泡沫在多孔介质中的生成过程和形态研究

耿小烬 罗幼松 牛佳玲 王德虎 范洪富

(1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.中国石油勘探开发研究院提高石油采收率国家重点实验室，北京 100083）

泡沫在多孔介质中的生成过程和形态研究

耿小烬1罗幼松2牛佳玲2王德虎1范洪富1

(1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.中国石油勘探开发研究院提高石油采收率国家重点实验室，北京 100083）

通过高温高压泡沫驱系统，模拟了油藏压力条件下泡沫在多孔介质中的生成过程，并借助于高温高压观察窗和CCD摄像装置对泡沫生成过程和形态进行观察。泡沫在多孔介质中的生成具有周期性，每个周期包括生成封堵、开始运移、稳定运移和结束4个阶段；多孔介质结构影响发泡器两端压差的形成，从而影响泡沫的生成，压差适中时泡沫生成好，兼具封堵和运移的能力，压差过小时不能生成很好的泡沫，压差过大时泡沫全部被封堵在发泡器中，不能进入岩心发挥作用。不同压力、气液比对泡沫形态的影响较大，压力增高时泡沫变小，在最优气液比时生成泡沫形态最好。

泡沫驱；泡沫形态；生成；运移

泡沫的生成和形态是进一步研究泡沫在多孔介质中渗流规律和驱油机理的基础，是泡沫驱研究首先要面对和解决的问题。Chambers and Radke、Mast、Owet等人通过微观模型研究确定出泡沫在多孔介质中生成的微观机理——截断、分断、遗留［1-3］。Rossen等［4］人通过实验研究认为泡沫在多孔介质中的生成与压力梯度和气体速度有关，认为泡沫的生成需要一个最小的压力梯度或气体速度，称为临界压力梯度和临界气体速度。Gauglitz等［5］人将泡沫的生成定义为压力梯度突然增加或者气体流速突然降低的一个过程，并根据压力梯度和气体流速的变化将泡沫生成分为三种状态——粗泡沫状态、强泡沫状态、粗泡沫和强泡沫之间的中间状态。粗泡沫状态为气泡较大、气体流速高、压力梯度低的状态；强泡沫状态为气泡较小、液膜数多、气体流动性较低、压力梯度较大的状态；粗泡沫和强泡沫之间的中间状态是一个气体流速和压力梯度高低变化的不稳定状态。Gauglitz认为泡沫的成功应用应该控制在中间状态，这时候的注入压力较低。泡沫生成的临界压力梯度和临界气体速度对于泡沫在油田的应用是不利的，因为高的压力梯度或气体流速通常只有在井筒附近才能达到，而地层深部的压力梯度和气体流速通常较低，因此泡沫不可能在地层深部进一步生成，只能通过井筒附近生成的泡沫运移到地层深部起作用。

泡沫的形态结构对于泡沫的应用非常重要，因为泡沫的运移阻力和封堵能力等都与泡沫的形态结构有关，包括气泡的大小、形态和液膜的数量等。Rossen等［6］人通过研究认为强泡沫状态时泡沫在多孔介质中的大小与多孔介质孔隙的大小相当，因为较大的气泡会在运移过程中被多孔介质不断改造而变小，而小于多孔介质孔隙的泡沫很难通过截断、分断、遗留的机理形成，因此这个观点从泡沫生成的微观机理上得到了论证，同时也得到了很多学者的认可。Rossen［7-9］根据泡沫的形态结构研究得到泡沫在多孔介质中的运移需要一个最小压力梯度，并且泡沫运移过程中的形态会产生非对称变化，这个变化将使泡沫运移的最小压力梯度增加。Falls等人将泡沫运移过程中的阻力分为液膜运移的摩擦力和孔喉收缩产生的毛管力两部分进行研究。Qiang xu在Falls研究的基础上对泡沫运移过程中的有效视黏度进行了进一步的研究，认为泡沫在较低速度下运移时液膜会产生非对称变化导致有效视黏度增加，当液膜运移速度增加到一定值后液膜的非对称变化消失，有效视黏度相应降低。

本文研究借助于高温高压观察窗和成像装置，对高压下多孔介质中泡沫的生成过程和形态进行了观察，并结合图像与压差对泡沫的生成、形态、运移特征进行了研究。

1 实 验

1.1 实验装置

实验装置和流程如图1所示。实验中，气体和液体同时注入多孔介质发泡器生成泡沫，通过高温高压观察窗和摄像装置观察泡沫形态，然后进入岩心，回压装置控制系统压力，压力传感器采集压力数据。泡沫观察窗为蓝宝石高压透明管，长4.5cm，内径0.2cm。整个系统耐压50MPa，耐温120℃。

1.2 实验条件

实验用水为模拟地层水，矿化度9 761.54mg/L；发泡剂溶液为0.4%（质量百分比）α-烯烃磺酸盐，室温下表面张力为21.118mN/m；气体为氮气；岩心为人造砾岩岩心，长30cm，直径3.8cm，气测渗透率1.780μm2；气体和液体采用恒速注入，室温下进行实验。实验研究内容见表1。

图1 实验装置流程图

表1 实验研究内容

2 结果和讨论

2.1 泡沫的生成过程

实验研究表明泡沫通过多孔介质的生成具有明显的周期性，每个周期包括生成封堵、开始运移、稳定运移和结束4个阶段，每个阶段泡沫在观察窗中的形态如图2所示，图片上观察窗的顶底和实际的顶底是颠倒的，如图2（a）中标注的一样。发泡器两端压差变化如图3所示，从图中可以看出发泡器两端的压差随着泡沫的生成周期性上升，并随着泡沫生成的各个阶段相应变化。

泡沫生成封堵阶段，气体和活性剂溶液同时注入发泡器后没有立即流出，而是形成泡沫，封堵在多孔介质中，此时观察窗为透明状态，如图2（a），而发泡器两端压差由于泡沫的生成而突然增加，如图3。开始运移阶段，当压差超过某一值时，泡沫开始运移，流出多孔介质发泡器，进入观察窗，这时的泡沫流体为黑色，这相当于泡沫流动的前缘，泡沫含液量较高，液膜较厚，不反射光，如图2（b），这时发泡器两端的压差不再增加。稳定运移阶段，这时泡沫中液体含量降低，气体含量增加，气体和液体均匀混合，观察窗中可以清楚的观察到泡沫的形态，如图2（c），发泡器两端压差也变得平稳。结束阶段，封堵在发泡器中的泡沫逐渐流出，发泡器两端压差略微降低，因此泡沫的流出速度加快，大部分泡沫流出发泡器之后，发泡器失去泡沫的封堵，那些注入发泡器后还没来得及生成泡沫的气体和液体快速流过观察窗，最后观察窗回到开始时的透明状态，泡沫进入下一个生成周期，如图2（d）。泡沫生成时发泡器两端压差突然增加，这与Rossen等关于泡沫生成时压力梯度突然上升的定义一致。

图2 泡沫在生成过程中不同阶段的形态

图3 泡沫生成过程中发泡器两端的压差变化曲线

2.2 多孔介质条件对泡沫生成的影响

2.2.1 多孔介质整体结构的影响

采用三种不同结构的发泡器来实现多孔介质整体结构的变化，发泡器结构参数见表2，主要研究多孔介质长度和长径比的影响。实验回压为12.9MPa，气体注入速度为0.8mL/min，液体注入速度为0.2mL/min。

图4为三种发泡器生成的泡沫在稳态流动阶段的形态，图4（a）为发泡器 1 生成的泡沫，图4（b）为发泡器2生成的泡沫，图4（c）为发泡器3生成的泡沫。图5为不同发泡器两端的压差变化曲线。发泡器1生成的泡沫密集而均匀，泡径较大，发泡器两端压差上升大，这表明发泡器1生成的泡沫好，并在发泡器中形成了一定的压差和封堵，具有泡沫周期性生成和运移的特征。发泡器2生成的泡沫泡径较小，泡沫较疏松。发泡器2两端的压差增加不大，高低变化，压差增加表明泡沫生成，压差降低表明泡沫运移流出，压差的快速增加和降低表明在发泡器2中形成的封堵较小，因此生成的泡沫略微疏松。发泡器3没有生成泡沫，只是较大的大气泡，发泡器两端几乎没有压差增加，也没有形成任何封堵。

表2 三种发泡器结构参数

图4 发泡器生成的泡沫在稳定运移阶段的形态

图5 不同发泡器两端压差变化曲线

填充石英砂较长、长径比较小时多孔介质容易形成压差，促进泡沫生成更好；多孔介质越短，长径比越大，形成压差越困难，泡沫越不容易生成。

图6为岩心两端形成的压差变化曲线。岩心两端的压差增加与发泡器两端的压差增加正好相反，与发泡器1串联的岩心两端的压差最低，与发泡器3串联的岩心两端压差增加最大。可能原因是发泡器1生成泡沫周期性而不是连续运移进入岩心，使得岩心压差波动，增加较小。发泡器2和发泡器3封堵较小，因此泡沫或气液流体连续不断的进入岩心，在岩心中进一步生成泡沫，使岩心压差增加。

图6 岩心两端压差变化曲线（core123分别与发泡器123串联）

2.2.2 多孔介质孔隙结构的影响

选用发泡器1进行实验，为了形成不同大小的孔隙结构，往发泡器1里分别填充了20目、160-180目、320-360目的石英砂。实验回压设定为12.9MPa，气体注入速度为0.8mL/min，液体注入速度为0.2mL/min。

图7为发泡器填充不同目数石英砂时生成的泡沫的形态，图7（a）填充石英砂 20 目，图7（b）填充石英砂160-180目，图7（c）填充石英砂320-260目。图8为填充不同目数石英砂时发泡器两端相应的压差变化，图9为相应的岩心两端的压差变化。发泡器填充20目石英砂时，生成泡沫结构不明显，发泡器两端没有明显的压差增加，泡沫生成不好。这是由于石英砂颗粒较大，颗粒间孔隙较大，气体和液体从孔隙流过的速度很快，没有时间形成很好的泡沫，即使形成少量的泡沫也快速的被冲出多孔介质，泡沫不能在发泡器中堆积，形成封堵，使发泡器两端的压差增加。但气体和液体进入岩心后，在岩心中进一步生成泡沫，使岩心两端压差增加。可以看出并不是孔隙越大生成的泡沫就越大，发泡器两端不能形成足够的压差，多孔介质中不能形成很好的泡沫。

发泡器填充160-180目石英砂时生成泡沫紧密均匀，结构明显，发泡器两端压差上升较高，表现出泡沫的生成运移周期，同时岩心两端压差相应地由于泡沫的周期性运移进入而产生较大波动。可以看出在发泡器填充160-180目石英砂时发泡器两端形成了合适的封堵压差，气体和液体被封堵在发泡器中形成了很好的泡沫，并且同时具有封堵和运移流动的能力。

图7 发泡器填充不同石英砂目数时生成泡沫的形态

图8 填充不同目数石英砂时发泡器生两端的压差变化曲线

图9 岩心123两端的压差变化曲线（岩心123分别与填砂20目、160-180目、320-360目的发泡器串联）

发泡器填充320-360目石英砂时从发泡器流出的泡沫较细，结构不明显。这是由于生成的泡沫几乎全部封堵在发泡器中，而只有很少的气体和液体能流动，并且速度极低，因此观察不到很好的泡沫，发泡器两端压差增加较大。当发泡器两端压差过高时，泡沫大多封堵在发泡器中，不能运移进入岩心，不能发挥泡沫的作用。

不同孔隙结构的实验表明：孔隙过大不容易形成封堵压差，不利于泡沫的生成；孔隙过小会使生成的泡沫完全封堵在发泡器中，不能运移进入岩心发挥作用；只有在中等孔隙大小时，发泡器两端能形成合适的压差，气体和液体在多孔介质中周期性有规律地生成泡沫，并且同时具有封堵和运移流动的能力。

2.2.3 泡沫在岩心中的生成过程

实验以长为10cm，直径为2.5cm的人造岩心作为发泡器（以下称为岩心发泡器），气测渗透率为447×10-3μm2，孔隙体积 13.8mL，孔隙度 27%。实验回压为12.9MPa，液体注入速度0.8mL/min，气体注入速度为0.2mL/min。

图10为岩心发泡器生成的泡沫在稳定运移时的形态。观察表明：岩心生成的泡沫不如填砂管均匀。

图10 岩心发泡器生成的泡沫在稳定流动阶段的形态

图11 岩心发泡器两端压差变化曲线和岩心两端压差变化曲线

图11为岩心发泡器两端压差变化曲线和岩心两端压变化曲线的对比。气体和液体同时注入岩心发泡器后，岩心发泡器两端压差一直增加，直到达到稳定，如图11中b点，这时候岩心两端的压差才开始增加，同时在观察窗中出现结构明显的泡沫如图10，表现出泡沫稳定移动阶段的特征。这个过程说明泡沫运移需要一个最小压差，只有当岩心发泡器两端压差增加到足够大之后泡沫才开始运移，流出岩心发泡器进入岩心，这时岩心发泡器两端压差变得平稳，而岩心两端的压差开始增加。

总之，多孔介质通过影响泡沫生成的压差来影响泡沫的生成和形态。多孔介质能够形成合适的压差时才能生成很好的泡沫，并且具有封堵和运移流动的能力。多孔介质形成的压差过小时泡沫不能生成，过大时生成的泡沫完全封堵在发泡器中使发泡器压差增加，不能运移进入岩心，不能发挥泡沫的作用。

2.3 实验条件的影响

2.3.1 压力

根据前面的研究，使用发泡器1填充石英砂160～180目进行实验，气体注入速度0.8mL/min，液体注入速度为0.2mL/min，系统压力通过回压控制在 1.8、7、18MPa。

图12为不同压力条件下生成泡沫的形态，图12（a）回压为1.8MPa；图12（b）回压为18MPa。从图中可以看出在低的压力下泡沫直径较大，在高的压力条件下泡沫直径变小。图11为不同压力下发泡器两端压差的变化曲线，随着压力的增加，发泡器两端压差增加，但是这个趋势逐渐变得不明显，如图13中所示，18MPa下发泡器两端的压差只略微的高于7MPa时的情况。因此压力条件对泡沫形态的影响较大，但是在较高的压力下对发泡器两端压差的影响较小。图14为岩心两端压差变化曲线，图中不同回压下岩心两端压差的不同，这主要与泡沫进入岩心有关。

2.3.2 气液比

使用发泡器1填充石英砂160～180目进行实验，回压7.0MPa，总注入速度为1.0mL/min，控制气液比分别为0.5/1、2/1、9/1。图15为不同气液比下生成的泡沫的形态，图15（a）为0.5/1，图15（b）为2/1，图15（c）为9/1。从图中可以看出，随着气液比的增加，泡沫生成具有变好的趋势——泡沫更加密集和均匀，但是气液比过大时，很快发生气窜，因此在泡沫生成过程中，随着气液比的增加泡沫生成逐渐变好之后又变差，在2/1时泡沫生成最好，这时的气液比值即泡沫生成的最优气液比值。图16为发泡器两端压差的变化曲线，气液比为2/1时发泡器两端的压差最大，而气液比向增大或减小的方向变化时压差都略有降低，同样表现出存在一个最优气液比。

图12 不同压力下生成的泡沫在稳态流动阶段的形态

图13 不同压力下发泡器两端压差变化曲线

图14 不同压力时岩心两端压差变化曲线

图17为岩心两端的压差变化曲线，气液比为2/1时，岩心两端压差增加最大，而气液比为9/1时，岩心两端压差增加最小，几乎没有压差。表明泡沫在最优气液比附近时，岩心两端的压差增加最大，因此泡沫的应用需要一个合适的气液比，在这个气液比时既能生成很好的泡沫，又能使泡沫在发泡器和岩心中的压差增加最大。

图15 不同气液比下生成的泡沫在稳态流动阶段的形态

图16 不同气液比时发泡器两端的压差变化曲线

图17 不同气液比时岩心两端压差变化曲线

3 结 论

泡沫在多孔介质中的生成具有周期性，每个周期包括4个阶段——生成封堵、开始移动、稳定运移和结束。发泡器两端的压差随周期性上升，并随着泡沫生成的各个阶段相应变化。

泡沫的生成需要一个最小的压差或压力梯度，发泡器不能形成合适的压差时，不能生成很好的泡沫。这个结论和Rossen关于泡沫生成的最小压力梯度理论一致。但是这个压差不能太大，因为发泡器两端的压差过大时，生成的泡沫都封堵在发泡器中，不能运移进入岩心，不能发挥泡沫的作用。

压力和气液比的研究表明，压力条件对泡沫形态影响较大，试验压力越高泡沫越细密，但对压差的影响随着压力的增加而变小。气液比研究表明，存在一个最优气液比，在最优气液比时泡沫生成好，发泡器两端压差最大，改变气液比可以改变泡沫生成过程中的压差。

[1]Chambers K T,Radke C J.Micromodel Foam Flow Study[G].Chemical Engineering Department,1990.

[2]Mast R F.Microscopic Behavior of Foam in Porous Media[G].SPE 3997,1972.

[3]Owete Brigham.Flow Behavior of Foam:A Porous Mi-cromodel Study[G].SPE 11349,1987.

[4]Rossen W R.Percolation of Creation and Mobilization of Foam in Porous Media[J].J Colloid Interface Sci.,1990，136:17-37.

[5]Gauglitz P A.Foam Generation in Homogeneous Porous Media[J].Chen.Eng.Sci.,2002,57:4037-4052.

[6]Rossen W R,Wang M W.Modeling Foams for Acid Diversion[G].SPEJ 4(2):92-100.SPE-56396-PA.

[7]Rossen W R.Theory of Mobilization Pressure Gradient of Flowing Foams in Porous Media.ⅠIncompressible Foam[J].J Colloid Interface Sci.,1990,136:17-37.

[8]Rossen W R.Theory of Mobilization Pressure Gradient of FlowingFoamsinPorousMedia.ⅡEffectof Com-pressibility[J].J.Colloid Interface Sci.,1990,136:17-37.

[9]Rossen W R.Theory of Mobilization Pressure Gradient of Flowing Foams in Porous Media.ⅢAsymmetric Shapes[J].J.Colloid Interface Sci.,1990,136:17-37.

Study on the Generation Processes and Shapes of Foam in Porous Media

GENG Xiaojin1LUO Yousong2NIU Jialing2WANG Dehu1FAN Hongfu1
(1.China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083；2.State Key Laboratory of Enhance Oil Recovery,PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration&Development,Beijing 100083)

Foam generating process in porous media is simulated under oil reservoir condition by high temperature high pressure (HTHP)foam flooding system.The generation processes and shapes of foam are observed by the HTHP visual cell and CCD camera device.The results indicate that the foam is generated periodically,and every generation cycle includs four stages——generating and plugging,moving gradually,stable migration,and the end.The structure of porous media influences the differential pressure between foam generators and then influences the generations of foam.A minimum differential pressure is required to produce high performance foam which has better capabilities of plugging and migration.And if the differential pressure is too low,high performance foam will not be produced,if the pressure is too high,it indicates that the foam is all plugged in foam generator and thus will not enter in the core to performance.Then different experiment conditions—pressure,ratio of gas and liquid are studied.The result shows that the experimental pressure has a significant influence on the shapes of foam,higher pressure produce smaller foam.And an optimized ratio of gas and liquid to produce high performance foams has been confirmed.

foam flooding；foam shape；generation；migration

TE357.46

A

1673-1980(2012)05-0062-07

2012-05-14

国家重大科技专项（2011ZX05010-005）

耿小烬（1985-），女，重庆人，中国地质大学（北京）在读硕士研究生，研究方向为泡沫驱提高采收率技术。