起泡剂/稳泡剂/SiO2复合泡沫缓速酸液体系协同增效性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.220117

摘要/Abstract

摘要：

为了有效控制液相中H⁺向岩石表面的扩散，降低酸-岩反应速率，进而达到深度酸化刻蚀的目的，通过对纳米颗粒、稳泡剂与表面活性剂协同增效作用的研究，制备了一种泡沫稳定、耐温性能及缓速性能优异的泡沫缓速酸。室内通过对比不同纳米材料在酸液中的分散性能及纳米颗粒粒径对泡沫缓速酸性能的影响，优选出d=25 nm的亲水型SiO₂纳米材料。采用自制的两性表面活性剂（MAC）作为起泡剂，并加入自制的酸液稠化剂（SY-1）作为稳泡剂以达到稳泡作用。当w（SiO₂）=1.5%、w（MAC）=1.0%、w（SY-1）=0.08%时，所形成的泡沫也更加致密，液膜厚度增强，泡沫稳定性提高，半衰期延长，从7 min增长到69 min；并且SY-1的加入提高了泡沫的耐高温性能，使体系在90 ℃时半衰期仍然能达到29 min。通过测定不同条件下酸岩反应速率并进行比较，结果表明，20%HCl基液的平均酸岩反应速率为1.148×10^-3 mg/（cm²·s），而实验室自制泡沫缓速酸液体系的平均酸-岩反应速率降至7.142×10^-5 mg/（cm²·s），降低了两个数量级，缓速率达到93.7%。结果表明，SiO₂纳米颗粒和稳泡剂的加入提高了体系的耐温性能，降低了酸-岩反应速率，为酸化工艺的实施提供了重要的理论依据。

关键词: 稳泡剂, 两性表面活性剂, 纳米材料, 泡沫缓速酸, 耐温性能, 缓速率

Abstract:

In order to effectively control the diffusion of H⁺ in the liquid phase to the rock surface， reduce the reaction rate of acid rock， and thus achieve the purpose of deep acidification etching， a foam retarded acid with excellent foam stability， temperature resistance and slow speed performance is prepared by studying the synergistic effect of nanoparticles， foam stabilizer and surfactant. By comparing the dispersion properties of different nano materials in acid solutions and the effect of particle size on the retarded acid properties of foam， hydrophilic SiO₂ nano-materials with d=25 nm are selected. The self-made amphoteric surfactant MAC is used as foaming agent， and the self-made acid thickener （SY-1） is added as the foam stabilizer to achieve foam stabilization. When w（SiO₂）=1.5%， w（MAC）=1.0%， w（SY-1）=0.08%， the formed foam is dense， the liquid film thickness is enhanced， the foam stability is improved， and the half-life was prolonged from 7 min to 69 min. SY-1 improves the high temperature resistance of the foam， so that the half-life of the system can still reach 29 min at 90 ℃. The core dissolution rates under different conditions are compared and the average core dissolution rate of 20% HCl solution is 1.148×10^-3 mg/（cm²·s） while the average core dissolution rate of self-made foam retarded acid solution system in the laboratory is reduced to 7.142×10^-5 mg/（cm²·s） which is reduced by 93.7%. The addition of SiO₂ nanoparticles and foam stabilizer improves the temperature resistance of the system and reduces the acid rock reaction rate， which provides an important theoretical basis for the implementation of acidification process.

Key words: Foam stabilizer, Amphoteric surfactant, Nanomaterials, Foam retarded acid, Heat resistance, Retarded rate

中图分类号:

O633

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图/表 9

图1 起泡剂MAC结构式

Fig.1 Structure of foaming agent MAC

图2 稳泡剂SY-1结构式

Fig.2 Structural formula of foam stabilizer SY-1

表1 相同粒径的不同纳米材料精盐酸处理后静置30 min后的分散状态

Table 1 Dispersion state of different nanomaterials after reaction with HCl and standing for 30 min

	Nano?ZnO	Nano?TiO₂	Hydrophilic nano?SiO₂	Hydrophobic nano?SiO₂
Decentralized state	React	A large number of sedimentary	Part of the deposit	Floating in the liquid level
Sedimentation volume	/	<50 mL	120 mL	/

图3 不同粒径SiO2纳米材料质量分数对泡沫的半衰期（A）和起泡体积（B）的影响

Fig.3 Effect of Mass fraction and particle sizes of SiO2 nano-materials on half-time of foam （A） and foaming volume （B）

图4 稳泡剂SY-1质量分数对半衰期（A）和起泡体积（B）的影响

Fig.4 Effect of foam stabilizer SY-1 Mass fraction on half-life （A） and foaming volume （B）

图5 不同条件下（20%HCl+1.0%MAC， 20%HCl+1.0%MAC+1.5%SiO2， 20%HCl+1.0%MAC+1.5%SiO2+0.08%SY-1）起泡30 s、3 min和5 min时的泡沫状态

Fig.5 Foam state at 30 s， 3 min and 5 min of foaming under different conditions（20%HCl+1.0%MAC， 20%HCl+1.0%MAC+1.5%SiO2， 20%HCl+1.0%MAC+1.5%SiO2+0.08%SY-1）

图6 稳泡剂与表面活性剂协同增效机理

Fig.6 Synergistic mechanism of foam stabilizer and surfactant

图7 不同体系下温度对半衰期的影响

Fig.7 Effect of temperature on half-life in different systems

表2 不同反应条件下的平均酸岩反应速率及缓速率

Table 2 Average reaction rate and slow rate under different reaction conditions

Reaction condition	Rock core surface area/cm²	Rock core reaction quality/mg	Average reaction rate （ $V a ˉ$ ）/ （mg·cm^-2·s^-1）	Inhibition rate （K）/%
①20%HCl	41.44	28.55	1.148×10^-3	/
	42.32	28.79
	41.67	28.71
②20%HCl+1.0%MAC	40.72	4.82	1.971×10^-4	64.3
	41.37	5.02
	41.89	5.15
③20%HCl+1.0%MAC+ 1.5%SiO₂	39.90	2.38	9.732×10^-5	87.2
	40.13	2.51
	40.76	2.57
④20%HCl+1.0%MAC+ 1.5%SiO₂+0.08%SY?1	40.43	1.91	7.142×10^-5	93.7
	39.67	1.62
	39.78	1.75

表2 不同反应条件下的平均酸岩反应速率及缓速率

Table 2 Average reaction rate and slow rate under different reaction conditions

Reaction condition	Rock core surface area/cm²	Rock core reaction quality/mg	Average reaction rate （ $V a ˉ$ ）/ （mg·cm^-2·s^-1）	Inhibition rate （K）/%
①20%HCl	41.44	28.55	1.148×10^-3	/
	42.32	28.79
	41.67	28.71
②20%HCl+1.0%MAC	40.72	4.82	1.971×10^-4	64.3
	41.37	5.02
	41.89	5.15
③20%HCl+1.0%MAC+ 1.5%SiO₂	39.90	2.38	9.732×10^-5	87.2
	40.13	2.51
	40.76	2.57
④20%HCl+1.0%MAC+ 1.5%SiO₂+0.08%SY?1	40.43	1.91	7.142×10^-5	93.7
	39.67	1.62
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起泡剂/稳泡剂/SiO₂复合泡沫缓速酸液体系协同增效性能

Synergistic Performance of Foaming Agent/Stabilizer/SiO₂ Composite Foam Retarded Acid System

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