低碳醇对低质量分数α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的影响
2015-09-22陈泽华赵修太
陈泽华,赵修太
(中国石油大学石油工程学院,山东青岛266580)
低碳醇对低质量分数α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的影响
陈泽华,赵修太
(中国石油大学石油工程学院,山东青岛266580)
低碳醇因为与表面活性剂有很好的协同效应,经常被用作表面活性剂的助剂。考察了低碳醇对低质量分数α-烯烃磺酸钠溶液(以0.02%为例)泡沫性能的影响。结果表明,高质量分数(0.2%)α-烯烃磺酸钠溶液与低碳醇协同效应不明显;低质量分数(0.02%)α-烯烃磺酸钠溶液与异丙醇、正丁醇和异戊醇有明显的协同效应,即这3种醇能大幅度增加低质量分数α-烯烃磺酸钠溶液的泡沫性能,且随醇碳数增加,低碳醇增加α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的幅度越大;但甲醇和乙醇基本不能增强低质量分数α-烯烃磺酸钠溶液的泡沫性能。高NaCl和高CaCl2质量分数下,低质量分数α-烯烃磺酸钠溶液的泡沫性能很差,而异戊醇能大幅度提高其泡沫性能,且随异戊醇质量分数增加,增效作用增强。
低碳醇;α-烯烃磺酸钠溶液;泡沫性能;协同效应
醇作为表面活性剂的助剂广泛应用于油田钻采领域,以往的研究表明,合适的表面活性剂/醇体系可以将油水界面张力降至超低[1],醇可以大幅度降低溶液的表面张力[2-4],低碳醇可以在一定程度上提高表面活性剂溶液的泡沫性能[5]、乳化能力[6-7]和乳化稳定性[8]。也有研究表明,醇可以增加纤维素类聚合物的黏度[9]。醇耐温耐盐耐剪切,不污染地层,没有不可及孔隙体积,稳定性好,成本较低,作为助剂有很多其他化学剂无可比拟的优点。泡沫在油田钻采领域具有很好的应用前景[10-14],为了增加泡沫稳定性,通常需要在起泡液中加入助剂。起泡体系中常用的助剂是聚合物,起稳泡作用,但聚合物的加入经常降低起泡剂的起泡能力[15],而且聚合物有较强的盐敏效应[16]。根据矿场经验,醇可以作为起泡剂的一种助剂。本文考察了低碳醇对α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的影响,以期为起泡剂及表面活性剂在油田钻采中的应用提供思路。
1 实验
1.1仪器和药品
仪器包括Waring Blender搅拌机、精密天平、秒表、烧杯、玻璃棒、量筒。
药品包括α-烯烃磺酸钠(碳数为14~16,工业品,其中以Na2SO4计算的无机盐含量小于5%);NaCl,CaCl2、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、异戊醇均为分析纯。
1.2实验方法
采用搅拌法评价起泡体系的泡沫性能,实验时先向搅拌杯中加入200 mL起泡体系,之后在室温下以3 000 r/min的转速搅拌起泡体系60 s,然后迅速将泡沫倒入1 000 mL的量筒中,记录开始时量筒内的泡沫体积(起泡体积);最后利用秒表记录泡沫中析出100 mL溶液所用的时间,即析液半衰期。本研究采用起泡体积来衡量溶液的起泡能力,采用析液半衰期来衡量泡沫的稳定性,其中起泡体积越大,溶液起泡能力越强;析液半衰期越长,泡沫稳定性越好。
2 结果与讨论
(1)异戊醇对不同质量分数α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的影响为方便对比,首先测定了不同质量分数α-烯烃磺酸钠溶液的起泡体积和析液半衰期(表1)。从表1可以看出,当α-烯烃磺酸钠溶液质量分数小于0.10%时,起泡体积和析液半衰期随α-烯烃磺酸钠溶液质量分数的增加而增加,在α-烯烃磺酸钠溶液质量分数为0.10%时基本达到最大,再继续增加α-烯烃磺酸钠溶液的质量分数,泡沫性能变化不大,说明这时多余的α-烯烃磺酸钠在溶液中形成胶束。在α-烯烃磺酸钠溶液的质量分数为0.04%时,α-烯烃磺酸钠溶液的表面张力基本达到最低;再继续增加α-烯烃磺酸钠溶液的质量分数,其表面张力变化不大,这与文献[17]的结果是一致的。当α-烯烃磺酸钠溶液质量分数为0.20%时,加入不同质量分数的异戊醇,对α-烯烃磺酸钠溶液的泡沫性能影响不大,原因可能是加入的异戊醇大多增溶在α-烯烃磺酸钠胶束中,不能充分发挥与α-烯烃磺酸钠的协同效应(表2)。但当α-烯烃磺酸钠溶液质量分数为0.02%时,加入异戊醇能大大增加α-烯烃磺酸钠溶液的起泡体积和析液半衰期(表2),且随加入的异戊醇质量分数的增加,α-烯烃磺酸钠溶液的起泡体积增大,达到最大值后有小幅度降低,其中α-烯烃磺酸钠溶液的起泡体积在异戊醇质量分数为0.02%时就能上升近60%.实验还发现,α-烯烃磺酸钠溶液中加入异戊醇对溶液表面张力基本没有影响(表面张力值为36.8~37.3 mN/m)。异戊醇增加α-烯烃磺酸钠起泡体积的原因可能是异戊醇吸附到溶液与空气之间的界面上,与表面活性剂组成界面膜,补充了用于起泡的α-烯烃磺酸钠量的不足,促使更多气泡的形成。析液半衰期随异戊醇质量分数增加先迅速增加,达到一定值后增加缓慢,加入0.02%的异戊醇就可以将析液半衰期翻倍。异戊醇分子能够插入α-烯烃磺酸钠分子之间,其碳链可以与α-烯烃磺酸钠的疏水链相互作用(相似相容原理,碳链之间相互吸引,使界面膜更紧密),使界面膜强度增加;同时,异戊醇分子插入α-烯烃磺酸钠分子之间后使α-烯烃磺酸钠头基之间斥力减小,界面膜上的分子排列更紧密,从而增加界面膜强度,使泡沫稳定性增加。
表1 不同质量分数的α-烯烃磺酸钠溶液起泡体积和析液半衰期
表2 不同质量分数的α-烯烃磺酸钠溶液的泡沫性能随异戊醇质量分数的变化
(2)不同低碳醇对低质量分数α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的影响为方便分析,将某溶液的起泡体积和析液半衰期的乘积除以10 000作为泡沫综合值,以综合值大小判断溶液的泡沫性能,综合值越大,说明溶液的泡沫性能越好。不同低碳醇对质量分数0.02%α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的影响结果见图1.从图1可以看出,当α-烯烃磺酸钠溶液质量分数为0.02%时,加入异丙醇、正丁醇和异戊醇能显著提高α-烯烃磺酸钠溶液的泡沫性能,增加α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的强弱顺序为异戊醇>正丁醇>异丙醇,其中质量分数0.02%的异戊醇可以将溶液的泡沫综合值提高到原来的3倍。如图1所示,泡沫综合值从不加醇时的0.76×10-3mL·s上升为加入0.02%异戊醇时的2.21×10-3mL·s,这是因为随醇碳数的增加,醇从水相吸附到气水界面的能力增强(随醇碳数增加,醇在水中的的溶解度减小,逃离水相吸附到界面的趋势增加)。同时,醇的碳链与α-烯烃磺酸钠疏水链相互作用增强(长碳链与α-烯烃磺酸钠疏水链的吸引作用更强),使形成的界面膜分子排列越紧密,因此越有利于溶液泡沫性能的提高。乙醇在低质量分数时可以小幅度降低α-烯烃磺酸钠溶液的泡沫性能,在高质量分数(>0.20%)时,可以小幅度地增加溶液的泡沫综合值;而甲醇的加入减小了溶液的泡沫综合值,这是因为甲醇和乙醇从水相吸附到气水界面的能力不强,同时甲醇和乙醇的碳链与α-烯烃磺酸钠疏水链的相互作用也不强。
图1 不同低碳醇对质量分数0.02%α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的影响
(3)加入无机盐时异戊醇对α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的影响金属阳离子会压缩阴离子表面活性剂的扩散双电层,进而影响表面活性剂的性质。表3为NaCl质量分数对质量分数0.02%α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的影响。可以看出,随NaCl质量分数的增加,α-烯烃磺酸钠溶液的起泡体积先缓慢上升,后缓慢降低,而析液半衰期随NaCl质量分数的升高先上升后较快下降。因此,NaCl对溶液析液半衰期的影响大于对起泡体积的影响。Na+可以压缩α-烯烃磺酸钠的扩散双电层,使α-烯烃磺酸钠亲油性增强,水溶性降低(头基水化能力减弱),头基带电减少,从而使α-烯烃磺酸钠分子之间的斥力减小,使泡沫稳定性减小。当NaCl质量分数不大于2%时,Na+对α-烯烃磺酸钠扩散双电层的压缩较弱,气泡之间的静电排斥较强,因此α-烯烃磺酸钠溶液的泡沫性能较好。随NaCl质量分数的增加,α-烯烃磺酸钠的表面活性降低,泡沫中气泡之间的电性排斥力减小,因此起泡体积和泡沫稳定性减小。当NaCl质量分数增加到6%时,析液半衰期从150 s降低到27 s.在体系6% NaCl+0.02%α-烯烃磺酸钠体系中加入异戊醇后能增加起泡体积和析液半衰期(表4),且在0~0.2%范围内,随异戊醇质量分数的增加,0.02%α-烯烃磺酸钠溶液的起泡体积和析液半衰期先迅速增加,在异戊醇质量分数达到0.10%后变化不大。异戊醇能提高高NaCl质量分数下α-烯烃磺酸钠溶液的泡沫性能,这是因为异戊醇除了有补充表面活性剂量的不足和增强界面膜强度的功能以外,还能调整水相极性(使水相极性降低),使α-烯烃磺酸钠在高矿化度下(α-烯烃磺酸钠此时具有较强的亲油性和较弱的亲水性)的溶解度增加。实验时发现往0.02%α-烯烃磺酸钠+ 6%NaCl体系中加入不同质量分数的异戊醇(其中不同比色管中异戊醇质量分数分别为0%,0.02%,0.05%,0.10%,0.20%),随异戊醇质量分数升高,溶液变得越澄清,即α-烯烃磺酸钠越能溶于水并电离出扩散双电层,增加α-烯烃磺酸钠分子的负电性(使气泡之间的斥力增加),所以越有利于质量分数0.02% α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的提高。
表3 NaCl质量分数对0.02%α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的影响
表4 异戊醇质量分数对0.02%α-烯烃磺酸钠+6% NaCl体系泡沫性能的影响
CaCl2对质量分数0.02%α-烯烃磺酸钠溶液的泡沫性能的影响见表5.从表5可以看出,随CaCl2质量分数增加,质量分数0.02%的α-烯烃磺酸钠溶液的析液半衰期降低,说明Ca2+强烈压缩了α-烯烃磺酸钠的扩散双电层,使α-烯烃磺酸钠的表面活性降低,并使其头基之间的斥力减小,气泡之间的排斥力过分减小,从而降低泡沫性能。而异戊醇的加入可以大大降低Ca2+对α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的不利影响(图2)。从图2可以看出,加入质量分数0.02%以上的异戊醇可以使质量分数0.02%α-烯烃磺酸钠溶液的泡沫综合值在不同质量分数CaCl2的存在下提高3倍以上,适当增加异戊醇质量分数可以大大削弱Ca2+对α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的不利影响,且随异戊醇质量分数的增加,其降低Ca2+对α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的不利影响的幅度越大。分析原因认为,一方面,异戊醇可以调整水的极性,增加α-烯烃磺酸钠在Ca2+存在时的溶解度,使α-烯烃磺酸钠头基斥力增加,从而增加气泡之间的排斥力;同时,异戊醇碳链与α-烯烃磺酸钠疏水链的相互作用增加了气液界面膜强度,从而增加泡沫稳定性;醇的这些作用增加了Ca2+存在时低质量分数α-烯烃磺酸钠溶液的泡沫综合值。
表5 CaCl2质量分数对0.02%α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的影响
图2 异戊醇质量分数对含有不同质量分数CaCl2的0.02%α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的影响
3 结论
(1)低碳醇的加入对高质量分数α-烯烃磺酸钠溶液的泡沫性能的影响不大,但能提高低质量分数α-烯烃磺酸钠溶液的泡沫性能,且从甲醇到异戊醇,低碳醇的增效作用依次变强。高质量分数的CaCl2和NaCl降低了α-烯烃磺酸钠溶液的泡沫性能,加入异戊醇可降低CaCl2和NaCl对α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能的不利影响。
(2)低碳醇提高α-烯烃磺酸钠溶液泡沫性能是因为低碳醇的碳链与α-烯烃磺酸钠疏水链的相互作用增强了气液界面膜强度,而且醇在气液界面的吸附补充了α-烯烃磺酸钠量的不足;异戊醇能够充分调整水相的极性,增加高矿化度下α-烯烃磺酸钠的溶解性,同时增加α-烯烃磺酸钠头基的负电性,从而提高低质量分数α-烯烃磺酸钠溶液在高矿化度下的泡沫性能。
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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
国家科技重大专项(2011ZX05002-005)
陈泽华(1988-),男,山东寿光人,硕士研究生,油田化学,(Tel)15275211632(E-mail)chenzehua1210@163.com.