改性纳米颗粒对孔隙介质中泡沫稳定机理研究

2024-01-16何宗礼马国庆吉凯曹启

辽宁化工 2023年12期

关键词：双面表面张力气液

何宗礼，马国庆，吉凯，曹启

（1. 江汉油田石油工程技术研究院，湖北武汉 430035； 2. 天水电气传动研究所集团有限公司，甘肃天水 741020；3. 长庆油田第六采油厂，陕西榆林 718600； 4. 江汉油田坪北经理部，陕西延安 717408）

近年来，泡沫在工业中的应用相当普遍。起泡体系中表面活性剂的作用不言而喻，而表面活性剂容易吸附在孔隙表面，使的泡沫的起泡能力和稳定性都受到影响。研究发现，通过向起泡体系中添加纳米二氧化硅可以增强泡沫的稳定性[1]。

孔隙介质中泡沫的生成的本质是产生能分割气体的液膜，产生液膜的方式有卡断、液膜分离[2]。本文通过微流控实验研究二氧化硅的加入对孔隙介质中卡断行为的影响，进而揭示纳米颗粒增强泡沫稳定性的机理。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

本实验所用到的实验仪器和药剂如表1、表2所示。

表1 实验仪器

表2 实验药品

1.2 实验步骤

1.2.1 双面神纳米颗粒制备

采用Pickering 乳液法，以亲水纳米颗粒为原材料，制备半亲水-半疏水的双面神纳米颗粒。

1.2.2 起泡体系表面扩张模量、表面张力的测试

分别配置质量分数0.4%的APG1214 表面活性剂溶液、质量分数0.4%APG1214+质量分数0.2%亲水纳米颗粒复配体系溶液、质量分数0.4%APG1214+质量分数0.2%双面神纳米颗粒[3-5]复配体系溶液各100 mL，利用Kruss 表面张力仪和Kruss 表面扩张流变仪分别测试表面张力和表面扩张模量，并比较不同体系性质的差异。

选用Kruss 动态表面张力仪，采用最大气泡压力法测试溶液的表面张力。样品池中量取60 mL 水，手动操作控制器使毛细管最下端位于样品池中液面正上方 1 cm处，查阅水在常温25 ℃时的表面张力，输入系统中，开始测试毛细管直径，得到毛细管直径数据；于样品池中量取起泡体系溶液60 mL，温度设置为常温25 ℃，时间设置为10～10 000 ms，将先前测出的毛细管直径输入系统，调整溶液界面和毛细管之间的距离，测量溶液的表面张力。

1.2.3 可视化微流控实验

利用可视化模型模拟地层孔隙中泡沫的生成行为。单连通孔喉模型如图1、图2 所示，在实验中，使用微量注射泵同时注入气体和不同起泡体系，使其在孔隙中生成泡沫[6]。使用高速摄像机分别记录各起泡体系在孔隙介质模型中生成的泡沫在流动过程中的形态变化，并计算发生卡断行为后生成的泡沫尺寸，通过对比不同起泡体系的卡断行为及其泡沫的尺寸变化差异，建立泡沫在流动过程中特征参数和气液界面性质之间的对应关系[7-9]，探索气液两相流量比、流速对卡断生泡行为的影响。

图1 可视化模型示意图（单连通孔喉图）

图2 可视化模型示意图（孔喉处放大图）

考虑纳米粒子自体相吸附到气液界面需要一定时间，为了保证气泡进入孔喉前纳米粒子在气液界面的吸附达到稳定状态，在孔喉结构前面加入了一段较长的平滑流动通道。

玻璃刻蚀模型如图3 所示，微流控可视化实验流程如图4 所示，微流控可视化实验实物流程如图5 所示。微流控实验操作步骤如下：

图3 玻璃刻蚀模型

图4 微流控可视化实验流程图

图5 微流控可视化实验实物流程图

1）配制不同起泡体系溶液；

2）通过接头将微量进样器、毛细管、过滤器与玻璃刻蚀模型连接起来；

3）将计算机与显微镜连接，调整玻璃刻蚀模型的位置，调试显微镜的亮度及放大倍数，使玻璃刻蚀模型孔喉位于显示屏中央；

4）封堵3 接口，打开4 接口，通过1 接口开始向微流控刻蚀模型中注入蒸馏水，使整个孔隙中完全被水润湿，检查整个装置的气密性，防止气密性不良而产生漏水现象；

5）抽取一定量的溶液于微量进样器中，设定气液两相流量，1 接口注入溶液，2 接口注入气体，开始观察玻璃刻蚀模型中产生泡沫的行为，开启高速摄像机记录泡沫生成过程；

6）其他条件不变，比较不同的起泡体系在孔隙中卡断生泡行为的差异，探究气液两相流量大小、不同流量比等条件对卡断生泡行为的影响；

7）实验结束后，将玻璃刻蚀模型孔隙中残余液体用蒸馏水冲洗干净，以便下次实验重复使用。

2 结果与讨论

2.1 双面神纳米颗粒对起泡体系气液界面性质的影响

2.1.1 表面张力测试

3 种起泡体系的表面张力测试结果如图6 所示。由图6 可知，3 种起泡体系中，表面活性剂的表面张力最大，双面神纳米颗粒复配体系表面张力最小。

图6 3 种起泡体系的表面张力

2.1.2 表面扩张模量测试

3 种起泡体系的表面扩张模量测试结果如图7所示。由图7 可知，3 种起泡体系中，表面活性剂体系的表面扩张模量最小，双面神纳米颗粒复配体系的表面扩张模量最大。

图7 3 种起泡体系的表面扩张模量

从上述实验测试结果可知，表面活性剂中纳米颗粒的加入可以小幅减小起泡体系的表面张力，大幅增加体系的表面扩张模量，而经过改性的双面神纳米颗粒减小体系表面张力、增大表面扩张模量的作用更加明显。

2.2 可视化微流控实验

2.2.1 不同起泡体系在孔隙介质中的卡断行为

配制表面活性剂起泡体系、亲水纳米颗粒复配起泡体系、双面神纳米颗粒复配起泡体系，模型中，接口1 注入起泡体系，接口2 注入气体，设定气液流量都为5 μL·min-1，气液比1∶1，开启注射泵，对比3 种起泡体系发生卡断行为的差异，实验结果如图8、图9、图10、表3 所示。

图8 表面活性剂体系在孔喉处卡断行为

图9 亲水纳米颗粒复配体系在孔喉处卡断行为

图10 双面神纳米颗粒复配起体系在孔喉处卡断行为

表3 卡断生成的泡沫尺寸

1）表面活性剂起泡体系：

2）表面活性剂+亲水纳米颗粒复配起泡体系：

3）表面活性剂+双面神纳米颗粒复配起泡体系：

孔隙介质中整个卡断生泡过程可以分为3 个阶段，即初始阶段、过渡阶段、稳定阶段。从实验中可知，初始阶段、过渡阶段持续时间很短，生成的泡沫体积较大，稳定阶段持续时间最长，生成的泡沫体积最小。在稳定阶段，相比表面活性剂体系，亲水纳米颗粒复配体系发生卡断后产生的泡沫尺寸减小27.9%，双面神纳米颗粒复配体系减小48.9%。

对于表面活性剂体系而言，泡沫在流动的过程中通过孔喉时，主要是发生形变，气液界面虽然受到挤压，但是产生的表面张力梯度较小，泡沫能够在很短的时间内恢复到平衡状态，因此发生卡断的机率较低，即使发生卡断，生成的泡沫尺寸较大；对于亲水纳米颗粒复配体系，气泡在经过孔喉时，形变程度增加，气液界面产生的表面张力梯度较大，发生卡断的概率明显增加，但是由于表面扩张模量不够大，产生的泡沫尺寸依旧较大；而对于双面神纳米颗粒复配体系，在3 种起泡体系中表面扩张模量[10]最大，气泡在经过孔喉时，泡沫产生的形变量最大，气液界面产生了很大的表面张力梯度，泡沫还未来得及恢复到原始状态就被卡断，在孔喉出口处生成了数量较多、尺寸很小且分布均匀的小泡沫。

2.2.2 注入条件对卡断行为的影响

配制双面神纳米颗粒复配起泡体系，使用微量注射泵向模型中注入气体和复配起泡体系。气液比为1∶1，改变气液注入流量，气液流量分别为1、2、3、4、5 μL·min-1，实验结果如图11、表4 所示。

图11 双面神纳米颗粒复配体系在孔喉处稳定阶段卡断行为

表4 卡断生成的泡沫尺寸

由图11 可以发现，注入条件不同时稳定阶段生成的泡沫尺寸存在差异。随着气液流量的增加，泡沫尺寸缓慢减小。随着气液流量的增大，孔喉处起泡体系流速增大，泡沫的形变量越大，此时孔喉处泡沫的气液界面表面张力梯度较大，而在相同的外界条件下，泡沫整体面积形变量较小，表面扩张模量较大，此时泡沫的卡断是通过表面扩张模量控制泡沫变形时的形态而实现的。通过比较气液注入流量为1 μL·min-1和5 μL·min-1时泡沫的尺寸，可知流量增大4 倍，而泡沫尺寸只减小了15%，因此注入条件对卡断生泡的影响不是特别显著。

2.2.3 气液流量比对卡断行为的影响

配制双面神纳米颗粒复配体系，起泡体系注入流量不变，增加气体注入流量，气液两相流量比分别为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1，实验结果如图12、表5 所示。

图12 双面神纳米颗粒复配体系在孔喉处稳定阶段卡断行为

表5 卡断生成的泡沫尺寸

由图12 和表5 可知，随着气液两相流量比的增大，稳定阶段生成的泡沫尺寸增大。液体流量保持不变，随着气体流量增大，单位体积内进入到吼道的起泡剂溶液越来越少，泡沫含水饱和度越来越低，导致本应该发生卡断行为的泡沫未来得及发生卡断而直接穿过吼道，生成的泡沫尺寸变大。

2.2.4 双面神纳米颗粒质量分数对卡断行为的影响

配制双面神纳米颗粒复配体系，气液流量比（1∶1）、注入条件（气液流量为5 μL·min-1）等因素不变，增加复配体系中双面神纳米颗粒的质量分数，实验结果如图13、表6 所示。

图13 双面神纳米颗粒复配体系在孔喉处稳定阶段卡断行为

表6 卡断生成的泡沫尺寸

随着复配体系中双面神纳米颗粒质量分数的增加，孔喉处发生卡断行为时生成的泡沫尺寸减小，双面神纳米颗粒质量分数越大，泡沫尺寸减小幅度越低。对于高表面扩张模量起泡体系，泡沫在刚进入到孔喉时则会发生剧烈的卡断行为，直到整个泡沫分裂完成；对于低表面扩张模量起泡体系，这种行为会延迟出现。随着起泡体系表面扩张模量的增大，泡沫在经过孔喉时越容易在短时间内获得一定的周长和面积，生成的泡沫尺寸更小，泡沫分布越均匀且致密，泡沫质量越好，稳定性越强，双面神纳米颗粒通过调控气液界面性质进而影响了孔隙介质中的生泡行为。