氮气泡沫体系性能的影响因素实验研究

张强　吴晓燕　胡雪　赵军　陈平　郑继龙　翁大丽

摘      要： 采用泡沫扫描仪和界面流变仪分别考察了不同浓度、气液比及温度条件下 CHSB体系的泡沫性能，结合泡沫的微观形态特征、界面黏弹性，分析了不同因素对液膜强度、泡沫间聚并、液膜排液之间动态平衡的影响，揭示了泡沫体系在地层孔隙条件下的形成及稳定机理。结果表明：浓度对CHSB体系的起泡性能及稳定性的影响呈现出先增加后减小的趋势，当浓度为0.3%时泡沫形态最致密，稳定性最优;在一定范围内，气液比及温度的增加为泡沫的形成和稳定提供了更多的能量，气液比为4∶1的泡沫体系在30～60 ℃范围内表现出良好的稳定性，该泡沫体系有望应用于海上油田稳油控水的深部调驱中。

关  键  词：泡沫驱油;泡沫性能;形态特征;界面流变

中图分类号：TE53         文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）07-1379-05

Experimental Study on the Influence Factors of the

Performance of Nitrogen Foam System

ZHANG Qiang， WU Xiao-yan， HU Xue， ZHAO Jun， CHEN Ping， ZHENG Ji-long， WENG Da-li

（CNOOC EnerTech-Drilling &Production Co.， Ltd.， Tianjin 300452， China）

Abstract： The foam properties of CHSB system under different concentration， gas-liquid ratio and temperature were studied by foam scanner and interface rheometer. Combined with the microscopic morphology and interfacial viscoelasticity of foam， the influence of different factors on the dynamic equilibrium of liquid film strength， foam coalescence and liquid film drainage was analyzed， and the formation and stabilization mechanism of foam system under formation pore conditions were revealed. The results showed that the effect of concentration on the foaming performance and stability of CHSB system increased first and then decreased. When the concentration was 0.3%， the foam morphology was the most compact and the stability was optimal. Within a certain range， the increase of gas-liquid ratio and temperature provided more energy for the formation and stability of foam. The foam system with the gas-liquid ratio of 4∶1 exhibited good stability in the range of 30～60 ℃.

Key words： Foam flooding; Foam properties; Morphological characteristics; Interfacial rheology

泡沫驱油技术是近年来发展起来的一种继水驱、化学驱之后的新型采油技术^[1-3]。泡沫流体不同于其他流体，其可选择性封堵高渗地层，同时不会破坏低渗储层，即“堵大不堵小”;同时，泡沫具有“遇油消泡、遇水稳定”的特点，可以选择性封堵地层中的水，进入驱替地层后封堵水流而不封堵油流，即“堵水不堵油”的特性。此外，泡沫还具有摩阻低，携砂能力强、滤失量低，地层伤害小等优势。泡沫驱技术在改善储层非均質性，发挥深部液流转向作用，越来越受到人们的关注^[4-6]。

研究泡沫体系在储层条件下的形成、稳定、运移及封堵的作用机理是油田泡沫调驱现场实施方案成功设计的关键环节，目前关于泡沫体系的评价多集中在一些常规测定方法^[7-9]，如，罗氏发泡法、Waring Blender 搅拌法等，仅对起泡体积、泡沫半衰期等进行评价，而关于实时温度条件下的泡沫的形态特征和稳定性机理研究较少。本文采用泡沫扫描仪、界面流变仪考察了浓度、气液比、温度等因素对 CHSB体系（耶油酰胺丙基羟磺基甜菜碱）泡沫性能的影响，从泡沫的形态特征、起泡剂溶液的界面流变特征以及泡沫性能出发，研究不同影响因素对泡沫的性能的影响行为，深入分析了泡沫在地层孔隙条件下的形成、稳定及运移的作用机理，可为泡沫驱油在油田矿场试验提供有用参考。

1  实验部分

1.1  仪器与药剂

实验仪器：泡沫扫描仪，界面流变仪，电子天平，多点磁力搅拌，TW20恒温水浴等。

实验药剂：渤海某油田注入水，CHSB起泡剂（有效浓度35%）

1.2  方法

1.2.1  泡沫性能评价方法

本文采用泡沫扫描仪（法国泰克利斯公司），采用鼓气法，将气体通过致密的微孔薄片，产生泡沫，模拟地层孔隙条件下产生的起泡剂的泡沫性能，如图1所示。通过对起泡管中溶液的电导率的测量及反应管的色差分析记录泡沫产生、衰败的过程以及泡沫含液量的变化。同时，通过外置的CSA相机，捕捉特定位置泡沫的形态，记录泡沫生成与衰败过程中的形态特征变化。

利用泡沫扫描仪测得的如下参数，用于表征起泡剂及泡沫的性能：

（1）最大起泡体积V_max：采用鼓气法在特定的条件下产生的最大的泡沫体积。

（2）泡沫稳定系数（Foam Stability Index）FSI：泡沫扫描仪在记录泡沫衰败过程的同时，利用置于泡沫管中的电极测量不同部位的泡沫电导率，并定义特定部位泡沫衰败曲线的斜率倒数与对应电导率的乘积为泡沫稳定系数，用于反映泡沫的稳定性。计算公式如式（1）所示。

（1）

式中：C₀ —t₁处切线对应的电导率， μs;

ΔC_t —t₂与t₁的电导率之差， μs;

Δt —t₂与t₁的时间之差， s。

1.2.2  界面流变特性测试

利用界面流变仪（法国泰克利斯公司）测定起泡剂溶液体系的界面流变特性（如图2所示）。将准备好的25 mL待测样品放入样品池中，在恒温条件下预热20 min，利用PID控制，向气泡施加0.1 Hz的正弦震荡，记录表面张力随正弦震荡的变化曲线，通过软件分析得到体系的表面扩张黏弹特性。

当液滴的表面区域扩张变形时，液滴表面的反抗阻力能引起它自身的弹性和黏性反应。表面膨胀变量可用压力与膨胀量的关系来定义：

（2）

式中：X —黏弹变量， 10^-3 N/m;

γ —界面张力， 10^-3 N/m;

A —表面积， m²。

由于实验过程是正弦振荡过程，获得的黏弹变量X是一个复数：

     （3）

2  实验结果与分析

通过对不同条件下，驱油用起泡剂溶液的起泡能力以及泡沫性能的测试，对比分析不同因素对泡沫性能的影响。

2.1  起泡性能影响因素分析

2.1.1  浓度及气液比对CHSB起泡性能的影响分析

利用泡沫扫描仪分别在60 ℃条件测试不同气液比、不同浓度时，CHSB溶液的起泡性能。实验结果分别如图3所示。

从实验结果看出，随着气液比的增加，起泡剂的起泡体积随之增加，气液比越高，产生的泡沫越致密。随着浓度的增加，泡沫出现先增加后减小的趋势，当气液比为4∶1时，趋势较为平缓。

通常情况下，泡沫产生的过程是液膜总面积增加、泡沫体系总表面能增大的过程，产生泡沫需要提供足够的能量做功。在相同的浓度时，当参与起泡的气体越多，气体提供做功的能量越大，体系能量越高，液膜的总面积越大，因而，起泡体积越大，起泡性能越好。

当气液比不同时，由于气体做功与重力排液的动态平衡作用，不同浓度的起泡剂溶液表现出了不同的起泡性能。气液比较低时，气体提供的能量较小，此时当浓度较高时，泡沫液膜的重力排液占主导作用，起泡体积随浓度出现先增加后降低的趋势，泡沫也由致密向疏松转变;当气液比较高（如4∶1）时，此时气体提供做功的能量较大，气体提供的能量可以使因排液而破裂的液膜得到修复，因而在浓度较高时，起泡体积的下降趋势变缓。

2.1.2  温度对CHSB起泡性能的影响分析

利用泡沫扫描仪，分别测试了不同温度条件下，0.5%CHSB溶液在氣液比3∶1时的起泡性能，实验结果如图4所示，可以看出，起泡体积随着温度的升高呈上升的趋势。

当温度升高时，起泡剂溶液体系的临界胶束浓度（CMC）升高，表面活性剂分子的运动加剧，分子在平衡位置的振动幅度增加、弛豫时间增加，分子在液膜的扩散速度增加;同时温度的增加会增加液体的蒸发加剧，溶液的密度减小导致表面活性剂分子间的作用力减小。由于上述因素的作用，使得起泡所需外界提供做功的能量随温度升高而降低，因此，当浓度及气液比相同时，随着温度的增加，起泡体积会随之增加。

2.2  泡沫稳定性影响因素分析

利用泡沫扫描仪，分别在不同条件测试不同气液比、不同浓度、不同温度时，CHSB溶液产生的泡沫的稳定，从泡沫稳定系数、泡沫的形态特征以及起泡剂溶液的液膜流变学特性，分析不同因素对泡沫稳定性的影响。

2.2.1  浓度及气液比对CHSB泡沫稳定性影响分析

分別在60 ℃条件测试不同气液比、不同浓度时，CHSB泡沫的稳定性能，对泡沫管1/3处的泡沫携液量进行了测量，并对该处的泡沫形态进行了跟踪。

图5可以看出，在一定范围内，泡沫稳定性随着气液比的增加而提高;随着起泡剂溶液浓度的增加，泡沫稳定性先增加后降低。

当气体越多时，在一定范围内，可以提供更多的能量，在起泡剂溶液一定时，更多的表活剂分子吸附在液膜表面，液膜的强度较高，此时整体的泡沫携液量较高，稳定性越好。对图6中稳定700 s后的泡沫形态特征，可以看出，高气液比条件下的泡沫的形态保持较好，明显优于气液比2∶1时的泡沫，但，气液比进一步增加时，气泡变大、稳定性变差。

影响泡沫的稳定性的最主要因素是液膜的排液、泡沫间聚并、以及液膜的强度。浓度对泡沫稳定性的影响需考虑临界胶束浓度CMC。当浓度低于CMC时，此时泡沫稳定的主要影响因素为液膜的流变学特性，即液膜的强度，强度越高，对表活剂分子的吸附越高，液膜的排液缓慢。从图7中看出，从0.1%到0.3%，界面张力下降的幅度最大，代表液膜强度的界面黏弹模量上升幅度最大，液膜强度大幅增加。可以判断，在CMC之前，浓度的升高对起泡剂体系的液膜流变性特征影响最大。结合图8中浓度0.1%与0.3%的泡沫形态，可以看出随浓度的增加泡沫的形态更加致密、稳定。

当浓度进一步升高（高于CMC）时，从图7中看出，界面张力和界面黏弹模量随浓度的变化趋势减缓（浓度高于0.3%），浓度对体系的界面特性影响削弱。此时影响泡沫稳定性的为表活剂分子形成的胶团缔合层，表活剂浓度的升高会在液膜表面形成胶团缔合层，在泡沫形成的初期，由于缔合层的存在，液膜会迅速排液薄化，形成一个亚稳态的状态，且维持较长时间，稳定性较好。对比图8中0.5%时泡沫形态，可以看出，起泡初期的泡沫形态较0.3%时疏松，但稳定400 s后，泡沫依然较为0.1%更为致密，稍优于0.3%。

随着浓度的进一步增加，表活剂分子进一步聚集堆叠，受重力的影响，液膜的排液速率加快，液膜迅速薄化、聚并，泡沫的稳定性降低。对比图8中稳定700 s的泡沫形态，浓度1.0%的泡沫已变成较大的六边形状态，且泡沫的数量明显变少。

2.2.2  温度对CHSB泡沫稳定性的影响分析

分别测试不同温度条件下，气液比3∶1、浓度为0.5%时，CHSB泡沫的稳定性能，对泡沫管1/3处的泡沫携液量进行了测量，并对该处的泡沫形态进行了跟踪。实验结果如下所示。

从图9中看出，泡沫稳定系数随着起泡温度的升高出现先增加后减小的趋势。结合图9可以看出，在较低温度区间内，温度升高，影响泡沫稳定性的因素主要时泡沫的聚并、气体的扩散，随着温度的升高，分子的运动加剧，液膜表面聚集更多的表面活性剂分子，液膜的强度增加，此时稳定性升高。而当温度进一步增加后，此时分子的运动进一步加剧，一方面降低了液膜表面分子的吸附量，单个分子的独占面积增加，Marangon效应作用减弱，液膜的强度降低;另一方面，温度的进一步增加，会造成排液速率增加，泡沫的聚并、破裂的速率加快，稳定性降低。

图11为记录的不同温度不同时间段的泡沫形态特征。可以看出，随着稳定时间的推移，泡沫不断发生破裂、聚并，逐渐由致密的椭圆形变成疏松的六边形，此时的泡沫的稳定性较差。随着温度的升高，泡沫形态出现先致密后疏松的趋势，60 ℃时的泡沫破裂聚并的更缓慢，尤其在700 s时，其他温度条件的泡沫已变为较大的六边形干泡状态，而60 ℃时的泡沫依然较为致密，与图9得出的实验结果一致。

3  结论

（1）CHSB的起泡性能及稳定性均随着浓度的增加呈现先增加后减小的趋势，在浓度为0.3%时性能最佳。当起泡剂浓度较低时，受液膜的强度及胶团缔合的影响，浓度越高，泡沫越稳定;随着起泡剂溶液浓度的增加，泡沫液膜的重力排液逐渐占据主导地位，泡沫液膜迅速排液、薄化，稳定性变差，起泡性能下降。

（2）受气体做功的影响，在一定范围内，随着气液比的增加，气体提供做功的能量增加，起泡体积及稳定性均随之增加。

（3）一定范围内，体系温度的增加，一方面提高了体系的总能量，另一方面增加了表面活性剂分子的活性，起泡剂的起泡性能和稳定性随着温度的提高而增加。

参考文献：

[1]刘珑，范洪富.氮气泡沫驱油研究进展[J].油田化学，2019，36（02）：353-360.

[2]汪鹏，杨珍，姚逸风.泡沫助采在油田中的现状与发展前景[J].化工技术与开发，2015，44（06）：42-45.

[3]张作安.泡沫驱油提高采收率技术研究[J].科技风，2017（15）：2.

[4]王其伟.泡沫驱油发展现状及前景展望[J].石油钻采工艺，2013，35（02）：94-97.

[5]冯松林，居迎军，杨红斌，李淼.空气泡沫驱技术的研究现状及展望[J].内蒙古石油化工，2011，37（10）：169-171.

[6]丁雅洁.氮气泡沫调驱技术及应用研究[J].中国石油和化工标准与质量，2017，37（23）：173-174.

[7]孙晶，付美龙，吴海俊，张泉，徐传奇.理829井区泡沫体系筛选及性能评价[J].当代化工，2018，47（11）：2317-2321.

[8]张建成，刘晓娟，师亚栋.空气泡沫驱室内实验研究[J].石化技术，2016，23（06）：150.

[9]于清艳，张烈辉，王鑫杰.高温高盐底水油藏强化泡沫体系试验研究[J].石油钻探技术，2015，43（02）：97-103.

收稿日期：2019-10-08

作者简介：张强（1989-），男，天津人，工程师，硕士，2014年毕业于中国石油大学（华东）化学工程专业，研究方向：提高采收率研究。E-mail：642611013@qq.cpm。