石油与天然气化工  2014, Vol. 43 Issue (3): 308-312
复合表面活性剂体系绒囊泡的形成与稳定性研究
易爱文 1, 许亮 2, 杨永钊 1, 曹岳成 1, 高江江 1     
1. 延长油田股份有限公司杏子川采油厂;
2. 延长油田股份有限公司开发部
收稿日期：2013-10-12
作者简介：易爱文(1985-), 男, 汉族, 湖北随州人, 助理工程师, 主要从事油田注水开发方面的研究.
摘要：考查了多种阴/阳离子表面活性剂的复配，选定十二烷基苯磺酸钠（SDBS）与十四烷基三甲基氯化铵（TTAC）作为研究的绒囊形成体系。在表面活性剂总浓度为0.02 mol/L，V（SDBS）:V（TTAC）=7:3的体系中加入聚合物，绒囊体系的黏度增加，表面张力减小，分子间摩擦力增大，表面分子的束缚力减小，使体系更加稳定。粒径分析表明，绒囊体系中加入质量分数为0.2%的PVA后，粒径变大，且分布均匀。对体系进行稳定性研究时，CaCl2和MgCl2均对绒囊有破坏作用，加入PVA的绒囊体系稳定性更好，不易受到盐的破坏。
关键词：绒囊泡    粒径    表面张力    表面活性剂    
Velvet vesicles formation of composite surfactant system and its stability study
Yi Aiwen1 , Xu Liang2 , Yang Yongzhao1 , Cao Yuecheng1 , Gao Jiangjiang1     
1. Xingzichuan Oil Production Plant of Yanchang Oil Field Co., Ltd, Yan'an 717400, Shaanxi, China;
2. Development Department of Yanchang Oil Field Co., Ltd, Yan'an 716000, Shaanxi, China
Abstract: This thesis mainly studies the composite stabilizer of a series of anionic/cationic surfactant, and selects sodium dodecyl benzene sulfonate(SDBS)and tetradecyl trimethyl ammonium chloride(TTAC)as velvet pouch formation system. Adding polymer into the system under the conditions that the total concentration of surfactant is 0.02 mol/L and V(SDBS):V(TTAC)=7:3, the viscosity of the system increases, surface tension reduces, friction between the molecules increases, binding force of the surface molecules decreases, and all of that make the system stabilization. Analysis of the particle size shows that the particle size becomes larger and distributed evenly after adding polyving akohol(PVA) of 0.2% mass fraction into the velvet pouch system. When studying the stability of the system, velvet pouch system would be damaged by CaCl2 and MgCl2, while the stability would become better by adding PVA, and could not be easily damaged by salt.
Key Words: fvelvet vesicles    particle size    surface tension    surfactant    

绒囊泡具有由气核、气液表面张力降低膜、高黏水层、高黏水层固定膜、水溶性改善膜、聚合物高分子和表面活性剂浓度过渡层构成的“一核两层三膜”结构[1]。

在研究可循环泡沫[2]、微泡[3]钻井液过程中发现，仿照细菌外观结构，可以开发出含绒囊结构的钻井液[4]，囊粒决定其封堵能力，囊层决定其流变性。本实验旨在利用表面活性剂配制出囊泡[5]，在囊泡基础上加入聚合物得到绒囊泡，然后研究聚合物的加入对体系黏度、表面张力以及粒径的影响。

1 实验部分
1.1 主要试剂及仪器

十二烷基硫酸钠(SLS)、聚乙烯醇(PVA)，国药集团化学试剂有限公司；十四烷基三甲基氯铵(TTAC)、十六烷基三甲基溴铵(CTAB)，厦门英诺威化工有限公司；十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，上海三浦化工有限公司；聚丙烯酰胺(PAM)，中国医药(集团)上海化学试剂公司。

UV-3300PC型分光光度计，上海美谱达仪器有限公司；B2-90PLUS型激光粒度仪，美国布鲁克海文仪器公司；MODEL ESB-Ⅴ型表面张力仪，KYOWA SCIENTIFIC CO., LTD。

1.2 实验方法

分别按1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2和9:1的体积比将阴阳离子表面活性剂溶液混合，观察互配体系是否出现淡蓝色，确定合适体系并研究其基本性质。

2 结果与讨论
2.1 囊泡体系的确定
2.1.1 囊泡体系的选择

以不同的体积比混合不同表面活性剂溶液后，形成了囊泡体系。图 1为所复配体系的表观现象。

图 1     不同体积比的绒囊体系表观现象 Figure 1     Apparent phenomena of velvet pouch system with different volume ratio

通过现象对比，淡蓝色较明显且无絮状物生成的(c)为合适的囊泡体系。

2.1.2 SDBS和TTAC体系浓度的选择

以SDBS与TTAC不同体积比，分别在0.01 mol/L、0.02 mol/L、0.03 mol/L及0.04 mol/L时混合，可以很明显地看出不同的表观现象。

通过表观现象可知，合适的体系总浓度为0.02 mol/L。

图 2     不同浓度的SDBS与TTAC混合体系的表观现象 Figure 2     Apparent phenomenon of SDBS with different concentrations mixed with TTAC

2.2 SDBS/TTAC配比对体系性能的影响
2.2.1 SDBS/TTAC配比对体系黏度、表面张力的影响

SDBS与TTAC的体积比分别为1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2及9:1时，表面张力和黏度随体积比的变化情况见图 3、图 4。

图 3     体积比对表面张力的影响 Figure 3     Influence of volume ratio on tension

图 4     体积比对黏度的影响 Figure 4     Influence of volume ratio on surface viscosity

由图 3可知，体积比为5:5、6:4、7:3的表面张力均比较小，说明这几个体积比的下表面分子受力较为均衡，使表面张力减小。由图 4可知，在体积比为6:4之前，黏度随体积比的变化不是很大，在体积比为6:4时黏度达到最大值，之后黏度急剧减小。

2.2.2 SDBS与TTAC体积比对体系粒径的影响

图 5为SDBS与TTAC体积比分别为1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2及9:1时，粒径随体积比的变化情况。

图 5     体积比对体系粒径的影响 Figure 5     Influence of ratio on particle size of the system

由图 5可知，体积比在3:7之前粒径变化较小，之后粒径变化较大，体积比为6:4和7:3时达到最大值。在绒囊形成体系研究中，根据绒囊的性质，选择粒径较大的作为研究对象，体积比为6:4和7:3是比较合适的研究体积比。

综上所述，实验方案为：选择十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和十四烷基三甲基氯化铵(TTAC)为绒囊形成体系，表面活性剂浓度均为0.02 mol/L，合适的SDBS与TTAC体积比为7:3。

2.3 聚合物对体系性能的影响
2.3.1 聚合物浓度对体系黏度的影响

加入不同体积比的聚丙烯酰胺和聚乙烯醇时体系黏度的变化见图 6和图 7。

图 6     PAM对体系黏度的影响 Figure 6     Influence of PAM on viscosity of the system

图 7     PVA对体系黏度的影响 Figure 7     Influence of PVA on viscosity of the system

由图 6可知，在加入聚丙烯酰胺后，黏度随着聚合物浓度的增加而增加，聚丙烯酰胺的浓度越大，黏度越大，这是由于聚丙烯酰胺的加入使分子间的内摩擦力增加，从而增加了体系的黏度。由图 7可知，加入聚乙烯醇后，随着体积比的不断变化，绒囊体系的黏度也发生了很大的变化；绒囊泡体系的黏度变化规律大致与加入聚丙烯酰胺的绒囊体系变化规律一致，不同之处在于加入聚乙烯醇后，绒囊体系的黏度变化程度大，即聚乙烯醇加入对增加绒囊体系的分子间内摩擦力更有利。

2.3.2 聚合物浓度对体系表面张力的影响

加入不同浓度的聚丙烯酰胺和聚乙烯醇时体系表面张力的变化见图 8和图 9。

图 8     PAM对体系表面张力的影响 Figure 8     Influence of PAM on surface tension of the system

图 9     PVA对体系表面张力的影响 Figure 9     Influence of PVA on surface tension of the system

对比加入聚丙烯酰胺的绒囊体系，加入聚乙烯醇后，表面张力随聚合物浓度的增加而增大，大于未加入聚乙烯醇时的表面张力，这说明聚乙烯醇对于绒囊体系中表面分子的束缚力要小于聚丙烯酰胺。

2.3.3 聚合物浓度对体系粒径的影响

加入不同浓度的聚合物后体系粒径的变化情况见图 10。

图 10     聚合物浓度对体系粒径的影响 Figure 10     Influence of polymer on particle size of the system

由图 10可知，随着聚合物浓度的增加，绒囊体系的粒径也随之增大。加入PVA时体系粒径增大的程度比加入PAM时的大。

2.4 绒囊体系的稳定性评价
2.4.1 CaCl2、MgCl2对SDBS与TTAC体积比为7:3时绒囊体系的表观影响

在图 11的(a)、(b)中，A、B、C、D、E中分别加入了质量分数为0%、1%、2%、3%、4%的盐。由表观可以发现，随着盐浓度的增加，淡蓝色很快褪掉，进而出现白色絮状沉淀。

图 11     CaCl2和MgCl2对绒囊体系的表观影响 Figure 11     Apparent influence of CaCl2 and MgCl2 on velvet pouch system

2.4.2 CaCl2、MgCl2对绒囊体系黏度的影响

在绒囊体系中分别加入质量分数为0.5%、1%、2%、3%、4%、5%的CaCl2和MgCl2后，体系的黏度变化见图 12和图 13。

图 12     CaCl2对体系黏度的影响 Figure 12     Influence of CaCl2 on viscosity of the system

图 13     MgCl2对体系黏度的影响 Figure 13     Influence of MgCl2 on viscosity of the system

对比图 12和图 13可知，盐对绒囊体系的黏度影响是一致的，均为使体系的黏度减小，最后使黏度的大小趋于平衡。

2.4.3 CaCl2、MgCl2对绒囊体系表面张力的影响

在绒囊体系中分别加入质量分数为0.5%、1%、2%、3%、4%、5%的CaCl2和MgCl2后，体系的表面张力变化见图 14和图 15。

图 14     CaCl2对体系表面张力的影响 Figure 14     Influence of CaCl2 on surface tension of the system

图 15     MgCl2体系表面张力的影响 Figure 15     Influence of MgCl2 on surface tension of the system

由图 14和图 15可知，加入两种盐后体系表面张力的变化趋势一致；加入聚乙烯醇的SDBS/TTAC体系在加盐后表面张力大于加入聚丙烯酰胺SDBS/TTAC体系的表面张力，但是变化值不大，这说明加入聚乙烯醇的SDBS/TTAC体系更加稳定。

综上所述，两种盐均可使绒囊体系的表面张力增大，表明两种盐都破坏了绒囊体系表面分子的束缚力。

3 结论

(1) 通过互配得到了囊泡合适的形成体系为：十四烷基三甲基氯化铵(TTAC)与十二烷基苯磺酸钠(SDBS)。

(2) 对SDBS:TTAC体系配比性能的研究，得到表面活性剂的合适的总浓度应为0.02 mol/L，最优体积比为7:3。

(3) 加入聚合物后，聚乙烯醇相对于聚丙烯酰胺更有利于增加绒囊体系的黏度；结合粒径图发现聚乙烯醇增加粒径的程度也比聚丙烯酰胺更大，而且聚乙烯醇的体系粒径分布均匀。

(4) 通过对加聚合物体系表面张力的研究，可知聚合物的加入使体系的表面张力减小，即聚合物对绒囊体系中表面分子束缚力有减小作用，且聚乙烯醇对减小表面分子的束缚力作用更强。

(5) CaCl2、MgCl2均对此绒囊泡体系有破坏作用，CaCl2对体系的破坏力更大。

参考文献
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