原油泡沫稳定特性研究进展*

1中国石油大学（北京）油气管道输送安全国家工程实验室·石油工程教育部重点实验室·城市油气输配技术北京市重点实验室

2长庆油田第一采气厂

原油泡沫是一种以气体为分散相、原油为连续相的气液分散体系，在石油行业中，如钻井、压裂、酸化、调剖、驱油等方面的应用有助于提高效能，增加原油产量，但原油泡沫会对集输、炼化等过程产生负面影响。在油气集输站场，原油沿集输管道进入分离器时压力降低，溶解在原油中的气体析出，产生泡沫[1]。特别是近些年气驱技术的应用，地层中的原油溶有大量气体，在集输分离时易产生大量稳定的泡沫。大量泡沫的产生以及泡沫破灭时间的延长降低了分离器效率，同时气相出口中易夹带小液珠，液相出口中也可能携带气泡，损坏下游的泵或压缩机，甚至发生气蚀等严重事故[2-3]。通过增加分离器的尺寸，延长油品停留时间可消除泡沫，但会增加成本，对于空间有限的海上平台来说不易实现[4-5]。目前有关原油泡沫的研究多是分析地层条件下泡沫特性，针对油气集输条件下的泡沫特性分析不足。本文综述了原油中胶质、沥青质、蜡、固体颗粒等因素对泡沫稳定特性的影响，并从液膜排液、气体扩散等机制方面阐明各单一因素对泡沫特性的影响，在此基础上，提出将现代精密仪器应用到泡沫研究中，将宏观原油泡沫现象与微观下胶质、沥青质、蜡等在原油泡沫中结构变化相结合，分析各物质作用机理，对于深入认识泡沫特性，促进相关泡沫领域的研究与发展等具有重要作用，并可为现场应用提供科学指导。

1 原油泡沫稳定特性

1.1 泡沫结构

泡沫是一种分散相为气体、连续相为液体或固体的分散体系。典型的多边形泡沫结构遵循Plateau平衡条件，如图1所示，有4个气泡形成一组互相作用的基本单元。这4个气泡共用一个交汇点，其中每3个气泡围成一个凹三角形柏拉图通道，每2个气泡间形成一个液膜。泡沫中的液体分布在液膜、柏拉图通道和交汇点上，当液体体积分数ϕ高时，气泡接近圆球形，分率低时呈多面体形态，一般将ϕ=36%时的分界点称为临界液体体积分数[6]，此时泡沫结构和力学性质会发生突变，这也是区分干湿泡沫的临界点。油田集输分离器中原油泡沫结构与此类似，在泡沫破灭过程中，泡沫液体体积分数由高到低，泡沫由圆球形变成多边形，继而聚并破灭。

图1 泡沫结构Fig.1 Structure of foam

1.2 泡沫衰变与稳定机理

泡沫结构的演化、衰变过程的机理主要包括泡沫排液和气体扩散。泡沫间的微量液体在重力、毛细管力、黏滞力的作用下，在薄膜、Plateau边界和交汇点共同形成的网状结构内的流动过程称为泡沫排液[7]。泡沫排液可分为两个阶段：第一阶段为排液初期，液膜较厚，排液主要是重力作用所致，排液速度较快；另一阶段是在毛细管力作用下的排液过程，范德华力和静电排斥力起决定作用。气体扩散则是由于泡沫内气泡大小不一，曲率半径不同所致，根据Laplace公式可知，曲率半径越大气泡内压力越小，小气泡内压力大于大气泡内压力，于是小气泡内气体向大气泡内扩散。分离器中原油泡沫在破灭过程中，前期以排液为主，后期排液速率下降，气体扩散占主导地位。

泡沫稳定是由于自身性质的改变或是表面活性剂等外界添加物的影响而使泡沫衰变过程减缓或停滞。泡沫是热力学不稳定体系，纯液体一般不会产生稳定泡沫[8]。有学者认为形成稳定泡沫必须满足三个条件[9]：①溶质必须具有表面活性；②泡沫的液体薄膜必须具有低的表面自由能；③泡沫的液体薄膜必须具有良好的弹性。在原油泡沫中，沥青质、蜡晶、固体颗粒、聚合物、表面活性添加剂等都可改变泡沫表面自由能、表面张力等性质，增加泡沫稳定性。

2 原油组分对泡沫稳定性的影响

2.1 胶质、沥青质对泡沫稳定性的影响

胶质、沥青质是原油中相对分子质量较高的表面活性剂。一般认为，石油中的胶质、沥青质分子是以多个芳香环组成的稠合芳香环系为核心，周围连接若干个环烷环或芳香环，环烷环上带有长度不一的正构或异构烷基侧链的大分子，分子中还杂有各种含S、N、O的官能团，同时会络合Ni、V、Fe等金属。这些环结构、官能团、杂原子等以不同的形式影响着胶质、沥青质结构性质或状态，从而影响泡沫稳定性。

沥青质碳质量分数约为50%，是具有最低H/C比（氢碳比）的油组分，拥有酸性和碱性官能团，在不同pH值溶液中电离程度不同[10-12]，这些性质从不同层面影响着原油黏度、表面张力等性质，从而改变泡沫稳定性。沥青质含量的增加提高了原油的黏度，减缓泡沫排液速率，延长泡沫破灭时间[13-14]。吸附在液膜表面的沥青质，可降低液膜表面张力，减缓泡沫的合并，与液膜形成高强度三维网状膜，增强了泡沫膜强度与韧性，从而稳定泡沫[15-16]。沥青质中的活性组分相对分子质量越大，分子结构中芳香环结构越多，其形成的界面膜强度越大[17]。含有较多酸性官能团的沥青质，其形成泡沫膜稳定时间明显增加[18]。在高压实验条件下，沥青质相对于其他原油组分能够更好地稳定油膜。但有学者认为泡沫稳定特性与沥青质含量相关：沥青质有很高的表面活性，当其分散或溶解在模拟油中时会强化泡沫的稳定性，但当沥青质浓度超过最大溶解度时，分子相互聚集程度增加，产生絮凝沉淀，泡沫稳定性反而减小[19]。也有学者认为沥青质对泡沫稳定性无影响，不同沥青质含量的油表现出相似的泡沫油现象[20]。

胶质的相对分子质量小于沥青质。一般认为，胶质对泡沫性质的影响主要是通过与沥青质相互作用，改变沥青质性质，从而影响泡沫特性。沥青质在溶液中浓度增大时会有一定的聚集，沥青质聚集度取决于溶液芳香度和胶质/沥青质的比值。聚集度到达一定阈值后对泡沫的稳定性影响减弱，而胶质可以减小沥青质聚集的尺寸，增加沥青质的溶解度，进而稳定泡沫。另一种解释是胶质包裹在沥青质的周围，减小沥青质聚集沉淀的概率，增加沥青质溶解性[21]。但也有人发现，当沥青质质量分数在10%范围内变化时，泡沫稳定性变化不大，此时胶质含量的增加会降低泡沫界面刚性，从而降低泡沫稳定性和乳液稳定性[19]。

2.2 蜡质等固体颗粒对泡沫稳定性的影响

原油中的蜡以液态蜡或固态蜡晶存在。蜡对泡沫特性的影响一般是指蜡晶，多数研究将蜡晶对泡沫的作用视为固体颗粒对泡沫稳定性的影响[22]。一定条件下，固体颗粒可以增加液体黏度，减缓泡沫排液。有研究发现，固体颗粒对泡沫特性的影响存在阈值，纳米SiO2颗粒质量分数在0.7%以下产生的泡沫稳定性是有限的，质量分数大于0.7%后，泡沫稳定性显著增加[23]。泡沫特性与颗粒结构关系密切，通过低温扫描电镜观察到层状结构的小颗粒稳定泡沫效果显著[24]。在原油中，析出的蜡晶结构、形状和大小不尽相同，因此对泡沫特性的影响不可预测。

针对蜡晶对泡沫特性的直接影响，有专家认为，原油中蜡含量决定了原油的流变性能，石蜡晶体的存在会干扰表面流变特性，从而影响发泡特性[25]。有研究发现，原油中蜡晶与沥青质可相互作用[26]：在沥青质质量分数为0.2%条件下，沥青质表现出抑制蜡分子析出的性质，延缓胶凝过程；沥青质通过进入蜡晶三维网状结构中，成为其中的“脆弱点”，弱化胶凝网状结构，降低蜡晶包裹液态油的能力，使得蜡晶颗粒由针状转变为椭球状；而在降压原油中蜡絮凝可导致沥青质不稳定[27]。由此可推测原油组分对泡沫特性的影响复杂多变。

3 原油泡沫评价方法

3.1 原油发泡方法

目前，针对分离器条件下原油泡沫特性进行研究时，实验产生泡沫的方法主要有搅拌法、注气法和降压法等。

搅拌法是相对传统的方法，直接利用搅拌器将气液混合产生泡沫，该方法操作简单，在测量黏稠或超稠液体发泡性能方面具有不可替代的作用。但搅拌法属于强制起泡，所测实验数据不能够真实反应现场状态。

注气法（气流法）是研究泡沫最常见的方法。将气体以一定速率通过玻璃砂滤板等多孔介质，介质上面有一定量的测试溶液，气体通过多孔介质分散后与溶液均匀混合形成泡沫[28]。产生的泡沫与多孔介质孔隙度、气体流速等有直接的关系，泡沫破灭速率也与气体速率、容器大小等有关[29]。利用注气法研究泡沫特性的技术已相当成熟，但注气产生的泡沫并不能很好地模拟分离器条件下的泡沫特性，压力的扰动对泡沫特性的影响不可忽略。

降压法则是在高压下将气体溶解在待发泡液体中，通过压降析出气体产生泡沫，这是研究地层泡沫以及集输分离泡沫时与实际工况较吻合的方法[30-31]。不足的是这些方法压降末端均为大气压，而实际分离器压力要高于此，末端压力对泡沫特性是否存在影响，有待进一步认证。后续研究可从改进实验方法、获取有效数据等方面入手，提高实验的准确性及指导性。

3.2 原油泡沫观测方法

随着科学技术的发展，越来越多的高精尖仪器设备应用到原油、泡沫等基础研究中[32-35]。除了宏观发泡实验，可借助现代仪器观测泡沫微观结构特征。泡沫界面微观形貌的研究是在近代微观电镜出现后发展起来的，主要研究界面膜上不同结构的微观形貌对泡沫体系物理化学性质的影响。已有研究表明，气泡界面膜微区形貌的形成是由于Laplace附加压力的压缩驱动或多个作用机理如相分离、屈曲演变等复合作用的结果[36]。BINKS[37]在对不同类型的氟乙烯颗粒对泡沫稳定性影响的研究中，利用冷冻刻蚀扫描电镜观察泡沫结构，发现大的形状不规则的颗粒镶嵌在泡沫表面，而小的球形颗粒则在液膜表面形成单层可视结构，层状大颗粒的面积较大面贴合于泡沫膜，可直观发现各形状结构对泡沫的影响。

4 结论

综上所述，原油泡沫稳定特性与原油成分密切相关。胶质、沥青质对泡沫稳定性影响复杂，针对胶质、沥青质的研究，不同的实验条件、原油特性、胶质、沥青质结构等都会对实验结果产生影响，而且，蜡晶与沥青质的相互作用使得研究泡沫特性更加艰难。现有研究泡沫特性的方法以注气法为主，不能够很好地模拟现场工况，近些年利用降压法研究泡沫的学者日益增多，但还是需要改进实验方案，增加实验的可靠性。随着现代科学仪器的发展，高精尖仪器越来越多的应用到石油行业中，为原油泡沫特性的研究方向、研究方法、研究深度扩展了新的思路。今后的研究可基于现代化的仪器设备，从微观角度观察胶质、沥青质和蜡等结构形态，以及这些物质在液膜表面形成的特殊稳定结构，并结合宏观发泡特性，外加理论分析，多层次多方向研究各物质对泡沫稳定性的影响。除胶质、沥青质和蜡之外，影响原油泡沫特性的因素还有很多，如无法预测的外界因素、油品的性质、组成因素等，针对原油泡沫特性的研究任重而道远。