纳米颗粒稳定泡沫在油气开采中的研究进展

近年来纳米技术使得传统油气开采方法悄然转型,针对泡沫流体稳定性差等问题,研究者们提出加入纳米颗粒对泡沫系统进行稳定。本文详细介绍了部分疏水型和亲水型两种类型纳米颗粒稳定泡沫机理的异同,阐述了纳米颗粒在气液界面的不可逆吸附是稳定泡沫的主要机理;综述了纳米颗粒稳定的泡沫在提高采收率和泡沫压裂液中的最新应用,分析表明纳米颗粒不仅大幅度增加了泡沫的稳定性,并且能提高泡沫驱和压裂液的液体效率;指出了纳米颗粒稳定泡沫的问题在于纳米颗粒与泡沫流体作用复杂、改性的纳米颗粒成本较高、对低孔低渗地层的潜在伤害、缺乏工业化应用等;提出了用亲水纳米颗粒与表面活性剂协同稳泡降低成本、针对不同泡沫性能来优化纳米颗粒与表面活性剂的浓度、将纳米颗粒稳定泡沫应用到非常规油气藏等研究方向,最后展望了纳米技术在石油领域的发展潜力。     

硅烷季铵盐改性纳米二氧化硅颗粒表面性质及泡沫能力评价

以气相二氧化硅为原料,利用3-氯丙基三甲氧基硅烷及其衍生季铵盐对纳米二氧化硅颗粒进行改性,得到一系列与不同链长硅氧烷偶联的改性纳米二氧化硅颗粒,并对二氧化硅颗粒的表面性质以及泡沫性质进行研究。结果表明,经过改性后的纳米二氧化硅颗粒具有更优良的分散性质,团聚粒径由未改性时的459 nm减小至改性后的255 nm;纳米二氧化硅颗粒涂层的水接触角实验表明,硅烷偶联剂的碳链长度与颗粒接触角存在关联,并且接触角接近90°的颗粒对月桂酰胺丙基甜菜碱起泡剂的稳泡效果越好,降低起泡剂溶液表面张力的能力也越强。     

疏水性中空二氧化硅提高泡沫稳定性研究

采用硬模板法合成了中空二氧化硅(SiO_2)纳米颗粒,并对其进行了(3-氯丙基)三甲氧基硅烷改性,使其具有疏水性。用TEM、FT-IR和接触角测量仪进行了表征。改性后的疏水性中空SiO_2纳米颗粒具有良好的泡沫稳定性能,使加入纳米颗粒的泡沫性能在油/SDS溶液中提高了40.3%。同时,由于SiO_2纳米颗粒的环境友好性,使其成为一种很有前途的稳定泡沫材料,并为中空SiO_2纳米材料提供了一种新颖的应用——泡沫稳泡剂。     

SiO_2-SDS复合泡沫体系配制与评价

泡沫驱油技术已经在油田三采中得到了广泛的发展。但泡沫的稳定性一直受其自身热力学不稳定性和遇油消泡等因素制约,因此,泡沫的稳定性是值得研究讨论的重点。随着纳米技术的发展,纳米SiO_2固相颗粒不但可以与起泡剂溶液起到良好的协同作用而且纳米SiO_2颗粒本身也具有耐高温性质,可应用于高温条件下的稳泡剂。实验室通过Warning Blender方法对泡沫体系进行评价并通过接触角测量实验,最终优选出接触角为80.26°的H20型的SiO_2固相颗粒作为稳泡剂使用。通过对比SDS与SDS+SiO_2两种泡沫体系,发现SDS+SiO_2复合泡沫体系在耐温与驱油方面都强于单一SDS泡沫体系。并且最终确定出0.5%SDS+1.4%H_2O型SiO_2作为完整的泡沫驱油剂体系。     

适合特低渗透储层的纳米泡沫驱油体系研究

为提高低渗油藏的采收率，本文使用聚乙二醇修饰的Si O2纳米颗粒作为添加剂来提高泡沫稳定性，采用溶胶凝胶法合成了4种不同表面修饰量的Si O2纳米颗粒（即聚乙二醇膜），并对纳米颗粒进行了表征，对零电荷点和化学组成等性质进行了测试分析。通过表面活性剂溶液和纳米颗粒的混合得到纳米流体。纳米颗粒在与表面活性剂协同作用下，对气泡的结构强化，以增加其半衰期和耐久性。当表面活性剂浓度高于CMC时，泡沫稳定性达到最大值。纳米流体中纳米颗粒浓度越低，聚合粒径越小。聚乙二醇的用量可以阻止或促进纳米颗粒的聚集，粒径越小，泡沫的稳定性越好。使用α-烯烃磺酸盐表面活性剂和修饰的纳米颗粒生成的泡沫比仅使用表面活性剂的泡沫更稳定。     

纳米纤维素用于稳定两相界面的研究进展

综述了纳米纤维素稳定Pickering乳液和泡沫的机理,比较了纳米纤维素和纳米颗粒稳定界面的异同,分析了不同纳米纤维素种类、纵横比、盐度、表面改性、表面活性剂等因素对Pickering乳液和泡沫流体性能的影响。为促进纳米纤维素稳定界面的研究和应用,提出了目前存在的问题并展望了今后的研究方向。     

纳米氧化锌在水介质中的分散性能研究

纳米粉体的分散性能对提高分散体系的导热性能具有重要意义,试验选用纳米粒子在水介质中的Zeta电位和水合粒径来表征体系的分散稳定性,探讨不同分散剂种类及其浓度以及不同pH条件对ZnO水悬浮液稳定性的影响,并分析其作用机理.结果表明:Zeta电位与水合粒径有良好的对应关系,Zeta电位绝对值越高,水合粒径越小,表明体系分散稳定越好.pH值、分散剂种类及加入量是影响纳米ZnO水相体系分散稳定性的主要因素,不同的分散剂最佳分散条件不同.在 0.1% ZnO-H2O纳米流体中,在 pH=11.4,加入 0.05%十二烷基苯磺酸钠(SDBS)分散剂,悬浮液的稳定性最佳.     

纳米Cu分散稳定性能影响因素及作用机理研究

鉴于粉体分散对纳米流体强化传热具有重要意义,通过测定纳米Cu-水悬浮液的Zeta电位和吸光度,探讨了不同pH值、不同分散剂种类及质量分数对纳米Cu-水悬浮液分散稳定性的影响,并分析其作用机理。结果表明:Zeta电位绝对值与吸光度有良好的对应关系,Zeta电位绝对值越高,吸光度越大,则体系分散稳定性越好;pH值、分散剂种类及加入量是影响纳米Cu-水悬浮液分散稳定性的主要因素。pH值为9.5左右时,体系Zeta电位绝对值和吸光度较高,相应分散稳定性较好。CTAB和SDBS能显著提高水溶液中Cu表面Zeta电位绝对值,增大了颗粒间静电排斥力,改善了悬浮液稳定性,而TX-10通过空间位阻在颗粒表面形成良好的水化膜,提高了Cu在水溶液中的分散稳定性。在质量分数为0.1%的纳米Cu-水悬浮液中,TX-10,CTAB,SDBS 3种分散剂加入质量分数分别为0.43%,0.05%,0.07%时,均能得到分散稳定的悬浮液体系。     

非水相体系泡沫的形成及其稳定性机理研究进展

阐述了非水相体系泡沫的形成及其稳定性机理理论研究进展,介绍和评述了表面活性剂、多相体系、改性纳米颗粒和沥青质等在非水相体系中的起泡机理。从不溶膜、体相粘度、Marangoni效应和泡沫破裂机制等四个方面阐述了非水相泡沫的稳定性机理,并指出了今后的研究方向。     

非水相体系泡沫的形成及其稳定性机理研究进展

阐述了非水相体系泡沫的形成及其稳定性机理理论研究进展,介绍和评述了表面活性剂、多相体系、改性纳米颗粒和沥青质等在非水相体系中的起泡机理。从不溶膜、体相粘度、Marangoni效应和泡沫破裂机制等四个方面阐述了非水相泡沫的稳定性机理,并指出了今后的研究方向。     

海藻酸辛酰胺协同纳米二氧化硅稳定Pickering乳液

采用辛胺疏水改性海藻酸钠合成了具有两亲性的高分子表面活性剂海藻酸辛酰胺(OAAD),并将其与SiO2纳米颗粒协同制备了稳定的Pickering乳液。通过FTIR、1HNMR、表面张力、荧光光谱、动态光散射、接触角测量、光学显微镜分别对OAAD、OAAD/SiO2纳米颗粒水分散体系和Pickering乳状液的性能进行了表征。结果表明,辛胺氨基成功接枝到海藻酸钠(SA)分子链上,OAAD界面张力较SA降低、临界聚集质量浓度为0.60 g/L,表现出良好的两亲性。将OAAD吸附在SiO2纳米颗粒表面形成的水分散体系用于稳定Pickering乳液时,发现随着OAAD质量浓度增加,SiO2纳米颗粒润湿性增加,Zeta电位减少,粒径增加;而乳液的粒径则逐渐减少,稳定性增强,其机理经初步分析为,当一定浓度的OAAD吸附在SiO2纳米颗粒表面,可导致颗粒间絮凝,从而在油水界面形成网络结构式界面膜,有利于提高Pickering乳液的稳定性。     

纳米SiO2分散稳定性能影响因素及作用机理研究

通过测定纳米SiO2水悬浮液的Zeta电位和吸光度,探讨了不同pH值、不同表面活性剂种类及浓度对纳米SiO2水相体系分散稳定性的影响,并分析其作用机理.结果表明:Zeta电位与吸光度有良好的对应关系,Zeta电位绝对值越高,吸光度越大,则体系分散稳定越好;pH值、表面活性剂种类及加入量是影响纳米SiO2水相体系分散稳定性的主要因素.pH为9～11之间时,体系Zeta电位绝对值较高,相应分散稳定性较好;非离子、阳离子和阴离子型表面活性剂随浓度变化均可改变体系Zeta电位,从而影响其分散稳定;加入适宜用量3种类型表面活性剂能得到分散稳定的悬浮液体系;若加入阴/非离子表面活性剂复配物,则能进一步提高和改善体系的分散稳定性能.     

月桂酸改性氧化锌纳米颗粒的Pickering乳化性能研究

研究了不同程度月桂酸表面改性氧化锌纳米颗粒的Pickering乳化性能。通过调节月桂酸用量来改变氧化锌纳米颗粒表面亲疏水性(接触角θ),并探讨了不同接触角氧化锌纳米颗粒稳定的Pickering乳液的乳滴粒径、相转变及稳定性变化规律。结果表明,部分亲水的氧化锌纳米颗粒稳定(三相接触角40°～60°)的O/W型乳液具有最小的液滴尺寸和最优的稳定性。在最优条件下利用Pickering乳液聚合法制备了表面负载氧化锌纳米颗粒的有机硅弹性微球,粒径为5～20μm。     

改性纳米Si O2颗粒对泡沫稳定性的影响研究

为了研究纳米颗粒对泡沫稳定性产生影响的原因,对不同改性程度的纳米Si O2颗粒悬浮液浓度、亲油化度、黏度、聚集体半径、表面张力与泡沫稳定性之间的关系展开了实验。通过向纳米Si O2颗粒悬浮液中加入不同浓度的己胺,使二氧化硅颗粒表面改性,并对改性后的悬浮液流变性及其产生的泡沫稳定性进行测量。实验结果表明,由于聚集体半径增大破坏泡沫,使改性剂浓度有极大值,对应泡沫稳定性最高。己胺浓度一定时,二氧化硅颗粒含量越多,泡沫稳定性越高。随改性剂浓度增加,悬浮液黏度有极大值,而悬浮液黏度与泡沫稳定性表现出良好的相关程度。     

复合摩擦电薄膜材料的性能研究

通过旋涂工艺在聚四氟乙烯高分子材料中嵌入碳纳米颗粒,制备了纳米颗粒复合的摩擦电材料。结合表面电位测试仪、6514静电计和SEM等实验方法,详细研究了碳纳米颗粒含量对摩擦电材表面电位的影响;测试了基于该复合薄膜摩擦纳米发电机的输出性能,初步探讨了碳纳米颗粒含量与材料表面电势之间的变化关系以及引起的增强机理。     

复合电解质溶液中纳米SiO2颗粒分散性及其表面动电电位

针对含有纳米二氧化硅(n-SiO2)颗粒的硫酸镍盐复合电解质溶液,研究了溶液n-SiO2颗粒的分散性、动电电位(ζ)及其影响因素.结果表明复合电解质溶液中SiO2颗粒表面ζ电位值为负值,且其绝对值随着pH值增大而增大;ζ电位影响纳米颗粒在溶液中的分散稳定性.电解质浓度影响纳米颗粒的分散性,在以Na2SO4溶液为稀释剂时,电解质中SO42-浓度为0.125 mol/L时,溶液中颗粒粒度分布范围最小,小尺寸颗粒含量最高;颗粒粒径分散效果与前处理溶液中纳米颗粒含量有关,前处理料浆中纳米颗粒含量越低,其粒度越小,分散效果越好.     

SiO2纳米颗粒对水相泡沫稳定性的影响

采用SiO_2纳米颗粒分别与阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）、阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、非离子表面活性剂十二烷基醇聚氧乙烯（3）醚（AEO-3）复配制备水相泡沫,研究了发泡体积、半衰期和微观结构的变化规律,以揭示SiO_2纳米颗粒对水相泡沫稳定性的影响机理。结果表明,在表面活性剂质量分数一定的条件下,随着纳米颗粒质量分数的增加,泡沫稳定性逐渐增强,当纳米颗粒质量分数为0.3%时,发泡体积达最大值,含气率分别为78.9%,78.4%和78.8%。与单组分质量分数分别为0.3%,0.3%和15%的SDS、CTAB、AEO-3体系相比,发泡体积未受影响,半衰期分别为9.0,8.2和360?min,提高了20%,28.1%和71.4%,泡沫的稳定性得到了不同程度的改善。     

疏水改性核壳结构颗粒对Pickering乳液的稳定作用

为了探究固体颗粒对乳液的稳定作用,采用双亲染料分子罗丹明B对核壳结构的Fe_3O_4@SiO_2纳米颗粒进行疏水改性,并将改性后的纳米颗粒作为稳定剂制备Pickering乳液。通过Zeta电位、FTIR、XRD、SEM、接触角测量、光学显微镜、电导率仪对Fe_3O_4@SiO_2纳米颗粒以及Pickering乳液的结构、形貌和性能进行表征与分析,结果表明:制备的纳米颗粒粒径小,约为150 nm,为单分散球形核壳结构;罗丹明B成功修饰到Fe_3O_4@SiO_2纳米颗粒表面,改性后颗粒接触角由30°增加至120°;随乳化剂颗粒质量浓度的增加,制备的乳液液滴的粒径减小。另外,所得Pickering乳液具有良好的磁场响应性,可通过外加磁场实现对乳液稳定性的可逆调控,且此过程可重复3次以上。     

两亲性海藻酸衍生物对纳米TiO2颗粒在水溶液中聚集行为的影响

利用十二烷基改性海藻酸钠(Na Alg-Dode)在Ti O2纳米颗粒表面上的吸附,得到了稳定的纳米Ti O2颗粒悬浮液。采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、动态光散射仪(DLS)及流变仪对颗粒粒径、表面电位及其悬浮体系的流变性进行了测定,研究了不同p H下Na Alg-Dode对纳米Ti O2颗粒在水溶液中聚集行为和流变性的影响。结果表明,加入Na Alg-Dode后,在p H=4~8内均有利于悬浮体系稳定,p H=6.3(等电点)处Ti O2颗粒的平均粒径由2.5μm降低至500 nm左右,颗粒表面Zeta电位由0降低至-40 m V左右。同时随着Na Alg-Dode的加入,Ti O2悬浮体系的剪切应力逐渐增大,表明颗粒间的相互作用增强。由此推知,Na Alg-Dode提高纳米Ti O2颗粒悬浮体系的稳定机制:Na Alg-Dode分子在不同p H下能够通过静电作用、氢键作用及疏水作用等吸附在Ti O2颗粒上,改变颗粒表面电性及空间位阻,从而降低颗粒的团聚。     

表面活性剂-纳米颗粒相互作用与智能体系的构建（Ⅵ）相同电荷表面活性剂-纳米颗粒相互作用（ⅱ）——新型乳状液的稳定机制和智能化

超低浓度的离子型表面活性剂和带相同电荷的纳米颗粒能够协同稳定一种新型O/W型乳状液,其中微量表面活性剂吸附于油/水界面,使油滴表面带电,而纳米颗粒分布于连续相水膜中,增加了油滴间的距离,进而显著降低了油滴间的范德华引力作用。纳米颗粒和油滴都存在一个临界Zeta电位,高于这一Zeta电位,才能确保乳状液的稳定。对纳米颗粒而言,这一临界Zeta电位约为±18 mV,而油滴的临界Zeta电位尚待确定。使用CO_2/N_2开关型表面活性剂DDMA与纳米氧化铝颗粒组合,可以获得开关性新型乳状液。向乳状液中通入N_2,使DDMA转变为中性的烷基脒,即能解除其表面活性和油滴的Zeta电位,导致乳状液破乳;而向体系中通入CO_2使DDMA转变为阳离子,则油滴的Zeta电位恢复,又能获得稳定的新型乳状液。对用常规离子型表面活性剂构建的新型乳状液,加入带相反电荷的离子型表面活性剂,与体系中已有的离子型表面活性剂形成离子对,即可消除油滴的Zeta电位,导致乳状液破乳,而再加入微量原有的离子型表面活性剂,则油滴的Zeta电位恢复,又能得到稳定的新型乳状液。由此得到刺激-响应性新型乳状液。本讲座将介绍有关最新的研究进展。