聚合物对驱油用泡沫稳定性影响研究进展

聚合物对驱油用泡沫稳定性影响研究进展

石油作为国家的重要的战略资源之一，对国家的经济发展和人民的生活水平的提高具有重要的作用，提高石油的采收率研究意义重大。泡沫驱油以其优良的提高采收率性能得到了大量的研究，但泡沫的不稳定性也极大的限制了其广泛的应用。文章阐述了泡沫不稳定的主要机理，并以此出发，分别综述了泡沫体系中聚合物结构、聚合物的电性、分子量以及电解质的加入等方面对泡沫稳定性的影响研究进展，并提出了现阶段聚合物稳泡研究面对的主要问题及将来的研究方向。

标签：驱油；泡沫；稳定性；聚合物

随着经济的进一步发展，石油在国民生活和生产中起的作用也越来越重要，石油在国内的需求量也日益增长。经过数十年的开采，我国大部分油田都已经进入高含水期，开采难度加大，而发现较大的新油田的可能性又比较小，因此加大对提高石油采收率的研究就显得十分重要了。近年，为了提高原油的采收率，各国石油工作者均在大力发展强化采油技术[1]，泡沫驱油技术因其在多孔介质中的特殊渗流性质和良好的洗油能力，提高原油的采收率效果显著，在国内外得到了广泛研究[2-3]。但是，泡沫的不稳定性严重影响了泡沫驱油技术应用，泡沫体系在油藏环境中的高温、高盐、高剪切等的影响下，稳定性更是受到了极大的影响。

1 泡沫的基本性质

1.1 泡沫的衰變

泡沫是热力学不稳定体系[4]，泡沫破裂会导致泡沫体系的总能量下降。气泡的破裂可以看成是气泡液膜由于压力、重力等因素发生排液而导致液膜由厚变薄，最后导致气泡破裂的一个过程。目前，普遍认为的泡沫衰变的机理可以分为：一是液膜的排液，二是气体透过液膜的扩散[5]。泡沫液膜在重力和表面压差的作用下，不断排液，导致液膜变薄，当液膜薄到一定程度时，气泡就会破裂。由于泡沫体系中气泡的大小不一，根据Laplace公式可以得知，小气泡中的气压要比大气泡中的气压大，从而使小气泡中的气体透过液膜排到大气泡中，使得小气泡越小，大气泡越大，最后导致气泡的破裂。此外，外界条件对液膜的扰动也是泡沫衰变的一个原因，如温度，压力的变化和机械扰动等。

1.2 泡沫稳定性影响因素

为得到稳定的泡沫，一方面要增大泡沫液膜的强度，另一方面还需要减少气体透过液膜的扩散。泡沫体系的稳定性与液膜的表面张力、粘度、弹性、强度、气体透过能力、分子密度、电荷密度等性质相关[6]。为提高泡沫稳定性，应该从液膜的这些方面进行研究。

表面张力。由Laplace公式可知，减小组成液膜的溶液的表面张力，可以减小Plateau边界与平面膜之间的压力差，从而减缓了排液速度，提高了泡沫稳定性。

溶液粘度。增大溶液粘度，一方面可以提高膜强度，减少气体透过，另一方面可以减慢排液速度，都有利于泡沫的稳定性。

膜弹性。液膜在受到外界扰动的时候，在其中表面活性剂的作用下，液膜会自我修复。膜弹性越大，意味着膜的Marangoni效应越明显，泡沫的自我修复的能力也更强，泡沫体系也越稳定[7]。

表面电荷。当液膜的两个表面带有相同电荷时，由于相互排斥，可以阻止液膜变薄，从而提高液膜稳定性。

由以上内容可知，影响泡沫的稳定性的主要因素是液膜的强度，即决定于表面吸附分子的结构与相互作用。表面吸附分子的结构致密，相互作用强时，液膜强度大，还使得吸附层下的临近液体不易流动，排液减慢，同时气体透过性减小，泡沫较稳定。因此，要得到稳定的泡沫，首先要考虑的就是液膜表面物质的分子结构及性质。

2 稳定泡沫体系

稳定泡沫体系主要包含起泡剂和稳泡剂，起泡剂主要为表面活性剂，常用的表面活性剂有十二烷基硫酸钠（SDS），α-烯基磺酸钠（AOS），十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）等[8]。而稳泡剂按其相态可主要分为固体颗粒稳泡剂和液体稳泡剂。其中液体稳泡剂按其作用方式又分为增粘性稳泡剂、固泡剂等。

2.1 表面活性剂对泡沫稳定性的影响

表面活性剂加入到起泡体系后会自发的有序而紧密排列在气液界面上，从而起到了降低起泡溶液的表面张力作用，根据Laplace公式可知，在同样的曲率半径下，气液界面表面张力较低的泡沫体系在平面膜和Plateau边界之间的压力差就会较小，液体从平面膜转移到Plateau边界处的趋势就会减缓，从而减缓了排液的进程，稳定了泡沫。表面活性剂的加入还可以提高液膜的弹性，使得在扰动发生时Marangoni效应增强，从而稳定泡沫。

2.2 稳泡剂对稳泡性的影响

从宏观上讲，在表面活性剂溶液中加入一定量的水溶性聚合物可以明显的提高泡沫的稳定性，这主要是由于两方面造成的，一是由于溶液粘度的提高而造成的泡沫排液减慢，二是由于降低了液膜的渗透压而减缓了气泡间气体的扩散[9]。从微观上讲，则是聚合物分子与表面活性剂分子共同作用，对泡沫体系的表面张力，粘度，液膜强度等因素造成了影响，从而影响了泡沫的稳定性。聚合物本身的性质，如聚合物的结构、分子量、电性，都会对其稳泡效果造成影响。

2.2.1 聚合物分子结构对稳泡性的影响

Klitzing[10]等人研究了PSS，黄原胶分别与CTAB混合后的溶液形成的液膜，他们发现不同的聚合物与表面活性剂溶液混合，得到的液膜厚度也不同。他们认为聚合物与表面活性剂胶束分别相互缠绕，在液膜上形成了与在溶液本体中很相似的网状结构，而溶液厚度的变化就与这种网状结构紧密相关。PSS和黄原胶的区别是它们分子链刚度的来源，PSS的刚度是由沿着它分子链的静电排斥所决定的，而黄原胶分子链的刚度则既与静电排斥有关，又与其分子结构有关。聚合物分子链的刚度决定了分子链的持续长度，从而决定了上述的那种网格结构的类型，这就决定了液膜的厚度，最后对泡沫的稳定性起到了作用。

2.2.2 聚合物分子量对稳泡性的影响

Schwuger[11]在他的研究中发现当PEO的分子量较小时，SDS不与PEO发生反应。当PEO的分子量大于1500时，临界聚集浓度CAC才开始轻微的减小。Robert Meszaros[12]等人研究了不同分子量的PEO与SDS溶液的相互作用。结果表明，当PEO的分子量小于1000时，溶液中没有PEO/SDS复合体形成，当PEO的分子量在1000～8000时，临界聚集浓度CAC和SDS聚集体随着聚合物分子量的升高而减小。由于聚合物的分子量的变化导致PEO/SDS复合体浓度的变化，最终导致了泡沫稳定性的变化。2.2.3 聚合物与表面活性剂电性对聚合物稳泡性能的影响

向表面活性剂溶液中加入聚合物溶液可以提高泡沫的稳定性，但是随着加入的聚合物的电性与表面活性剂电性的变化，相互作用可以得到不同的稳泡效果。

Langevin[13]等人系统的研究了不同电性的聚合物与表面活性剂混合溶液对泡沫稳定性的影响，他们研究了PSS，PAMPS，黄原胶三种阴离子型聚合物与不同电性的表面活性剂溶液混合后，表面张力，表面弹性，溶液粘弹性，流变性，泡沫稳定性等的变化。他们发现当大多数聚合物与非离子型表面活性剂溶液混合后，溶液的表面张力没有发生大的变化。

Djuve[14]等人研究了SDS溶液，非离子型聚合物乙基羟乙基纤维素（EHEC）溶液，还有它们的混合溶液的性质。研究结果表明，EHEC溶液不能起泡，SDS 溶液在较低的溶度下就开始起泡了，但是它们的混合溶液则在一个更低的浓度就开始起泡了。他们认为这是由于聚合物与表面活性剂生成复合物的结果。

2.2.4 电解质的加入对聚合物稳泡效果的影响

在聚合物/表面活性剂体系中加入电解质溶液，可能会对聚合物的稳泡效果造成影响。

Nicolas Péron[15]等人研究了PEO/SDS混合溶液在0.1 mol/L NaBr存在下的表面和本体溶液的特性。他们发现，由于过高的离子强度，气液界面上的PEO