基于Lemlich模型的泡沫中气体扩散规律实验研究-论文.pdf

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1、2014年5月西安石油大学学报(自然科学版)Mav2014第29卷第3期JournalofXianShiyouUniversity(NaturalScienceEdition)V01．29No．3文章编号：1673-064X(2014)03-0087-06基于Lemlich模型的泡沫中气体扩散规律实验研究张东，林珊珊(1．中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津300452；2．中海油田服务股份有限公司油田生产研究院，天津300450)摘要：泡沫的聚并过程是体系自由能减少的一个自发过程。通过室内微观模拟实验，研究了不同泡沫体系中气泡平均半径的变化规律，并根据相邻2个气泡大小的变化情

2、况，近似得到了冻胶泡沫体系扩散系数的数量级，然后根据Lemlich理论，给出了气体扩散系数的计算方法，并分别计算出了强化泡沫体系和冻胶泡沫体系的气体扩散系数。研究结果表明，水基泡沫体系气泡平均半径随时间迅速增加，且后期水基泡沫气泡平均半径远远大于强化泡沫体系和冻胶泡沫体系气泡的平均半径，冻胶泡沫体系气泡的平均半径变化最慢，该体系最稳定；冻胶泡沫体系的气体扩散系数小于强化泡沫体系的扩散系数，进一步说明冻胶泡沫体系稳定性最佳。关键词：泡沫；稳定性；气泡聚并；气体扩散系数中图分类号：TE357．7文献标识码：A泡沫体系是一种热力学不稳定体系，总是自发际气泡的聚并情况，就可计算得到泡沫体系

3、中气体地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转向液相中的扩散系数．，。化_lj。泡沫的稳定性受到2个过程的限制：液膜变1泡沫体系中气体扩散规律研究——薄和聚并过程。在聚并过程中，2个或更多的气泡融合在一起形成一个较大的气泡，以减小总的表面Lemlich模型积，而该过程是体系自由能减少的自发过程剖。1．1两气泡之间气体扩散的动力在实验过程中，无论用什么方式产生的气泡，其大小如图1所示，两气泡之间的压差△p为：总是不均匀的，小气泡内的压力要比大气泡的压力高，因而小气泡中的气体会透过液膜扩散到液相，再由液相扩散到大气泡中，从而造成小气泡更小，大气泡更大的现象。因此，在泡沫的稳定性机理方面

4、，研究气泡大小的变化程度和变化所需要的时间是十分重要的。本论文基于Lemlich模型的研究理论，给出了一种测量不同泡沫体系的气体扩散系数的计算方法。该模型的意义在于给定不同泡沫体系的初始概率密度分布．厂，根据模型理论推导，可以计算不同无图1模型简图因次时问下气泡的大小变化情况，然后通过对比实Fig．1Modeldiagram收稿日期：2013—11—18作者简介：张东(1987-)，男，硕士，从事油藏工程方面的研究。E-mail：zhangdongl8@cnooc．com．cn一88一西安石油大学学报(自然科学版)因此，压差的存在导致气泡之间发生气体的扩缩小或膨胀，所有气泡的总的摩

5、尔流量Q为0，即散驯，小泡B中的气体首先向液相中扩散，液相中的气体扩散进入大泡A中，气体扩散的方向如图1Q=^(r,T)dr=8仃(鲁一r)F(rdr所示。=0。(7)因此，以气泡B为例，气体通过表面积s从气泡扩散到液相的摩尔流量Ⅳ为：frF(r，)drN=jSAp。(2)P=■-———一—一。(t5)JrE(r，)dr式中：Ⅳ为摩尔流量，mol／s；

6、s为表面积，m；卸为压差，Pa；．，为气体扩散系数，mol／，s·(m·Pa)～，J可最后得到式(5)与式(8)，即可求解不同时刻不正可负，J>0表示大气泡逐渐膨胀，J<0表示小气同半径条件下泡沫尺寸的频率分布。对式(5)进行泡逐渐

7、缩小。气体扩散系数．，的物理意义为在单位无因次化处理，另R=r／r，R=p／r，t=时间条件下泡沫中单位面积单位压差下气体物质的2JRTo'r／(2一p)，r。为初始时刻气泡的平均半径。可得量的变化。△R=(1一百1)。(9)1．2Lemlich模型理论推导初始条件是已知初始时刻气泡大小的概率密度Lemlich模型的假设条件为，认为气泡之间发生分布r，0)。经迭代可以得到一系列无因次时间下歧化作用主要是由于气相扩散作用导致的，忽略气气泡大小的概率密度分布函数(R，t)。(R，f)为液界面的收缩或膨胀带来的影响¨。无因次，且假设r为任意一个气泡的半径，P为一个假设气(R，t)=rcF

8、(r，丁)。(10)泡的半径，则式(3)代表了整个泡沫体系中的任意气泡与该假设气泡之间的压差：△p：(一÷)。(3)2实验装置与方法假设满足理想气体状态方程，由于毛管力较小，2．1实验药品气泡中的压力近似等于液相中的压力，根据pV=实验药品包括聚合物AP—P4(疏水缔合型聚nRT得合物，相对分子质量2000万，水解度25．3％)、起泡47rpr3：：．剂FA220(阴离子型起泡剂，成分为SDS及助剂)、’一RT一3RT。(＼4_t)，交联剂YG107(有机铬交联剂，成