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CO2泡沫穩(wěn)定性原理、影響因素|CO2-EOR機(jī)理與應(yīng)用前景(二)
來源:《油氣地質(zhì)與采收率》 瀏覽 1195 次 發(fā)布時間:2025-10-24
泡沫穩(wěn)定性也取決于表面活性劑的親水-親脂性平衡(HLB),HLB值由特定的分子中親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)的重量百分比確定,其范圍為1~40,非離子型表面活性劑的HLB值通常為1~20。HLB值取決于表面活性劑分子的親水性和親脂性部分的大小和強(qiáng)度。通常HLB值為3~6的表面活性劑適用于穩(wěn)定油包水(W/O)乳液,HLB值為8~18的表面活性劑可以更好地穩(wěn)定水包油(O/W)乳液。隨著HLB值的增加,表面活性劑的親水性增加,具有較高親水性的表面活性劑可以降低溶液的界面張力,促進(jìn)泡沫的形成。
當(dāng)親水性和疏水性之間達(dá)到適當(dāng)?shù)钠胶鈺r,表面活性劑分子將自身排列得更緊密,從而產(chǎn)生超厚的單層。當(dāng)在等溫條件下增加壓力時,CO2密度和內(nèi)聚能增加,使CO2更疏水或更親油。這種相對疏水的CO2可以容納表面活性劑的碳?xì)湮叉湥⑵淝度隒O2中。由于CO2與表面活性劑分子之間的相互作用隨之增強(qiáng),所以需要強(qiáng)親水性頭部來平衡這種相互作用。因此,具有較高HLB值的表面活性劑有利于在高壓下形成CO2泡沫。如果具有超高HLB值的表面活性劑的親水性明顯高于疏水性,則表面活性劑可以被吸入水相,從而降低泡沫和液膜的穩(wěn)定性。因此,CO2泡沫的穩(wěn)定性在很大程度上取決于確定最佳HLB值。
除了上述2種CO2泡沫穩(wěn)定性原理外,Gibbs-Marangoni效應(yīng)也起著關(guān)鍵作用,這是由泡沫氣泡界面處的表面張力梯度引起的。這種梯度可以由不同的條件觸發(fā),例如溫度和溶質(zhì)濃度,當(dāng)CO2溶于液相時尤為明顯,引起表面活性劑濃度的局部變化。Gibbs-Marangoni效應(yīng)產(chǎn)生的基礎(chǔ)是液體在2個不同區(qū)域之間由于表面應(yīng)力變化而產(chǎn)生的橫向運(yùn)動。
例如,如果外力導(dǎo)致泡沫氣泡局部變薄,使表面積變大,則該點(diǎn)處的表面活性劑濃度將相應(yīng)下降,從而增加表面張力。這種表面張力的增加建立了一個張力梯度,誘導(dǎo)表面活性劑分子從較高濃度區(qū)域向衰竭區(qū)域移動,本質(zhì)上為泡沫結(jié)構(gòu)提供了一種“自我修復(fù)”機(jī)制。表面活性劑分子的這種遷移伴隨著流體從較低張力區(qū)域向較高張力區(qū)域的運(yùn)動,為液膜的變薄增加了一層阻力。此種表面張力的動態(tài)調(diào)節(jié)對于CO2泡沫至關(guān)重要,特別是在高壓條件和CO2在水中的溶解度較高的情況下。另外,Gibbs-Marangoni效應(yīng)在表面活性劑濃度略低于臨界膠束濃度時最為明顯,進(jìn)一步增強(qiáng)了泡沫的穩(wěn)定性。
2 CO2泡沫穩(wěn)定性影響因素
2.1 CO2泡沫穩(wěn)定性影響因素
2.1.1溫度
由于泡沫粒子的快速布朗運(yùn)動以及溫度升高引起的泡沫黏度和臨界膠束濃度的變化,高溫環(huán)境對泡沫穩(wěn)定性有不利影響。溫度影響泡沫穩(wěn)定性主要有以下幾點(diǎn):
①溫度的變化會改變泡沫體系的界面性質(zhì),主要包括泡沫黏彈性、油水界面張力、表面活性劑在界面膜上的吸附。部分學(xué)者的研究表明,隨著溫度的升高,增加了表面活性劑的動能,不利于其在氣-液界面的吸附,從而導(dǎo)致泡沫體系的表面張力逐漸增加,黏彈性模量逐漸降低,泡沫穩(wěn)定性下降;
②溫度升高會降低泡沫體系的黏度,加速泡沫的排出過程,降低體系的穩(wěn)定性;
③在高溫下,液膜中分子的熱運(yùn)動加劇,液膜中的水分蒸發(fā),加速了泡沫的粗化和析液,從而降低了泡沫的穩(wěn)定性;
④若聚結(jié)速率較快,則泡沫在溫度高于基礎(chǔ)溶液的臨界溫度時變得不穩(wěn)定;
⑤溫度升高會使空氣流動性增加,從而提高氣泡尺寸變化的速率,同時還會對泡沫的微觀結(jié)構(gòu)有顯著影響。
KAPETAS等在砂巖多孔介質(zhì)中不同溫度(20~80℃)下使用表面活性劑AOS進(jìn)行泡沫驅(qū)實(shí)驗(yàn),隨著溫度的升高,低質(zhì)量泡沫區(qū)的氣體流動性增加,與氣-液表面張力的降低成反比;溫度升高到80℃時,泡沫的表觀黏度降低了50%。WANG等研究表明,在20~30℃溫度下泡沫穩(wěn)定性的降低歸因于氣體擴(kuò)散速率,而進(jìn)一步升高溫度的不利影響主要是因?yàn)槿芤吼ざ鹊慕档停煌瑫r觀察到了起泡性與溫度之間的直接關(guān)系,溫度越高,泡沫膨脹越大。
2.1.2壓力
壓力對泡沫穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的有利影響。隨著壓力的增大,CO2內(nèi)相壓力升高,降低了液膜的氣-液界面張力,從而降低了形成泡沫所需的表面能,并提高了泡沫體系的發(fā)泡能力。同時,泡沫體系的析液半衰期隨著壓力增加而明顯增加。這是因?yàn)閴毫Φ脑黾訙p少了泡沫內(nèi)、外相之間的密度差,有利于減緩重力分異引起的泡沫析液。隨著壓力的增加,泡沫氣泡的直徑逐漸減小,形成的泡沫更致密,液膜的表面積變得更大,液膜厚度減小,析液率降低,泡沫變得更穩(wěn)定。
另外,PANDEY等的研究表明泡沫黏度會隨著壓力的增加而增加,這是由于高壓下的泡沫氣泡緊密堆積,需要更高的剪切力來使它們變形和移動,從而形成更高的黏性體系。CO2泡沫的高黏特性有助于在EOR中的應(yīng)用,黏性泡沫可以在油藏驅(qū)油過程中提供良好的流動率。董文鋼等研究表明壓力小于15 MPa時,泡沫半衰期隨壓力升高增長明顯,大于15 MPa后增幅較小。在高壓條件下,多孔介質(zhì)比無多孔介質(zhì)更有利于穩(wěn)泡,原因是壓力升高,孔隙受壓縮其水力半徑減小,空氣與表面活性劑疏水鏈的分子之間相互作用力增強(qiáng),兩者均會導(dǎo)致泡沫粒徑減小,析液速度降低,泡沫穩(wěn)定性增加。





