原油发泡问题研究进展

周 恒， 邢晓凯， 国旭慧， 孙锐艳

(1.中国石油大学(北京) 油气管道输送安全国家工程实验室、城市油气输配技术北京市重点实验室，北京 102249； 2. 吉林石油集团石油工程有限责任公司，吉林 松原 138000)

泡沫是气体分散到连续液相或固相中的一种两相体系，在化工、食品等许多工业领域起重要作用。其中以水相泡沫研究最为完备，同时非水相泡沫在石油化工、涂料油漆等领域也有着广泛的应用。原油泡沫是一种典型的非水相泡沫，在油田生产上有广泛的应用，如油基泡沫钻井液技术等。原油泡沫起积极作用的同时，也会产生负面影响，例如延迟焦化工艺中泡沫层现象等[1]，其中以油田分离器的泡沫问题最为值得关注。

油井采出液中溶解有伴生气或气驱用气，在分离器中由于温度压力变化与扰动等影响，气体会从采出液中逸出，对于发泡性强的原油，可能会在分离器内形成稳定的泡沫层，其存在会占据分离器内大量空间，影响液位控制，造成气中带液现象，危害下游压缩机与气体处理设施，严重时还会发生冒罐事故[2]。因此，研究原油泡沫的生成稳定机理及影响因素对油田分离设备的高效运行有重要意义。

1 泡沫的基本性质

1.1 泡沫的生成与结构

在搅动、冲击或快速降压的情况下，液体会生成泡沫。纯液体生成的泡沫由于表面自由能的增加处于热力学不稳定状态，存在时间极短。加入表面活性剂后，溶液的表面张力降低，整个体系的表面能降低，有利于泡沫的生成，离子表面活性剂的静电排斥作用和Maragoni效应也有利于泡沫稳定。水相泡沫的研究表明，泡沫生成的决定性因素是表面活性物质在气体与溶液界面上的吸附[3]，由于氢键作用在气-水界面产生高表面张力(72 mN/m)，界面很容易吸附表面活性物质，因此很容易产生泡沫。原油等非水相液体表面张力小(15～30 mN/m)，吸附能力小，几乎没有碳氢化合物表面活性物质吸附[4]，因此原油发泡行为与水相泡沫有差异。

泡沫有两种结构。气相被很薄的液膜隔开，气泡基本呈多面体，液体体积分率小的泡沫称为多面体泡沫。当液体体积分率较高，气泡接近圆球形且之间有较厚的液膜时称为球状泡沫，也被称为“气体乳状液”。二者的力学特性不同，通常由于脱液作用，后者会向前者发生转变。

原油中均可以生成上述两种泡沫结构，后者的典型例子是稠油溶解气驱中的泡沫油[5]，这类油呈现出一种油相连续的泡沫状态，包含了大量的气泡，且气泡非常稳定，能在敞开的容器中保持十到十几个小时[6]。

1.2 泡沫稳定机理

泡沫是一个非平衡系统，表现为它的结构随时间发生演化，涉及三个机制：泡沫排液、液膜破裂和气体扩散[7]。

由于密度差，重力易将泡沫中的气液分开，球状泡沫中气泡升起而液体流下；多面体泡沫中气泡紧密排布，液体体积分率很小，但微量液体仍可以通过柏拉图通道形成的网络流下，同时由于毛细管力作用，液膜中的液体有向液膜交界处(柏拉图边界)流动的倾向，造成液膜变薄。假定气泡间不聚并，排液将一直发展下去，直到重力方向的静压力梯度与重力相平衡，该梯度由分离应力支撑。泡沫排液不仅取决于泡沫的成分，还取决于容器的大小和形状。

液膜破裂是相邻气泡间液膜的破裂造成气泡合并，在多面体泡沫中常见。液膜破裂很可能是热振动激发的一个过程，需要一个较大的在平衡厚度附近的振动，并且大于能量势垒。例如可采用机械激波加快液膜破裂，也可施加剪切力和添加化学剂来影响液膜破裂速率。

由Laplace方程可知：

(1)

式中，pi为气泡内部压力，Pa；pl为液体压力，Pa；σ为表面张力，N/m；r为气泡的半径，m。由于液体压力相同，小气泡内部压力大于大气泡内部压力，压差使小气泡内气体经液膜向大气泡内扩散，大气泡变大，液膜变薄，进而破裂，小气泡消失。液面上气泡中气体会透过液膜向气相扩散，造成泡沫衰变[8]。

上述三种机制互相关联，尽管已能清楚地观察泡沫演化，但对于这些内在机制仍然没有完全了解[9]。原油泡沫与水相泡沫最大的区别在于原油的低介电常数(2左右)限制了离子离解，静电双层推斥产生分离应力，这一水相泡沫的主要稳定因素在原油体系中很弱。研究原油泡沫稳定原因的文献有限，有学者认为，稳定源是特殊的表面活性剂或气液界面上吸附的颗粒。

综上所述，尽管水相泡沫的一些基本概念和规律可用于原油泡沫研究，但二者的形成与稳定机理并不同，原油泡沫仍有待深入研究。

2 研究原油泡沫的实验方法

部分原油泡沫研究采用了气流法等传统泡沫测试方式，为更好地模拟实际发泡过程，也有学者开发了降压法。

气流法原理是向带刻度的玻璃容器装入一定试液，从容器底部匀速通入气体，一段时间后停止供气并记录泡沫的最大体积和半衰期[10]。曾有学者利用该法采用不同气体(空气、氮气、甲烷)研究原油泡沫。气流法产生泡沫的机理与现场实际不同，不能很好地重现原油泡沫。但有报道表明，采用该方法选出的消泡剂是有效的[11- 12]。气流法设备简单，结果易于观察，对原油泡沫研究有一定意义，近年来仍有应用。有学者提出“环上成膜法”评价原油的发泡趋势[13]，依据不同原油在不同直径的环上会形成膜，通过计算外推出能在环上成膜的最大直径dkp，该值越大，则原油形成稳定膜的趋势就越强。该方法的优点在于所需仪器非常简单，但操作人员的主观判断对结果有影响。

原油发泡的根本原因是降压使溶解气逸出形成泡沫，首先在一定压力下将气体溶于原油，再降压使气体逸出所形成的泡沫更符合现场实际。

J. J. Sheng等[14]将20 cm3原油在高压下饱和，再转移到有视镜和高度刻度的压力容器中，通过背压阀线性或瞬时降压，观察泡沫高度变化来评价泡沫油的稳定性。J. Wang等[15]在压力活塞容器中装入CO2油溶液，通过推动活塞维持压力，摇动容器使气油混合均匀，24 h后将泡沫原油抽出，测量半衰期。吴永彬等[16]为研究超重泡沫油开发了可视强度测试装置，包括注入系统、可视化本体以及回压控制等模块。降压速率可控制，通过记录不同时刻泡沫高度来评价泡沫。

降压法中原油静态降压，与原油流入分离器的动态过程不同。A. K. Fraga等[17]为模拟现场降压过程，将150 mL原油在压力容器内用CO2加压到一定压力，加热至实验温度，旋转以促进溶解平衡；微开出口阀，用量筒接取泡沫，记录泡沫高度随时间的变化直到泡沫完全破灭。C.Blázquez[18]在400 mL的老化槽中装入100 mL原油，用CO2或甲烷加压到0.5、1.0、1.5 MPa后利用震荡仪促进溶解，溶气原油经出口球阀、固定开度的针型阀和盘管进入量筒，针型阀能提供足够的压降，盘管可稳流，以防止原油对量筒的冲击改变泡沫行为(如气泡直径分布)，提高实验可重复性。

原油泡沫的实验方法主要基于对泡沫体积的观察，不同学者的研究方式存在差异。目前的实验方法还无法很好地还原采出液由管路进入分离器再排出这一动态过程，与实际发泡情况不尽相同。

3 影响原油泡沫形成与稳定性的因素

原油组成、温度、黏度等因素会影响泡沫演变过程与界面膜性质，进而影响发泡与稳定。影响原油泡沫形成与稳定性的因素分析如下。

3.1 原油组成的影响

原油中存在的特殊表面活性物质如胶质、沥青质、环烷酸等能影响泡沫的生成和稳定。I. C. Callaghan等[19]利用气流法研究经碱洗的原油发现，相对分子质量小于等于400的短链羧酸和酚是多种原油发泡的必要条件，原油的表面扩张流变性很大程度上也受这类化合物的影响。J. Peng等[20]通过气流法与环上成膜法研究重质油，认为沥青质中酸性与碱性基团在油气界面上相互作用形成沥青质网络，进而形成稳定界面。F. Bauget等[21]采用气流法和环上成膜法研究不同胶质、沥青质浓度的甲苯溶液，发现沥青质浓度达到10%左右时，溶液的发泡性、泡沫膜寿命、表面性质会有明显变化，归因于沥青质聚集状态的变化，并认为由于胶质能溶解沥青质，胶质含量越大泡沫越不稳定。X. Sun等[22]通过向甲苯中加入胶质、沥青质，并由针头鼓气来模拟发泡，结果显示，胶质能促进沥青质的发泡作用，其解释是吸附在沥青质表面的胶质阻止其聚集，有利于油气界面稳定。N. N. Zaki等[23]采用气流法研究指出，沥青质的聚集状态对发泡性与稳定性有影响，沥青质含量在溶解度极限附近时泡沫最稳定。I. Adil[24]认为沥青质促进了原油降压过程中气泡的生成，并能防止泡沫聚结。M. S. Jupsrasert[25]通过降压法研究溶甲烷原油发现，发泡性与稳定性均与胶质、沥青质含量正相关。C. Blázquez[18]结合前人研究认为，胶质、沥青质促进泡沫稳定，而饱和烃与芳香烃组分则起反作用。

不同实验条件与实验方法均表明，胶质、沥青质等物质对原油泡沫生成与稳定有较大影响，但影响机理仍需进一步研究。

3.2 原油黏度的影响

原油黏度是影响泡沫稳定性的重要因素，其值越大，泡沫排液与气体扩散过程越慢，I. C. Callaghan[19]采用气流法研究黏度小于20 mPa·s的原油，发现泡沫寿命与黏度近似成线性关系；而M. K. Poindexter[26]对较高黏度原油的研究则没有发现该规律，可能的原因是对于排液较快的低黏原油，黏度起主导作用。C.Blázquez[18]认为黏度和原油组成共同影响发泡性和稳定性，发现m(胶质+沥青质)/m(饱和烃+芳香烃)的值乘以黏度所得的值和泡沫寿命、发泡指数近似成线性关系。对于泡沫油，X. Zhou[27]的研究表明，原油黏度越大，气泡体积增长越慢，气泡聚结越慢，泡沫寿命越长。

3.3 温度的影响

温度的升高会降低原油黏度，促进泡沫排液，同时气泡更容易发生聚结。温度越高，泡沫的稳定性越低。当泡沫与气体空间相接触时，温度越高，泡沫弯曲膜的蒸发速率越大，气体扩散越快，稳定性越差。温度对沥青质在原油中的溶解度有重要影响[28]，进而影响沥青质在油气界面上的分布，改变泡沫性质。

3.4 机械作用的影响

原油降压过程中的发泡情况与其所受的机械作用有关。黄永湘[29]的现场试验显示，入口结构和分离区的流动条件对泡沫生成量有影响，稳流式入口生成泡沫最少，入口节流时产生泡沫最多。一般认为离心式入口有助于消泡[30]，但在现场曾有换装离心式入口发泡反而更严重的例子，N. M. Guzmán[31]利用水相泡沫研究柱状旋流气液分离器(GLCC)对泡沫的影响，发现随工况不同，其可能起到消泡和促进泡沫生成两种相反的作用。有报道称某油田在换装离心式入口和轴流旋风除雾器后，分离器消泡剂的用量下降了50%[32]。利用适当的内构件消泡是经济又可靠的方法[33]，常用的有平行板、波纹板等，但内构件对原油泡沫稳定性的研究较少[34]。随着小型化设备的开发，合理设计分离器结构以解决发泡问题是必要的。

3.5 其他因素的影响

溶解气性质对泡沫的生成与稳定性有影响。有学者[35]认为溶解度高的气体扩散作用强，泡沫不稳定。C. Blázquez[36]在实验中发现，溶解度低的气体如N2无法生成原油泡沫，同时尽管相同条件下CO2在原油中的溶解度大于甲烷，但后者形成的泡沫更稳定，原因可能是降压过程中CO2形成气泡更多，聚结更快。溶解的CO2会导致原油中沥青质沉积，影响发泡性能[37]。表面特性是影响泡沫稳定的重要因素，I. C. Callaghan[19]的研究显示泡沫寿命随表面黏度、表面扩张黏弹性的增强而增大。水和固体颗粒的存在也会对泡沫产生影响，形成油气水三相系统时，气水界面和油水界面会吸附不同的表面活性物质进而改变表面性质[38]。B. P. Binks等[39]认为气液界面上的固体颗粒有稳定泡沫的作用。

4 结论

原油泡沫的生成和稳定与原油组成、黏度等多种因素有关，其中机械作用作为现场操作中的重要因素受到的研究并不多。目前还没有针对原油泡沫的专门研究方法，研究结果不可避免地受到所采用方法的影响，因此有必要研发一种贴近现场实际的原油泡沫测试方法。原油泡沫生成和稳定机理与水相泡沫不同，有待进行更深入的研究，尤其是胶质、沥青质等表面活性物质对泡沫生成与稳定的影响。

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