Пены. Получение и свойства

 

Пены представляют собой грубодисперсные, высококонцентрированные системы, где сравнительно крупные пузырьки газа (с диаметром от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров) разделены тонки­ми прослойками жидкости, которые в виде пленок образуют непрерывную фазу. Для получения пены в системе жидкость/газ необходимо присутствие третьего компонента – пенообразователя.

Различают слабые пенообразователи – низкомолекулярные веще­ства (спирты, органические кислоты, амины, кетоны и др.), кото­рые не образуют адсорбционные слои, обладающие заметными структур­но-механическими свойствами: время жизни таких пен не превышает нескольких минут или даже секунд, и сильные пенообразователи – высокомолекулярные вещества с малой поверхностной активностью, но образующие механически прочные гелеподобные адсорбционные пленки. Время их жизни (т.е. время, в течение которого высота столба пены уменьшается в два раза) определяется часами или даже сутками.

Рисунок 3.1 – Схема образования пузырька газа

Для повышения устойчивости пены к раствору пенообразователя добавляют специальные стабилизаторы. Роль стабилизаторов могут выполнять мыла или высокомолекулярные соединения. В нефтепромысловой практике в качестве стабилизаторов пен используют карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), этансульфонатцеллюлозу (ЭСЦ), полиакриламид и другие вещества. Такие стабилизаторы образуют на поверхности пузырьков коллоидные пленки с высокими структурно-механическими свойствами, что повышает устойчивость пен.

На рисунке 3.1 показана схема образования пузырька газа в жидкости (1), на поверхности (2) и в воздухе (3). При выходе пузырька из жидкости он обволакивается двойным слоем ориентированных в жидкости молекул пенообразователя. Такой пузырек газа находится в неравновесном состоянии. Стенки пузырька при вытекании жидкости утончаются и он лопается, так как, не в состоянии выдержать большое внутренне давление где s – поверхностное натяжение r – радиус пузырька. При избытке газовой фазы отдельные пузырьки газа слипаются и теряют сферическую форму_t превращаясь в полиэдрические ячейки, стенки которых состоят из весьма тонких пленок дисперсионной среды (рисунок 3.2). Такая структура называется ячеистой или сотообразной.

Рисунок 3.3 - Схема строения пузырьков ячеистой пены: 1 – воздух, 2 – прослойки водного раствора ПАВ

На рисунке 3.3 приведена схема строения пузырьков пены. Из рисунка видно, что полярные группы молекул пенообразователя, направленные в воду, являются своеобразным каркасом образованного на поверхности воды адсорбционного слоя. Адсорбционный слой, включающий правильно ориентированные, связанные между собой и со структурообразующими веществами молекулы воды, оказывает значительное сопротивление разрушению пузырьков.

Рисунок 3.2 - Структура пены

Пены могут быть 2-х и 3-х фазными. Трехфазная пена стабилизируется за счет прилипания к пузырькам воздуха твердых частичек, что приводит к образованию в узлах между пузырьками «пробок», замедляющих стекание жидкости в пене и затрудняющих дальнейшее утончение прослоек воды.

Устойчивость 2-х и 3-х фазных пен в значительной степени зависит от размеров их пузырьков.

Часто возникает необходимость разрушать пены или предупреждать их образование. Для этой цели применяют противопенные или пеногасящие вещества. Эти вещества обладают высокой поверхностной активностью, вытесняют пенообразователь с поверхности жидкости, но сами не дают стойкой пены. К таким веществам относятся различные спирты, сложные эфиры и т.д. Из спиртов для гашения пены чаще всего применяют циклогексанол, амиловый и октиловый спирты, а также смеси высших спиртов, получающихся как побочные продукты при синтезе метилового спирта. Основные свойства пены: пенообразующая способность (вспенивание) или близкое ей понятие – кратность пены (отношение объема пены к объему раствора, пошедшего на ее образование), стабильность (устойчивость) или время "жизни" (в секундах или минутах) элементарной пены – отдельного пузырька или пленки, столба пены; дисперсность пены – распределение пузырьков пены по радиусам; электропроводность пены и др.

Практическое использование пен. Пены находят широкое применение при флотации и сепарации руд различных металлов, тушении пожаров, очистке поверхностей от загрязнений; твердыми пенами являются многочисленные пенопласты, пенобетоны и др. материалы.

В последние годы пены стали широко использоваться в нефтяной промышленности. Применение пен оказалось эффективным при освоении скважин, их капитальном ремонте, при вторичном вскрытии пластов. Применение пен при этом увеличивает межремонтный период работы в 3-4 раза, производительность скважин увеличивается в 1,5-2 раза, а сроки освоения сокращаются в 4-5 раз. Ряд преимуществ дает бурение скважин с использованием пен вместо промывочных жидкостей. Увеличивается механическая скорость бурения, улучшаются условия эксплуатации бурового инструмента и скважин: при бурении скважин в вечной мерзлоте применение пен обеспечивает неизменность диаметра ствола. Промывка песчаных пробок пенами осуществляется в 8 -10 раз быстрее и в 2 - 3 раза экономичнее. Пена, благодаря своим специфическим свойствам, может быть использована в качестве блокирующего агента при предотвращении утечек газа из подземных хранилищ.

Закачка пены в пласт – один из перспективных методов воздействия на призабойную зону обводненных скважин с целью регулирования продвижения пластовых и подошвенных вод. Этот метод селективен: пена при контакте с нефтью разрушается, а в водонасыщенной части пласта создает условия, препятствующие продвижению пластовых вод в скважину. Регулирование продвижения пластовых вод пеной является профилактическим средством, позволяющим на некоторое время снизить поступление воды при одновременном увеличении добычи нефти и газа.

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: