氮氣泡沫體系性能的影響因素實驗研究

張強　吳曉燕　胡雪　趙軍　陳平　鄭繼龍　翁大麗

摘????? 要： 采用泡沫掃描儀和界面流變儀分別考察了不同濃度、氣液比及溫度條件下 CHSB體系的泡沫性能，結(jié)合泡沫的微觀形態(tài)特征、界面黏彈性，分析了不同因素對液膜強度、泡沫間聚并、液膜排液之間動態(tài)平衡的影響，揭示了泡沫體系在地層孔隙條件下的形成及穩(wěn)定機理。結(jié)果表明：濃度對CHSB體系的起泡性能及穩(wěn)定性的影響呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，當濃度為0.3%時泡沫形態(tài)最致密，穩(wěn)定性最優(yōu);在一定范圍內(nèi)，氣液比及溫度的增加為泡沫的形成和穩(wěn)定提供了更多的能量，氣液比為4∶1的泡沫體系在30～60 ℃范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，該泡沫體系有望應用于海上油田穩(wěn)油控水的深部調(diào)驅(qū)中。

關? 鍵? 詞：泡沫驅(qū)油;泡沫性能;形態(tài)特征;界面流變

中圖分類號：TE53??? ?????文獻標識碼： A?? ????文章編號： 1671-0460（2020）07-1379-05

Experimental Study on the Influence Factors of the

Performance of Nitrogen Foam System

ZHANG Qiang， WU Xiao-yan， HU Xue， ZHAO Jun， CHEN Ping， ZHENG Ji-long， WENG Da-li

（CNOOC EnerTech-Drilling &Production Co.， Ltd.， Tianjin 300452， China）

Abstract： The foam properties of CHSB system under different concentration， gas-liquid ratio and temperature were studied by foam scanner and interface rheometer. Combined with the microscopic morphology and interfacial viscoelasticity of foam， the influence of different factors on the dynamic equilibrium of liquid film strength， foam coalescence and liquid film drainage was analyzed， and the formation and stabilization mechanism of foam system under formation pore conditions were revealed. The results showed that the effect of concentration on the foaming performance and stability of CHSB system increased first and then decreased. When the concentration was 0.3%， the foam morphology was the most compact and the stability was optimal. Within a certain range， the increase of gas-liquid ratio and temperature provided more energy for the formation and stability of foam. The foam system with the gas-liquid ratio of 4∶1 exhibited good stability in the range of 30～60 ℃.

Key words： Foam flooding; Foam properties; Morphological characteristics; Interfacial rheology

泡沫驅(qū)油技術是近年來發(fā)展起來的一種繼水驅(qū)、化學驅(qū)之后的新型采油技術^[1-3]。泡沫流體不同于其他流體，其可選擇性封堵高滲地層，同時不會破壞低滲儲層，即“堵大不堵小”;同時，泡沫具有“遇油消泡、遇水穩(wěn)定”的特點，可以選擇性封堵地層中的水，進入驅(qū)替地層后封堵水流而不封堵油流，即“堵水不堵油”的特性。此外，泡沫還具有摩阻低，攜砂能力強、濾失量低，地層傷害小等優(yōu)勢。泡沫驅(qū)技術在改善儲層非均質(zhì)性，發(fā)揮深部液流轉(zhuǎn)向作用，越來越受到人們的關注^[4-6]。

研究泡沫體系在儲層條件下的形成、穩(wěn)定、運移及封堵的作用機理是油田泡沫調(diào)驅(qū)現(xiàn)場實施方案成功設計的關鍵環(huán)節(jié)，目前關于泡沫體系的評價多集中在一些常規(guī)測定方法^[7-9]，如，羅氏發(fā)泡法、Waring Blender 攪拌法等，僅對起泡體積、泡沫半衰期等進行評價，而關于實時溫度條件下的泡沫的形態(tài)特征和穩(wěn)定性機理研究較少。本文采用泡沫掃描儀、界面流變儀考察了濃度、氣液比、溫度等因素對 CHSB體系（耶油酰胺丙基羥磺基甜菜堿）泡沫性能的影響，從泡沫的形態(tài)特征、起泡劑溶液的界面流變特征以及泡沫性能出發(fā)，研究不同影響因素對泡沫的性能的影響行為，深入分析了泡沫在地層孔隙條件下的形成、穩(wěn)定及運移的作用機理，可為泡沫驅(qū)油在油田礦場試驗提供有用參考。

1 ?實驗部分

1.1? 儀器與藥劑

實驗儀器：泡沫掃描儀，界面流變儀，電子天平，多點磁力攪拌，TW20恒溫水浴等。

實驗藥劑：渤海某油田注入水，CHSB起泡劑（有效濃度35%）

1.2? 方法

1.2.1? 泡沫性能評價方法

本文采用泡沫掃描儀（法國泰克利斯公司），采用鼓氣法，將氣體通過致密的微孔薄片，產(chǎn)生泡沫，模擬地層孔隙條件下產(chǎn)生的起泡劑的泡沫性能，如圖1所示。通過對起泡管中溶液的電導率的測量及反應管的色差分析記錄泡沫產(chǎn)生、衰敗的過程以及泡沫含液量的變化。同時，通過外置的CSA相機，捕捉特定位置泡沫的形態(tài)，記錄泡沫生成與衰敗過程中的形態(tài)特征變化。

利用泡沫掃描儀測得的如下參數(shù)，用于表征起泡劑及泡沫的性能：

（1）最大起泡體積V_max：采用鼓氣法在特定的條件下產(chǎn)生的最大的泡沫體積。

（2）泡沫穩(wěn)定系數(shù)（Foam Stability Index）FSI：泡沫掃描儀在記錄泡沫衰敗過程的同時，利用置于泡沫管中的電極測量不同部位的泡沫電導率，并定義特定部位泡沫衰敗曲線的斜率倒數(shù)與對應電導率的乘積為泡沫穩(wěn)定系數(shù)，用于反映泡沫的穩(wěn)定性。計算公式如式（1）所示。

（1）

式中：C₀ —t₁處切線對應的電導率， μs;

ΔC_t —t₂與t₁的電導率之差， μs;

Δt —t₂與t₁的時間之差， s。

1.2.2 ?界面流變特性測試

利用界面流變儀（法國泰克利斯公司）測定起泡劑溶液體系的界面流變特性（如圖2所示）。將準備好的25 mL待測樣品放入樣品池中，在恒溫條件下預熱20 min，利用PID控制，向氣泡施加0.1 Hz的正弦震蕩，記錄表面張力隨正弦震蕩的變化曲線，通過軟件分析得到體系的表面擴張黏彈特性。

當液滴的表面區(qū)域擴張變形時，液滴表面的反抗阻力能引起它自身的彈性和黏性反應。表面膨脹變量可用壓力與膨脹量的關系來定義：

（2）

式中：X —黏彈變量， 10^-3 N/m;

γ —界面張力， 10^-3 N/m;

A —表面積， m²。

由于實驗過程是正弦振蕩過程，獲得的黏彈變量X是一個復數(shù)：

?????（3）

2? 實驗結(jié)果與分析

通過對不同條件下，驅(qū)油用起泡劑溶液的起泡能力以及泡沫性能的測試，對比分析不同因素對泡沫性能的影響。

2.1? 起泡性能影響因素分析

2.1.1? 濃度及氣液比對CHSB起泡性能的影響分析

利用泡沫掃描儀分別在60 ℃條件測試不同氣液比、不同濃度時，CHSB溶液的起泡性能。實驗結(jié)果分別如圖3所示。

從實驗結(jié)果看出，隨著氣液比的增加，起泡劑的起泡體積隨之增加，氣液比越高，產(chǎn)生的泡沫越致密。隨著濃度的增加，泡沫出現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當氣液比為4∶1時，趨勢較為平緩。

通常情況下，泡沫產(chǎn)生的過程是液膜總面積增加、泡沫體系總表面能增大的過程，產(chǎn)生泡沫需要提供足夠的能量做功。在相同的濃度時，當參與起泡的氣體越多，氣體提供做功的能量越大，體系能量越高，液膜的總面積越大，因而，起泡體積越大，起泡性能越好。

當氣液比不同時，由于氣體做功與重力排液的動態(tài)平衡作用，不同濃度的起泡劑溶液表現(xiàn)出了不同的起泡性能。氣液比較低時，氣體提供的能量較小，此時當濃度較高時，泡沫液膜的重力排液占主導作用，起泡體積隨濃度出現(xiàn)先增加后降低的趨勢，泡沫也由致密向疏松轉(zhuǎn)變;當氣液比較高（如4∶1）時，此時氣體提供做功的能量較大，氣體提供的能量可以使因排液而破裂的液膜得到修復，因而在濃度較高時，起泡體積的下降趨勢變緩。

2.1.2? 溫度對CHSB起泡性能的影響分析

利用泡沫掃描儀，分別測試了不同溫度條件下，0.5%CHSB溶液在氣液比3∶1時的起泡性能，實驗結(jié)果如圖4所示，可以看出，起泡體積隨著溫度的升高呈上升的趨勢。

當溫度升高時，起泡劑溶液體系的臨界膠束濃度（CMC）升高，表面活性劑分子的運動加劇，分子在平衡位置的振動幅度增加、弛豫時間增加，分子在液膜的擴散速度增加;同時溫度的增加會增加液體的蒸發(fā)加劇，溶液的密度減小導致表面活性劑分子間的作用力減小。由于上述因素的作用，使得起泡所需外界提供做功的能量隨溫度升高而降低，因此，當濃度及氣液比相同時，隨著溫度的增加，起泡體積會隨之增加。

2.2 ?泡沫穩(wěn)定性影響因素分析

利用泡沫掃描儀，分別在不同條件測試不同氣液比、不同濃度、不同溫度時，CHSB溶液產(chǎn)生的泡沫的穩(wěn)定，從泡沫穩(wěn)定系數(shù)、泡沫的形態(tài)特征以及起泡劑溶液的液膜流變學特性，分析不同因素對泡沫穩(wěn)定性的影響。

2.2.1? 濃度及氣液比對CHSB泡沫穩(wěn)定性影響分析

分別在60 ℃條件測試不同氣液比、不同濃度時，CHSB泡沫的穩(wěn)定性能，對泡沫管1/3處的泡沫攜液量進行了測量，并對該處的泡沫形態(tài)進行了跟蹤。

圖5可以看出，在一定范圍內(nèi)，泡沫穩(wěn)定性隨著氣液比的增加而提高;隨著起泡劑溶液濃度的增加，泡沫穩(wěn)定性先增加后降低。

當氣體越多時，在一定范圍內(nèi)，可以提供更多的能量，在起泡劑溶液一定時，更多的表活劑分子吸附在液膜表面，液膜的強度較高，此時整體的泡沫攜液量較高，穩(wěn)定性越好。對圖6中穩(wěn)定700 s后的泡沫形態(tài)特征，可以看出，高氣液比條件下的泡沫的形態(tài)保持較好，明顯優(yōu)于氣液比2∶1時的泡沫，但，氣液比進一步增加時，氣泡變大、穩(wěn)定性變差。

影響泡沫的穩(wěn)定性的最主要因素是液膜的排液、泡沫間聚并、以及液膜的強度。濃度對泡沫穩(wěn)定性的影響需考慮臨界膠束濃度CMC。當濃度低于CMC時，此時泡沫穩(wěn)定的主要影響因素為液膜的流變學特性，即液膜的強度，強度越高，對表活劑分子的吸附越高，液膜的排液緩慢。從圖7中看出，從0.1%到0.3%，界面張力下降的幅度最大，代表液膜強度的界面黏彈模量上升幅度最大，液膜強度大幅增加?？梢耘袛?，在CMC之前，濃度的升高對起泡劑體系的液膜流變性特征影響最大。結(jié)合圖8中濃度0.1%與0.3%的泡沫形態(tài)，可以看出隨濃度的增加泡沫的形態(tài)更加致密、穩(wěn)定。

當濃度進一步升高（高于CMC）時，從圖7中看出，界面張力和界面黏彈模量隨濃度的變化趨勢減緩（濃度高于0.3%），濃度對體系的界面特性影響削弱。此時影響泡沫穩(wěn)定性的為表活劑分子形成的膠團締合層，表活劑濃度的升高會在液膜表面形成膠團締合層，在泡沫形成的初期，由于締合層的存在，液膜會迅速排液薄化，形成一個亞穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)，且維持較長時間，穩(wěn)定性較好。對比圖8中0.5%時泡沫形態(tài)，可以看出，起泡初期的泡沫形態(tài)較0.3%時疏松，但穩(wěn)定400 s后，泡沫依然較為0.1%更為致密，稍優(yōu)于0.3%。

隨著濃度的進一步增加，表活劑分子進一步聚集堆疊，受重力的影響，液膜的排液速率加快，液膜迅速薄化、聚并，泡沫的穩(wěn)定性降低。對比圖8中穩(wěn)定700 s的泡沫形態(tài)，濃度1.0%的泡沫已變成較大的六邊形狀態(tài)，且泡沫的數(shù)量明顯變少。

2.2.2? 溫度對CHSB泡沫穩(wěn)定性的影響分析

分別測試不同溫度條件下，氣液比3∶1、濃度為0.5%時，CHSB泡沫的穩(wěn)定性能，對泡沫管1/3處的泡沫攜液量進行了測量，并對該處的泡沫形態(tài)進行了跟蹤。實驗結(jié)果如下所示。

從圖9中看出，泡沫穩(wěn)定系數(shù)隨著起泡溫度的升高出現(xiàn)先增加后減小的趨勢。結(jié)合圖9可以看出，在較低溫度區(qū)間內(nèi)，溫度升高，影響泡沫穩(wěn)定性的因素主要時泡沫的聚并、氣體的擴散，隨著溫度的升高，分子的運動加劇，液膜表面聚集更多的表面活性劑分子，液膜的強度增加，此時穩(wěn)定性升高。而當溫度進一步增加后，此時分子的運動進一步加劇，一方面降低了液膜表面分子的吸附量，單個分子的獨占面積增加，Marangon效應作用減弱，液膜的強度降低;另一方面，溫度的進一步增加，會造成排液速率增加，泡沫的聚并、破裂的速率加快，穩(wěn)定性降低。

圖11為記錄的不同溫度不同時間段的泡沫形態(tài)特征?？梢钥闯?，隨著穩(wěn)定時間的推移，泡沫不斷發(fā)生破裂、聚并，逐漸由致密的橢圓形變成疏松的六邊形，此時的泡沫的穩(wěn)定性較差。隨著溫度的升高，泡沫形態(tài)出現(xiàn)先致密后疏松的趨勢，60 ℃時的泡沫破裂聚并的更緩慢，尤其在700 s時，其他溫度條件的泡沫已變?yōu)檩^大的六邊形干泡狀態(tài)，而60 ℃時的泡沫依然較為致密，與圖9得出的實驗結(jié)果一致。

3? 結(jié)論

（1）CHSB的起泡性能及穩(wěn)定性均隨著濃度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在濃度為0.3%時性能最佳。當起泡劑濃度較低時，受液膜的強度及膠團締合的影響，濃度越高，泡沫越穩(wěn)定;隨著起泡劑溶液濃度的增加，泡沫液膜的重力排液逐漸占據(jù)主導地位，泡沫液膜迅速排液、薄化，穩(wěn)定性變差，起泡性能下降。

（2）受氣體做功的影響，在一定范圍內(nèi)，隨著氣液比的增加，氣體提供做功的能量增加，起泡體積及穩(wěn)定性均隨之增加。

（3）一定范圍內(nèi)，體系溫度的增加，一方面提高了體系的總能量，另一方面增加了表面活性劑分子的活性，起泡劑的起泡性能和穩(wěn)定性隨著溫度的提高而增加。

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收稿日期：2019-10-08

作者簡介：張強（1989-），男，天津人，工程師，碩士，2014年畢業(yè)于中國石油大學（華東）化學工程專業(yè)，研究方向：提高采收率研究。E-mail：642611013@qq.cpm。