(东北石油大学石油工程大学,江苏南京)摘要阐述了气温对泡沫衰变过程,对泡沫表原液性质(包括表面吸附、效应、表面弹性和表面黏度)和对表面活性剂碱液的影响。推论是:高温时,主要是二氧化碳扩散;低温时,泡沫破灭由顶端开始,泡沫容积随时间延长而有规律地降低;随气温下降,吸附量降低,分子独占面积减小,表面黏度增加,效应作用减小,表面弹性增加,造成泡沫稳定性增加;(3)随气温下降,泡沫体系的表面张力降低,有利于泡沫的稳定性增强此时表面张力不是影响泡沫稳定性的主导诱因。另外,气温下降,碱液黏度增加,排液速度推进,泡沫稳定性增长。关键词泡沫稳定性体温表原液性质表面张力中图分类号:TE242.文献标示码:A泡沫在现场循环过程中,在井下不同深度处其体温是变化的。因而,有必要考虑湿度对泡沫稳定性的影响。按照Gibbs原理,体系总是趋于于较低的表面能状态,而当体温下降时,分子运动激化,造成泡沫体系能量下降,泡沫稳定性增长。气温对泡沫衰变过程的影响高温和低温下的泡沫衰变过程不同:高温下,泡沫排液使泡膜达到一定长度时,就呈现亚稳状态,其衰变过程主要是二氧化碳扩散;低温下,泡沫破灭由顶端开始,泡沫容积随时间延长而有规律地降低。
其缘由是最前面的泡膜两侧总是向下凸的分子热运动和温度的关系,因为表原液性质增长,这些弯曲膜对蒸发作用很敏感,气温越高蒸发越快,膜变薄到一定程度,就自行破灭。因而,多数泡沫在低温下是不稳定的,图1表明泡沫稳定性随气温下降而升高。1排液半衰期与湿度的关系2气温对表原液性质的影响表原液的性质对泡沫稳定性起着至关重要的作用。表原液的性质主要有液膜的硬度、粘度和弹性。下边讨论表面吸附、表面黏度、效应、表面弹性随气温下降而形成的变化,从而影响泡沫的稳定性。表面吸附21111吸附量从吸附热力学角度考虑分子热运动和温度的关系,在给定的气温下,吸附都是自发进行的,所以吸附过程的表面自由能变化大于并且对于多数表面活性剂分子被吸附在碱液表面时,活性剂分子由原先的三维空间中运动,转变为二维空间运动,混乱度增加,则过程的熵变大于0;依据热力学公式G=TS,必然吸附热大于0,即等温吸附过程是吸热过程。因而,随气温下降吸附遇阻,造成吸附量降低。在高温下,活性剂分子的极性基之间存在抵触作用致使吸附分子保持一定的分子独占面积。在低温下,不仅这些抵触作用外,因气温下降而使分子热运动激化,势必降低分子的独占面积,使吸附一般存在一极限值,叫做极限吸附量。
极限吸附量的大小是测度表面活性剂吸附能力的重要参数。气温对离子型表面活性剂吸附量的影响。第一作者简介年生,流体热学专业在读硕士研究生,从事泡沫流体热学方向的研究。地址河北省成都市东北石油大学石油工程大学;邮政编码影响离子型表面活性剂极限吸附量的主要诱因是电性敌视和分子规格。电性抵触不会因气温下降而减小,而分子热运动会随气温下降而提高,致使吸附量有所增长。表列举的一些数据表明了极限吸附量和平均分子面积随气温下降的变化情况。1气温对离子型表面活性剂碱液表面吸附量的影响表面活性剂气温极限吸附量μmol平均分子面积水碱液)十烷磺酸钠NaCl水碱液)十烷磺酸钠(水碱液)气温对非离子型表面活性剂吸附量的影响。气温下降对聚氧乙烯类表面活性剂极限吸附量影响不大。报导在较低含量时,非离子型表面活性剂水碱液的-随气温上升而变大,等在研究癸醇六聚氧乙腈的性质时也得到同样规律。21112吸附层结构可看出,表面活性剂分子的极限吸附量随气温下降而减少,平均分子面积随气温下降而降低。
可以推测出吸附层的表面吸附分子排列的紧密度与坚固性随气温下降而减少;且分子间的互相作用,因分子热运动的降低而增加,则表鼻贴的硬度增加。另外吸附层分子的这些松散性能够使吸附层下边毗邻碱液排液速度减小,二氧化碳的透过性降低,因而增加泡沫的稳定性。21113碱液表面的吸附速率通常觉得吸附速率主要决定于溶质分子自碱液内部到表面的扩散。在不搅拌及无“能垒”的情况下,分子达到表面的速率为:为远离表面的氨水内部含量;n为在时间数;π为圆周率;NA并未考虑脱附,仅能适用于吸附的起始阶段。考虑了吸附分子脱附因子,对此理论进行整修,得出一个完全的公式:为邻近在吸附膜下边的氨水中溶质随时间改变的含量。从式(3)可知,当含量c与时间定,气温下降,吸附达到新的吸附平衡时,碱液表面的吸附速率主要决定于体相中的扩散系数D大,则吸附速率降低。效应该液膜受某种外力的影响局部扩张时,将形成个后果:液膜变薄;活性剂表面含量局部增加,膜硬度增长,造成变型区周围吸附膜中的表面活性剂分子向此处迁移,并因亲水作用携带水份子流向此处,使液膜增厚,形成液膜的自修补功能,称作效应。
它使泡沫具有了一定的稳定性。对于此种效应,表面活性剂分子的补齐有不同的途径:自低表面张力的区域迁移吸附分子至高表面张力区域;碱液内的表面活性剂分子直接吸附至表面。若前者的作用越大(即吸附分子的补齐由这一途径提供的越多),尽管表面含量局部增加区域的表面张力和吸附分子的密度可复原,但变薄的液膜并未恢复到原先的长度(因这一途径无迁移水份子),液膜的硬度越差,泡沫的稳定性越差。因为液膜的长度比宽度小得多,液膜沿垂直方向构建平衡比沿水平方向快得多;且气温下降,碱液表面的吸附速率减小,亲水基的亲水作用减小,所以随气温下降效应的作用减少,因而泡沫的稳定性增加。213表面弹性Gibbs用弹性挠度E来表示表面弹性:2dγdA/E越大,液膜的自愈能力越强,泡沫越稳定。应用热力学第一定理和第二定理于两相平衡体系,设体系在此过程中除膨胀功、化学功外还有表面为组分的物理势;γ为表面自由能。依据的定义,可得出过程函数的改变值为:dFPdV+γ由此可得:TS),它包括表面产生过程中体系功的方式和以热的方式得到的能量,上式右方第二项代表热效应,因为气温下降对于碱液的〔n便总是正值,说明恒温恒容下扩大膜的面积的过程是放热过程。
则体温下降,推动膜面积的扩大,即膜面积减小。又由于水温下降表面张力γ减少,所以弹性挠度E随气温下降而减少,液膜的自愈能力增长,泡沫稳定性增加。214表面黏度表面黏度是指液体表面单分子层内的黏度。该黏度主要是表面活性剂分子在其表面单分子层内的亲水作用及水化作用形成的。随气温下降,亲水侧链之间的互相作用减小;同时分子热运动的激化,致使活性剂禁锢的流动性差的水份子渐渐弄成流动性强的自由水份子。非常是对通常非离子型表面活性剂,湿度的降低使其亲水基(大多是聚氧乙烯)化度降低,因而增加了表面活性剂的亲水性,造成表面黏度增加,排液速度推进,泡沫稳定性增长。气温对表面活性剂碱液的影响311表面张力随气温下降,碱液的表面张力通常还会升高。其主要诱因是:随气温下降液体的饱和蒸气压减小,液相短发子密度降低,因而液相分子对表面分子的吸引力降低;反之气温下降会使固相的容积膨胀,液相分子宽度减小,分子间互相作用减小。这两种效应均使液体的表面张力降低。关于液体表面张力和湿度的关系式,目前主要采用一些经验公式。常用的是的经验公式为摩尔质量;ρ为液体密度。低表面张力可使泡沫体系能量增加,有利于泡沫的稳定性。
但因为在低温下,表原液的性质增长很大,因而,此时表面张力不是影响泡沫稳定性的主导诱因,仅是一辅助诱因。312碱液黏度气温下降时,碱液膨胀,分子间的宽度减小,同时分子运动激化,造成分子间的斥力减小,水化程度增加;且表面活性剂分子排列不紧密,则碱液黏度增加,排液速度推进,泡沫稳定性增长。综上所述,通常泡沫随气温下降稳定性增长。但有少数泡沫却随气温下降稳定性降低。缘由是起泡剂溶化度随气温下降而减小。Maini发觉分子量为470的AOS,在150时泡沫半衰期比100AOS的溶化度较小,在水底呈分散状态;在150,其溶化度降低,大大提升了泡沫的稳定性。4推论11在高温和低温下,泡沫的衰变过程不同。低温时,主要是二氧化碳扩散;低温时,泡沫破灭由顶端开始,泡沫容积随时间下降而有规律地降低。21气温的变化对表鼻贴的性质影响很大。随气温下降,吸附量降低,分子独占面积减小,表面粘度增加,效应作用减小,表面弹性增加即表鼻贴的性质增长,造成泡沫稳定性增加。31随气温下降,泡沫体系的表面张力降低,利于泡沫的稳定性的提升,并且此时表面张力不是影响泡沫稳定性的主导诱因。
另外气温下降,碱液黏度增加,排液速度推进,造成泡沫稳定性增长。参考文泡沫稳定性综述.钻探液与钻井液,1992谢剑耀,樊世忠.泡沫稳定性.油田物理,1988,(1):56～63马宝岐,孙风顺.单相泡沫特点的研究.钻探液与钻井田物理,1991周马山.泡沫性能研究.油田物理,1989赵国玺,等,著.表面活性剂作用原理.中国轻工业出版