吴轶君，孙 琳，蒲万芬

（1. 中国石油 川庆钻探工程有限公司 苏里格项目经理部，内蒙古 鄂尔多斯 017300；2. 西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500）

高温下高矿化度对泡沫性能的影响

吴轶君1，孙 琳2，蒲万芬2

（1. 中国石油 川庆钻探工程有限公司 苏里格项目经理部，内蒙古 鄂尔多斯 017300；2. 西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500）

考察了一价阳离子Na+和二价阳离子Ca2+，Mg2+对非离子起泡剂烷基糖苷（WT）、两性离子起泡剂甜菜碱（YX）泡沫性能的影响，测定了WT和YX的临界胶束浓度（CMC）及YX在含Ca2+，Mg2+溶液中的透射率，采用SEM表征了泡沫微观结构，分析了矿化度对泡沫稳定性的影响机理。表征结果显示，随矿化度增大，形成的泡沫液膜厚度和黏弹性均增加。实验结果表明，矿化度大于3×104mg/L时，随矿化度的增大，CMC降低，泡沫液膜厚度增加，包裹在液膜上的无机盐增多，泡沫稳定性增强，表现出一定的盐增效性；Na+主要通过改变泡沫体系的CMC和电荷作用来影响泡沫的稳定性，而Ca2+与Mg2+则是通过离子与离子之间的化学反应、水化作用及电荷作用共同影响泡沫的稳定性，Ca2+将与YX中阴离子基团反应生成不溶物，降低泡沫的起泡性与稳定性；Mg2+则对YX泡沫性能影响不大。

高矿化度；泡沫性能；临界胶束浓度；盐增效性；透射率

起泡剂通过与气体混合搅拌作用形成泡沫，既能在三次采油技术方面通过控制气液流度比，提高波及效率［1-3］，又能在排水采气工艺中通过降低液体在井筒中的滑脱损失来提高气井携液能力［4-6］，对提高原油采收率和保证天然气稳定生产有着重要意义。然而，近年来随着油气藏条件越来越苛刻，泡沫性能大大减弱［7-8］。随着温度和盐度的升高，表面活性剂结构、溶解性、聚集行为及在气/液表面的吸附能力等发生变化，这些变化都将影响泡沫的性能［9-10］。目前，对于中低温、中低矿化 度对起泡剂的泡沫性能影响的研究较为成熟［11-12］，但对高温高矿化度条件研究较少。

本工作考察了一价阳离子Na+和二价阳离子Ca2+，Mg2+对非离子起泡剂烷基糖苷（WT）、两性离子起泡剂甜菜碱（YX）泡沫性能的影响，测定了WT和YX的临界胶束浓度（CMC）及YX在含Ca2+，Mg2+溶液中的透射率，采用SEM表征了泡沫微观结构，分析了矿化度对泡沫稳定性的影响机理。

1 实验部分

1.1 实验试剂

WT（非离子型表面活性剂）、YX（两性离子表面活性剂）：有效浓度50%（x），中国日用化学工业研究院；NaCl，CaCl2，MgCl2：分析纯，成都科龙化工试剂厂。

1.2 实验方法

首先，计算配制不同矿化度模拟水所需NaCl，CaCl2，MgCl2质量，用电子天平称取相对应质量的NaCl，CaCl2，MgCl2并加入到去离子水中配制成不同矿化度的模拟水。然后，使用模拟水配制WT与YX含量分别为0.1%（w），0.2%（w），0.5%（w）的起泡剂溶液各100 mL。最后，将配制好的起泡剂溶液加热到90 ℃，搅拌转速为6 000 r/min搅拌1 min后，倒入预加热的量筒中，用保鲜膜密封，再放入90 ℃恒温箱中，记录泡沫的起泡体积和析液半衰期［13］来衡量泡沫性能。

2 结果与讨论

2.1 一价离子对泡沫稳定性能的影响

表1为Na+对WT泡沫性能的影响。由表1可知，随着矿化度的增加，起泡体积和析液半衰期呈现先减小后增大的趋势，在WT含量为0.5%（w）时，起泡体积的增加保持稳定。WT含量为0.1%（w）时，在矿化度为5×104mg/L时，起泡体积和析液半衰期最小，在矿化度大于15×104mg/L时，泡沫的析液半衰期大于清水时泡沫的析液半衰期，表现出稳泡作用；WT含量为0.2%（w）和0.5%（w）时，在矿化度大于10×104mg/L时，表现出稳泡作用。WT为非离子型表面活性剂，无机盐离子对它不存在静电作用，仅因为无机盐的水化作用，使表面活性剂疏水基团产生“盐析”或“盐溶”作用，从而影响胶束的形成［14-15］。

表1 Na+对WT泡沫性能的影响Table 1 Effects of Na+on the foaming properties of a non-ionic surfactant(WT)

表2为Na+对WT的CMC的影响。由表2可知，随矿化度的增大，表面活性剂的CMC先增大后减小。在相对低矿化度下，泡沫体系要充分起泡，需要的表面活性剂含量就更高，0.1%（w）与0.2%（w）体系的起泡体积随矿化度增大而减小；同时，此时形成的胶束比清水时要少，液膜机械强度和黏度下降，析液半衰期下降。在相对高矿化度下，CMC又逐渐减小，体系完全起泡需要的表面活性剂含量减少，形成的胶束增多，液膜机械强度和黏度增大，起泡体积和析液半衰期逐渐增大。WT含量为0.5%（w）时，因体系浓度本身较高，能满足体系充分起泡，随矿化度增大，起泡体积无明显变化。但比较清水和矿化度为10×104mg/L和20×104mg/L时的CMC值，发现清水的CMC较小，这与实验结果不一致。因此，认为在高矿化度下，非离子表面活性剂的泡沫性能不只由CMC决定。

表2 Na+对WT的CMC的影响Table 2 Effect of Na+on the critical micelle concentration(CMC) of WT

表3为Na+对YX泡沫性能的影响。由表3可知，YX的起泡体积在Na+含量较低时无变化；当矿化度大于5×104mg/L时，随矿化度的增加，起泡体积有小幅度的降低；而析液半衰期一直呈现逐渐增大的趋势。起泡剂YX为两性离子表面活性剂，同时带有正电荷和负电荷，胶束的形成主要是由无机盐离子屏蔽表面活性剂的极性基团电荷，压缩双电层，降低电荷密度而引起的。

表3 Na+对YX泡沫性能的影响Table 3 Effects of Na+on the foaming properties of a zwitterionic surfactant(YX)

但由于YX本身呈电中性，Na+对它的聚集行为影响较小，因此CMC变化较小。表4为Na+含量对YX的CMC的影响。由表4可知，虽然在相对低矿化度下，由于CMC升高，在一定程度上会降低泡沫起泡性，但无机盐反离子的静电吸引作用，使气/液表面的表面活性剂分子排列更紧密，因此，总体上，起泡体积无变化。同时，因YX为离子型表面活性剂，在相对较低的矿化度下，能形成双电层液膜，随着泡沫液膜变薄，双电层液膜间由于静电斥力可阻碍液膜变薄，提高泡沫的稳定性；而在相对高矿化度下，双电层几乎不存在，静电作用不明显，泡沫因体系的CMC减小，析液半衰期增大。

表4 Na+对YX的CMC的影响Table 4 Effect of Na+on the CMC of YX

2.2 二价离子对泡沫稳定性能的影响

2.2.1 Ca2+对泡沫性能的影响

图1为Ca2+对WT和YX泡沫性能的影响。由图1可知，随Ca2+含量的增大，WT的起泡性和稳定性变化不大，YX的起泡性和稳定性呈减弱趋势。对于非离子型表面活性剂WT，加入二价阳离子，表面活性剂WT与二价阳离子不发生静电作用，所以体系的起泡性能和稳定性变化不明显。

图2为YX的透射率随Ca2+含量的变化关系曲线。

图1 Ca2+对WT和YX泡沫性能的影响Fig.1 Effects of Ca2+on the foaming properties of WT and YX.

图2 YX透射率随Ca2+含量变化的曲线Fig.2 Effect of Ca2+content on the transmittance of YX.

由图2可知，随着Ca2+含量的增加，YX体系的透射率降低，表明Ca2+与体系中的阴离子基团作用，生成物的溶解性降低，表面活性剂有效浓度降低，泡沫的起泡性和稳定性下降。

2.2.2 Mg2+对泡沫性能的影响

不同的高价阳离子对表面活性剂影响不同［16］。这是因为，高价阳离子对表面活性剂的影响主要是和表面活性剂中离子基团反应生成了不溶物。但不是任何阴离子基团都会与各种高价阳离子反应，而且不同高价阳离子对表面活性剂的作用强度不同，水化能力也不同，因此，对泡沫的稳定性影响也不同。

图3为Mg2+对泡沫性能的影响。由图3可知，随着Mg2+含量的增大，WT和YX的起泡体积和析液半衰期都无明显的变化，Mg2+对WT和YX体系的泡沫性能影响都较小。

图4为YX透射率随Mg2+含量变化关系曲线。由图4可知，Mg2+含量的增加，对YX体系的透射率无明显影响，说明YX与Mg2+作用较弱，未生成不溶于水的沉淀物，表面活性剂有效浓度几乎不变，因此，起泡体积和析液半衰期无明显变化。

图3 Mg2+对WT和YX泡沫性能的影响Fig.3 Effects of Mg2+on the foaming properties of WT and YX.

图4 YX透射率随Mg2+含量变化的曲线Fig.4 Effect of Mg2+content on the transmittance of YX.

综上所述，Ca2+与Mg2+对YX泡沫性能的影响不同。一方面，YX中存在易与Ca2+反应而不与Mg2+反应的离子基团，添加Ca2+降低了YX有效浓度，不利于泡沫的生成和稳定。另一方面，Mg2+的水化作用较Ca2+的作用强［17］；同时，由于静电作用，无机盐反离子被吸附在表面活性剂离子附近，他们之间的相互作用，导致各自的水化层遭到破坏，而Ca2+与表面活性剂极性头基作用强于Mg2+，去表面活性剂水化能力强于Mg2+。因此，添加CaCl2的体系比添加MgCl2的体系中含有的水化水少［18］。水化水越多，越有利于泡沫的稳定，因为受水化作用力的束缚，水化水运移速率较慢，泡沫液膜排液速率减缓。

2.3 高矿化度对泡沫微观结构的影响

高矿化度下非离子表面活性剂的泡沫性能不只是由CMC决定。图5为NaCl含量不同时0.5%（w）WT泡沫的SEM照片。由图5可知，在NaCl含量为3×104mg/L时，形成的泡沫疏松无规则，泡沫直径较大，液膜壁呈丝状，强度很低，Plateau区较大。说明此时液膜由于排液，大量的溶液聚集在Plateau区，液膜骨架处的液体和表面活性剂分子含量较少。随着NaCl含量的增大，形成的泡沫整齐有规则，泡沫直径也越来越小，液膜壁呈螺旋状和致密的片状结构，变得更厚实，泡沫稳定性增强。由图5还可知，泡沫液膜上有树枝状的无机盐晶体，说明无机盐与表面活性剂分子形成了复合膜。在矿化度为3×104mg/L时，体系CMC增大，聚集的胶束减少，液膜黏度降低，液膜排液速率较快，所以液膜壁较薄。当矿化度继续增大时，体系CMC降低，泡沫完全起泡需要的表面活性剂含量也降低，溶液和液膜中聚集的胶束增多，因此，形成的泡沫液膜厚度和黏弹性均增加。

图5 NaCl含量不同时0.5%（w）WT泡沫的影响的SEM照片Fig.5 SEM images of 0.5%(w) WT with different NaCl content. Conditions referred to Table 1.

3 结论

1）Na+主要通过改变泡沫体系的CMC和电荷作用来影响泡沫的稳定性，而Ca2+与Mg2+则是通过离子与离子之间的化学反应、水化作用及电荷作用三个方面共同影响泡沫的稳定性。

2）泡沫体系的CMC随矿化度增大呈现先增大后减小的趋势。CMC越低，同含量的表面活性剂形成的胶束越多，泡沫液膜黏度越大，稳定性越好。

3）YX中含有与Ca2+反应的阴离子基团，反应生成不溶物将降低表面活性剂有效浓度，不利于泡沫稳定性，而YX中不存在与Mg2+反应的阴离子基团。

4）高矿化度下，增大无机盐含量将使泡沫变得细腻、均匀，液膜厚度增大；同时，高含量无机盐能覆盖在液膜表面，与表面活性剂作用形成复合膜，阻碍液膜排液和气泡间气体的扩散，增强泡沫稳定性。

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（编辑 杨天予）

Effect of salinity on foaming properties at high temperature

Wu Yijun1，Sun Lin2，Pu Wanfen2
（1. Sulige Project Management Department of CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited，Ordos Inner Mongolia 017300，China；2. School of Petroleum and Gas Engineering，South West Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China)

The effects of Na+，Ca2+and Mg2+on the foaming properties of nonionic foaming agent alkyl glycoside(WT) and zwitterionic foaming agent betaine(YX) were studied. The critical micelle concentration(CMC) of WT and YX，and the transmittance of YX in the solution containing Ca2+or Mg2+were determined. The foam microstructures were characterized by means of SEM and the effect of salinity on the foam stability was analyzed. It was showed that the liquid film thickness and viscoelasticity of formed foam increased with increasing the salinity. The experimental results indicated that，when the salinity was higher than 3×104mg/L，with increasing the salinity，CMC of the foam systems decreased，and the liquid film thickness of the foam and the inorganic salts on the liquid film increased，so the stability of the foam increased，which showed some salt synergistic effect. Na+influenced the stability of the foam system mainly by changing CMC and the electric charge effect of the foam systems. Ca2+and Mg2+affected the stability of the foam systems through the chemical reactions between ions，hydration and electric charge effect. Ca2+could react with the anionic groups of YX to form insolubles which would decrease the foaming properties and the form stability，but the effect of Mg2+was little.

high salinity；foam properties；critical micelle concentration；salt synergistic effect；transmittance

1000-8144（2017）05-0619-07

TE 357.46

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.05.016

2016-12-14；［修改稿日期］2017-01-24。

吴轶君（1989—），女，四川省南充市人，硕士，助理工程师，电话 15708483464，电邮 wyjswpu@163.com。