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      玻璃基質(zhì)表面的氣體潤(rùn)濕性與其表面自由能關(guān)系

      2012-09-22 08:31:52蔣官澄邢曉璇龐姜濤羅少杰
      關(guān)鍵詞:氟碳載玻片潤(rùn)濕性

      張 民,蔣官澄,邢曉璇,龐姜濤,孫 飛,羅少杰

      (1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249; 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249; 3.勝利油田海洋采油廠,山東 東營(yíng) 257237; 4.長(zhǎng)慶油田分公司 井下技術(shù)作業(yè)公司,陜西 西安 710018)

      0 引言

      膠體化學(xué)實(shí)驗(yàn)通常在氣相(空氣或惰性氣體)中進(jìn)行,盡管親氣性是憎液表面的典型特征,但是常常被忽略[1].近年來(lái),隨著液相中憎液表面與氣體間長(zhǎng)程引力的發(fā)現(xiàn)及研究,氣體潤(rùn)濕性逐漸得到重視[2-3].石油工業(yè)通常認(rèn)為,“氣/液/巖”體系中液體完全潤(rùn)濕巖石表面[4],氣體總是被當(dāng)做非潤(rùn)濕相.然而,“氣/液/巖”體系中液體接觸角盡管很小,卻不總為0°.1976年,Morrow N R等[5]發(fā)現(xiàn)在光滑的聚四氟乙烯表面上水相對(duì)于空氣的接觸角為108°.1997年,Al-Siyabi Z K 等[6]測(cè)量4組氣/油(C1/nC4、C1/nC8、C1/nC10和C1/nC14)體系,在模擬油藏條件下,油在巖石表面的接觸角大約為20°.另外,根據(jù)Zisman理論,隨著固體表面能的降低液體相對(duì)于氣體在固體表面的接觸角將變大,即憎液親氣性增強(qiáng)[7].

      借助于液濕性理論,Li K,Lin Y J等[8-10]提出氣體潤(rùn)濕性概念,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和礦場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí),當(dāng)凝析氣藏的潤(rùn)濕性由優(yōu)先液濕變?yōu)閮?yōu)先氣濕時(shí),潤(rùn)濕改變后氣井產(chǎn)能增加2~3倍,氣體潤(rùn)濕程度對(duì)氣井產(chǎn)能有影響.固體表面由優(yōu)先液濕轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)先氣濕主要通過(guò)采用氟碳聚合物對(duì)多孔介質(zhì)表面的處理實(shí)現(xiàn),并且采用巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)、自吸實(shí)驗(yàn)、巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行定性評(píng)價(jià)[11-15].當(dāng)多孔介質(zhì)潤(rùn)濕性由液濕轉(zhuǎn)變?yōu)闅鉂窈?,液體的相對(duì)滲透率和流動(dòng)度增大,殘余液體飽和度減小,氣體的采收率提高,并且氣體潤(rùn)濕性對(duì)氣井產(chǎn)量的影響較大[16-19].因此,建立適用的氣體潤(rùn)濕性定量評(píng)價(jià)方法,研究固體表面氣體潤(rùn)濕性與其表面自由能的關(guān)系具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值.

      1 理論關(guān)系

      1.1 自由能與液體潤(rùn)濕角

      Owens雙液法計(jì)算表面能[20]為

      式(1~3)中:γs為固體表面自由能,可分解為色散力項(xiàng)和極性力相;γL為液體表面自由能,可分解為色散力項(xiàng)和極性力項(xiàng).由式(3)可知,如果已知液體表面自由能γL和其分項(xiàng)和并測(cè)出液體在固體表面接觸角θ,則式(3)還有2個(gè)未知數(shù)和.為了求得2個(gè)未知數(shù),則需要2個(gè)方程,因此必須采用2種測(cè)試液體,獲得方程組為

      測(cè)試液體的表面能見(jiàn)表1.將表1數(shù)據(jù)代入式(1~5)分別得水和正十六烷液體表達(dá)式為

      表1 測(cè)試液體的表面能 mN·m-2

      將水和正十六烷的極性力項(xiàng)和分散力項(xiàng)代入式(6~7)得

      解式(8)和式(9)聯(lián)立的方程得

      由式(10)和式(11)得固體表面自由能與水濕角和正十六烷潤(rùn)濕角的關(guān)系為

      由式(12)可知,表面能與θ水和θ烷的關(guān)系見(jiàn)圖1.

      由圖1可知,空氣中以水和正十六烷為測(cè)試液體,運(yùn)用Owens雙液法進(jìn)行計(jì)算所獲得的表面能在理論上存在一個(gè)區(qū)域,在此區(qū)域內(nèi)水相對(duì)于空氣對(duì)固體表面的接觸角大于90°,也存在一個(gè)區(qū)域正十六烷相對(duì)于空氣對(duì)固體表面的接觸角大于90°,且這2個(gè)區(qū)域的公共部分所對(duì)應(yīng)的固體表面自由能使得固體表面水和正十六烷的接觸角均大于90°.

      1.2 定量關(guān)系

      氣相中,在固體表面滴一滴液體不擴(kuò)展,則該固體表面為氣濕[9].液滴在固體表面擴(kuò)展,微觀是液體驅(qū)替固體表面上氣體的過(guò)程,宏觀是液體相對(duì)于氣體對(duì)固體表面的潤(rùn)濕過(guò)程.液滴的接觸角θL越大,該液體相對(duì)于氣體對(duì)固體表面的潤(rùn)濕能力越差,即氣體相對(duì)于該液體對(duì)固體表面的潤(rùn)濕能力越好.氣相中,氣體相對(duì)于某種液體在固體表面的潤(rùn)濕能力參數(shù)ζ氣—液定義為ζ氣—液=cos(πθ液).ζ氣—液與氣體潤(rùn)濕性的關(guān)系見(jiàn)圖2.ζ氣—液的取值范圍為[-1.0,1.0],氣體潤(rùn)濕能力隨著液體潤(rùn)濕角θL和ζ氣—液增大而增大.

      由圖1和圖2可知,固體表面氣體潤(rùn)濕性的大小與液體接觸角和氣濕性參數(shù)的定量關(guān)系見(jiàn)表2.

      表2 氣體潤(rùn)濕性與液濕角和氣濕性參數(shù)的定量關(guān)系

      2 實(shí)驗(yàn)

      2.1 材料

      以蒸餾水為水相,正十六烷為油相,空氣為氣相.其中,水和正十六烷還用作Owens雙液法進(jìn)行固體表面自由能計(jì)算時(shí)的測(cè)試液體.載玻片為氣體潤(rùn)濕性測(cè)試的固體基質(zhì).表面處理劑為美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的陽(yáng)離子型氟碳聚合物Zonyl8740(全氟烷基甲基丙烯酸共聚物),它能吸附在基質(zhì)表面形成一層防水、防油且氣體可滲透的保護(hù)膜.

      2.2 步驟

      (1)將實(shí)驗(yàn)用載玻片先用酒精清洗,采用蒸餾水沖洗干凈,在高壓氮?dú)饬飨麓蹈?,密閉保存;

      (2)將洗凈的載玻片放入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Zonyl8740水溶液中,浸泡4h后取出,室溫下密閉晾干;

      (3)空氣中,液滴接觸角采用接觸角測(cè)量?jī)xJC2000D3(中國(guó)上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量方式為量角法.空氣中,氣體相對(duì)于水在載玻片表面的氣體潤(rùn)濕性參數(shù)記為ζ氣—水,氣體相對(duì)于正十六烷在載玻片表面的氣體潤(rùn)濕性參數(shù)記為ζ氣—烷;

      (4)空氣中,利用接觸角測(cè)量?jī)x根據(jù)Owens雙液法自動(dòng)進(jìn)行載玻片表面自由能γ載玻片的計(jì)算.根據(jù)式(12)計(jì)算相應(yīng)載玻片表面上氣體相對(duì)于水在載玻片表面的氣體潤(rùn)濕性參數(shù)記為ζ氣—水,氣體相對(duì)于正十六烷在載玻片表面的氣體潤(rùn)濕性參數(shù)記為ζ氣—烷,總結(jié)自由表面能與氣體潤(rùn)濕性參數(shù)的關(guān)系.

      2.3 結(jié)果討論

      載玻片經(jīng)過(guò)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氟碳聚合物Zonyl8740處理后,采用停滴法進(jìn)行液體潤(rùn)濕角的測(cè)量,水和正十六烷在載玻片表面的接觸角(θ水和θ烷)、氣體相對(duì)于水和正十六烷對(duì)載玻片表面的氣體潤(rùn)濕性參數(shù)(ζ氣—水和ζ氣—烷)、載玻片表面自由能(γ載玻片)與Zonyl8740質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系見(jiàn)表3.

      表3 載玻片表面氣濕性參數(shù)、液體接觸角和表面自由能的關(guān)系

      由表3可知,隨著氟碳聚合物Zonyl8740溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,所處理的載玻片表面的自由能、液體接觸角和氣體潤(rùn)濕性呈現(xiàn)的規(guī)律是隨著氟碳聚合物Zonyl8740質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,所處理載玻片表面的表面自由能逐漸降低,液體在載玻片表面的接觸角逐漸變大,氣體相對(duì)于液體在載玻片表面的潤(rùn)濕性增加.在研究范圍內(nèi),當(dāng)w(Zonyl8740)>0.1%時(shí),空氣中“水/氣/載玻片”體系載玻片表面一直為優(yōu)先氣濕(ζ氣—水>0),而“正十六烷/氣/載玻片”體系載玻片表面的氣濕性也隨著w(Zonyl8740)的增大,ζ氣—烷逐漸增大,即氣濕性逐漸增強(qiáng).

      這是由于Zonyl8740為陽(yáng)離子型氟碳類聚合物,能吸附在載玻片表面,在成膜干燥過(guò)程中,聚合物的含氟側(cè)鏈〔—(CF2)nCF3〕向空氣中伸展并占據(jù)聚合物與空氣的界面,顯著降低載玻片的表面自由能[21].同時(shí),Zonyl8740中的氟原子難以極化,氟碳鏈的極性比碳?xì)滏溞?,使氟碳鏈?zhǔn)杷饔帽忍細(xì)滏湉?qiáng),且達(dá)到疏油(碳?xì)漕惢衔铮┑哪康?因此,隨著Zonyl8740質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,載玻片表面含氟基團(tuán)增加,其表面自由能降低,氣體相對(duì)于水和正十六烷在載玻片表面的潤(rùn)濕性增強(qiáng).

      3 結(jié)論

      (1)空氣中,以“氣/液/固”體系為研究對(duì)象,采用自定義的固體表面氣體潤(rùn)濕性參數(shù),建立空氣中固體表面氣體潤(rùn)濕性的定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),明確了氣體潤(rùn)濕性與液體潤(rùn)濕性關(guān)系.

      (2)采用Owens模型結(jié)合自定義的氣體潤(rùn)濕性潤(rùn)濕參數(shù),理論上證實(shí)空氣中固體表面的氣體潤(rùn)濕性與其表面自由能的關(guān)系,并通過(guò)停滴法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了兩者關(guān)系的正確性.

      (3)采用氟碳聚合物Zonyl8740,實(shí)現(xiàn)空氣中“水/空氣/載玻片”體系載玻片表面的優(yōu)先氣濕,“正十六烷/空氣/載玻片”體系載玻片表面的氣濕性隨著Zonyl8740質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,氣濕性增強(qiáng).

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