原油泡沫穩定特性研究進展*

1中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室·石油工程教育部重點實驗室·城市油氣輸配技術北京市重點實驗室

2長慶油田第一采氣廠

原油泡沫是一種以氣體為分散相、原油為連續相的氣液分散體系，在石油行業中，如鉆井、壓裂、酸化、調剖、驅油等方面的應用有助于提高效能，增加原油產量，但原油泡沫會對集輸、煉化等過程產生負面影響。在油氣集輸站場，原油沿集輸管道進入分離器時壓力降低，溶解在原油中的氣體析出，產生泡沫[1]。特別是近些年氣驅技術的應用，地層中的原油溶有大量氣體，在集輸分離時易產生大量穩定的泡沫。大量泡沫的產生以及泡沫破滅時間的延長降低了分離器效率，同時氣相出口中易夾帶小液珠，液相出口中也可能攜帶氣泡，損壞下游的泵或壓縮機，甚至發生氣蝕等嚴重事故[2-3]。通過增加分離器的尺寸，延長油品停留時間可消除泡沫，但會增加成本，對于空間有限的海上平臺來說不易實現[4-5]。目前有關原油泡沫的研究多是分析地層條件下泡沫特性，針對油氣集輸條件下的泡沫特性分析不足。本文綜述了原油中膠質、瀝青質、蠟、固體顆粒等因素對泡沫穩定特性的影響，并從液膜排液、氣體擴散等機制方面闡明各單一因素對泡沫特性的影響，在此基礎上，提出將現代精密儀器應用到泡沫研究中，將宏觀原油泡沫現象與微觀下膠質、瀝青質、蠟等在原油泡沫中結構變化相結合，分析各物質作用機理，對于深入認識泡沫特性，促進相關泡沫領域的研究與發展等具有重要作用，并可為現場應用提供科學指導。

1 原油泡沫穩定特性

1.1 泡沫結構

泡沫是一種分散相為氣體、連續相為液體或固體的分散體系。典型的多邊形泡沫結構遵循Plateau平衡條件，如圖1所示，有4個氣泡形成一組互相作用的基本單元。這4個氣泡共用一個交匯點，其中每3個氣泡圍成一個凹三角形柏拉圖通道，每2個氣泡間形成一個液膜。泡沫中的液體分布在液膜、柏拉圖通道和交匯點上，當液體體積分數?高時，氣泡接近圓球形，分率低時呈多面體形態，一般將?=36%時的分界點稱為臨界液體體積分數[6]，此時泡沫結構和力學性質會發生突變，這也是區分干濕泡沫的臨界點。油田集輸分離器中原油泡沫結構與此類似，在泡沫破滅過程中，泡沫液體體積分數由高到低，泡沫由圓球形變成多邊形，繼而聚并破滅。

圖1 泡沫結構Fig.1 Structure of foam

1.2 泡沫衰變與穩定機理

泡沫結構的演化、衰變過程的機理主要包括泡沫排液和氣體擴散。泡沫間的微量液體在重力、毛細管力、黏滯力的作用下，在薄膜、Plateau邊界和交匯點共同形成的網狀結構內的流動過程稱為泡沫排液[7]。泡沫排液可分為兩個階段：第一階段為排液初期，液膜較厚，排液主要是重力作用所致，排液速度較快；另一階段是在毛細管力作用下的排液過程，范德華力和靜電排斥力起決定作用。氣體擴散則是由于泡沫內氣泡大小不一，曲率半徑不同所致，根據Laplace公式可知，曲率半徑越大氣泡內壓力越小，小氣泡內壓力大于大氣泡內壓力，于是小氣泡內氣體向大氣泡內擴散。分離器中原油泡沫在破滅過程中，前期以排液為主，后期排液速率下降，氣體擴散占主導地位。

泡沫穩定是由于自身性質的改變或是表面活性劑等外界添加物的影響而使泡沫衰變過程減緩或停滯。泡沫是熱力學不穩定體系，純液體一般不會產生穩定泡沫[8]。有學者認為形成穩定泡沫必須滿足三個條件[9]：①溶質必須具有表面活性；②泡沫的液體薄膜必須具有低的表面自由能；③泡沫的液體薄膜必須具有良好的彈性。在原油泡沫中，瀝青質、蠟晶、固體顆粒、聚合物、表面活性添加劑等都可改變泡沫表面自由能、表面張力等性質，增加泡沫穩定性。

2 原油組分對泡沫穩定性的影響

2.1 膠質、瀝青質對泡沫穩定性的影響

膠質、瀝青質是原油中相對分子質量較高的表面活性劑。一般認為，石油中的膠質、瀝青質分子是以多個芳香環組成的稠合芳香環系為核心，周圍連接若干個環烷環或芳香環，環烷環上帶有長度不一的正構或異構烷基側鏈的大分子，分子中還雜有各種含S、N、O的官能團，同時會絡合Ni、V、Fe等金屬。這些環結構、官能團、雜原子等以不同的形式影響著膠質、瀝青質結構性質或狀態，從而影響泡沫穩定性。

瀝青質碳質量分數約為50%，是具有最低H/C比（氫碳比）的油組分，擁有酸性和堿性官能團，在不同pH值溶液中電離程度不同[10-12]，這些性質從不同層面影響著原油黏度、表面張力等性質，從而改變泡沫穩定性。瀝青質含量的增加提高了原油的黏度，減緩泡沫排液速率，延長泡沫破滅時間[13-14]。吸附在液膜表面的瀝青質，可降低液膜表面張力，減緩泡沫的合并，與液膜形成高強度三維網狀膜，增強了泡沫膜強度與韌性，從而穩定泡沫[15-16]。瀝青質中的活性組分相對分子質量越大，分子結構中芳香環結構越多，其形成的界面膜強度越大[17]。含有較多酸性官能團的瀝青質，其形成泡沫膜穩定時間明顯增加[18]。在高壓實驗條件下，瀝青質相對于其他原油組分能夠更好地穩定油膜。但有學者認為泡沫穩定特性與瀝青質含量相關：瀝青質有很高的表面活性，當其分散或溶解在模擬油中時會強化泡沫的穩定性，但當瀝青質濃度超過最大溶解度時，分子相互聚集程度增加，產生絮凝沉淀，泡沫穩定性反而減小[19]。也有學者認為瀝青質對泡沫穩定性無影響，不同瀝青質含量的油表現出相似的泡沫油現象[20]。

膠質的相對分子質量小于瀝青質。一般認為，膠質對泡沫性質的影響主要是通過與瀝青質相互作用，改變瀝青質性質，從而影響泡沫特性。瀝青質在溶液中濃度增大時會有一定的聚集，瀝青質聚集度取決于溶液芳香度和膠質/瀝青質的比值。聚集度到達一定閾值后對泡沫的穩定性影響減弱，而膠質可以減小瀝青質聚集的尺寸，增加瀝青質的溶解度，進而穩定泡沫。另一種解釋是膠質包裹在瀝青質的周圍，減小瀝青質聚集沉淀的概率，增加瀝青質溶解性[21]。但也有人發現，當瀝青質質量分數在10%范圍內變化時，泡沫穩定性變化不大，此時膠質含量的增加會降低泡沫界面剛性，從而降低泡沫穩定性和乳液穩定性[19]。

2.2 蠟質等固體顆粒對泡沫穩定性的影響

原油中的蠟以液態蠟或固態蠟晶存在。蠟對泡沫特性的影響一般是指蠟晶，多數研究將蠟晶對泡沫的作用視為固體顆粒對泡沫穩定性的影響[22]。一定條件下，固體顆粒可以增加液體黏度，減緩泡沫排液。有研究發現，固體顆粒對泡沫特性的影響存在閾值，納米SiO2顆粒質量分數在0.7%以下產生的泡沫穩定性是有限的，質量分數大于0.7%后，泡沫穩定性顯著增加[23]。泡沫特性與顆粒結構關系密切，通過低溫掃描電鏡觀察到層狀結構的小顆粒穩定泡沫效果顯著[24]。在原油中，析出的蠟晶結構、形狀和大小不盡相同，因此對泡沫特性的影響不可預測。

針對蠟晶對泡沫特性的直接影響，有專家認為，原油中蠟含量決定了原油的流變性能，石蠟晶體的存在會干擾表面流變特性，從而影響發泡特性[25]。有研究發現，原油中蠟晶與瀝青質可相互作用[26]：在瀝青質質量分數為0.2%條件下，瀝青質表現出抑制蠟分子析出的性質，延緩膠凝過程；瀝青質通過進入蠟晶三維網狀結構中，成為其中的“脆弱點”，弱化膠凝網狀結構，降低蠟晶包裹液態油的能力，使得蠟晶顆粒由針狀轉變為橢球狀；而在降壓原油中蠟絮凝可導致瀝青質不穩定[27]。由此可推測原油組分對泡沫特性的影響復雜多變。

3 原油泡沫評價方法

3.1 原油發泡方法

目前，針對分離器條件下原油泡沫特性進行研究時，實驗產生泡沫的方法主要有攪拌法、注氣法和降壓法等。

攪拌法是相對傳統的方法，直接利用攪拌器將氣液混合產生泡沫，該方法操作簡單，在測量黏稠或超稠液體發泡性能方面具有不可替代的作用。但攪拌法屬于強制起泡，所測實驗數據不能夠真實反應現場狀態。

注氣法（氣流法）是研究泡沫最常見的方法。將氣體以一定速率通過玻璃砂濾板等多孔介質，介質上面有一定量的測試溶液，氣體通過多孔介質分散后與溶液均勻混合形成泡沫[28]。產生的泡沫與多孔介質孔隙度、氣體流速等有直接的關系，泡沫破滅速率也與氣體速率、容器大小等有關[29]。利用注氣法研究泡沫特性的技術已相當成熟，但注氣產生的泡沫并不能很好地模擬分離器條件下的泡沫特性，壓力的擾動對泡沫特性的影響不可忽略。

降壓法則是在高壓下將氣體溶解在待發泡液體中，通過壓降析出氣體產生泡沫，這是研究地層泡沫以及集輸分離泡沫時與實際工況較吻合的方法[30-31]。不足的是這些方法壓降末端均為大氣壓，而實際分離器壓力要高于此，末端壓力對泡沫特性是否存在影響，有待進一步認證。后續研究可從改進實驗方法、獲取有效數據等方面入手，提高實驗的準確性及指導性。

3.2 原油泡沫觀測方法

隨著科學技術的發展，越來越多的高精尖儀器設備應用到原油、泡沫等基礎研究中[32-35]。除了宏觀發泡實驗，可借助現代儀器觀測泡沫微觀結構特征。泡沫界面微觀形貌的研究是在近代微觀電鏡出現后發展起來的，主要研究界面膜上不同結構的微觀形貌對泡沫體系物理化學性質的影響。已有研究表明，氣泡界面膜微區形貌的形成是由于Laplace附加壓力的壓縮驅動或多個作用機理如相分離、屈曲演變等復合作用的結果[36]。BINKS[37]在對不同類型的氟乙烯顆粒對泡沫穩定性影響的研究中，利用冷凍刻蝕掃描電鏡觀察泡沫結構，發現大的形狀不規則的顆粒鑲嵌在泡沫表面，而小的球形顆粒則在液膜表面形成單層可視結構，層狀大顆粒的面積較大面貼合于泡沫膜，可直觀發現各形狀結構對泡沫的影響。

4 結論

綜上所述，原油泡沫穩定特性與原油成分密切相關。膠質、瀝青質對泡沫穩定性影響復雜，針對膠質、瀝青質的研究，不同的實驗條件、原油特性、膠質、瀝青質結構等都會對實驗結果產生影響，而且，蠟晶與瀝青質的相互作用使得研究泡沫特性更加艱難。現有研究泡沫特性的方法以注氣法為主，不能夠很好地模擬現場工況，近些年利用降壓法研究泡沫的學者日益增多，但還是需要改進實驗方案，增加實驗的可靠性。隨著現代科學儀器的發展，高精尖儀器越來越多的應用到石油行業中，為原油泡沫特性的研究方向、研究方法、研究深度擴展了新的思路。今后的研究可基于現代化的儀器設備，從微觀角度觀察膠質、瀝青質和蠟等結構形態，以及這些物質在液膜表面形成的特殊穩定結構，并結合宏觀發泡特性，外加理論分析，多層次多方向研究各物質對泡沫穩定性的影響。除膠質、瀝青質和蠟之外，影響原油泡沫特性的因素還有很多，如無法預測的外界因素、油品的性質、組成因素等，針對原油泡沫特性的研究任重而道遠。