一種疏水納米顆粒與表面活性劑復配分散體制備裝置及應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種疏水納米顆粒與表面活性劑復配分散體制備裝置及應用，屬于納米顆粒協同表面活性劑提高泡沫穩定性的技術領域。
【背景技術】
[0002]泡沫作為一種智能流體被廣泛地應用于油氣田開發領域，涵蓋了鉆井、固井、油氣井作業、增產措施、提高采收率等各個方面。然而，在將泡沫應用于油氣田開發過程中，由于其自身熱力學不穩定的特性，導致泡沫流動過程中極易破滅，使得其調剖、封堵等特性大大降低。因此，高效利用泡沫輔助油氣田開發的關鍵環節是提高泡沫穩定性。
[0003]納米科技的蓬勃發展，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用范圍。由于納米顆粒尺度小、體積效應和表面效應大、吸附性能強等特性，使得人們提出了利用納米顆粒與表面活性劑復配來協同提高泡沫穩定性的方法。其優勢主要在于: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象的發生；納米顆粒在氣泡液膜中形成架橋結構提高泡沫的穩定性。
[0004]張水燕在其博士論文《鋰皂石及HMHEC與表面活性劑協同穩定的泡沫》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同穩泡效果，其協同穩泡的機理是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，實現協同穩定泡沫的作用。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)協同穩定泡沫的機理，指出在合適的d1-C1(lDMAB濃度下，能夠將親水納米二氧化娃顆粒的潤濕角由8°變為63°，使其疏水性增強，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同穩定泡沫[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)協同穩泡的機理，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定性，進而提高原油采收率[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配制備復合泡沫體系的方法。
[0006]通過以上研宄可以發現，納米顆粒在與表面活性劑協同穩泡過程中，顆粒的疏水性和電性質是兩個重要因素，并且顆粒的疏水性更為重要。只有納米顆粒處于一個合適的疏水性時(極度疏水也無法穩定泡沫，潤濕角在60°?120°最佳)，才能最佳地穩定泡沫。因此，人們多采用親水納米顆粒與表面活性劑復配，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，進而得到穩定的泡沫體系。很少采用疏水納米顆粒與表面活性劑復配，以降低疏水納米顆粒疏水性提高泡沫穩定性的方法，主要是因為疏水納米顆粒在與表面活性劑復配時由于其疏水性，無法形成疏水納米顆粒與表面活性劑分散液，進而無法復配穩泡。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。但是當無水乙醇的加入量較少時，納米顆粒極易在分散液中產生聚并，影響其穩泡效果，增大了使用量，無形中增加了生產成本；當無水乙醇的加入量較多時，反而由于無水乙醇是一種消泡劑，使其喪失了穩泡作用。
[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配體系，提高納米顆粒的利用效率，降低生產成本，為納米材料在油氣田開發中應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，對該微乳液進行蒸發、干燥，得到穩定劑-納米顆粒復合干膠狀物，然后加入能夠溶解穩定劑的極性溶劑，進而實現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，然后分散在易揮發的非極性有機試劑中，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定劑。該種將納米顆粒分散至水相的方法無法實現利用表面活性劑來調控納米顆粒親疏水性處于一個合理的范圍，進而實現穩定泡沫的作用，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，增加其應用范圍，并沒有考慮將納米顆粒與表面活性劑復配體系分散在水相中。
【發明內容】
[0009]針對現有技術的不足，本發明提供一種疏水納米顆粒與表面活性劑復配分散體制備裝置，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，不僅能夠實現對納米顆粒親疏水性的調節，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，形成穩定的分散體系。
[0010]本發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配分散體的方法。
[0011]本發明的技術方案在于:
[0012]一種疏水納米顆粒與表面活性劑復配分散體制備裝置，包括供水管路、復配混合管路和集料管路；
[0013]所述復配混合管路包括串聯成回路的超聲波分散儀和儲液罐，在所述超聲波分散儀和儲液罐之間設置有供物料單向循環的第二柱塞泵；
[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液罐的出料端相連。
[0016]根據本發明優選的，所述超聲波分散儀包括儀器桶、在所述儀器桶內由上而下依次設置有第一超濾膜和第二超濾膜將所述儀器桶分為三個腔體，依次為:第一腔體、第二腔體和第三腔體，在第一腔體內設置有第一超聲波發射探頭；在所述第二腔體內設置有第二超聲波發射探頭；在所述儀器桶的桶壁上貫通設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]根據本發明優選的，所述超聲波分散儀包括活動啟閉的頂蓋。此處設計的優點在于，便于對整個裝置進行維護、保養，利于對所述超濾膜進行更換或清理。
[0018]根據本發明優選的，所述儀器桶的內桶壁上設置有第一卡環和第二卡環，所述第一超濾膜和第二超濾膜分別通過第一卡環和第二卡環分別搭設在所述儀器桶內。
[0019]根據本發明優選的，所述供水管路通過三通管與所述超聲波分散儀和儲液罐相連；所述供水管路包括儲水罐、第一柱塞泵和流量計。
[0020]根據本發明優選的，所述集料管路通過三通管與所述儲液罐和超聲波分散儀相連；所述集料管路包括復配分散體儲罐和第三柱塞泵。
[0021]根據本發明優選的，所述儀器桶整體為矩形，在所述桶壁內側設置有溫控裝置；在所述溫控裝置相鄰的桶壁上分別設置有第一超聲波發射探頭或第二超聲波發射探頭。
[0022]根據本發明優選的，所述第一超濾膜孔徑為1nm?lOOnm，所述第二超濾膜孔徑為1nm?lOOnm。根據實驗需求進行選擇，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壁上的卡環在特定高度進行固定。所述第一超聲波發射探頭和第二超聲波發射探頭的效頻率均為15kHz?40kHz，功率為2000? ;所述第一超聲波發射探頭和第二超聲波發射探頭均包括多個探頭，所述探頭與所述桶壁垂直設置，所述相鄰設置的探頭的間距為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配分散體的方法，包括步驟如下:
[0024](I)根據實驗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上，然后將第一超濾膜安裝在第一卡環上；
[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投放所需質量的表面活性劑，由疏水納米顆粒投放管道向超聲波分散儀的第二腔體內投放所需質量的疏水納米顆粒；投放結束后關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水罐中的水注入超聲波分散儀中；流量計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配混合管路內單向循環，開啟第一超聲波發射探頭和第二超聲波發射探頭；在超聲波分散儀內水體循環流動過程中，水首先在超聲波分散儀內上部空間與表面活性劑混合，在第一超聲波發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，然后經由第一超濾膜進入第二腔體，未到達第一超濾膜尺寸要求的將被滯留在所述第一腔體內，直至經第一超聲波發