泡沫酸用表面活性劑起泡劑的制備及性能評價

宮紅亮

（中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津 300450）

酸化解堵措施是提高海上低滲透油田開發效率的一種常用技術手段，其中泡沫酸以其良好的緩速效果在海上油田酸化施工過程中得到了較為廣泛的應用[1-3]。泡沫酸使用酸液作為連續相，以起泡劑生成的泡沫作為分散相，能夠有效降低酸與巖石之間的反應速率，使酸液中氫離子的擴散速度大大降低，起到良好的緩速效果，以達到深部酸化的目的。另外，泡沫酸還具有較好的選擇性，能夠在地層中實現比較均勻的布酸，使酸化效率大大提高。同時，目前常用的泡沫酸體系還存在一定的不穩定性，在地層溫度和礦化度環境下泡沫的半衰期較短，從而大大降低了泡沫酸的緩速效果，影響酸化作業的施工效果[4-6]。

泡沫酸用起泡劑一般為表面活性劑類物質，為了提高表面活性劑的起泡性能，需要選擇碳鏈長度適中的表面活性劑分子骨架，一般碳鏈長度不宜過長，也不宜過短[7-9]。另外，為了提高表面活性劑的耐溫抗鹽和耐酸性能，應該盡可能的在表面活性劑分子結構中引入酰胺基團、磺酸鹽基團以及其他剛性基團，同時應盡量避免引入酯類或者醚類等易水解的基團。兩性離子表面活性劑通常具有良好的表面活性、潤濕性能、發泡性能和耐溫抗鹽性能，并且其毒性較低，生物降解性能較好，適合作為泡沫酸用起泡劑[10-14]。因此，本文以長鏈脂肪酸、N，N-二甲基-1，3-丙二胺和溴代乙酸鈉為合成原料，通過室內實驗，制備了一種適合泡沫酸用的表面活性劑起泡劑PM-11，并對其表面活性和起泡性能進行了評價。

1 實驗部分

1.1 主要實驗材料及儀器

實驗材料：長鏈脂肪酸、N，N-二甲基-1，3-丙二胺、溴代乙酸鈉，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司；過硫酸銨、氫氧化鈉、氯化鈉，均為分析純，上海阿拉丁試劑有限公司；36%濃鹽酸，工業級，深圳市多源化工有限公司；市售起泡劑A、B、C 和D，均為陰離子型表面活性劑；高純氮氣，武漢紐瑞德特種氣體有限公司。

實驗儀器：聚四氟乙烯三口燒瓶，南京瑞尼克科技開發有限公司；PB-2002 電子分析天平，上海儀器儀表廠；DF-101S 集熱式磁力攪拌器，鄭州卓成儀器科技有限公司；101-4 電熱鼓風干燥箱，滄州鑫鑫試驗儀器有限公司；HM301 全自動表面張力儀，武漢國電華美電氣設備有限公司；waring-8010G 吳茵混合器攪拌器，東方化玻（北京）科技有限公司。

1.2 表面活性劑起泡劑PM-11 的制備

將長鏈脂肪酸和N，N-二甲基-1，3-丙二胺按照摩爾質量比為1∶1.1 的比例加入到聚四氟乙烯三口燒瓶中，加入500 mL 蒸餾水攪拌使其完全溶解，然后通入氮氣除氧30 min，升高溫度至130 ℃，加入質量分數為0.2%的過硫酸銨，在攪拌狀態下反應8 h，即得到中間產物P-1。然后再將中間產物P-1 與溴代乙酸鈉按照摩爾質量比為1∶1.05 的比例混合，加入氫氧化鈉調節pH 值，升高反應溫度至80 ℃，在攪拌狀態下繼續反應6 h，即得到最終產物表面活性劑起泡劑PM-11。

1.3 表面活性劑起泡劑PM-11 性能評價

1.3.1 表面張力測定 使用蒸餾水配制不同質量濃度的表面活性劑起泡劑PM-11 溶液，然后使用全自動表面張力儀測定其表面張力。

1.3.2 起泡性能測定 采用攪拌法測定表面活性劑起泡劑PM-11 的起泡性能，具體實施步驟為：使用質量濃度為15%的鹽酸配制不同質量濃度的表面活性劑起泡劑PM-11 溶液，將其倒入Waring-8010G 吳茵混合器攪拌器中，設定攪拌速度為5 000 r/min，攪拌5 min后停止，然后測定起泡體積和泡沫半衰期。

2 結果與討論

2.1 表面張力測定結果

按照1.3.1 中的實驗方法，測定了不同質量濃度的表面活性劑起泡劑PM-11 溶液的表面張力值，實驗結果見圖1。由圖1 結果可以看出，隨著表面活性劑起泡劑PM-11 質量濃度的不斷增大，溶液的表面張力值呈現出先迅速降低，然后逐漸趨于穩定的趨勢。當表面活性劑起泡劑PM-11 的質量濃度達到0.3%時，溶液的表面張力值可由空白時的69.12 mN/m 降低至29.65 mN/m，降低幅度較大，而當表面活性劑起泡劑PM-11 的質量濃度繼續增大至0.5%時，溶液的表面張力雖然繼續降低，但降低的幅度較小。這是由于當表面活性劑起泡劑PM-11 的質量濃度達到0.3%時，溶液中表面活性劑的分子所形成的膠束已達到臨界狀態，再繼續增大表面活性劑起泡劑的質量濃度，溶液的表面張力已基本不再變化。

圖1 表面張力測定結果

2.2 起泡性能評價結果

2.2.1 表面活性劑起泡劑PM-11 質量濃度對起泡性能的影響 按照1.3.2 中的實驗方法，評價了不同質量濃度表面活性劑起泡劑PM-11 的起泡性能，實驗溫度為30 ℃，實驗溶液為15%鹽酸，實驗結果見圖2。

圖2 表面活性劑起泡劑PM-11 質量濃度對起泡性能的影響

由圖2 結果可以看出，隨著表面活性劑起泡劑PM-11 質量濃度的不斷增大，起泡體積和泡沫半衰期均呈現出逐漸增大的趨勢。當表面活性劑起泡劑PM-11 的質量濃度達到0.3%時，起泡體積可以達到550 mL，泡沫半衰期則可以達到10.6 min，起泡效果較好，再繼續增大表面活性劑起泡劑PM-11 的質量濃度至0.5%，起泡體積和半衰期繼續增大的幅度逐漸減小。因此，綜合考慮起泡效果和使用成本等因素，推薦表面活性劑起泡劑PM-11 的最佳質量濃度為0.3%。

2.2.2 礦化度對起泡性能的影響 使用氯化鈉調節配制起泡劑溶液（15%鹽酸）的礦化度，評價了溶液礦化度對表面活性劑起泡劑PM-11 性能的影響，實驗溫度為30 ℃，表面活性劑起泡劑PM-11 的質量濃度為0.3%，實驗結果見圖3。

圖3 溶液礦化度對起泡性能的影響

由圖3 結果可以看出，隨著溶液礦化度的不斷升高，起泡體積呈現出逐漸減小的趨勢，而泡沫半衰期則呈現出“先增大后減小”的趨勢，這是由于溶液中加入少量的鹽離子能夠使表面活性劑形成的膠束雙電層得到一定程度的壓縮，起到降低臨界膠束濃度的作用，使表面活性劑的表面活性有所增強，進而延長了泡沫半衰期。當溶液的礦化度增大至100 000 mg/L 時，起泡體積仍能達到500 mL 以上，而泡沫半衰期也基本能維持在10 min 左右，起泡效果較好。說明研制的表面活性劑起泡劑PM-11 具有良好的抗鹽性能，能夠在高礦化度鹽水環境中使用。

2.2.3 溫度對起泡性能的影響 使用15%鹽酸溶液配制質量濃度為0.3%的表面活性劑起泡劑PM-11 溶液，將其放置在不同溫度下記錄起泡體積和泡沫半衰期的變化情況，考察溫度對起泡性能的影響，實驗結果見圖4。

圖4 溫度對起泡性能的影響

由圖4 結果可以看出，隨著實驗溫度的不斷升高，起泡體積呈現出逐漸增大的趨勢，而泡沫半衰期則呈現出逐漸減小的趨勢。這是由于在溫度較高的條件下，表面活性劑分子的熱運動速度加快，能夠使泡沫快速形成，因而造成了泡沫體積的膨脹，使起泡體積有所增大；而在溫度較高的條件下，泡沫衰減的速度會有所加快，所以泡沫半衰期有所減小。當實驗溫度升高至90 ℃時，起泡體積可以達到598 mL，而泡沫半衰期仍能達到8.6 min，說明研制的表面活性劑起泡劑PM-11 具有良好的耐溫性能，能夠在較高溫度的地層環境條件下使用。

2.2.4 與其他常用起泡劑性能對比結果 在相同的實驗條件下，對比評價了本文研制的表面活性劑起泡劑PM-11 與其他常用市售起泡劑（A、B、C 和D）的起泡性能，實驗溶液為15%鹽酸，實驗溫度為30 ℃，起泡劑質量濃度均為0.3%，實驗結果見圖5。

圖5 表面活性劑起泡劑PM-11 與其他起泡劑性能對比結果

由圖5 結果可以看出，在相同的實驗條件下，研制的表面活性劑起泡劑PM-11 的起泡效果明顯優于其他四種常用市售起泡劑，起泡體積和泡沫半衰期均大于其他四種起泡劑。說明表面活性劑起泡劑PM-11 具有良好的起泡性能，能夠在泡沫酸酸化施工過程中作為起泡劑使用。

3 結論

（1）室內以長鏈脂肪酸、N，N-二甲基-1，3-丙二胺和溴代乙酸鈉為合成原料，制備了一種適合泡沫酸用的表面活性劑起泡劑PM-11。

（2）表面活性劑起泡劑PM-11 的表面活性較好，當其質量濃度為0.3%時，可使溶液的表面張力降低至30 mN/m 以下。

（3）表面活性劑起泡劑PM-11 在酸液中具有良好的起泡性能，當其質量濃度為0.3%時，在15%鹽酸溶液中的起泡體積可以達到550 mL，泡沫半衰期可以達到10.6 min。表面活性劑起泡劑PM-11 還具有良好的耐溫抗鹽性能，在100 000 mg/L 的礦化度或者90 ℃下，仍能具有良好的起泡性能。

（4）在相同的實驗條件下，表面活性劑起泡劑PM-11 的起泡體積和泡沫半衰期均明顯優于其他常用市售起泡劑，PM-11 適合作為泡沫酸用表面活性劑起泡劑使用。