泡沫調驅體系研究進展*

姚 雪，孫 寧，呂亞慧，趙 光，戴彩麗

（中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580）

關鍵字：泡沫驅；穩定性機理；滲流規律；綜述

目前注水開發油田進入高含水期，面臨地層非均質嚴重、剩余油分布復雜等問題，給油田開發帶來了很大困難。泡沫調驅技術是一種有效提高采收率的方法。泡沫通過非均質地層時，會優先進入高滲透層進行封堵，通過疊加的賈敏效應，有效改善地層非均質性，提高波及效率。同時，泡沫的分散介質為表面活性劑溶液，因此也具有較好的驅油能力。泡沫因其來源廣、成本低、經濟環保，以及選擇性的封堵能力等，在油田開發中具有較大優勢。

目前，對泡沫調驅體系的研究重點主要集中在兩個方面：一是提高泡沫體系的穩定性以及穩定性機理的揭示；二是泡沫在油藏中的滲流規律。本文綜述了泡沫調驅體系的分類、泡沫穩定性機理及在地層中的滲流規律等研究進展，指出泡沫調驅體系的研究方向。

1 泡沫調驅體系分類

目前，油田上常用的泡沫調驅體系主要有常規液相泡沫、聚合物強化泡沫、凍膠強化泡沫和顆粒強化泡沫。

1.1 常規液相泡沫

常規液相泡沫是由氣體、水、起泡劑構成的單一液相體系。根據組成泡沫的氣體成分的不同，又可以分為氮氣泡沫、CO2泡沫、空氣泡沫以及煙道氣泡沫［1］。氮氣因具有氣源廣、價格較低廉、無腐蝕且工藝簡單等優點，是最常用的泡沫體系的氣源［2］。CO2處于超臨界狀態時，其性質會發生變化，密度近于液體，黏度近于氣體，擴散系數為液體的100倍，具有較強的溶解能力。但由于成本高且易產生腐蝕問題，在油田較少作為泡沫調驅體系的氣源［3］。空氣中含有大量的氧氣，存在爆炸等安全隱患，天然氣泡沫存在成本和安全問題，煙道氣泡沫存在腐蝕等問題，油田現場也較少應用這幾種泡沫［4］。

常規液相泡沫體系的起泡性和穩定性主要由選用的起泡劑性能決定。目前，油田選用較多的起泡劑為陰離子型、非離子型及兩性表面活性劑。泡沫是熱力學不穩定體系，在油藏高溫及原油存在的條件下，泡沫極易破滅，封堵和驅油能力較弱，封堵強度有限，封堵有效期較短，礦場調驅的效果不理想［5］。據此，研究者們研發了多種較穩定的強化泡沫體系，耐高溫泡沫體系的研發仍是泡沫調驅體系的研究重心。

1.2 聚合物強化泡沫

在常規液相泡沫中加入聚合物得到聚合物強化泡沫。聚合物強化泡沫因其液相的非牛頓性，可以有效增加泡沫的黏度，減緩泡沫排液速率，降低了氣體擴散速度，從而提高泡沫的穩定性，驅油效果增強［6-7］。然而，聚合物的加入會降低泡沫的起泡體積，且受地層滲流剪切、理化性質影響，聚合物黏度損失大，在油藏環境中穩定性有所降低［8］。聚合物微棒體穩定泡沫體系［9］的研發，很好地緩解了地層滲流剪切的問題。

1.3 凍膠強化泡沫

凍膠易在氣泡表面形成吸附膜，將泡沫包裹在內部，增強了氣液界面的黏度，使得泡沫不容易發生聚并破裂［10］。凍膠強化泡沫同時具有凍膠和泡沫調驅的特點，即凍膠黏彈性更好，具有更好的黏彈性洗油效率，并且凍膠泡沫比普通泡沫在地層中的穩定性增強，封堵強度較高［11］。但高強度的剛性凍膠，因為其強度過大，使成膠后的泡沫不易流動，儲層被完全封死。后期研究者提出了可動凍膠泡沫調驅體系，取得較好的調驅效果［12］。

1.4 顆粒強化泡沫

用于強化泡沫的顆粒包括黏土顆粒［13］、鋰皂石［14］、納米顆粒、膠體顆粒［15］、凍膠分散體等。其中，納米顆粒三相泡沫的半衰期為相應液相泡沫的12.5數31.7倍，地面條件下穩定性較高［16］。但無機顆粒強化泡沫僅靠顆粒與表面活性劑的吸附實現泡沫穩定，易團聚，高溫高鹽的條件較易改變無機顆粒表面性質，潤濕性改變造成顆粒脫附，穩定性變差。當顆粒的質量分數高于2.0%時，會對多孔介質產生較大的傷害［17］。從經濟環保等多方面因素考慮，納米顆粒強化泡沫在礦場應用較少。2012年，研發了具有黏彈性的凍膠分散體顆粒，該顆粒自身具有較好的調堵能力［18-20］。將凍膠分散體顆粒加入泡沫中得到的凍膠分散體三相泡沫體系具有較好的耐溫耐鹽性，大幅度地提高泡沫穩定性［21-22］。凍膠分散體三相泡沫調驅體系具有良好的應用前景。

2 強化泡沫穩定性機理

強化泡沫的方式主要有凍膠強化泡沫和聚合物強化泡沫兩種，是利用聚合物或凍膠本身的黏彈性增加泡沫液相黏度，提高泡沫穩定性；顆粒強化泡沫是利用顆粒在液相或界面上的作用，提高泡沫穩定性。

2.1 增加液相及界面黏度機理

在泡沫氣液相接處的邊界即Plateau邊界處，根據Laplace方程［23］，液體會自發的從壓力高處向壓力低處排開，使得液膜逐漸變薄最終聚并。當體系中加入聚合物后，由于聚合物具有一定的絮狀和網狀結構，液相黏度會有所增加，泡沫內液體能較穩定地得到保持，液膜排液速度變慢，減緩氣泡的聚并，提高泡沫穩定性［23］。此外，當調驅泡沫體系采用疏水締合聚合物［24］時，該聚合物的疏水基團會增強分子間的疏水作用，大分子聚合物線團物理交聯點較多，從而大幅提升了分子間疏水締合作用，宏觀上表現為體系黏度上升，泡沫黏度得以大幅度增強。

由Laplace方程可知，由于氣體能透過液膜，小氣泡內的壓力高于大氣泡，使小氣泡內氣體逐漸擴散至大氣泡中，最終小氣泡消失。當體系中加入聚合物時，由于聚合物具有黏彈性，使液膜黏彈性增大，此時液膜間的分子排列更為緊密，氣體透過液膜難度增大，穩定性增強［25］。此外，由于聚合物的存在，表面膜黏彈性增強，體系的Marangoni效應增強［25］，從而液膜的自我修復能力增強，泡沫穩定性提高。

2.2 顆粒吸附作用機理

顆粒在泡沫中的狀態有兩種：（1）分布在液相中；（2）吸附在氣液界面。分散在液相的顆粒會形成空間網絡結構，使氣泡間接觸受阻，減緩氣體擴散和液膜聚并使泡沫穩定。吸附在氣液界面上的顆粒穩定機制較為復雜，通過顆粒與界面及顆粒與顆粒間的相互作用研究其提高泡沫穩定性機理［26-28］。

2.2.1 顆粒與界面作用

（1）顆粒脫附能

顆粒脫附能是關系到顆粒有效穩定泡沫的重要因素。由于顆粒的空間勢壘作用，顆粒的脫附能越大，破壞泡沫結構產生聚并需要的能量越大。球形顆粒移動到氣液界面（圖1），具有平衡浸沒深度和接觸角θ，氣液界面張力為γAW，脫附能⊿G的計算式［29］見式（1）。

θ為90°時，脫附能相當大，對于10 nm的顆粒脫附能達到103kT的量級，但隨著顆粒接觸角的減小或增加，能量下降得相當快。當θ＜30°或θ＞150°時，接觸能量基本上可以忽略不計，這類顆粒將不會產生穩定泡沫。另一個關于脫附能的重要結論認為：不像表面活性劑的吸附和解吸附的動態平衡狀態，顆粒具有不可逆吸附的特點，即顆粒一旦吸附在界面上，就不易脫附［30］。脫附能在決定整個系統穩定性關系時具有重要作用，但通常只做定性分析。由于顆粒的接觸角很難精確地確定，特別是納米級顆粒，給脫附能的定量計算造成較大的困難。

圖1 顆粒附著在氣液界面的示意圖［28］

（2）聚并的最大毛細壓力

Kaptay等［31-32］發現在泡沫系統中，最大穩定性的顆粒接觸角不是發生在90°，而是在60°數70°的區域。可以解釋這種行為的一種機制是顆粒對兩個氣泡之間的毛細管壓力的影響。兩個氣泡無限接近時所需的壓力稱為聚并的最大毛細壓力，或氣泡（p1）與液膜流體（p2）間的最大壓力梯度［33］。如圖2所示，在泡沫中加入半徑為R的顆粒，聚并的最大毛細壓力pcmax增大，使聚并過程受到抑制。顆粒附著時聚并的最大毛細壓力pcmax的計算見式（2），式中p為參數，受顆粒濃度和結構等的影響。顆粒半徑R與pcmax成反比，說明粒徑越小的顆粒提高泡沫穩定性能力越強。接觸角θ為90°時，pcmax值最小；而接觸角θ為0°時，pcmax值最大，這與脫附能理論的結論正好相反。因此，Kaptay綜合考慮了脫附能和毛細壓力計算穩定泡沫顆粒接觸角，最穩定的泡沫體系顆粒接觸角為70°，結果見圖3（ε表示界面處的顆粒和液膜均穩定的概率）。

圖2 顆粒附著時液膜聚并的最大毛細壓力示意圖［31］

圖3 不同顆粒接觸角下pcmax和ΔG對體系穩定的綜合影響［31］

2.2.2 顆粒間的相互作用

顆粒附著到氣液界面后，在液相會受到顆粒間的DLVO雙電層斥力作用，而范德華吸引力同時作用于液相和氣相［34］。顆粒間的相互作用力同時會影響氣泡間的聚并過程。

偶極-偶極斥力由Pieranski［35］首次提出，與DLVO雙電層斥力共同作用，見圖4。離子化的表面基團顆粒（如乳膠或二氧化硅）沉浸在水相中的部分易吸引較低濃度的溶解的反離子而帶電，造成電荷的不對稱分布，在氣相產生偶極。因此，疏水顆粒具有更大的偶極-偶極斥力［36-37］，能更好地增強泡沫穩定性。

圖4 界面上顆粒間的偶極-偶極斥力［28］

3 泡沫調驅體系的滲流規律

泡沫在多孔介質運移的過程中會經歷生成、堆積封堵、聚并破滅、再破裂生成的周期變化過程。泡沫調驅體系的破滅和再生性能決定了泡沫的運動穩定性，對泡沫調驅效果的影響重大。

3.1 泡沫的破裂生成機制

泡沫的生成受到多種因素的影響，起泡劑性能、起泡劑濃度、孔隙結構、氣液比、流速等。在不同條件下泡沫的形成機理也不同，早期泡沫的生成機理主要為液膜滯后、縮頸分離和薄膜分斷3種方式［38-39］。泡沫在多孔介質中的再生機理與生成機理類似，分析影響泡沫生成機理的因素，可以反映泡沫再生的規律。泡沫在多孔介質的運移過程中發生破滅之后變為氣液兩相流動，由于巖石顆粒的吸附作用以及地層水的稀釋作用，液相及起泡劑溶液的濃度降低，且溶液中含有原油導致起泡能力降低。故泡沫在多孔介質中破滅之后能否再生要受起泡劑濃度以及含油飽和度的影響［40］。

微觀可視化孔道模型［41-53］的發展使泡沫再生的研究有重大突破。眾多學者利用該裝置研究泡沫的生成和破滅機理，研究孔隙結構對泡沫流動性及穩定性的影響。其中，通過T型通道模型［42，47-49，54-55］研究氣泡或液滴的再生行為最具代表性，見圖5。Link等［56］最早對T型分岔處的液滴再生行為進行了研究。液滴在流經T型通道時會出現破裂和不破裂兩種行為，且破裂的臨界條件與液滴長度和運動速度有關。Fu等［55］研究了氣泡在對稱T型結構處的再生過程。他們觀察到了氣泡的破裂與不破裂兩大類行為，破裂行為又可分為完全阻塞破裂、部分阻塞破裂和無阻塞破裂3種，不破裂行為可分為分配和過濾兩種。Takeuchi等［57］最先在聚焦型微通道中考察了氣泡的生成過程。實驗過程中觀察到兩個不同的夾斷階段：緩慢塌陷階段和快速破裂階段。通過在不同深寬比的聚焦型微通道［45］中的氣泡夾斷過程研究發現，根據頸部寬度的變化規律將氣泡的夾斷過程分為兩個獨立階段：2維塌陷階段和3維破裂階段。此外，隨著研究的深入，其他模型也應運而生，如用VOF（Volume-of-fluid）法模擬研究圓形液滴在兩塊平行平板剪切作用下的慣性破裂［58］、氣泡流經障礙物的行為［59-60］、氣泡流經縮口的行為［61］等。

圖5 T型分岔處氣泡破裂過程［55］

泡沫的破裂再生過程十分復雜，針對氣泡在微孔道中的研究仍處于起步階段，研究人員對氣泡破裂的行為和機理的認識仍存在很多爭議。

3.2 泡沫的聚并破滅機制

氣泡間的聚并是影響流體流動和泡沫破滅的一個重要因素。聚并時間與氣泡或液滴的粒徑、連續相黏彈性、界面張力及表面活性劑擴散系數等眾多因素有關。兩個氣泡間發生聚并的一般過程為：氣泡加速、氣泡靠近且相互擠壓、液膜排液、液膜變薄、氣泡聚并［62］。目前，有關氣泡聚并過程的實驗研究報道較少。由于液滴和氣泡有許多相似性，因此，可以借鑒液滴的研究。液滴的聚并過程已有一定的研究基礎，主要包括：液滴變形、界面膜薄化和破裂等，其中界面膜是影響液滴聚并的主要因素，界面膜強度越大，液滴聚并的阻力越大，從而降低了聚并發生的可能性；而液滴的變形有利于界面膜的薄化和失穩，這有利于液滴間的聚并。在氣泡或液滴的聚并過程中，兩氣泡或液滴間的相互作用力有范德華力、靜電力、空間位阻及結構力等［63］。當氣泡或液滴相互碰撞時，由于上述力的相互作用，可能出現以下3種情形：（1）分子間斥力足夠大，氣泡或液滴彈回；（2）氣泡或液滴保持在一個較小的平衡距離內；（3）界面膜發生破裂，氣泡或液滴發生聚并。Eow等［64］認為液滴的聚并過程可分為3步：液滴相互靠近，被連續相膜分開；液膜變薄；液膜破滅，發生聚并。Rommel等［65］認為連續相中的表面活性劑在液滴表面的分布會嚴重影響液膜的變化速率。Kabalnov［66］發現，當邊界吸引力、范德華力和雙電層斥力達到平衡時，液膜達到了一個亞穩定狀態，此時若在外部施加干擾，如溫度波動、機械振動等，都有可能導致界面膜失穩，乃至發生破滅。

經典的氣泡聚并理論有液膜排開理論［67-69］、臨界接觸速度理論［70］和能量模型［71］等。排液模型［23］是液膜排開理論中的經典模型。該模型從氣泡接觸時間和液膜排液時間這兩個特征時間尺度確定聚并效率，描述黏度對氣泡聚并的影響。根據氣泡表面的剛性程度和接觸界面的滑移性不同，液膜排干存在多種形式［72］。根據氣泡表面的剛性程度，分為可變形氣泡和不可變形氣泡，見圖6。氣泡是不變形的剛性球這一假設僅適用于氣泡直徑很小的情況，通常d＜1.0 mm，而多數情況下要考慮氣泡變形。根據接觸界面的滑移性，可變形氣泡又分為無滑移界面、部分滑移界面、完全滑移界面3種情況，見圖7。對于無滑移界面（immobile interface），液膜排干由黏性力控制，氣泡界面中間的液體以層流的形式流出，速度分布呈拋物線形狀，液膜的排干流動和氣泡內部的環流沒有相互作用。當可變形氣泡存在滑移界面時，這種情況最為復雜也更接近實際情況，此時液膜排干過程由黏性力和慣性力共用控制。這些計算模型大都是基于潤滑理論，是由Navier-Stokes方程和連續性方程導出得到的液膜排干方程［73-76］。

氣泡聚并過程較為復雜。從兩氣泡相互碰撞、氣泡間的液膜排液到液膜最終破滅的過程，流體和界面的物理化學性質都起到了重要作用，仍有很多值得深入探討的問題。

圖6 根據氣泡表面的剛性程度劃分的排液模型［23］

圖7 根據接觸界面的滑移性劃分的排液模型［23］

4 泡沫調驅體系現場應用及其存在的問題

自20世紀70年代以來，我國逐漸利用泡沫驅技術實現對原油的三次開采，在大慶油田、勝利油田、遼河油田、新疆油田以及渤海油田等進行了大量的研究和現場試驗應用，有效改善了驅油效果。

1964年在玉門油田934井組開展了國內第一個泡沫驅試驗，1965年玉門老君廟油田也進行了泡沫驅現場試驗，但生產狀況均不理想。此后，進行了多次泡沫驅油試驗，驅油效果逐漸得到改善［77］。新疆克拉瑪依油田于1971年開始泡沫驅現場試驗，此后進行了長期的研究和探索，取得了較好的試驗效果［78］。1988年，針對遼河油田稠油油藏實際情況，研制了用于蒸汽驅稠油開采的耐高溫起泡劑，在吉林扶余油田、遼河油田、勝利油田的應用都取得明顯的效果［79］。1999年遼河油田錦90斷塊開展的泡沫輔助熱水非混相驅現場試驗取得較好的效果［80］。此后遼河黃沙坨油田主體部位開展了氮氣泡沫驅試驗，累增油3800 t，具有良好的增產效果［81］。1997年，大慶薩北油田進行了泡沫復合驅試驗［82］。泡沫復合驅體系由堿、表面活性劑、聚合物組成，注入氣體為天然氣。礦場試驗與室內實驗的效果相比還有很大差距，試驗中暴露出很多問題，尤其是泡沫復合體系的泡沫形成的時機及其穩定性、注采工藝技術、注入壓力的控制、乳化結垢等問題［83］。2003年，勝利油田采用數值模擬技術研究了原油黏度和地層韻律對氮氣泡沫驅油效率的影響，并選取4個區塊進行現場試驗［84］。2009年，在渤海油田層內生成CO2調驅技術首次實驗成功，其集地層解堵、稠油降黏、調驅等增產措施于一體，較好地解決了渤海部分油田近井地帶堵塞、注水困難、采收率低等問題［85］。此外，自適應弱凝膠輔助氮氣泡沫［86］、兩親聚合物強化泡沫［87］、聚驅后泡沫調驅體系［88］、凍膠泡沫［89］等泡沫體系在各油田陸續開展了現場試驗并取得較好效果。

截至目前，除了高溫泡沫體系在稠油蒸汽吞吐及蒸汽驅過程中作為流度控制劑已經工業化外，還沒有真正意義上的大規模泡沫調驅的推廣生產。泡沫調驅在現場應用上仍面臨很多問題［77，83，90］。（1）泡沫驅目前尚未建立起系統有效的油田適用標準。泡沫驅的注入工藝施工參數并未與油田的地層物性、流體性質、溫度壓力等因素進行有效的結合。（2）泡沫的穩定性差，施工后有效期短，傳播距離短。我國普遍采用的強化泡沫體系在一定程度上解決了該問題，但仍受油藏環境、經濟等因素制約。（3）采出液的后續處理和環境污染問題。關于泡沫體系和環境之間的相互作用、泡沫驅產出液后續處理技術的研究較少。強化泡沫采出液的乳化和殘余聚合物、顆粒等的處理工作，也是泡沫驅面臨的問題之一。（4）成本問題。表面活性劑的地層吸附、各類添加劑與穩定劑如納米顆粒等增加了油氣開發成本，現場應用存在很大困難，尤其在目前低油價的形勢下如何降本增效是一項重要的挑戰。

雖然泡沫調驅體系的現場應用目前還存在著許多的問題，但現場試驗效果證明了泡沫調驅的可行性，通過對泡沫穩定性等關鍵技術的深化研究和攻關，以及化學劑和注氣成本的降低，可以使之得以推廣和應用。

5 結論

氮氣是常規液相泡沫應用最普遍的氣源。常規泡沫穩定性較差，封堵強度有限，封堵有效期較短。強化泡沫目前主要有聚合物強化泡沫、凍膠強化泡沫和顆粒強化泡沫。泡沫調驅體系的應用仍受油藏環境限制，耐高溫泡沫體系的研發和泡沫穩定性機理的探究仍是泡沫調驅體系的主要發展方向。

強化泡沫穩定機理為：（1）加入凍膠、聚合物等高黏度物質，增加液相和界面黏度，通過液膜接觸的黏滯力抑制排液和氣體擴散，提高泡沫穩定性；（2）利用無機顆粒在界面上的不可逆吸附作用，增大液膜聚并的最大毛細壓力以及顆粒間的斥力作用等，提高泡沫穩定性。

微流道模型是一種有效的研究泡沫在地層中破滅和再生機制的方法。關于泡沫的破滅再生機制的研究還存在較多爭議，仍需進一步深入研究。

現場試驗效果證明了泡沫調驅的可行性和優越性，通過對關鍵技術的深化研究和攻關，實現泡沫調驅體系的應用與推廣。