泡沫封堵性能与界面性质关系研究

王壮壮, 李兆敏, 李松岩



泡沫封堵性能与界面性质关系研究

王壮壮, 李兆敏, 李松岩

(中国石油大学(华东) 石油工程学院, 山东 青岛266580)

为了进一步揭示影响泡沫封堵性能的根本原因，首先通过泡沫驱替实验研究了温度对泡沫封堵性能的影响，然后利用界面流变仪分析了界面参数随温度的变化，在此基础上，建立起泡沫封堵性能与界面性质之间的联系，考察界面性质对泡沫封堵性能的影响。结果表明：当温度由20℃ 升高到80℃ 时，泡沫封堵能力先增后减，40℃ 时达到最大，80℃ 时阻力因子减小80% 以上，有效倍数降低至40℃ 时的六分之一。相同温度变化范围内，平衡界面张力先减后增，40℃ 时界面张力最小为28.6 mN×m-1，而扩张模量和界面弹性模量先增后减，界面黏性模量则逐渐减小，40℃ 时工作频率0.1 Hz对应的最大扩张模量、界面弹性模量和界面黏性模量分别为9.24、8.74、2.97 mN×m-1。界面流变性表征了泡沫液膜性质，封堵性能好的泡沫应同时具有一定的高黏度和良好的弹性，界面弹性模量和界面黏性模量共同影响泡沫封堵性能；界面张力与泡沫封堵性能呈负相关关系，界面张力越小，越有利于泡沫再生，并对应越大界面模量，因而泡沫封堵性能越好。

泡沫；封堵性能；界面性质；扩张模量；界面弹性模量；界面黏性模量

1 前 言

泡沫流体具有摩擦阻力低、密度可调、表观黏度高、“堵大不堵小”、“遇水稳定，遇油消泡”等特点，在油田生产作业中得到广泛应用，特别是在调剖堵水和控制气体流度等方面，泡沫封堵性能显著[1,2]。然而，泡沫作为热力学不稳定体系，封堵性能受温度影响很大，高温导致泡沫封堵能力下降，制约泡沫在高温地层和热采井中的应用。前人围绕泡沫封堵作用已开展了大量工作，对泡沫封堵性能的影响因素和变化规律进行了深入研究，但一直未能从本质上解释各因素的影响机理，尚未揭示影响泡沫封堵性能的内在原因[3~7]。近年来，随着界面流变学的发展，界面张力、流变性等界面性质对泡沫静态和动态性能的影响日益得到重视。界面性质反映外力作用下界面膜上流动和形变等动态特征，揭示了界面膜的黏弹特性，界面特性必然对泡沫宏观性能产生一定影响[8~10]。因此，为了进一步研究温度对泡沫封堵性能的影响，揭示泡沫封堵性能的影响机制，有必要开展泡沫封堵性能与界面性质的关系研究。

本文以泡沫驱替实验为基础，研究温度对泡沫封堵性能的影响，通过测量不同温度下界面张力和扩张黏弹模量，建立泡沫封堵性能与界面性质之间的联系，从而进一步分析界面性质对泡沫封堵性能的影响规律，揭示影响泡沫封堵性能的内在原因。

2 实验部分

2.1 实验材料

实验所用起泡剂为耐温型起泡剂HY-GW，由多种非离子型表面活性剂与两性表面活性剂复配而成，主要成分是天然非离子型表面活性剂茶皂素，杭州青田中野公司生产；实验用水为蒸馏水，起泡剂溶液有效浓度为0.5%。气体为氮气，纯度为99.9%，青岛天源公司生产。多孔介质岩心采用精制石英砂填制而成，孔隙度为35%，气测渗透率为1000×10-3μm2。

2.2 实验方法

2.2.1 泡沫驱替实验

泡沫驱替实验装置主要由填砂模型、泡沫注入系统、温度控制系统、压力测量系统、采出液收集系统等组成，填砂模型选用型号为25×600 mm的填砂管，其上均匀分布4个测压点，填砂模型被分为三段：入口段、中间段和出口段。实验装置流程图如图1。

实验步骤为：(1)准备岩心。按要求填制岩心，抽真空、饱和水，计算孔隙度，测量其渗透率；(2)按流程连接实验设备并调试；(3)待设定温度稳定后，先以恒定速度水驱至压力稳定，然后保持相同驱替速度进行气液比为1:1的泡沫驱，驱替过程中记录各点压力；(4)驱替结束后，改变温度，重复步骤(1)~(3)。

2.2.2 泡沫界面性质测量

当形成气-液界面后，表面活性剂分子在界面上吸附并达到动态平衡，降低界面张力，有利于界面稳定。当界面受到外力扰动时，由于表面活性剂的存在，界面张力发生局部变化，使界面和体相间发生表面活性剂分子迁移、交换等弛豫过程，从而产生了界面弹性和黏性响应[10,11]。界面扩张模量(mN×m-1)定义为表面张力与界面面积相对变化的比值：

式中，为界面张力；为界面面积。

如果界面受到的扰动为正弦周期振荡时，扩张模量可表示为：

界面性质测量采用法国Teclis公司生产的全自动界面流变仪，当测量范围大于5 mN×m-1时，精度可达0.001 mN×m-1。测量步骤为：(1)向样品池中倒入起泡剂溶液，将吸入气体的注射器安装固定，调整各部分位置使形成清晰的测量图像；(2)待设定温度稳定后，开动马达，通过注射器向溶液中鼓气泡；(3)首先测量气泡的界面张力，待界面张力基本稳定后，添加不同频率的正弦振荡，测量界面模量；(5)调整温度，重复步骤(1)~(4)。

3 结果与讨论

3.1 泡沫封堵性能

一直以来，评价泡沫封堵性能的指标常用阻力因子表示[3]，

式中，Dfoam为泡沫驱时驱替压差，Dwater为水驱时驱替压差。

由于泡沫属于热力学不稳定体系，渗流过程中气泡并不是连续运移的，而是不断地破裂和再生，因此封堵范围和封堵位置也是衡量泡沫封堵性能的重要参数。虽然阻力因子表示了泡沫封堵作用的整体强弱，但不能很好的反映泡沫在岩心深部的封堵效果，因而提出了一个新的表征泡沫封堵范围的指标¾有效倍数，

式中，Doutlet为泡沫驱时出口段上压差，Dinlet为泡沫驱时入口段上压差。

通过处理水驱和泡沫驱时的压力数据，得到填砂模型上总阻力因子和各段上的阻力因子，并通过对比泡沫驱时入口段和出口段上的压差，计算得到有效倍数，实验结果见图2。

从图2可以看出，随着温度升高，阻力因子和有效倍数都是先增大后大幅减小，40℃ 时封堵性能最优，说明低温下适当升温，泡沫封堵性能变好，但温度过高则不利于泡沫封堵。同时，填砂模型上阻力因子分布表明，入口段泡沫封堵强度随温度变化不大，温度主要影响泡沫在岩心深部的封堵强度。高温下泡沫深部封堵强度大幅降低，导致封堵范围减小，这是高温泡沫封堵性能下降的主要原因。

3.2 泡沫界面性质

形成气-液界面后，界面张力迅速降低，逐渐趋于平衡，取7 min后的表面张力随时间变化关系作图3。

由图3看出，7 min后界面张力基本不再变化，说明此时已达到平衡，平衡值依次为30.4、28.6、31.9、33.0 mN×m-1。随温度升高，平衡界面张力先减后增，40℃ 时气-液界面张力最小。这是因为温度升高，液体的饱和蒸汽压增大，气相中分子密度增加，气相分子对表面分子吸引力增大，同时液体分子间距增大，分子间作用力减弱，对界面上表面活性剂分子的吸引力减小，两种效应均使得界面张力降低；但由于起泡剂主要成份为非离子表面活性剂，通过与水形成氢键而溶于水，当温度过高时，氢键断裂，溶解度降低，气液界面上表面活性剂吸附量减少，界面张力增大[6,11,12]。两种作用共同影响，导致界面张力随温度先减后增，在40℃时出现极小值。

界面模量随振荡频率的规律性变化能够反映泡沫液膜的流变性质。图4中各温度下界面扩张模量对振荡频率的双对数曲线基本呈线性关系，并且斜率都小于0.5，这说明界面上发生的弛豫过程均以扩散弛豫为主，其特征频率大于振荡频率。界面扩张模量随振荡频率增大而增大，随温度升高先增后减，40℃时界面扩张模量最大。这是因为振荡频率的增大使以扩散交换为主的弛豫过程作用时间缩短，界面上产生的界面张力梯度增大，扩张模量增加[11,14]。温度从多个方面影响界面模量，一是通过影响界面张力来影响扩张模量，界面张力越小，振荡产生的界面张力梯度就越大，扩张模量就越大；二是影响分子热运动，温度升高使滑障的扩张压缩速度小于表面活性剂分子的扩散速度，起到减小界面张力梯度的作用；三是影响表面活性分子在气液界面上的排布构象，高温下表面活性剂的尾链卷曲程度增强，界面强度增加，但同时亲水头基随温度升高而分布不均匀，使界面膜强度下降[13~19]。上述多种因素的竞争作用，导致界面模量极大值的出现。

由于表面活性剂分子在界面上的吸附使液膜具有黏弹性，因而扩张模量包括弹性部分和黏性部分。界面弹性模量也称作储能模量，与界面上分子间的相互作用密切相关；界面黏性模量又为损耗模量，与表面活性剂分子扩散交换等弛豫过程有关。结合图4和图5发现，界面弹性模量与扩张模量大小相近，变化规律一致。这是因为扩散弛豫过程作用时间很短，界面黏性模量贡献较小，少量能量耗散出去，而大部分被储存在体系中，所以扩张模量以界面弹性模量为主，界面弹性模量变化规律与扩张模量保持一致[11]。

由图6可以看到，低温时界面黏性模量随振荡频率增大而增大，而80℃ 时界面黏性模量基本不随频率变化。前面分析已知，振荡频率越大，扩张模量就越大，但扩张模量中黏性部分比例减小，只要扩张模量增大程度大于黏性比例减小程度，界面黏性模量就随频率增大而增大。界面黏性模量随温度升高而减小，这是由于温度升高，表面活性剂分子在界面上吸附量减少，水化作用减弱，同时分子热运动加剧，表面活性剂分子由界面向体相中扩散的阻力减小，这些作用共同导致界面黏性模量随温度升高而减小[14,16]。

3.3 泡沫封堵性能影响因素分析

3.3.1 界面张力影响

由于泡沫属于热力学不稳定体系，根据Gibbs原理，体系总是趋于能量最低，所以低界面张力对泡沫形成有利，但不能保证较好的泡沫稳定性。研究表明，界面张力不是泡沫稳定性的决定因素。当界面张力满足一定值之后，界面张力变化对泡沫稳定性影响不大，而此时决定泡沫稳定性的主要因素是界面膜强度[6,14]。泡沫封堵性能与界面张力的关系如图7所示，随温度升高，界面张力先减后增，而泡沫封堵能力恰好先增后减，两者具有较好的负相关关系，说明界面张力能够在一定程度上反映泡沫封堵性能。

3.3.2 界面流变性影响

泡沫封堵性能实质上是渗流过程中气泡所承受的剪切作用的宏观表现[5]，而气泡所能承受的最大剪切作用力与液膜强度、弹性和黏度等界面性质密切相关[11,13,20]。界面弹性模量表征了液膜表面弹性，界面弹性模量越大，表面弹性越好，液膜受外力变形后恢复原状的能力越强；界面黏性模量表征液膜表面黏度，界面黏性模量越大，表面黏度就越大，液膜强度越强，越不容易受外界扰动而破裂[11,16]。因此，建立泡沫封堵性能与界面性质之间的联系，对分析封堵性能影响机制很有必要。

图7和图8分别表示阻力因子和有效指数与界面模量的对应关系，可以看到，随温度升高，阻力因子、有效指数与扩张模量、界面弹性模量变化规律一致，这说明温度对泡沫封堵性能的影响与扩张模量的变化有关，温度通过影响界面扩张模量来影响泡沫封堵性能。由于扩张模量中界面弹性模量占主导，因而泡沫封堵性能主要受界面弹性模量影响。同时，还发现20℃和60℃ 时界面弹性模量和扩张模量基本相等，但阻力因子和有效倍数却差别很大，可见泡沫封堵性能不仅仅由界面弹性模量决定。对比两个温度下的界面性质发现，20℃ 时界面黏性模量较大，而60℃ 时界面黏性模量大幅降低，说明界面黏性模量对泡沫封堵性能也有一定影响，如果界面黏性模量很小，液膜强度较差，即使界面弹性模量很大也难以形成良好封堵。

3.3.3 泡沫静态性质影响

综上所述，尽管泡沫封堵性能影响因素很多，但根本上由界面性质决定。泡沫封堵作用取决于泡沫所能承受最大剪切应力和起封堵作用的气泡数量，界面流变性反映液膜受力变形并恢复原状和抵抗外力扰动的能力，界面张力通过影响泡沫再生能力而影响气泡数量。封堵性能好的泡沫应同时具有一定的高黏度和良好的弹性，界面弹性模量和界面黏性模量共同影响泡沫封堵性能。较高的界面黏性模量是泡沫封堵的基础，液膜只有具备一定的机械强度，泡沫才能承受外力扰动而不破裂，所以界面黏性模量应满足一定最小值；界面弹性模量决定了液膜受外力变形后恢复原状的能力，当液膜具备一定强度后，界面弹性模量越大，液膜抵抗变形并恢复原状的能力就越强，泡沫所能承受的剪切作用就越大，因而泡沫封堵性能随界面弹性模量的增大而增强。界面张力越小，越容易生成气泡，并且对应越大的界面模量，因而与泡沫封堵性能有一定负相关关系。

4 结 论

(1) 温度由20℃升高至80℃，以非离子型表面活性剂茶皂素为主要成分的HY-GW起泡剂的泡沫封堵能力先增后减，在40℃最佳，80℃ 时阻力因子降低超过80%，有效倍数低至不足40℃的六分之一。温度主要影响了泡沫的深部封堵能力，80℃时出口段上泡沫封堵强度不足40℃ 时的10%。

(2) 温度由20℃升高至80℃，界面张力先减后增，40℃界面张力最小可达28.6 mN×m-1。随温度升高，界面上表面活性剂分子受气相分子吸引力增加，受液相分子吸引力减小，同时吸附量因非离子表面活性剂溶解度降低而减少，多种竞争作用共同导致界面张力先减小后增大。

(3) 随振荡频率增加，界面上产生的界面张力梯度增大，界面模量都增大。相同温度变化范围内，扩张模量和界面弹性模量先增大后减小，而界面黏性模量一直减小，40℃ 时工作频率0.1 Hz所对应的最大扩张模量、最大界面弹性模量和界面黏性模量分别为9.24、8.74和2.97 mN×m-1。这是由温度对界面张力、水化作用和分子热运动的影响共同决定的。

(4) 界面流变性从液膜强度的角度影响泡沫封堵性能，封堵性能好的泡沫应同时具有一定的高黏度和良好的弹性，因而受到界面弹性模量和界面黏性模量共同影响；界面张力通过影响泡沫再生来影响气泡数量，并且界面张力越小，对应的界面模量越大，气泡数量越多，因而与泡沫封堵能力有一定负相关关系。

符号说明：

改革开放40年来，云南省经济社会发展取得了举世瞩目的伟大成就，特别是党的十八届三中全会以来，各项经济指标显著增长：地区生产总值年均增长9．4%，财政收入年均增长7．1%，固定资产投资年均增长20．2%，城乡居民人均可支配收入年均分别增长8．8%和10．7%，社会消费品零售总额年均增长12．3%；全省经济总量在全国位次5年前进4位，2017年位居全国20位。

A¾ 界面面积，m2△Pinlet¾ 泡沫驱时入口段上压差，MPa E¾ 扩张模量，mN×m-1△Poutlet¾ 泡沫驱时出口段上压差，MPa ¾ 界面弹性模量，mN×m-1Y¾ 有效倍数 ¾ 界面黏性模量，mN×m-1Z¾ 阻力因子 DPfoam¾ 泡沫驱时驱替压差，MPaγ¾ 界面张力，mN×m-1 DPwater¾ 水驱时驱替压差，MPaq¾ 相角

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Investigation of Relationship between Foam Blocking Performance and Interfacial Property

WANG Zhuang-zhuang, LI Zhao-min, LI Song-yan

(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

In order to further reveal the fundamental cause affecting foam blocking performance, firstly the effect of temperature on foam blocking performance was analyzed through the foam displacement experiments, and then interfacial parameters were measured using interfacial rheometer. On this basis, the connection between the foam blocking performance and interfacial properties was established. The results show that with increasing temperature from 20 to 80℃, foam blocking ability firstly increases and then decreases, and reaches the biggest at 40℃. At 80℃ resistance factor reduces more than 80% and effective multiple lowers to one-sixth of that of 40℃. Under the same temperature range, equilibrium interfacial tension increases at first and then decreases, and reaches its minimum of 28.6 mN×m-1at 40℃. Dilatational modulus and interfacial elastic modulus firstly increase and then decrease with the increase of temperature, while interfacial viscous modulus decreases gradually. With oscillation frequency being 0.1 Hz, the maximum dilatational modulus and interfacial elastic modulus at 40℃ are 9.24 and 8.74 mN×m-1, while interfacial viscous modulus is 2.97 mN×m-1. Interfacial rheological property characterizes film strength. Foam with high blocking capacity should be the foam with high surface viscosity and good flexibility. Interfacial elastic modulus and viscous modulus affect foam blocking performance together. Interfacial tension is negatively related with foam blocking performance. The smaller the interfacial tension, the more favorable foam recycling, and the greater corresponding interfacial modulus, thus the better the foam block performance.

foam; blocking performance; interfacial property;; interfacial elastic modulus; interfacial viscous modulus

1003-9015(2016)01-0216-07

TE357.4

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2016.01.032

2015-01-09；

2015-05-05。

国家自然科学基金 (51274228)；教育部博士点基金 (20120133110008)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(24720142043)。

王壮壮(1989-)，男，山东东营人，中国石油大学(华东)博士生。通讯联系人：李兆敏，E-mail：lizhm@163.com