CN103837649A - 起泡剂性能受浓度影响的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种起泡剂性能受浓度影响的测试方法，包括：（a）首先，将由起泡剂和催化剂组成的反应溶液倒入带有刻度的测试容器中；（b）然后，并加入不同质量分数的起泡剂；（c）将测试容器放入恒温水浴中，使用搅拌器搅拌反应溶液，同时记时；（d）当反应进行到60min时，停止搅拌，记录生成泡沫的半衰期、泡沫量的变化和泡沫携液量，从而分析出起泡剂性能受浓度的影响。本发明能快速测试出起泡剂性能受浓度的影响，且测试结果准确，测试步骤简单，大大降低了测试成本。

Description

起泡剂性能受浓度影响的测试方法

技术领域

本发明涉及一种起泡剂性能受浓度影响的测试方法。

背景技术

泡沫是不溶性(或微溶)气体分散于液体或熔融固体中形成的多相分散体系，其中液体是连续相(分散介质)，气体是非连续相(分散相)。泡沫具有很大的表面自由能，在破泡之后体系液体的总表面积大大减少，即能量降低，因而，它是一种热力学上的不稳定的体系，但在一定条件下，采取合适的措施，可以保持一定的稳定性。为了表征这种混合体系中相的状态，最常用的两种方法是卡扎科夫法和米切尔法。卡扎科夫采用泡沫倍数值Kf，当Kf﹤3.8时，这种混合体系被认为是液体中的气体乳化物，当Kf>3.8时为稳定泡沫。米切尔采用常温常压下的泡沫质量 QF 来描述，即泡沫中气体体积与泡沫总体积之比。当 QF=0～0.54 时，混合体系表现为牛顿流体；当QF=0.54～0.96时，表现为非牛顿流体；当QF>0.96时，泡沫变成雾。在实际应用中为了增加泡沫的稳定性，还需在溶液中加入起泡剂（表面活性剂）和稳泡剂等物质。

泡沫形成的前提条件是必须有气体和液体发生相互接触。而气体和液体的接触可通过三种途径达到：一是直接向液体中通入外来气体；二是利用气井内气流的搅动；三是溶液中的反应物在一定条件下发生反应产生不溶气体，从而达到目的。 

纯净的液体不能形成稳定的泡沫。例如纯水，只有加入肥皂或其它表面活性剂，才能形成泡沫。其它液体如乙醇、苯等，也不能形成泡沫。能形成稳定泡沫的液体，至少必须有两种以上的组分，表面活性剂水溶液是典型的易产生泡沫的体系，蛋白质以及其它一些水溶性高分子溶液也容易产生稳定持久的泡沫。

泡沫的稳定性是指泡沫生成后的持久性， 即泡沫的“寿命”长短。 液膜是否保持恒定，是泡沫稳定性的关键，这就要求液膜有一定强度，能对抗外界各种影响而保持不变。影响泡沫稳定性的主要因素，亦即影响液膜厚度和表面膜强度的因素比较复杂： 

（1）表面张力：泡沫生成时，随着液体表面积的增加，体系的能量也随着增加。当泡沫破坏时，体系的能量也就相应下降。但是，单纯的表面张力并不是影响泡沫稳定性的决定因素。从能量观点考虑，低表面张力有利于泡沫的形成，即生成相同总表面积的泡沫，可以少做功，但不能保证泡沫有较好的稳定性。只有当表面膜有一定强度、能形成多面体的泡沫时，低表面张力才有助于泡沫的稳定。液膜的交界处与平面膜之间的压差和表面张力成正比，表面张力低则压差小，因而排液速度较慢，液膜变薄较慢，有利于泡沫稳定。

（2）表面粘度：决定泡沫稳定性的关键因素在于膜的强度，而液膜强度主要决定于表面膜吸附的坚固性，在实验上即以表面粘度为其量度。 

表面粘度是指表面膜液体单分子层内的粘度。这种粘度主要是表面活性分子在其表面单分子层内的亲水基间相互作用及水化作用而产生的。 表面粘度越大， 膜的强度越大泡沫的稳定性也就越好。表面膜的强度与表面吸附分子间的相互作用有关，相互作用大者膜强度也大。一般高分子有机化合物由于分子量较大，分子间作用较强，故其水溶液所形成的泡沫稳定性也比较高。一般疏水基中分支较多的表面活性剂，其分子间作用比直链者差，因而溶液的表面粘度较小，泡沫的稳定性也较差。

（3）溶液的粘度：表面粘度大，则泡沫液膜往往不易破坏，这里有双重作用：一则增加液膜表面强度，另则使与液膜二表面膜临近的液体不易排出（因表面粘度大，表面临近液体也不易流动）。由此可见，若液体本身粘度较大，则液膜中的液体不易排出，液膜厚度变小的速度较慢，因而延缓了液膜破裂的时间，增加了泡沫的稳定性。但应注意，液体内部粘度仅为一辅助因素，若没有表面膜形成，则即使内部粘度再大，也不一定能形成稳定的泡沫。 

（4）表面张力的“修复”作用：当泡沫的液膜受外力冲击时，会发生局部变薄现象，变薄之处表面积增大，吸附的表面活性剂分子密度也减少，所以该处的表面张力升高。因此，表面活性剂分子力图向变薄部分迁移，使表面上吸附的分子恢复到原来的密度，表面张力又降低到原来的水平。在迁移过程中，活性剂分子还会携带邻近的薄层液体一起迁移，结果使变薄的液膜又变厚。这种表面张力的复原和液膜厚度的复原均导致液膜强度恢复，结果表现为泡沫具有良好的稳定性，此即所谓表面张力的“修复”作用，也就是所谓的Marangoni效应。

自能量的观点看，把液膜扩张时，在表面上将降低活性剂的浓度，并增大表面张力，这是一个需要做功的过程，进一步扩张就要做更大的功。而把液膜收缩时，虽然减少了表面能，但要增加表面吸附分子的浓度，这不利于自动收缩。液膜的这种抗表面扩张和抗收缩的能力，也只有在表面活性剂分子吸附于液膜时才会发生，纯液体是不具备这种修复性能的，所以不会形成稳定的泡沫。 

对于此种修复作用，应考虑到两种不同的过程。一为自低表面张力区域迁移活性剂分子至高表面张力区域的过程；另外则为溶液中的分子吸附至表面上的过程。此过程的结果亦可使冲击液膜的表面张力恢复至原值，同时恢复了表面吸附分子的密度。但若后一过程进行较快（吸附速度快） ，则在液膜扩张部分所缺少的吸附分子将大部分由吸附来补足，而不是通过表面迁移。于是，受冲击处的表面张力和吸附分子密度虽可复原，但变薄的液膜并未重新变厚（因无迁移分子带来溶液） 。这样的液膜，其强度显然较差，泡沫稳定性也因此较差。一般醇类水溶液的泡沫稳定性不高，即与醇自溶液中吸附于表面的速度较快有一定关系；而一般表面活性剂在浓度较低时（﹤cmc）的吸附速度则较慢，泡沫稳定性较高。表面活性剂溶液的浓度超过cmc 较多时，表面吸附速度较快，因此往往发现泡沫稳定性较低。

（5）气体通过液膜的扩散（液膜透气性）：新制备的泡沫其气泡大小是不均匀的。由于附加压力的结果，小泡中的气压比大泡中的气压大，所以小泡中的气体会扩散到大泡中去，结果是小泡逐渐变小以致消失，大泡逐渐变大。由于存在附加压力，最终所有气泡将全部消失。在这整个过程中液膜是依赖于气体穿过液膜能力大小而存在的，这就叫液膜的透气性。通常可以用液面上气泡半径与时间变化率作为衡量液膜透气性的标准。一般气泡透气性低的，其表面粘度就高，所形成的泡沫稳定性就好。 

（6）表面电荷的影响：如果泡沫液膜带有相同符号的电荷，液膜的两个表面将互相排斥，以防止液膜变薄乃至于破裂。离子型表面活性剂作为起泡剂时，由于表面吸附的结果，表面活性剂离子将富集于表面上。两个表面的电相斥作用开始显著起来，防止液膜进一步变薄。此种电相斥作用在液膜较厚时影响不大。溶液中电解质浓度较高时，扩散双电层压缩，电相斥作用减小，膜厚度变小，也会使其影响减小。

综合上述讨论可以看出，虽然影响泡沫稳定性的因素多种多样，但其中最重要的因素是表面膜的强度。对于表面活性剂作为起泡剂及稳泡剂的一般情况而言，表面吸附分子排列的紧密结实性为最重要的因素，即泡沫稳定性取决于表面吸附分子的表面结构和相互作用。表面吸附分子结构紧密、相互作用强时，不仅表面膜本身具有较大的强度，还能使表面层下面邻近溶液层不易流走（因表面粘度大） ，排液相对较困难，液膜厚度较易保持；此外，排列紧密的表面分子还能减少气体的透过性，从而增加泡沫的稳定性。

在油田上应用的起泡剂除了能较大地降低气—液界面的表面张力， HLB(亲憎平衡值)保持在 9～15 范围内外，还必须具备：①起泡能力强(即在相同情况下，生成的泡沫量多)；②形成的泡沫具有一定的稳定性，即泡沫不易破裂，半衰期长；③泡沫携液量大；④对地层条件(如：温度、矿化度和 pH 值等)有一定的适应能力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种起泡剂性能受浓度影响的测试方法，该方法能快速测试出起泡剂性能受浓度的影响，且测试结果准确，测试步骤简单，大大降低了测试成本。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种起泡剂性能受浓度影响的测试方法，包括以下步骤：

（a）首先，将由起泡剂和催化剂组成的反应溶液倒入带有刻度的测试容器中；

（b）然后，并加入不同质量分数的起泡剂；

（c）将测试容器放入恒温水浴中，使用搅拌器搅拌反应溶液，同时记时；

（d）当反应进行到60 min 时，停止搅拌，记录生成泡沫的半衰期、泡沫量的变化和泡沫携液量，从而分析出起泡剂性能受浓度的影响。

所述起泡剂的浓度为2 mol/L。

所述催化剂浓度为2%。

所述实验容器为大量筒。

所述搅拌速度为1000 r/min。

综上所述，本发明的有益效果是：能快速测试出起泡剂性能受浓度的影响，且测试结果准确，测试步骤简单，大大降低了测试成本。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例：

本发明涉及的一种起泡剂性能受浓度影响的测试方法，包括以下步骤：

（a）首先，将由起泡剂和催化剂组成的反应溶液倒入带有刻度的测试容器中；

（b）然后，并加入不同质量分数的起泡剂；

（c）将测试容器放入恒温水浴中，使用搅拌器搅拌反应溶液，同时记时；

（d）当反应进行到60 min 时，停止搅拌，记录生成泡沫的半衰期、泡沫量的变化和泡沫携液量，从而分析出起泡剂性能受浓度的影响。

所述起泡剂的浓度为2 mol/L。

所述催化剂浓度为2%。

所述实验容器为大量筒。

所述搅拌速度为1000 r/min。

测试时，将由浓度为2 mol/L（摩尔比为1：1）的产气剂和浓度为2%的催化剂组成的反应溶液50ml 倒入带有刻度的大量筒中，并加入不同质量分数的起泡剂，将量筒放入60℃的恒温水浴中，使用搅拌器在1000 r/min 的转速下搅拌反应溶液，同时记时。当反应进行到60 min 时，停止搅拌，记录生成泡沫的半衰期(min)、泡沫量(mL)的变化和泡沫携液量(mL)。

泡沫的半衰期（t1/2）是指生成泡沫的溶液析出一半所经历的时间。半衰期越长，泡沫中液体析出越慢，泡沫的稳定性越好。如果半衰期超过60min，停止搅拌后，泡沫量在一段时间内还会随时间的延长而增多，直至泡沫中的气泡变大破裂。这是由于停止搅拌后，溶液中还在继续发生氧化还原反应，不断产生氮气，使泡沫量增多。

由上述方法测得的结果如下表所示：

 

表中，达到半衰期时测定的泡沫量，是整个测定过程中的最大泡沫量。携液量是指反应溶液在半衰期时，变成泡沫的溶液量。由上表所示结果可知：在质量分数相同的条件下，LY-1 的起泡性和泡沫稳定性均优于十六烷基三甲基溴化铵。其原因是LY-1 属于复合的工业品，比起成分单一的十六烷基三甲基溴化铵，LY-1 中的各项成分具有协同作用，故更有利于泡沫的生成和稳定。一般应用表面活性剂时，其浓度要求大于临界胶束浓度（cmc），否则表面活性剂的性能会急剧下降而失效。所以，实验中还通过表面张力法粗略测定出LY-1 的cmc 约为

4.5g.L-1（即0.45%），由表知，当LY-1 的使用浓度为0.2%（＜cmc）时，其泡沫性能不是太理想，而当LY-1 的使用浓度达到1.0%（＞cmc）时，泡沫的各项性能均较理想，此时用量约是临界胶束浓度的2 倍。原因可能是因为本实验所采用的LY-1 为工业品，而非分析纯，其纯度不高，所以用量较cmc 要大些。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.起泡剂性能受浓度影响的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

（a）首先，将由起泡剂和催化剂组成的反应溶液倒入带有刻度的测试容器中；

（b）然后，并加入不同质量分数的起泡剂；

（c）将测试容器放入恒温水浴中，使用搅拌器搅拌反应溶液，同时记时；

（d）当反应进行到60 min 时，停止搅拌，记录生成泡沫的半衰期、泡沫量的变化和泡沫携液量，从而分析出起泡剂性能受浓度的影响。

2.根据权利要求1所述的起泡剂性能受浓度影响的测试方法，其特征在于，所述起泡剂的浓度为2 mol/L。

3.根据权利要求1所述的起泡剂性能受浓度影响的测试方法，其特征在于，所述催化剂浓度为2%。

4.根据权利要求1所述的起泡剂性能受浓度影响的测试方法，其特征在于，所述实验容器为大量筒。

5.根据权利要求1所述的起泡剂性能受浓度影响的测试方法，其特征在于，所述搅拌速度为1000 r/min。