一種疏水納米顆粒與表面活性劑復(fù)配分散體制備裝置及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種疏水納米顆粒與表面活性劑復(fù)配分散體制備裝置及應(yīng)用，屬于納米顆粒協(xié)同表面活性劑提高泡沫穩(wěn)定性的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]泡沫作為一種智能流體被廣泛地應(yīng)用于油氣田開發(fā)領(lǐng)域，涵蓋了鉆井、固井、油氣井作業(yè)、增產(chǎn)措施、提高采收率等各個(gè)方面。然而，在將泡沫應(yīng)用于油氣田開發(fā)過程中，由于其自身熱力學(xué)不穩(wěn)定的特性，導(dǎo)致泡沫流動(dòng)過程中極易破滅，使得其調(diào)剖、封堵等特性大大降低。因此，高效利用泡沫輔助油氣田開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是提高泡沫穩(wěn)定性。
[0003]納米科技的蓬勃發(fā)展，為納米材料提供了從電子、通信、生物到能源等極其廣泛的潛在應(yīng)用范圍。由于納米顆粒尺度小、體積效應(yīng)和表面效應(yīng)大、吸附性能強(qiáng)等特性，使得人們提出了利用納米顆粒與表面活性劑復(fù)配來協(xié)同提高泡沫穩(wěn)定性的方法。其優(yōu)勢主要在于:納米顆粒在氣液界面的吸附能夠抑制泡沫的聚并和歧化現(xiàn)象的發(fā)生；納米顆粒在氣泡液膜中形成架橋結(jié)構(gòu)提高泡沫的穩(wěn)定性。
[0004]張水燕在其博士論文《鋰皂石及HMHEC與表面活性劑協(xié)同穩(wěn)定的泡沫》中指出親水的鋰皂石顆粒與表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)在合適的配比條件下具有非常好的協(xié)同穩(wěn)泡效果，其協(xié)同穩(wěn)泡的機(jī)理是CTAB在鋰皂石上吸附從而改變了鋰皂石顆粒的親水性，使其具有合適的親疏水性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同穩(wěn)定泡沫的作用。Bernard P.Binks等人研宄了親水納米二氧化硅顆粒與表面活性劑雙癸基二甲基溴化銨(d1-C1(lDMAB)協(xié)同穩(wěn)定泡沫的機(jī)理，指出在合適的d1-C1(lDMAB濃度下，能夠?qū)⒂H水納米二氧化娃顆粒的潤濕角由8°變?yōu)?3°，使其疏水性增強(qiáng)，并且正是通過一定程度地增加其疏水性從而使得二者能夠協(xié)同穩(wěn)定泡沫[Soft Matter, 2008，4(12):2373-2382]。孫乾等人研宄了部分疏水納米二氧化硅顆粒與表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)協(xié)同穩(wěn)泡的機(jī)理，指出合適配比的納米二氧化娃顆粒與SDS能夠明顯提升泡沫的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高原油采收率[Energy&FueIs, 2014，28(4):2384-2394]。
[0005]中國專利CN102746841A公開一種油氣田用添加納米顆粒的復(fù)合泡沫體系及其制備方法，公開了用改性納米二氧化硅顆粒與十二烷基硫酸鈉復(fù)配制備復(fù)合泡沫體系的方法。
[0006]通過以上研宄可以發(fā)現(xiàn)，納米顆粒在與表面活性劑協(xié)同穩(wěn)泡過程中，顆粒的疏水性和電性質(zhì)是兩個(gè)重要因素，并且顆粒的疏水性更為重要。只有納米顆粒處于一個(gè)合適的疏水性時(shí)(極度疏水也無法穩(wěn)定泡沫，潤濕角在60°?120°最佳)，才能最佳地穩(wěn)定泡沫。因此，人們多采用親水納米顆粒與表面活性劑復(fù)配，利用表面活性劑在親水納米顆粒表面吸附改變其親疏水的性質(zhì)，進(jìn)而得到穩(wěn)定的泡沫體系。很少采用疏水納米顆粒與表面活性劑復(fù)配，以降低疏水納米顆粒疏水性提高泡沫穩(wěn)定性的方法，主要是因?yàn)槭杷{米顆粒在與表面活性劑復(fù)配時(shí)由于其疏水性，無法形成疏水納米顆粒與表面活性劑分散液，進(jìn)而無法復(fù)配穩(wěn)泡。中國專利CN102746841A中為了形成疏水納米顆粒與表面活性劑分散液，采用了加入無水乙醇作為助劑。但是當(dāng)無水乙醇的加入量較少時(shí)，納米顆粒極易在分散液中產(chǎn)生聚并，影響其穩(wěn)泡效果，增大了使用量，無形中增加了生產(chǎn)成本；當(dāng)無水乙醇的加入量較多時(shí)，反而由于無水乙醇是一種消泡劑，使其喪失了穩(wěn)泡作用。
[0007]因此，能否找到一種合適的方法將疏水納米顆粒分散到水中，與表面活性劑形成復(fù)配體系，提高納米顆粒的利用效率，降低生產(chǎn)成本，為納米材料在油氣田開發(fā)中應(yīng)用的推廣提供可行性顯得尤為重要。
[0008]中國專利CN103127744A公開了一種將油相納米顆粒轉(zhuǎn)移到水相中的方法，公開了利用超聲乳化的方式形成水包油微乳液，對(duì)該微乳液進(jìn)行蒸發(fā)、干燥，得到穩(wěn)定劑-納米顆粒復(fù)合干膠狀物，然后加入能夠溶解穩(wěn)定劑的極性溶劑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將納米顆粒分散到極性溶劑中的目的。該方法需要將納米顆粒用油酸或油胺包覆，然后分散在易揮發(fā)的非極性有機(jī)試劑中，另外還需要加入無水乙醇等助劑以及聚乙烯吡咯烷酮等穩(wěn)定劑。該種將納米顆粒分散至水相的方法無法實(shí)現(xiàn)利用表面活性劑來調(diào)控納米顆粒親疏水性處于一個(gè)合理的范圍，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定泡沫的作用，該專利主要目的是將油相中合成的納米顆粒分散在水相中，增加其應(yīng)用范圍，并沒有考慮將納米顆粒與表面活性劑復(fù)配體系分散在水相中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種疏水納米顆粒與表面活性劑復(fù)配分散體制備裝置，利用超聲波空化作用將疏水納米顆粒分散到能與之復(fù)配的表面活性劑溶液中，并在超聲波空化作用下，利用分散開的納米顆粒高表面能、高吸附性等特性，使溶液中的表面活性劑分子吸附在納米顆粒表面，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)納米顆粒親疏水性的調(diào)節(jié)，還能利用吸附在納米顆粒表面的表面活性劑分子間的斥力作用，形成穩(wěn)定的分散體系。
[0010]本發(fā)明還提供一種利用上述制備裝置制備疏水納米顆粒與表面活性劑復(fù)配分散體的方法。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案在于:
[0012]一種疏水納米顆粒與表面活性劑復(fù)配分散體制備裝置，包括供水管路、復(fù)配混合管路和集料管路；
[0013]所述復(fù)配混合管路包括串聯(lián)成回路的超聲波分散儀和儲(chǔ)液罐，在所述超聲波分散儀和儲(chǔ)液罐之間設(shè)置有供物料單向循環(huán)的第二柱塞泵；
[0014]所述供水管路與所述超聲波分散儀的頂部相連；
[0015]所述集料管路與所述儲(chǔ)液罐的出料端相連。
[0016]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述超聲波分散儀包括儀器桶、在所述儀器桶內(nèi)由上而下依次設(shè)置有第一超濾膜和第二超濾膜將所述儀器桶分為三個(gè)腔體，依次為:第一腔體、第二腔體和第三腔體，在第一腔體內(nèi)設(shè)置有第一超聲波發(fā)射探頭；在所述第二腔體內(nèi)設(shè)置有第二超聲波發(fā)射探頭；在所述儀器桶的桶壁上貫通設(shè)置有表面活性劑投放管道和第一腔體相連通；在所述儀器桶的桶壁上貫通設(shè)置有疏水納米顆粒投放管道和所述第二腔體相連通。
[0017]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述超聲波分散儀包括活動(dòng)啟閉的頂蓋。此處設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，便于對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)，利于對(duì)所述超濾膜進(jìn)行更換或清理。
[0018]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述儀器桶的內(nèi)桶壁上設(shè)置有第一卡環(huán)和第二卡環(huán)，所述第一超濾膜和第二超濾膜分別通過第一卡環(huán)和第二卡環(huán)分別搭設(shè)在所述儀器桶內(nèi)。
[0019]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述供水管路通過三通管與所述超聲波分散儀和儲(chǔ)液罐相連；所述供水管路包括儲(chǔ)水罐、第一柱塞泵和流量計(jì)。
[0020]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述集料管路通過三通管與所述儲(chǔ)液罐和超聲波分散儀相連；所述集料管路包括復(fù)配分散體儲(chǔ)罐和第三柱塞泵。
[0021]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述儀器桶整體為矩形，在所述桶壁內(nèi)側(cè)設(shè)置有溫控裝置；在所述溫控裝置相鄰的桶壁上分別設(shè)置有第一超聲波發(fā)射探頭或第二超聲波發(fā)射探頭。
[0022]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述第一超濾膜孔徑為1nm?lOOnm，所述第二超濾膜孔徑為1nm?lOOnm。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行選擇，其四周由銅絲固定，并由密封圈包裹銅絲，上下兩層超濾膜由腔體內(nèi)壁上的卡環(huán)在特定高度進(jìn)行固定。所述第一超聲波發(fā)射探頭和第二超聲波發(fā)射探頭的效頻率均為15kHz?40kHz，功率為2000? ;所述第一超聲波發(fā)射探頭和第二超聲波發(fā)射探頭均包括多個(gè)探頭，所述探頭與所述桶壁垂直設(shè)置，所述相鄰設(shè)置的探頭的間距為5cm。
[0023]一種利用上述制備裝置制備疏水納米顆粒與表面活性劑復(fù)配分散體的方法，包括步驟如下:
[0024](I)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選擇合適孔徑的第一超濾膜和第二超濾膜，并先將第二超濾膜安裝第二卡環(huán)上，然后將第一超濾膜安裝在第一卡環(huán)上；
[0025](2)蓋緊超聲波分散儀頂蓋，由表面活性劑投放管道向超聲波分散儀的第一腔體內(nèi)投放所需質(zhì)量的表面活性劑，由疏水納米顆粒投放管道向超聲波分散儀的第二腔體內(nèi)投放所需質(zhì)量的疏水納米顆粒；投放結(jié)束后關(guān)閉表面活性劑投放管道和疏水納米顆粒投放管道;
[0026](3)利用第一柱塞泵將儲(chǔ)水罐中的水注入超聲波分散儀中；流量計(jì)用于記錄注入水的量；
[0027](4)注入水后，通過第二柱塞泵使所述疏水納米顆粒、表面活性劑和水在復(fù)配混合管路內(nèi)單向循環(huán)，開啟第一超聲波發(fā)射探頭和第二超聲波發(fā)射探頭；在超聲波分散儀內(nèi)水體循環(huán)流動(dòng)過程中，水首先在超聲波分散儀內(nèi)上部空間與表面活性劑混合，在第一超聲波發(fā)射探頭超聲空化的作用下形成表面活性劑與水的分散溶液，然后經(jīng)由第一超濾膜進(jìn)入第二腔體，未到達(dá)第一超濾膜尺寸要求的將被滯留在所述第一腔體內(nèi)，直至經(jīng)第一超聲波發(fā)