复合表面活性剂体系绒囊泡的形成与稳定性研究①

易爱文 许 亮 杨永钊 曹岳成 高江江

(1.延长油田股份有限公司杏子川采油厂 2.延长油田股份有限公司开发部)

绒囊泡具有由气核、气液表面张力降低膜、高黏水层、高黏水层固定膜、水溶性改善膜、聚合物高分子和表面活性剂浓度过渡层构成的“一核两层三膜”结构[1]。

在研究可循环泡沫[2]、微泡[3]钻井液过程中发现，仿照细菌外观结构，可以开发出含绒囊结构的钻井液[4]，囊粒决定其封堵能力，囊层决定其流变性。本实验旨在利用表面活性剂配制出囊泡[5]，在囊泡基础上加入聚合物得到绒囊泡，然后研究聚合物的加入对体系黏度、表面张力以及粒径的影响。

1 实验部分

1.1 主要试剂及仪器

十二烷基硫酸钠(SLS)、聚乙烯醇(PVA)，国药集团化学试剂有限公司；十四烷基三甲基氯铵(TTAC)、十六烷基三甲基溴铵(CTAB)，厦门英诺威化工有限公司；十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，上海三浦化工有限公司；聚丙烯酰胺(PAM)，中国医药(集团)上海化学试剂公司。

UV-3300PC型分光光度计，上海美谱达仪器有限公司；B2-90PLUS型激光粒度仪，美国布鲁克海文仪器公司；MODEL ESB-V型表面张力仪，KYOWA SCIENTIFIC CO.,LTD。

1.2 实验方法

分别按1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2和9∶1的体积比将阴阳离子表面活性剂溶液混合，观察互配体系是否出现淡蓝色，确定合适体系并研究其基本性质。

2 结果与讨论

2.1 囊泡体系的确定

2.1.1囊泡体系的选择

以不同的体积比混合不同表面活性剂溶液后，形成了囊泡体系。图1为所复配体系的表观现象。

通过现象对比，淡蓝色较明显且无絮状物生成的(c)为合适的囊泡体系。

2.1.2SDBS和TTAC体系浓度的选择

以SDBS与TTAC不同体积比，分别在0.01 mol/L、0.02 mol/L、0.03 mol/L及0.04 mol/L时混合，可以很明显地看出不同的表观现象。

通过表观现象可知，合适的体系总浓度为0.02 mol/L。

2.2 SDBS/TTAC配比对体系性能的影响

2.2.1SDBS/TTAC配比对体系黏度、表面张力的影响

SDBS与TTAC的体积比分别为1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2及9∶1时，表面张力和黏度随体积比的变化情况见图3、图4。

由图3可知，体积比为5∶5、6∶4、7∶3的表面张力均比较小，说明这几个体积比的下表面分子受力较为均衡，使表面张力减小。由图4可知，在体积比为6∶4之前，黏度随体积比的变化不是很大，在体积比为6∶4时黏度达到最大值，之后黏度急剧减小。

2.2.2SDBS与TTAC体积比对体系粒径的影响

图5为SDBS与TTAC体积比分别为1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2及9∶1时，粒径随体积比的变化情况。

由图5可知，体积比在3∶7之前粒径变化较小，之后粒径变化较大，体积比为6∶4和7∶3时达到最大值。在绒囊形成体系研究中，根据绒囊的性质，选择粒径较大的作为研究对象，体积比为6∶4和7∶3是比较合适的研究体积比。

综上所述，实验方案为：选择十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和十四烷基三甲基氯化铵(TTAC)为绒囊形成体系，表面活性剂浓度均为0.02 mol/L，合适的SDBS与TTAC体积比为7∶3。

2.3 聚合物对体系性能的影响

2.3.1聚合物浓度对体系黏度的影响

加入不同体积比的聚丙烯酰胺和聚乙烯醇时体系黏度的变化见图6和图7。

由图6可知，在加入聚丙烯酰胺后，黏度随着聚合物浓度的增加而增加，聚丙烯酰胺的浓度越大，黏度越大，这是由于聚丙烯酰胺的加入使分子间的内摩擦力增加，从而增加了体系的黏度。由图7可知，加入聚乙烯醇后，随着体积比的不断变化，绒囊体系的黏度也发生了很大的变化；绒囊泡体系的黏度变化规律大致与加入聚丙烯酰胺的绒囊体系变化规律一致，不同之处在于加入聚乙烯醇后，绒囊体系的黏度变化程度大，即聚乙烯醇加入对增加绒囊体系的分子间内摩擦力更有利。

2.3.2聚合物浓度对体系表面张力的影响

加入不同浓度的聚丙烯酰胺和聚乙烯醇时体系表面张力的变化见图8和图9。

对比加入聚丙烯酰胺的绒囊体系，加入聚乙烯醇后，表面张力随聚合物浓度的增加而增大，大于未加入聚乙烯醇时的表面张力，这说明聚乙烯醇对于绒囊体系中表面分子的束缚力要小于聚丙烯酰胺。

2.3.3聚合物浓度对体系粒径的影响

加入不同浓度的聚合物后体系粒径的变化情况见图10。

由图10可知，随着聚合物浓度的增加，绒囊体系的粒径也随之增大。加入PVA时体系粒径增大的程度比加入PAM时的大。

2.4 绒囊体系的稳定性评价

2.4.1CaCl2、MgCl2对SDBS与TTAC体积比为7∶3时绒囊体系的表观影响

在图11的(a)、(b)中，A、B、C、D、E中分别加入了质量分数为0%、1%、2%、3%、4%的盐。由表观可以发现，随着盐浓度的增加，淡蓝色很快褪掉，进而出现白色絮状沉淀。

2.4.2CaCl2、MgCl2对绒囊体系黏度的影响

在绒囊体系中分别加入质量分数为0.5%、1%、2%、3%、4%、5%的CaCl2和MgCl2后，体系的黏度变化见图12和图13。

对比图12和图13可知，盐对绒囊体系的黏度影响是一致的，均为使体系的黏度减小，最后使黏度的大小趋于平衡。

2.4.3CaCl2、MgCl2对绒囊体系表面张力的影响

在绒囊体系中分别加入质量分数为0.5%、1%、2%、3%、4%、5%的CaCl2和MgCl2后，体系的表面张力变化见图14和图15。

由图14和图15可知，加入两种盐后体系表面张力的变化趋势一致；加入聚乙烯醇的SDBS/TTAC体系在加盐后表面张力大于加入聚丙烯酰胺SDBS/TTAC体系的表面张力，但是变化值不大，这说明加入聚乙烯醇的SDBS/TTAC体系更加稳定。

综上所述，两种盐均可使绒囊体系的表面张力增大，表明两种盐都破坏了绒囊体系表面分子的束缚力。

3 结 论

(1) 通过互配得到了囊泡合适的形成体系为：十四烷基三甲基氯化铵(TTAC)与十二烷基苯磺酸钠(SDBS)。

(2) 对SDBS∶TTAC体系配比性能的研究，得到表面活性剂的合适的总浓度应为0.02 mol/L，最优体积比为7∶3。

(3) 加入聚合物后，聚乙烯醇相对于聚丙烯酰胺更有利于增加绒囊体系的黏度；结合粒径图发现聚乙烯醇增加粒径的程度也比聚丙烯酰胺更大，而且聚乙烯醇的体系粒径分布均匀。

(4) 通过对加聚合物体系表面张力的研究，可知聚合物的加入使体系的表面张力减小，即聚合物对绒囊体系中表面分子束缚力有减小作用，且聚乙烯醇对减小表面分子的束缚力作用更强。

(5) CaCl2、MgCl2均对此绒囊泡体系有破坏作用， CaCl2对体系的破坏力更大。

参考文献

[1] 郭本广，孟尚志，孔令琛.绒囊工作液在煤层气勘探开发中的应用前[J]．资源与产业，2011，13(4)：17-21．

[2] 宫新军，陈建华，成效华.超低压易漏地层钻井液新技术[J]．石油钻探技术，1996(12)：61-62．

[3] 张振华.可循环微泡钻井液的研制及应用[J]．石油学报，2004， 25(6)：92-95．

[4] 郑力会，曹园，韩子轩.含绒囊结构的新型低密度钻井液[J] ．石油学报，2010，31(3)：490-493．

[5] 周文婷，徐晓明，蓝琴，等. 囊泡形成和破坏的动力学[J]．化学学报，2007，65(20)：2279-2284．