微泡沫體系直徑影響因素及微觀穩定性

史勝龍， 王業飛， 周代余， 昌倫杰， 李忠鵬， 丁名臣

( 1. 中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島　266580；　2. 中國石油塔里木油田分公司 勘探開發研究院，新疆 庫爾勒　841000 )

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微泡沫體系直徑影響因素及微觀穩定性

史勝龍1， 王業飛1， 周代余2， 昌倫杰2， 李忠鵬1， 丁名臣1

( 1. 中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島266580；2. 中國石油塔里木油田分公司 勘探開發研究院，新疆 庫爾勒841000 )

針對普通泡沫穩定性差問題，通過玻璃珠填制的填砂管制備一種穩定性好、均勻度高且直徑細小的微泡沫體系，用顯微鏡對微泡沫的微觀形態進行觀察，研究不同影響因素對微泡沫直徑的影響，分析黃原膠穩定的微泡沫與普通微泡沫穩定性的差異。結果表明：氣、液同時注入玻璃珠填制的填砂管時，可形成直徑為10～100 μm、變異因數小于10%的微泡沫體系。可通過改變溶液黏度、起泡劑質量濃度、兩相流速、溫度和回壓等影響因素調節微泡沫的直徑大小。隨著溶液黏度、兩相流速、回壓的增大，微泡沫平均氣泡直徑減小，均勻性變好；溫度升高導致微泡沫直徑增大，均勻性變差。當起泡劑質量濃度高于5 g/L時，起泡劑質量濃度增加對微泡沫直徑影響不明顯。由于溶液中的黃原膠增加液膜黏度和厚度，減緩微泡沫液膜排液過程，促使黃原膠穩定的微泡沫具有優越的穩定性，并在160 g/L礦化度、90 ℃溫度、6 MPa回壓條件下，其穩定時間長達2 h，而普通微泡沫的穩定時間少于20 min。

微泡沫； 微觀形貌； 平均氣泡直徑； 變異因數； 穩定性

0　引言

人們通過高速攪拌方式制備具有氣泡微細[1]、含氣率高[2]、良好穩定性[3]的微泡沫體系，有效彌補普通泡沫在地層條件下穩定性差的不足[4]。微泡沫又稱膠質氣體泡沫，其直徑一般在10～100 μm之間[5]。常見制備微泡沫的方法為高速攪拌法[6]，通過該方法制備的微泡沫體積不易控制且均一度較差，微泡沫的結構、穩定性、形成過程與其在多孔介質中存在顯著差異。Marmottant P[7]、Okushima S[8]、Quennouz N[9]、Ma K[10]等開始利用微反應器和砂芯泡沫發生器嘗試發泡，通過調節氣體、液體流速，起泡劑質量濃度及反應器的尺寸、溫度、壓力等參數獲得大小可調且均勻度較好的微泡沫，并借助微觀可視化模型對其形成過程和穩定性進行分析，但關于影響微泡沫直徑大小的因素存在一定爭議。Yasuno M[11]、Xu J H[12]等認為微泡沫直徑隨著液相流速和黏度增大而減小，但與溶液表面張力無關。Kim J U等[13]認為溶液黏度是決定微泡沫直徑最重要的因素，在一定流量下，氣相流速越高，液相流速越低，微泡沫直徑越小。我國關于微泡沫穩定性和直徑影響因素研究較少。

針對我國西部高溫高鹽油藏地層條件，通過玻璃珠填制的填砂管模擬泡沫發生器制備直徑細小、均一度高的微泡沫體系，確定影響微泡沫直徑和均勻度的關鍵因素;通過溶液黏度、起泡劑用量、兩相流速、溫度和壓力等參數的調整，實現微泡沫直徑可調，均勻度可控;對比黃原膠穩定的微泡沫與普通微泡沫(不加穩泡劑黃原膠)穩定性的差異，為微泡沫制備、氣泡尺寸控制和微泡沫性能評價提供參考及研究基礎，對高溫高鹽油藏提高采收率探索具指導意義。

1　實驗

1.1儀器和材料

(1)儀器。Brookfield DV-Ⅱ黏度計(6 r/min)，VD-100V體式顯微鏡，微觀驅替實驗裝置：單缸恒速恒壓計量泵，可視化微觀模型夾持器(耐壓為50 MPa，可通過加熱套升溫至180 ℃，見圖1)，玻璃刻蝕模型(有效尺寸為40.00 mm×2.50 mm×0.08 mm)，D07-11C氣體質量流量計，模擬泡沫發生器的填砂管(規格為φ0.8 cm×15.0 cm)，填砂管內填100～120目玻璃珠，孔喉直徑為10 μm。

圖1　可視化微觀模型夾持器Fig.1 Visual micromodel holder

(2)藥品。氣體為N2，純度為99.9%；起泡劑為甜菜堿表面活性劑(SL1，工業級，有效成分為33%)；穩泡劑為黃原膠(XG，工業品，淡黃色粉末，相對分子質量為3.4×106，質量分數為91%)；實驗用水為模擬地層水，總礦化度為160 g·L-1，ρ(Ca2+)為7 g·L-1，ρ(Na+)為55.269 g·L-1，ρ(Cl-)為97.731 g·L-1，實驗溫度為20～90 ℃。

1.2方法

(1)微觀驅替裝置連接、安裝、調試；將微觀刻蝕模型放置于可視夾持器。(2)模型抽真空，并用起泡劑溶液飽和填砂管泡沫發生器。(3)加回壓至一定的初始壓力，同時用加熱套加熱至實驗溫度。(4)氣體和起泡劑溶液以1∶2的體積比同時注入填砂管泡沫發泡沫器中。當微泡沫流體達到穩定的流動狀態時，關閉微觀模型夾持器入口端、出口端閥門，通過攝像裝置觀察微泡沫的形態。(5)記錄實驗過程中夾持器兩端測壓點壓力的變化。(6)改變實驗參數，重復步驟(1)～(5)。(7)用IS圖片處理軟件對微泡沫微觀圖片進行分析。在視野內選取200多個氣泡，計算微泡沫平均直徑及變異因數[14](用于描述氣泡的均勻程度，變異因數越低，表明形成的泡沫越均勻)，計算公式為

(1)

式中：dav為微泡沫平均直徑；di為第i個氣泡的直徑；ni為第i個氣泡。

(2)

式中：CV為微泡沫直徑的變異因數；δ為微泡沫直徑的標準差值。微觀驅替裝置實驗流程見圖2。

圖2　微觀驅替裝置實驗流程Fig.2 Experimental process of micro-displacement equipment

2　結果與討論

2.1影響因素分析

微泡沫的氣泡尺寸由起泡液化學配方及工作參數共同決定，分別分析起泡液化學配方和工作參數對微泡沫直徑的影響，其實驗方案見表1。

表1　起泡液化學配方和工作參數對微泡沫直徑的影響實驗方案

2.1.1起泡劑質量濃度

不同起泡劑質量濃度制備微泡沫的微觀圖片見圖3。由圖3可知，微泡沫具有較厚的保護膜，氣泡呈獨立的圓球形，其直徑主要分布在10～100 μm之間。按照式(1-2)計算相應的微泡沫尺寸參數(見圖4)。由圖4可知，隨著起泡劑質量濃度增加，微泡沫平均氣泡直徑、變異因數降低。當起泡劑質量濃度高于5 g/L時，起泡劑質量濃度的增加對平均氣泡直徑和變異因數影響不大。這是由于氣泡的直徑與單位面積內的氣泡個數由基液黏度決定，基液黏度越大，氣泡直徑越小，個數越多，均一性越好，但起泡劑質量濃度的變化對基液的黏度影響較小，所以微泡沫直徑參數變化較小。隨著起泡劑質量濃度增大，表面活性劑分子在N2/水界面上的吸附量增大，表面張力降低，泡沫體系的自由能降低，起泡劑發泡能力提高，所以單位面積內的氣泡數量增加。當起泡劑SL1質量濃度為5 g/L時，單位面積內的氣泡個數達到較高值，選用5 g/L 起泡劑SL1用于后續實驗。

圖3　不同起泡劑質量濃度下微泡沫微觀形貌(基準尺為100 μm)Fig.3 Micrographs of microfoams formed under different SL1 mass concentrations(Scale bars=100 μm)

圖4　起泡劑質量濃度對微泡沫直徑的影響Fig.4 Effect of SL1 mass concentration on bubble size of microfoam

2.1.2黃原膠質量濃度

穩泡劑黃原膠質量濃度對微泡沫結構的影響見圖5。由圖5可知，隨著黃原膠質量濃度增加，微泡沫平均氣泡直徑、變異因數減小。這是因為當黃原膠質量濃度增大時，溶液黏度由76.1 mPa·s增至2 292.8 mPa·s，氣泡增長或合并的阻力增加，與氣泡增長或合并的阻力相比，新氣泡的形成需要更少的能量，較高黏度限制氣泡增長速率，對氣泡的穩定和成型有利，故平均氣泡直徑減小，形成的氣泡更加均勻[15-16]。實驗結果與T型微通道中溶液黏度對微氣泡直徑的影響一致。考慮微泡沫尺寸，選用5 g/L 穩泡劑XG用于后續實驗。

2.1.3兩相流速

不同氣相、液相流速顯著影響發泡效果及微泡沫直徑，故考察兩相流速對微泡沫結構的影響，結果見圖6。由圖6可知，微泡沫平均氣泡直徑和變異因數隨著兩相流速的增大而減小。這是因為當兩相流速較高時，氣液兩相在填砂管泡沫發生器中混合時的剪切作用較強，氣液混合更加充分，致使平均氣泡直徑較小，氣泡變得更加均一。不同兩相流速下形成的微泡沫的微觀圖片見圖7。由圖7可知，當兩相流速為0.02 mL/min時，形成獨立小氣泡，但氣泡個數較少，較弱的剪切作用導致氣泡直徑較大，均勻性較差；當兩相流速增至0.3 mL/min時，氣泡的密度較高，獨立的小氣泡開始相互靠近但不聚集在一起，形成具有特殊膜結構的微泡沫，氣泡以一定的方式自發地組裝起來。通常，微泡沫結構也被描述為“微流體晶體”[17-18]。通過微觀圖片觀察到個別氣泡的直徑小于5 μm，小于平均孔喉直徑，說明氣泡的形成不僅有作用，還包括高速剪切作用。

圖5　黃原膠質量濃度對微泡沫直徑的影響Fig.5 Effect of XG mass concentration on bubble size of microfoam

圖6　兩相流速對微泡沫直徑的影響Fig.6 Effects of two-phase flow rates on bubble size of microfoam

圖7　不同兩相流速下微泡沫微觀形貌(基準尺為100 μm)Fig.7 Micrographs of microfoams formed under different flow rates(Scale bars=100 μm)

2.1.4溫度

溫度影響溶液黏度、液膜排液速率及氣體擴散速度，是影響微泡沫直徑的關鍵因素。不同溫度對微泡沫直徑的影響見圖8。由圖8可知，隨著溫度升高，平均氣泡直徑、變異因數增大。氣泡膨脹速率通常與氣泡內部氣體擴散現象有關。當溫度較低時，氣體擴散和重力排液作用較弱抑制微氣泡的擴散；溫度升高時，氣泡膨脹速率加劇，液膜排液速率加快，液膜變薄，起泡液黏度降低，氣泡增長的阻力減小，氣泡直徑增大。同時，高溫降低微泡沫的穩定性，故氣泡分布的均勻性降低。當溫度高于60 ℃時，隨著溫度升高，氣泡直徑增大的速率較快，表明微氣泡直徑的變化對高溫時溫度的變化更加敏感。

2.1.5回壓

將回壓由2.0 MPa升高至8.0 MPa，分析回壓對微泡沫直徑的影響，結果見圖9。由圖9可知，平均氣泡直徑、變異因數隨著回壓升高而減小。回壓為2.0 MPa時，微泡沫平均直徑為34.5 μm，變異因數為20.37%，氣泡形狀為圓球形和不規則的多邊形共存。當回壓升至8.0 MPa時，微泡沫的平均直徑為20.2 μm，變異因數為8.85%，氣泡形狀主要為圓球形。通常，高壓有助于泡沫的穩定，高壓下N2更加密集，表面活性劑分子在界面膜上的分布變得致密，提高N2與表面活性劑疏水鏈的分子間作用[19-20]，也提高液膜強度，延緩液膜排液速率，使形成的氣泡直徑變小、氣泡個數增加、均勻度提高。

圖8　溫度對微泡沫直徑的影響

圖9　回壓對微泡沫直徑的影響Fig.9 Effects of pressure on bubble size of microfoam

2.2黃原膠穩定的微泡沫與常規微泡沫穩定性

目前，主要通過Rose起泡儀或Waring blender攪拌器形成泡沫，根據泡沫高度或排液高度隨時間的變化分析泡沫的穩定性，2種方法研究泡沫特性時缺少對泡沫體系量化分析，并且產泡方式與多孔介質產泡大不相同，因此采用玻璃珠填制的填砂管發泡。當微泡沫流體達到穩定的流動狀態時，關閉微觀模型夾持器入口端、出口端閥門，通過記錄一段時間內微觀模型中泡沫直徑、氣泡個數的變化，對比黃原膠穩定的微泡沫和普通微泡沫在160 g/L礦化度、90 ℃溫度、6.0 MPa回壓條件下穩定性的差異，結果見圖10。

圖10　不同靜置時間下2種微泡沫穩定性(基準尺為100 μm)Fig.10 Stability comparison between XG stabilized-microfoam and common microfoam under different standing time(Scale bars=100 μm)

由圖10可知，對于普通微泡沫，氣泡間的排布較為緊密。隨著靜置時間延長，小氣泡逐漸消失，大氣泡體積變大，泡沫平均直徑增加，單位面積內氣泡個數逐漸減少，液膜變薄，氣泡由橢球形向不規則的圖形轉變，說明普通微泡沫穩定性較弱，氣泡聚并作用導致氣泡直徑增大、數量減小。相比于普通微泡沫，黃原膠穩定的微泡沫起泡能力較弱，但泡沫的穩定性更強，其泡沫直徑和液膜厚度變化的速率較慢，且氣泡始終保持圓形或橢球形。黃原膠穩定的微泡沫體系中，由于增黏劑黃原膠增加液膜黏度和厚度，加強氣泡間有序性排列，減緩微泡沫排液過程[4]。因為不存在Plateau邊界，起泡劑在液膜處富集產生較高的表面壓，增強Gibbs-Marangoni效應和液膜抵抗外界力學干擾能力，抑制氣泡的聚并與破裂。微泡沫密度高于普通泡沫的，顯著降低氣泡間的氣體擴散速率[21]。與常規發泡方式相比，填砂管發泡更好地模擬氣、液在地層條件下的發泡過程，借助可視化微觀模型也更好地記錄氣泡動態聚并的過程，量化氣泡的尺寸。

3　結論

(1)通過玻璃珠填制的填砂管泡沫發生器制備氣泡平均直徑為10～100 μm、變異因數小于10%的高度均一微泡沫體系，微泡沫具有較厚的保護膜，氣泡呈獨立的圓球形，且氣泡間孤立存在。

(2)隨著黃原膠質量濃度增大，溶液黏度增大，氣泡增長或合并的阻力增加，對氣泡的穩定和成型有利，微泡沫平均直徑減小，形成的氣泡更加均勻。起泡劑質量濃度變化對基液黏度、微泡沫氣泡直徑影響較小。

(3)可通過調節兩相流速、溫度、回壓等實驗參數控制微泡沫的直徑。隨著兩相流速、回壓增大，微泡沫直徑減小，均勻性變好。溫度升高導致微泡沫直徑增大，均勻性變差。

(4)與普通微泡沫相比，黃原膠穩定的微泡沫體系中，由于增黏劑黃原膠增加液膜黏度和厚度，加強氣泡間有序性排列，減緩微泡沫排液過程，具有優越的穩定性。在160 g/L礦化度、90 ℃溫度、6.0 MPa回壓條件下，其穩定時間長達2 h，而普通泡沫的穩定時間少于20 min。

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2015-07-09；編輯：關開澄

長江學者和創新團隊發展計劃項目(IRT1294)；中央高校基本科研業務費專項(15CX06030A);中國石油天然氣公司重大專項(2014E-2107)

史勝龍(1988-),男,博士研究生,主要從事油田化學與提高采收率方面的研究。

王業飛,E-mail: wangyf@upc.edu.cn

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.01.011

TE357

A

2095-4107(2016)01-0103-08