阴离子型泡排剂起泡过程研究方法

邓 强 宁 阳 王晓玲 徐敬芳 陈 刚西安石油大学化学化工学院

阴离子型泡排剂起泡过程研究方法

邓 强 宁 阳 王晓玲 徐敬芳 陈 刚
西安石油大学化学化工学院

注表面活性剂溶液泡沫排水是天然气在开采过程中的常用措施，其起泡性能对于天然气的开采至关重要。在泡沫排水模拟装置上以α-烯烃磺酸盐为例，考察了浓度、流量为参数，探讨了室温下的起泡过程，建立了室温下的模拟起泡动力学方程。采用单因素研究方法，逐一确定动力学方程的参数，最终得到模拟起泡动力学方程。这为该类表面活性剂起泡过程的研究提供了一种可行的方法。

泡沫排水 α-烯烃磺酸盐 起泡 动力学

天然气在开采过程中，随着地层能量的衰减，地层水不能随气流产出，井筒内出现积液，造成回压上升，使气井减产，严重时会使气井变为死井。采气生产中采取的措施是注表面活性剂溶液，进行泡沫排水，而表面活性剂的起泡能力和泡沫稳定性等性质会影响采气效果。因此，对泡沫排水剂起泡性能和动力学的研究有着重要的意义[1-4]。目前，国内在泡沫排水动力学方面研究较少，有研究者提出了普通泡沫的一级、二级、三级排液动力学方程，Save等又报道了“两段论”排液机理，但是这些起泡模型并没有完全结合天然气开采中的泡沫排水过程，因而对生产实践的指导意义不大[5-8]。本实验建立了泡沫排水的模型，以常用的阴离子表面活性剂α-烯烃磺酸盐为例，研究起泡动力学，建立动力学方程，为该类表面活性剂起泡过程的研究提供一种可行的方法，为泡排剂起泡和消泡提供必要的理论指导，使泡排剂筛选更加方便。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

α-烯烃磺酸盐(AOS)，中轻化工责任有限公司；发泡仪，陕西凯利化玻仪器有限公司；气体流量计，沈阳市北星流量仪表厂。

1.2 实验方法

(1) 配制质量分数为0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%的AOS溶液1 000 mL。

(2) 取0.10%(w)AOS溶液200 mL加入发泡管中，用超级恒温水浴控制温度在25 ℃，用高纯氮气鼓泡，分别测定氮气流量在20 mL/min、40 mL/min、60 mL/min、80 mL/min、100 mL/min时的起泡体积，每隔一定时间记一次。

(3) 10 min后停止鼓泡，重新计时，测定不同时间泡沫体积。

2 结果与讨论

2.1 建立起泡动力学方程

基于天然气开采过程中涉及的诸多因素(假设起泡过程中泡沫不消泡)[9-11]，假设在一定温度下起泡动力学方程为：

(1)

2.2 固定浓度和流量时的动力学方程

不同浓度下各流量起泡体积随时间的变化如图1～图5所示。

由图1～图5可知，在不同浓度和流量下，起泡体积随时间呈线性变化，即在浓度和流量相同的条件下，起泡过程为零级反应，即：

(2)

积分得:

v=k′t

(3)

当固定活性剂浓度和流量时，起泡体积随时间变化为线性关系，动力学方程体现为零级，说明假设的以浓度、流量为参数的起泡动力学方程是合理的。由图1～图5可知：浓度相同时，k′的值随流量的增大而增大；流量相同时，k′的值随浓度的增大而增大。

2.3 流量级数β值的确定

在浓度不变的情况下，分别取各流量t=5 min时的起泡体积对流量作lg(dv/du)随lgu变化图，得两组图：

(1)u<50 mL/min时，得图6～图10。

由图6～图10得出，当u<50 mL/min时，lg(dv/du)对lgu做图得到一条直线，即有公式：

lg(dv/du)=I+(β-1)lgu

(4)

表1 u<50mL/min时不同浓度下的β值Table1 βvaluesunderdifferentconcentrationswithu<50mL/minw/%0.100.150.200.250.30β1.65381.65421.63951.64811.6255

(2)u>50 mL/min时，得图11～图15。

表2 u>50mL/min时不同浓度下的β值Table2 βvaluesunderdifferentconcentrationswithu>50mL/minw/%0.100.150.200.250.30β2.29542.31412.28472.30202.2565

2.4 浓度级数α值的确定

在流量不变的情况下，分别取各浓度t=5 min时的起泡体积对浓度作图，得图16～图20。由图16～图20可知，在流量不变的情况下，相同时间起泡体积随浓度变化图为直线，说明体积对浓度为一级反应，即α=1。

2.5 反应速率常数k0值的确定

由以上讨论得出，当u<50 mL/min时，起泡动力学方程为：

(5)

当u>50 mL/min时，起泡动力学方程为：

(6)

根据图1～图5体积与时间的关系以及上述推论，计算得表3所示k0值。由表3可见：相同流量下，k0值随浓度增大而减小，至质量分数为0.25%以上，变化不显著；相同浓度下，k0值随流量增大而减小，至60 mL/min以上，变化不显著。这可能是因为起泡过程比较复杂，不仅只与浓度和流量有关。

表3 不同浓度不同流量下k0值Table3 k0withdifferentconcentrationandflowu/(mL·min-1)w/%0.100.150.200.250.3020117.390.879.674.870.240113.452.640.134.731.8605.22.52.01.71.5803.51.81.41.21.01002.71.61.21.00.9

3 结 论

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A study method of the foaming kinetics of an-ionic foaming agent

Deng Qiang, Ning Yang, Wang Xiaoling, Xu Jingfang, Chen Gang
CollegeofChemistryandChemicalEngineering,Xi’anShiyouUniversity,Xi’an,Shannxi,China

Surfactant solution foam drainage is commonly used in the process of natural gas production, so the foaming effect is vital for the exploitation of natural gas. As an example, the foaming process of sodium α-olefin sulfonate was discussed at room temperature with the parameters of foam concentration and flow rate by using a drainage simulator. Then a bubble dynamics equation was established. Using single factor research method, the kinetic equation parameters were determined one by one, finally the blistering kinetic equation was confirmed. This work provides a feasible method for the research of surfactant foaming process.

foam drainage, sodium α-olefin sulfonate, foaming, dynamics

西安石油大学优秀学位论文培育项目(2015YP140709)。

陈刚，教授，研究方向为绿色油气田化学品与工艺。E-mail: gangchen@xsyu.edu.cn

TE357.46+2

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.02.015

2016-06-27；编辑：冯学军