水基泡沫微观性质分析

吉凯，周阳

水基泡沫微观性质分析

吉凯，周阳

（西安石油大学 石油工程学院，陕西 西安 710000）

对水基泡沫结构及性质的研究进程与成果进行介绍。其中在微观结构方面，分析了水基泡沫的形成条件、形成过程、组成成分，并总结归纳了泡沫微观结构的发展情况；微观性质方面，从水基泡沫的物化性质、力学性质、流变性以及稳定性几方面出发，总结分析了近年来国内外关于水基泡沫的研究方法与成果。最后指出了水基泡沫未来的研究方向。

水基泡沫；泡沫结构；泡沫性质；PB通道；液膜

水基泡沫流体在石油与天然气领域中具有十分广泛且重要的应用，例如在实际生产过程中，石油钻井、驱油采油以及天然气气井积液排除等作业时都会涉及到对泡沫流体的相关研究。目前在该领域，有关泡沫流体的热点问题大都集中于其在井筒、立管和极少数集输管道中的宏观流动上，另外还包括有泡沫钻井、泡沫压裂液等一些方面的宏观探究，然而要想对泡沫流体具有更深层面的认知，就需要从微观角度对泡沫体系进行更加透彻的分析及了解。

本文以水基泡沫体系为研究对象，对泡沫的形成条件、组成成分以及泡沫基本单元的微观结构进行逐一介绍，此外文章还将结合国内外研究状况，对泡沫体系的微观性质（流变性、物化性质、稳定性等）进行归纳及总结。

1 泡沫结构

1.1 形成条件及过程

通过毛细管向纯净的单质水相中鼓起虽然能够在短时间内形成气泡，但由于缺乏液膜吸附层，会导致整个泡沫体系的破泡速度远大于发泡速度，从而无法在静止中长期稳定的存在。工艺应用中所指液态泡沫是由大量气泡在溶液体系中所密集堆积形成的、具有高度自组织的非平衡系统，该溶液体系必须拥有两种或以上组分的混合溶液，例如表面活性剂溶于水、一些有机大分子或可溶于水的高分子溶液体系，此外还包括一些其他溶剂所形成的溶液体系等。

在石油与天然气领域中，常见的水基泡沫体系基本都是使用表面活性剂来进行起泡发泡的，如图 1所示。当起泡剂分子在水中均匀溶解并通入气体后，其亲水端基会指向液相一侧，疏水端基则会朝向气相一侧，此时由于气液密度差与液相表面张力改变的原因，起泡剂分子便会吸附在气泡的气液界面上，形成一层致密紧凑的分子层。在此之后，由于浮力作用，气泡会从溶液中继续上升至溶液液面之上，这时因为最上层的气泡裸露在气相中，每个和气相直接接触的气泡就会形成内外两个气液界面，气液界面中间为起泡剂溶液，起泡剂分子则会在新的气液界面上再次汇聚，从而在两个气液界面上形成一种特殊的双层吸附[1]。

液膜的双吸附层对于泡沫的稳定性具有十分重要的作用，这是因为其不仅阻止了液膜中液体的挥发，而且就单侧活性剂分子层而言，分子间引力还可以增加双吸附层的强度。另外双吸附层的存在同时也增大了泡沫液膜的黏度，这就会使泡沫中液体的流动性变差，从而使液膜保持在一定厚度延缓破裂。另外双吸附层两边的亲水基会在水中发生电离，并产生相互作用的静电斥力，这也在一定程度上阻碍了液膜的变薄破裂。

图 1 泡沫形成过程及起泡剂吸附形式

1.2 组成成分

水基泡沫体系的组成成分主要包括气相和液相两大部分，其中气相为分散相，液相为连续相。常见的气相通常有空气、氮气和二氧化碳；液相则一般由淡水、地层水或盐水和相应的稳泡剂及起泡剂混合溶液组成。

1.2.1 气相

在石油与天然气工程中，由于空气和天然气之间存在着易燃、易爆等不安全因素，故在生产作业时，气体一般多采用氮气或二氧化碳，但由于两种气体的物化性质存在较大差异，故由其分别形成的泡沫体系的微观性质也各具特点。对于二氧化碳，由于其具有较强的溶解能力及反应能力，所以形成泡沫体系的稳定性一般较差，但又因其密度大、静水压头高，所以通常多适应于现场深井作业；氮气为惰性气体，不易和地层流体及岩石发生反应[2]，同时在水中的溶解能力远小于二氧化碳，因此由其形成的泡沫体系相对稳定，另外氮气的作业温度相对较低，工程作业时，可直接通过液氮车设备进行汽化，最终以气态形式被泵送入井内。

1.2.2 液相

在水基泡沫体系中，液相成分及性质一般较为复杂，同时也是影响泡沫性质的主要组成部分[3]。

淡水、地层水或盐水均是水基泡沫体系中常见的液相组成成分，但在实验研究和现场施工时，水基泡沫的液相组分一般采用地层水或盐水，这是由于其发泡体积和能力虽然低于淡水配置的泡沫，却可以有效防止地层黏土膨胀等不配伍方面的危害等问题。另外这些较小密度的水基泡沫流体往往在油藏增注、排水采气、钻井作业等方面发挥重要作用。

除却淡水、地层水以及盐水外，水基泡沫的液相组分还包括有各类起泡剂[4]。目前市面上常见的起泡剂种类有阴离子起泡剂、阳离子起泡剂、非离子起泡剂、两性离子起泡剂、聚合物起泡剂以及复合型起泡剂，其各自的性质及特点可详见表1。

表1 常见起泡剂性质及特点

1.3 微观结构

最早在17世纪初期，德国物理学家开普勒就已开始对泡沫的微观空间结构提出了猜想，到19世纪70年代，比利时物理学家普拉图（Plateau）在其《Statique Expirimentale et Théorique des Liquides soumis aux Seules Forces Moleculaires》一书中最先提出了泡沫结构平衡法则，并自此将泡沫结构的研究推向了量化阶段。普拉图猜想（即稳定液膜应具有最小面积）同开普勒猜一直是物理和数学界关注研究的热点之一，19世纪中期，匈牙利数学家Toth证明了正多边形是所有首尾相连的多边形中周长最小的，而且还认为，与任何形状的图形相比，正六边形的周长最小，不过这一观点并未在当时得到证明。此外，美国数学家Jean Taylor及Frederick Amigren也曾对普拉图猜想进行过数学推导，并证明在最小面积的前提下，3个相连液膜的夹角为120°，4个相连液膜的夹角为109.47°，但当时人们认为该证明并不充分完整[5]，仍需进行进一步补充及解释。上述问题最终在20世纪末被美国数学家Thomas C. Hales借助计算机辅助得以验证，目前，普拉图提出的泡沫结构平衡法则已普遍为学术界所接受，并在许多领域的实际发展中得到广泛应用。

1.3.1 泡沫结构平衡法则

普拉图泡沫结构平衡法则提出以4个相互作用的泡沫作为基本单元，泡沫粒径范围约在10 μ拉至1 cm之间，4个泡沫的交汇点称为节点，从节点四面向外延伸的凹三角柱体为plateau通道，再沿着 plateau通道中每个侧棱向外延伸的平面则为泡沫的液膜。在该平衡法则中，每3个气泡围成一个plateau通道，通道之间的夹角约为109.47°，每两个气泡间形成一个液膜，液膜与液膜之间的夹角则为120°，如图2所示。由此可以看出，一个泡沫基本单元是分别由一个节点、4个plateau通道以及6个液膜组合而成的[6]。

图 2 Plateau通道平面及空间结构

1.3.2 Plateau通道

力平衡的Plateau界面如图 3所示。当泡沫形成以后，由于重力及毛细管力的作用会不断发生渗流析液现象，此时根据拉普拉斯定律可得：

式中：B、A—图 3中B点（液膜）与A点（PB截面）的压力；

—PB通道的曲率半径；

—表面张力。

该式表明，B处的压力较A处的压力大，在这种压差下，泡沫中的液体会自动的从B点向A点流动，从而使液膜变薄并最终导致泡沫的破碎与合 并[7]。

1.3.3 胞元模型

在泡沫研究领域，单个胞元结构是泡沫群性能的主要研究范围，因为一切对泡沫的研究都要基于此结构来导出控制方程[8]。目前，被广泛采用泡沫的胞元模型主要有三大类：19世纪末期，英国物理学家Kelvin曾基于“在三维空间划分若干部分，使得等体积条件下系统内接触面积最小”的问题，提出了Kelvin泡沫微观结构，如图 4所示，该胞元模型是由8个正六边形和6个正四边形组成一种特殊的十四面体，并且在此后的一个多世纪里，科学界一直将其视为上述问题的最佳答案。直到20世纪90年代，尔爱兰都柏林大学圣三一学院物理学教授Weaire和Phelan受到硅基笼状化合物的启发，并借助Surface Evolver软件模拟，才再次提出了一种新型结构的W-P模型，如图 5所示，该模型结构较为复杂，由十四面体（被12个五边形与2个六边形包围）和不规则五边形组成的12面体共同构成，且胞元总面积比Kelvin胞元模型减少了0.3%，著名游泳馆“水立方”的几何结构便是以此模型的理论基础建造而成的。除此之外，五边形十二面体结构也被广泛应用于泡沫演化析液分析的数值计算中，其空间结构见图 6。

图4 Kelvin胞元模型

图5 W-P胞元模型

图6 五边形十二面体模型

2 泡沫性质

2.1 物化性质

描述泡沫特性的一个重要参数是泡沫特征值，泡沫特征值又称为泡沫干度或泡沫质量[9]，是指在一定温度和压力条件下，泡沫中的气体体积分数，即单位体积泡沫中气体体积的占比，常用表示，其关系式如下[10]：

式中：—泡沫特征值，无量纲；

G—气体体积，m3；

L—液体体积，m3；

F—泡沫体积，m3。

在泡沫研究中，通常把液体体积分数极小（小于1%）的泡沫称为干泡沫，而将液体体积分数介于1%～30%左右的泡沫称为湿泡沫。因为泡沫存在气体，所以泡沫流体具有可压缩性质，又由于其中的液相组分不具有压缩性，所以泡沫流体是一种半压缩性流体[11]。

李松岩等通过PVT筒室内实验装置，研究了泡沫流体密度在不同气液质量比、温度及压力下的变化规律。实验结果表明，在相同的温度及气液比条件下，随着压力的升高，泡沫流体密度会呈现出先增大后平缓的变化趋势，而这一现象正是由于泡沫流体的半压缩性所致；另外在相同气液比与压力条件下，随着温度的升高，泡沫流体的密度会表现出逐渐递减的规律，这表明在一定温度范围内，温度的改变会引起泡沫体系中气体体积的变化，从而使泡沫流体的物性也随之改变。除此之外，实验还对比了同等压力及温度下，不同气液比对泡沫流体密度的影响，通过相应的数据分析可以得出，泡沫体系的气液质量比越大，泡沫流体密度随着压力变化的递增时间就越长，即泡沫的压缩性越强。

郭旭针对不同理化性质的复合表面活性剂，研究了泡沫性能与表面性质之间的关系。实验得出，泡沫性能与表面张力存在反比关系，低表面张力的表面活性剂溶液有起泡能力高、泡沫稳定性强的趋势[12]，这是因为低表面张力形成泡沫时所需的能量较低，且在同等能量引入条件下，起泡能力更好。

阎晓雨基于川西LHS气田，从现场常用的8种起泡剂中筛选出了地层配伍性稳定、携液能力突出且稳泡性能最好的UT-5D型起泡剂。实验数据表明，针对同一种起泡剂，温度、起泡剂浓度、pH值以及矿化度对起泡性能均有显著影响，其中起泡剂浓度和温度的影响主要表现为其在一定范围内对于泡沫体系起泡和稳泡的促进作用，而矿化度的增高则会导致体系中泡沫的生成量与半衰期双双下降。另外实验结果显示，pH值的变化对于泡沫溶液的发泡高度无明显影响，但泡沫半衰期会随着pH值的增大表现出先降低后增大的总体趋势，这说明酸或碱的存在会部分干扰泡沫体系的平衡状态，从而使泡沫性能受到一定影响。

2.2 流变性

目前，有关泡沫相态划分最常见的方法为Mitchell法[13]，其通过质量参数为泡沫流体的流变状态定义了不同区域，即当泡沫质量在0～0.52时，泡沫体系处于分散区，气泡不会受到彼此之间的干扰且呈球形状态，属于牛顿流体；当泡沫质量在0.52～0.74时，泡沫体系处于干扰区，此时泡沫之间开始相互作用，球体汇聚，且启动剪切力与黏度增大；泡沫质量在0.74～0.96时，泡沫体系处于稳定期，这时气泡为多面体状态，液膜呈多边形，属于宾汉姆流体或假塑性流体；泡沫质量在0.96～1.00之间时，泡沫体系处于雾区，液量很小，呈雾状分布在气体之中。

张猛[14]采用BROOKFIELD R/S Plus流变仪研究了水成膜泡沫的屈服特性和流变性，并提出了修正的Herschel-Bulkley流变模型。实验表明，在恒定剪切速率下，泡沫的表观黏度在一定时间范围内先持续增加，后逐渐趋于平稳，并且在相同剪切速率下，气体体积分数越大，表观黏度也就越大。

赵化廷采用HAAKE流变仪分别研究了水基泡沫和矿化泡沫两种体系下，不同剪切速率与泡沫表观黏度之间的关系。结果显示，在泡沫质量为0.75左右时，两种泡沫体系的表观黏度均随着剪切速率的增加表现出剪切稀释性。此外实验还分别得出了两种泡沫体系下剪切应力与剪切速率的关系曲线，并发现在低剪切速率下泡沫体系服从假塑性流体特性，在高剪切速率下，泡沫体系服从宾汉姆流体特性。

2.3 力学性质

水基泡沫是一个非平衡系统，它的结构会随着时间的推移而不断发生演化，其演化过程主要涉及3个机制：泡沫渗流、液膜破裂以及气体扩散[15]。

由于毛细管力的存在，泡沫中的液相组分会先从泡沫液膜向Plateau通道中汇聚，如图7所示，再于重力作用的驱使下，泡沫体系中的液体会沿着Plateau通道继续下渗，这一过程最终会随着重力方向的静压力梯度与重加速度相平衡而结束，从而使泡沫体系中液膜的厚度随着高度的增加而减小。

图 7 泡沫渗流

液膜的破裂主要发生在干泡沫中，其原因主要是随着渗流作用的发生，表面活性剂分子的排斥力和马兰戈尼效应不足[16]。

根据拉普拉斯定律，较小曲率半径的气泡内部具有较大压强，从而在表面张力的驱动下，泡沫体系中小气泡内的气体分子就会通过液膜不断向较大气泡扩散，最终使得体系中气液界面的面积减小。

以上3种机制相互关联，渗流发生时，液膜内微量液体的流动会影响气泡间的气体扩散，同时液膜破裂和气体扩散过程会导致气泡平均直径增加，进一步促进液体渗流，使得液态泡沫呈现出随时间不断变化的非平衡特性。虽然液态泡沫的演化过程可以被十分清楚的观察到，但目前对于各个阶段的定量分析及内在机制仍有待研究[17]。

2.4 稳定性

泡沫为热力不稳定体系，除了发泡液体自身的物质组成以及界面性质会对泡沫的稳定性产生很大的影响外，外界因素（如温度、压力、起泡剂浓度、矿化度等）也会对泡沫的稳定性起到非常重要的作用[18]。目前衡量泡沫稳定性的指标包括泡沫体系起泡高度、泡沫半衰期以及泡沫的析液特性等。

KOEHLER[19]等通过对泡沫内外PB边界几何模型与物理模型的建立，分别模拟了相同条件下两种边界内的速度场速度分布情况，如图 8所示。从图8中可以看出，外PB边界（由与容器接触的泡沫形成）内流体的流速要普遍大于内PB边界，另外越靠近PB边界中心，流场内的流速越趋向于最大值。此外他们发现，对于刚性液-气界面，当外部PB通道的数量为内部PB通道数量的1/7时，流经内外两种PB通道的流量相等。而如果体系内外部PB通道的数量大于内部PB通道，则外部PB通道可以对泡沫体系的析液作用产生强烈影响。BRANNIGAN[20]等的实验结果也表明，在一定的液体体积分数下，随着容器管直径的减小，由于外部PB通道的影响，泡沫析液率明显增加。

图8 内外PB边界及其速度场

3 结 论

水基泡沫具有复杂的结构，包括内外PB通道、节点以及液膜等元素，因此其微观研究对于泡沫流体领域的发展具有十分重要的意义。目前，国外在泡沫体系的微观研究方面虽然取得了一定程度的量化成果，但大都是基于各种约束与假设之下，其结论也往往只适于某一情况或一定范围，多具有较强的局限性。国内有关泡沫体系的微观报道更是少见，只有少数文献基本停留在有关泡沫性质实验的定性分析上，因此目前对于该领域的研究仍处于起步阶段，而以后的研究热点应主要集中在以下几个方面：

1）结合动力学与流变学知识，分析与泡沫体系相关的流变特性参数，完善泡沫流体流变模型。

2）以单个气泡为研究对象，分析PB通道、液膜及节点中泡沫流体的流动状态及特性，完善微观尺度泡沫流体流动特性机理。

3）深入对液膜破裂、气体扩散、气泡并聚等泡沫力学特征的量化研究，探讨泡沫体系演变过程中各个阶段之间的联系与影响。

4）从外界因素（如温度、压力等）与泡沫体系自身性质出发，继续深化对泡沫稳定性产生影响的各关键因素的研究。

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Analysis on Microscopic Properties of Water-based Foam System

,

（College of Petroleum EnXi'an Shiyou University, Xi’an Shaanxi 710000, China）

The research progress and achievements of the structure and properties of water-based foam were mainly introduced. In the aspect of microstructure, the formation condition, formation process and composition of water-based foam were analyzed,and the development of foam microstructure was summarized. In terms of microscopic properties,the research methods and achievements of water-based foams in recent years were summarizedand analyzed from the physical and chemical properties, mechanical properties, rheological properties and stability of water-based foams. At last, the future research direction of water-based foam was pointed out.

Water-based foam; Foam structure; Foam property; PB channel; Film

2021-05-13

吉凯（1997-），男，陕西省咸阳市人，硕士，就读西安石油大学石油与天然气专业，研究方向：泡沫多相流。

O648.2+4

A

1004-0935（2021）12-1840-06