遷移吸附分子至高表面張力區(qū)域;堿液內(nèi)的表面活性劑分子直接吸附至表面。若前者的作用越大(即吸附分子的補齊由這一途徑提供的越多),盡管表面含量局部增加區(qū)域的表面張力和吸附分子的密度可復(fù)原,但變薄的液膜并未恢復(fù)到原先的長度(因這一途徑無遷移水份子),液膜的硬度越差,泡沫的穩(wěn)定性越差。因為液膜的長度比寬度小得多,液膜沿垂直方向構(gòu)建平衡比沿水平方向快得多;且氣溫下降,堿液表面的吸附速率減小,親水基的親水作用減小,所以隨氣溫下降效應(yīng)的作用減少,因而泡沫的穩(wěn)定性增加。213表面彈性Gibbs用彈性撓度E來表示表面彈性:2dγdA/E越大,液膜的自愈能力越強,泡沫越穩(wěn)定。應(yīng)用熱力學(xué)第一定理和第二定理于兩相平衡體系,設(shè)體系在此過程中除膨脹功、化學(xué)功外還有表面為組分的物理勢;γ為表面自由能。依據(jù)的定義,可得出過程函數(shù)的改變值為:dFPdV+γ由此可得:TS),它包括表面產(chǎn)生過程中體系功的方式和以熱的方式得到的能量,上式右方第二項代表熱效應(yīng),因為氣溫下降對于堿液的〔n便總是正值,說明恒溫恒容下擴大膜的面積的過程是放熱過程。
則體溫下降,推動膜面積的擴大,即膜面積減小。又由于水溫下降表面張力γ減少,所以彈性撓度E隨氣溫下降而減少,液膜的自愈能力增長,泡沫穩(wěn)定性增加。214表面黏度表面黏度是指液體表面單分子層內(nèi)的黏度。該黏度主要是表面活性劑分子在其表面單分子層內(nèi)的親水作用及水化作用形成的。隨氣溫下降,親水側(cè)鏈之間的互相作用減小;同時分子熱運動的激化,致使活性劑禁錮的流動性差的水份子漸漸弄成流動性強的自由水份子。非常是對通常非離子型表面活性劑,濕度的降低使其親水基(大多是聚氧乙烯)化度降低,因而增加了表面活性劑的親水性,造成表面黏度增加,排液速度推進,泡沫穩(wěn)定性增長。氣溫對表面活性劑堿液的影響311表面張力隨氣溫下降,堿液的表面張力通常還會升高。其主要誘因是:隨氣溫下降液體的飽和蒸氣壓減小,液相短發(fā)子密度降低,因而液相分子對表面分子的吸引力降低;反之氣溫下降會使固相的容積膨脹,液相分子寬度減小,分子間互相作用減小。這兩種效應(yīng)均使液體的表面張力降低。關(guān)于液體表面張力和濕度的關(guān)系式,目前主要采用一些經(jīng)驗公式。常用的是的經(jīng)驗公式為摩爾質(zhì)量;ρ為液體密度。低表面張力可使泡沫體系能量增加,有利于泡沫的穩(wěn)定性。
但因為在低溫下,表原液的性質(zhì)增長很大,因而,此時表面張力不是影響泡沫穩(wěn)定性的主導(dǎo)誘因,僅是一輔助誘因。312堿液黏度氣溫下降時,堿液膨脹,分子間的寬度減小,同時分子運動激化,造成分子間的斥力減小,水化程度增加;且表面活性劑分子排列不緊密,則堿液黏度增加,排液速度推進,泡沫穩(wěn)定性增長。綜上所述,通常泡沫隨氣溫下降穩(wěn)定性增長。但有少數(shù)泡沫卻隨氣溫下降穩(wěn)定性降低。緣由是起泡劑溶化度隨氣溫下降而減小。Maini發(fā)覺分子量為470的AOS,在150時泡沫半衰期比100AOS的溶化度較小,在水底呈分散狀態(tài);在150,其溶化度降低,大大提升了泡沫的穩(wěn)定性。4推論11在高溫和低溫下,泡沫的衰變過程不同。低溫時,主要是二氧化碳擴散;低溫時,泡沫破滅由頂端開始,泡沫容積隨時間下降而有規(guī)律地降低。21氣溫的變化對表鼻貼的性質(zhì)影響很大。隨氣溫下降,吸附量降低,分子獨占面積減小,表面粘度增加,效應(yīng)作用減小,表面彈性增加即表鼻貼的性質(zhì)增長,造成泡沫穩(wěn)定性增加。31隨氣溫下降,泡沫體系的表面張力降低,利于泡沫的穩(wěn)定性的提升,并且此時表面張力不是影響泡沫穩(wěn)定性的主導(dǎo)誘因。
另外氣溫下降,堿液黏度增加,排液速度推進,造成泡沫穩(wěn)定性增長。參考文泡沫穩(wěn)定性綜述.鉆探液與鉆井液,1992謝劍耀,樊世忠.泡沫穩(wěn)定性.油田物理,1988,(1):56～63馬寶岐,孫風(fēng)順.單相泡沫特點的研究.鉆探液與鉆井田物理,1991周馬山.泡沫性能研究.油田物理,1989趙國璽,等,著.表面活性劑作用原理.中國輕工業(yè)出版