微泡沫体系直径影响因素及微观稳定性

史胜龙， 王业飞， 周代余， 昌伦杰， 李忠鹏， 丁名臣

( 1. 中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛　266580；　2. 中国石油塔里木油田分公司 勘探开发研究院，新疆 库尔勒　841000 )



微泡沫体系直径影响因素及微观稳定性

史胜龙1， 王业飞1， 周代余2， 昌伦杰2， 李忠鹏1， 丁名臣1

( 1. 中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛266580；2. 中国石油塔里木油田分公司 勘探开发研究院，新疆 库尔勒841000 )

针对普通泡沫稳定性差问题，通过玻璃珠填制的填砂管制备一种稳定性好、均匀度高且直径细小的微泡沫体系，用显微镜对微泡沫的微观形态进行观察，研究不同影响因素对微泡沫直径的影响，分析黄原胶稳定的微泡沫与普通微泡沫稳定性的差异。结果表明：气、液同时注入玻璃珠填制的填砂管时，可形成直径为10～100 μm、变异因数小于10%的微泡沫体系。可通过改变溶液黏度、起泡剂质量浓度、两相流速、温度和回压等影响因素调节微泡沫的直径大小。随着溶液黏度、两相流速、回压的增大，微泡沫平均气泡直径减小，均匀性变好；温度升高导致微泡沫直径增大，均匀性变差。当起泡剂质量浓度高于5 g/L时，起泡剂质量浓度增加对微泡沫直径影响不明显。由于溶液中的黄原胶增加液膜黏度和厚度，减缓微泡沫液膜排液过程，促使黄原胶稳定的微泡沫具有优越的稳定性，并在160 g/L矿化度、90 ℃温度、6 MPa回压条件下，其稳定时间长达2 h，而普通微泡沫的稳定时间少于20 min。

微泡沫； 微观形貌； 平均气泡直径； 变异因数； 稳定性

0　引言

人们通过高速搅拌方式制备具有气泡微细[1]、含气率高[2]、良好稳定性[3]的微泡沫体系，有效弥补普通泡沫在地层条件下稳定性差的不足[4]。微泡沫又称胶质气体泡沫，其直径一般在10～100 μm之间[5]。常见制备微泡沫的方法为高速搅拌法[6]，通过该方法制备的微泡沫体积不易控制且均一度较差，微泡沫的结构、稳定性、形成过程与其在多孔介质中存在显著差异。Marmottant P[7]、Okushima S[8]、Quennouz N[9]、Ma K[10]等开始利用微反应器和砂芯泡沫发生器尝试发泡，通过调节气体、液体流速，起泡剂质量浓度及反应器的尺寸、温度、压力等参数获得大小可调且均匀度较好的微泡沫，并借助微观可视化模型对其形成过程和稳定性进行分析，但关于影响微泡沫直径大小的因素存在一定争议。Yasuno M[11]、Xu J H[12]等认为微泡沫直径随着液相流速和黏度增大而减小，但与溶液表面张力无关。Kim J U等[13]认为溶液黏度是决定微泡沫直径最重要的因素，在一定流量下，气相流速越高，液相流速越低，微泡沫直径越小。我国关于微泡沫稳定性和直径影响因素研究较少。

针对我国西部高温高盐油藏地层条件，通过玻璃珠填制的填砂管模拟泡沫发生器制备直径细小、均一度高的微泡沫体系，确定影响微泡沫直径和均匀度的关键因素;通过溶液黏度、起泡剂用量、两相流速、温度和压力等参数的调整，实现微泡沫直径可调，均匀度可控;对比黄原胶稳定的微泡沫与普通微泡沫(不加稳泡剂黄原胶)稳定性的差异，为微泡沫制备、气泡尺寸控制和微泡沫性能评价提供参考及研究基础，对高温高盐油藏提高采收率探索具指导意义。

1　实验

1.1仪器和材料

(1)仪器。Brookfield DV-Ⅱ黏度计(6 r/min)，VD-100V体式显微镜，微观驱替实验装置：单缸恒速恒压计量泵，可视化微观模型夹持器(耐压为50 MPa，可通过加热套升温至180 ℃，见图1)，玻璃刻蚀模型(有效尺寸为40.00 mm×2.50 mm×0.08 mm)，D07-11C气体质量流量计，模拟泡沫发生器的填砂管(规格为φ0.8 cm×15.0 cm)，填砂管内填100～120目玻璃珠，孔喉直径为10 μm。

图1　可视化微观模型夹持器Fig.1 Visual micromodel holder

(2)药品。气体为N2，纯度为99.9%；起泡剂为甜菜碱表面活性剂(SL1，工业级，有效成分为33%)；稳泡剂为黄原胶(XG，工业品，淡黄色粉末，相对分子质量为3.4×106，质量分数为91%)；实验用水为模拟地层水，总矿化度为160 g·L-1，ρ(Ca2+)为7 g·L-1，ρ(Na+)为55.269 g·L-1，ρ(Cl-)为97.731 g·L-1，实验温度为20～90 ℃。

1.2方法

(1)微观驱替装置连接、安装、调试；将微观刻蚀模型放置于可视夹持器。(2)模型抽真空，并用起泡剂溶液饱和填砂管泡沫发生器。(3)加回压至一定的初始压力，同时用加热套加热至实验温度。(4)气体和起泡剂溶液以1∶2的体积比同时注入填砂管泡沫发泡沫器中。当微泡沫流体达到稳定的流动状态时，关闭微观模型夹持器入口端、出口端阀门，通过摄像装置观察微泡沫的形态。(5)记录实验过程中夹持器两端测压点压力的变化。(6)改变实验参数，重复步骤(1)～(5)。(7)用IS图片处理软件对微泡沫微观图片进行分析。在视野内选取200多个气泡，计算微泡沫平均直径及变异因数[14](用于描述气泡的均匀程度，变异因数越低，表明形成的泡沫越均匀)，计算公式为

(1)

式中：dav为微泡沫平均直径；di为第i个气泡的直径；ni为第i个气泡。

(2)

式中：CV为微泡沫直径的变异因数；δ为微泡沫直径的标准差值。微观驱替装置实验流程见图2。

图2　微观驱替装置实验流程Fig.2 Experimental process of micro-displacement equipment

2　结果与讨论

2.1影响因素分析

微泡沫的气泡尺寸由起泡液化学配方及工作参数共同决定，分别分析起泡液化学配方和工作参数对微泡沫直径的影响，其实验方案见表1。

表1　起泡液化学配方和工作参数对微泡沫直径的影响实验方案

2.1.1起泡剂质量浓度

不同起泡剂质量浓度制备微泡沫的微观图片见图3。由图3可知，微泡沫具有较厚的保护膜，气泡呈独立的圆球形，其直径主要分布在10～100 μm之间。按照式(1-2)计算相应的微泡沫尺寸参数(见图4)。由图4可知，随着起泡剂质量浓度增加，微泡沫平均气泡直径、变异因数降低。当起泡剂质量浓度高于5 g/L时，起泡剂质量浓度的增加对平均气泡直径和变异因数影响不大。这是由于气泡的直径与单位面积内的气泡个数由基液黏度决定，基液黏度越大，气泡直径越小，个数越多，均一性越好，但起泡剂质量浓度的变化对基液的黏度影响较小，所以微泡沫直径参数变化较小。随着起泡剂质量浓度增大，表面活性剂分子在N2/水界面上的吸附量增大，表面张力降低，泡沫体系的自由能降低，起泡剂发泡能力提高，所以单位面积内的气泡数量增加。当起泡剂SL1质量浓度为5 g/L时，单位面积内的气泡个数达到较高值，选用5 g/L 起泡剂SL1用于后续实验。

图3　不同起泡剂质量浓度下微泡沫微观形貌(基准尺为100 μm)Fig.3 Micrographs of microfoams formed under different SL1 mass concentrations(Scale bars=100 μm)

图4　起泡剂质量浓度对微泡沫直径的影响Fig.4 Effect of SL1 mass concentration on bubble size of microfoam

2.1.2黄原胶质量浓度

稳泡剂黄原胶质量浓度对微泡沫结构的影响见图5。由图5可知，随着黄原胶质量浓度增加，微泡沫平均气泡直径、变异因数减小。这是因为当黄原胶质量浓度增大时，溶液黏度由76.1 mPa·s增至2 292.8 mPa·s，气泡增长或合并的阻力增加，与气泡增长或合并的阻力相比，新气泡的形成需要更少的能量，较高黏度限制气泡增长速率，对气泡的稳定和成型有利，故平均气泡直径减小，形成的气泡更加均匀[15-16]。实验结果与T型微通道中溶液黏度对微气泡直径的影响一致。考虑微泡沫尺寸，选用5 g/L 稳泡剂XG用于后续实验。

2.1.3两相流速

不同气相、液相流速显著影响发泡效果及微泡沫直径，故考察两相流速对微泡沫结构的影响，结果见图6。由图6可知，微泡沫平均气泡直径和变异因数随着两相流速的增大而减小。这是因为当两相流速较高时，气液两相在填砂管泡沫发生器中混合时的剪切作用较强，气液混合更加充分，致使平均气泡直径较小，气泡变得更加均一。不同两相流速下形成的微泡沫的微观图片见图7。由图7可知，当两相流速为0.02 mL/min时，形成独立小气泡，但气泡个数较少，较弱的剪切作用导致气泡直径较大，均匀性较差；当两相流速增至0.3 mL/min时，气泡的密度较高，独立的小气泡开始相互靠近但不聚集在一起，形成具有特殊膜结构的微泡沫，气泡以一定的方式自发地组装起来。通常，微泡沫结构也被描述为“微流体晶体”[17-18]。通过微观图片观察到个别气泡的直径小于5 μm，小于平均孔喉直径，说明气泡的形成不仅有作用，还包括高速剪切作用。

图5　黄原胶质量浓度对微泡沫直径的影响Fig.5 Effect of XG mass concentration on bubble size of microfoam

图6　两相流速对微泡沫直径的影响Fig.6 Effects of two-phase flow rates on bubble size of microfoam

图7　不同两相流速下微泡沫微观形貌(基准尺为100 μm)Fig.7 Micrographs of microfoams formed under different flow rates(Scale bars=100 μm)

2.1.4温度

温度影响溶液黏度、液膜排液速率及气体扩散速度，是影响微泡沫直径的关键因素。不同温度对微泡沫直径的影响见图8。由图8可知，随着温度升高，平均气泡直径、变异因数增大。气泡膨胀速率通常与气泡内部气体扩散现象有关。当温度较低时，气体扩散和重力排液作用较弱抑制微气泡的扩散；温度升高时，气泡膨胀速率加剧，液膜排液速率加快，液膜变薄，起泡液黏度降低，气泡增长的阻力减小，气泡直径增大。同时，高温降低微泡沫的稳定性，故气泡分布的均匀性降低。当温度高于60 ℃时，随着温度升高，气泡直径增大的速率较快，表明微气泡直径的变化对高温时温度的变化更加敏感。

2.1.5回压

将回压由2.0 MPa升高至8.0 MPa，分析回压对微泡沫直径的影响，结果见图9。由图9可知，平均气泡直径、变异因数随着回压升高而减小。回压为2.0 MPa时，微泡沫平均直径为34.5 μm，变异因数为20.37%，气泡形状为圆球形和不规则的多边形共存。当回压升至8.0 MPa时，微泡沫的平均直径为20.2 μm，变异因数为8.85%，气泡形状主要为圆球形。通常，高压有助于泡沫的稳定，高压下N2更加密集，表面活性剂分子在界面膜上的分布变得致密，提高N2与表面活性剂疏水链的分子间作用[19-20]，也提高液膜强度，延缓液膜排液速率，使形成的气泡直径变小、气泡个数增加、均匀度提高。

图8　温度对微泡沫直径的影响

图9　回压对微泡沫直径的影响Fig.9 Effects of pressure on bubble size of microfoam

2.2黄原胶稳定的微泡沫与常规微泡沫稳定性

目前，主要通过Rose起泡仪或Waring blender搅拌器形成泡沫，根据泡沫高度或排液高度随时间的变化分析泡沫的稳定性，2种方法研究泡沫特性时缺少对泡沫体系量化分析，并且产泡方式与多孔介质产泡大不相同，因此采用玻璃珠填制的填砂管发泡。当微泡沫流体达到稳定的流动状态时，关闭微观模型夹持器入口端、出口端阀门，通过记录一段时间内微观模型中泡沫直径、气泡个数的变化，对比黄原胶稳定的微泡沫和普通微泡沫在160 g/L矿化度、90 ℃温度、6.0 MPa回压条件下稳定性的差异，结果见图10。

图10　不同静置时间下2种微泡沫稳定性(基准尺为100 μm)Fig.10 Stability comparison between XG stabilized-microfoam and common microfoam under different standing time(Scale bars=100 μm)

由图10可知，对于普通微泡沫，气泡间的排布较为紧密。随着静置时间延长，小气泡逐渐消失，大气泡体积变大，泡沫平均直径增加，单位面积内气泡个数逐渐减少，液膜变薄，气泡由椭球形向不规则的图形转变，说明普通微泡沫稳定性较弱，气泡聚并作用导致气泡直径增大、数量减小。相比于普通微泡沫，黄原胶稳定的微泡沫起泡能力较弱，但泡沫的稳定性更强，其泡沫直径和液膜厚度变化的速率较慢，且气泡始终保持圆形或椭球形。黄原胶稳定的微泡沫体系中，由于增黏剂黄原胶增加液膜黏度和厚度，加强气泡间有序性排列，减缓微泡沫排液过程[4]。因为不存在Plateau边界，起泡剂在液膜处富集产生较高的表面压，增强Gibbs-Marangoni效应和液膜抵抗外界力学干扰能力，抑制气泡的聚并与破裂。微泡沫密度高于普通泡沫的，显著降低气泡间的气体扩散速率[21]。与常规发泡方式相比，填砂管发泡更好地模拟气、液在地层条件下的发泡过程，借助可视化微观模型也更好地记录气泡动态聚并的过程，量化气泡的尺寸。

3　结论

(1)通过玻璃珠填制的填砂管泡沫发生器制备气泡平均直径为10～100 μm、变异因数小于10%的高度均一微泡沫体系，微泡沫具有较厚的保护膜，气泡呈独立的圆球形，且气泡间孤立存在。

(2)随着黄原胶质量浓度增大，溶液黏度增大，气泡增长或合并的阻力增加，对气泡的稳定和成型有利，微泡沫平均直径减小，形成的气泡更加均匀。起泡剂质量浓度变化对基液黏度、微泡沫气泡直径影响较小。

(3)可通过调节两相流速、温度、回压等实验参数控制微泡沫的直径。随着两相流速、回压增大，微泡沫直径减小，均匀性变好。温度升高导致微泡沫直径增大，均匀性变差。

(4)与普通微泡沫相比，黄原胶稳定的微泡沫体系中，由于增黏剂黄原胶增加液膜黏度和厚度，加强气泡间有序性排列，减缓微泡沫排液过程，具有优越的稳定性。在160 g/L矿化度、90 ℃温度、6.0 MPa回压条件下，其稳定时间长达2 h，而普通泡沫的稳定时间少于20 min。

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2015-07-09；编辑：关开澄

长江学者和创新团队发展计划项目(IRT1294)；中央高校基本科研业务费专项(15CX06030A);中国石油天然气公司重大专项(2014E-2107)

史胜龙(1988-),男,博士研究生,主要从事油田化学与提高采收率方面的研究。

王业飞,E-mail: wangyf@upc.edu.cn

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.01.011

TE357

A

2095-4107(2016)01-0103-08