重复剪切对含油泡沫性质影响规律研究

孙 琳 ，吴艳平，张永昌，陈德全，蒲万芬

1.油气藏地质及开发工程全国重点实验室·西南石油大学，四川 成都 610500 2.中国石油长庆油田分公司第九采油厂，宁夏 银川 750006

引言

泡沫因其独特的流度控制能力在非均质油藏提高采收率中广泛应用，泡沫稳定性直接决定其驱油效果[1-4]。为改善泡沫在含油环境中的稳定性，近年来，学者们提出了各类耐油起泡体系，包括氟碳型起泡剂、甜菜碱型起泡剂、α-烯烃磺酸钠和十二烷基硫酸钠等[5-7]。栾和鑫等[8]基于非离子表面活性剂、阴非离子表面活性剂和辛醇构建耐油起泡体系CFE149X；随着含油量增加，该体系的起泡体积先增加后减小，而泡沫半衰期不断增加，当含油量达到50%时，其泡沫稳定性依然比无油泡沫强。端祥刚等[9]优选出氟碳耐油表面活性剂JSC-6，加入10%原油后，虽然起泡体积从440 mL 降低至320 mL，但析液半衰期提高了4 倍。吴轶君等[10]研究了烷基磺酸盐、两性咪唑啉和醇的复配体系YC-2 的耐油性，在含油量小于40%时，含油泡沫的起泡体积与无油泡沫相近，在含油量小于20%时，含油泡沫的析液半衰期大于无油泡沫。以上研究均是基于新鲜起泡体系与新鲜原油进行含油泡沫性质评价。然而，泡沫在多孔介质中处于破灭与再生的动态平衡，起泡体系与多孔介质内的原油相遇后，表面活性剂分子将在油、水相重新分配[11]，而原油也会因增溶、乳化发生相态变化[12-13]。因此，当破裂后的含油泡沫在渗流剪切作用下再次起泡时，其泡沫性质将发生明显改变。现有研究对含油泡沫再生行为鲜有关注，这也是目前难以将含油条件下的体相泡沫性质与多孔介质内泡沫性质关联的重要原因[14]。因此，本文对原油与起泡体系进行重复剪切模拟含油泡沫再生，结合起泡体系的表面和界面性质、宏观泡沫衰变特征以及微观泡沫结构等，系统地研究不同含油量下重复剪切对起泡体系的性质、再生泡沫起泡能力和泡沫稳定性的影响规律及作用机理。研究结果可为完善含油泡沫评价方法提供思路，为揭示含油泡沫再生行为提供支撑。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

两性离子表面活性剂RC，分析纯；NaCl，分析纯；新疆某区原油（20◦C黏度为7 890 mPa·s，饱和分含量为68.5%，芳香分含量为21.2%，胶质含量为8.5%，沥青质含量为1.8%）。

Waring Blender 泡沫搅拌器，DM2700M 徕卡显微镜，BZY-2 全自动表面张力仪，SVT20N 旋转滴界面张力仪，电子分析天平，DF-101S 磁力搅拌器，KH-250DE 型数控超声波清洗器，1 000 mL 量筒。

1.2 实验方法

本文实验无特殊说明均在室温下进行，所用盐水为9.36×104mg/L NaCl 溶液。

1.2.1 泡沫性质评价

各泡沫均利用Waring Blender 泡沫搅拌器在6 000 r/min 下剪切1 min 形成，泡沫性质的评价参数包括起泡体积、析液半衰期和泡沫半衰期。

1）含油泡沫重复剪切起泡：配制100 mL 质量分数为0.200%的RC 溶液，并将其和不同体积原油一起倒入泡沫搅拌器中形成一次剪切含油泡沫。原油体积与RC 溶液体积之比为含油量。将一次剪切含油泡沫消泡后析出的油水相平衡24 h，分离出的油水相即二次剪切起泡体系与二次剪切原油，将两者放入泡沫搅拌器中重复起泡得到二次剪切含油泡沫。

2）无油泡沫起泡：配制100 mL 不同质量分数的RC 溶液进行剪切起泡。

3）含增溶油泡沫起泡：向质量分数0.056%RC溶液中加入占其体积0.5%和60.0%的原油，经磁力搅拌器搅拌1 h（500 r/min）、超声浴分散3 h（40◦C）、油水平衡24 h 后，下层溶液即含增溶油的起泡体系，取100 mL 该体系剪切起泡得到含增溶油泡沫。

1.2.2 二次剪切起泡体系表面活性剂浓度确定

利用铂金板法测定不同质量分数RC 溶液的表面张力，绘制表面张力-质量分数曲线（图1）。由于一次剪切起泡体系所用RC 质量分数接近其10 倍临界胶束浓度（CMC），因此，将二次剪切起泡体系稀释10 倍以确保其中RC 质量分数低于CMC。测定稀释液的表面张力并由图1 所列表面张力-RC 质量分数关系式推算稀释液的RC 质量分数，将该质量分数放大10 倍即得二次剪切起泡体系的RC 质量分数。

图1 RC 溶液的表面张力-质量分数曲线Fig.1 Surface tension-concentration curve of RC

1.2.3 泡沫微观结构观察

将剪切形成的泡沫倒入量筒中，在泡沫衰变的不同时间节点用玻璃棒蘸取少量泡沫置于载玻片上，并利用DM2700M 徕卡显微镜观察泡沫的微观结构。

1.2.4 油水界面张力测定

使用SVT20N 旋转滴界面张力仪，在转速6 000 r/min 条件下测定0.200% RC 与原油间的界面张力记为一次剪切含油泡沫的油水界面张力；测定二次剪切起泡体系与二次剪切原油间的界面张力记为二次剪切含油泡沫的油水界面张力。

2 结果与讨论

2.1 重复剪切对起泡体系性质的影响

不同含油量条件下，一次剪切与二次剪切含油泡沫的起泡体积和泡沫半衰期如图2 所示。随着含油量增加，一次剪切含油泡沫的起泡体积不断减小，但当含油量为60.0%时，其起泡体积仍能达到420 mL，表现出较好的耐油性。二次剪切含油泡沫的起泡体积和泡沫稳定性相比一次剪切含油泡沫明显降低，尤其在含油量60.0%时，起泡体积减小至250 mL，泡沫半衰期仅为4 min。

图2 含油泡沫的性能Fig.2 Foam properties of oil-containing foam

观察二次剪切起泡体系与二次剪切原油的微观结构发现，经一次剪切后，原油与RC 溶液发生了乳化，部分RC 溶液在原油中分散形成油包水乳状液（图3a），而部分原油在RC 溶液中分散形成水包油乳状液（图3b）。RC 分子在原油与油水界面上的分配会降低水相中的RC 分子数量，因此，接下来对二次剪切起泡体系中的RC 质量分数进行定量测试。

图3 二次剪切油水相微观（含油量10.0%）Fig.3 Microstructure of oil and water phase for secondary shearing（oil content of 10.0%）

表1 为含油量对二次剪切起泡体系中RC 质量分数的影响，由表1 可知，经一次剪切后，起泡体系中的RC 质量分数明显降低。而且，一次剪切时含油量越高，油相及油水界面上分配的RC 分子越多，二次剪切起泡体系中的RC 质量分数越低：当含油量为60.0%时，起泡体系中的RC 质量分数降低幅度达到72%。测试不同质量分数RC 溶液的无油泡沫性质，结果如图4 所示。根据图4，起泡体积与泡沫半衰期均随着RC 质量分数的减小而下降。可见，经一次剪切后，起泡体系中表面活性剂质量分数的降低会大幅度减弱再生泡沫的起泡能力与稳定性。

表1 含油量对二次剪切起泡体系中RC 质量分数的影响Tab.1 Effect of oil content on RC concentration of the twice-sheared foaming system

图4 不同质量分数RC 溶液的无油泡沫性能Fig.4 Foam properties of oil free foam at different RC concentrations

原油与表面活性剂胶束溶液相互作用，不但会使表面活性剂分子在油水相重新分配，还会造成原油增溶于表面活性剂胶束中[15-16]。根据表1 和图1，各二次剪切起泡体系中的RC 质量分数均高于CMC，增溶于胶束的原油很可能影响再生泡沫性能。选取含油量60.0%时二次剪切起泡体系对应的RC 质量分数为0.056%配制胶束溶液，并将其与不同含量原油混合、平衡制备含增溶油的RC 溶液。测试含增溶油RC 溶液的泡沫性质，结果如图5 和表2 所示。

表2 无油与含增溶油的泡沫性质Tab.2 Foam properties without oil and with solubilized oil

图5 含增溶油的RC 溶液及其形成的泡沫Fig.5 RC solutions with solubilized oil and their foams

实验结果表明，含油量0.5%时，进入胶束的增溶油即可显著削弱RC 溶液的泡沫性质，令泡沫半衰期降低91.7%。Lee 等[17]认为，原油增溶在胶束中降低了胶束的有效体积，增加了胶束尺寸的多分散性，造成胶束间的相互排斥作用下降，泡沫液膜稳定性减弱。制备含增溶油RC 溶液过程中，与胶束溶液接触的油量越多，RC 分子在油相及油水界面的消耗越大，但表2 中数据显示，含油量从0.5%增至60.0%，对应含增溶油RC 溶液的泡沫半衰期仅降低28.5%，起泡体积与析液半衰期变化更小。这说明，低RC 质量分数下，原油消耗表面活性剂对RC 溶液泡沫性质的影响不及其增溶于胶束产生的影响强烈。RC 质量分数越高，溶液中胶束越多，增溶油体积越大，泡沫性质是否因此遭到更大破坏，值得进一步研究。

2.2 重复剪切对含油泡沫排液规律的影响

2.2.1 不同含油量下一次剪切含油泡沫的排液规律

图6 为两种剪切条件下，泡沫的析液半衰期与含油量关系图，可以明显看出，两种情况下的析液半衰期变化规律完全不同。一次剪切泡沫的析液半衰期随着含油量的增加先增大后减小，并在含油量40.0% 时达到最大，为无油泡沫析液半衰期的2.4倍。如图7 所示，含油量40.0%以内，随着含油量增加，泡沫液膜内的油滴数量增加。泡沫排液过程中，油滴不断地向Plateau 区域聚集，使液膜中水相经过Plateau 区域的通道变小，液膜排液受阻。另外，随着含油量增加，油滴在Plateau 区域的大量聚集令其厚度增大，较厚的Plateau 区域具有较小的毛细压力差，进而产生较小的液膜排液驱动力，排液速度减小，析液半衰期进一步增加[18]。但当含油量从40.0%增加至60.0%时，过多的油滴造成油水界面上RC 分子不足，油滴聚并加快，形成了流动能力更强的连续油相，排液速度急剧增大[15，19]。

图6 不同含油量泡沫的析液半衰期Fig.6 Drainage half-lives of foams with different oil contents

图7 不同含油量一次剪切泡沫的微观结构（起泡后5 min）Fig.7 Microstructure of first-sheared foams with different oil contents（5 min after foaming）

2.2.2 不同含油量下二次剪切含油泡沫的排液规律

图6 表明，二次剪切泡沫的析液半衰期随着含油量增加不断下降，含油量40.0%时，其析液半衰期仅为无油泡沫的27%。对比各含油泡沫的析出液发现，随着含油量增加，析出液的颜色加深；并且相同含油量下，二次剪切含油泡沫析出液的颜色相比一次剪切含油泡沫更深（图8）。测量两次剪切含油泡沫的油水相界面张力列于表3，该表显示，二次剪切含油泡沫油水界面张力较一次剪切含油泡沫油水界面张力降低，且随着含油量增加，界面张力降低幅度增大。

表3 油水界面张力Tab.3 Oil-aqueous interfacial tension

图8 不同含油量泡沫宏观图（起泡后10 min）Fig.8 Macrograph of oil-containing foams with different oil contents（10 min after foaming）

油水界面张力越低，油水越容易乳化，且乳化油滴越小[20-21]。这将造成二次剪切含油泡沫中油滴流动性增强，无法有效阻碍排液[18]，同时油水界面消耗的RC 分子增多，液膜内水相的表面张力增大。由泡沫排液方程[22-23]式（1）可知，表面张力增加会导致泡沫的排液速度增大。同时，对比两次剪切含油泡沫液膜中的油相（图9a、图9b）和析出水相（图9c、图9d）发现，二次剪切时油水乳化形成了水包油包水多重乳状液。水相进入油滴会增大油滴密度，二次剪切含油泡沫的重力排液速度因而进一步加快。

图9 含油量60.0%剪切后泡沫与水相微观Fig.9 Micrograph of foams and separated water generated at oil content of 60.0%

式中：

Vf—排液速度，mm/s；

h—泡沫排液高度，mm；

t—泡沫排液时间，s；

α—液膜边界流动系数；

hf—液膜厚度，µm；

η—连续相黏度，mPa·s；

Rf—液膜半径，µm；

σ—表面张力，mN/m；

θ—润湿接触角，（°）

r—毛管半径，mm；

Πd—分离压力，Pa。

2.3 重复剪切对含油泡沫衰变行为的影响

结合图2b 和图6 可知，含油量对泡沫半衰期的影响规律与析液半衰期完全不同。在无油泡沫中，泡沫初期排液较快，液膜厚度小，但其能在薄液膜下长期保持稳定（图10a，图10b、图10c）。加入原油后，液膜厚度增加，且含油量40.0%以内，含油量越高，液膜厚度越大（图10d、图10e，图10f），单气泡面积增加速度变缓，泡沫粗化速度降低，稳定性随之提高。但含油泡沫排液过程中，析出液多为水相（图11），这会造成单位体积泡沫中液膜上的RC 分子数量减少，气水表面发生形变时表面RC 分子得不到及时补充，假乳液膜稳定性降低，油滴易进入液膜致其破裂，稳定性比无油液膜明显减弱[11，24]。

图10 不同含油量下一次剪切含油泡沫微观结构Fig.10 Microstructure of oil-containing foams with different oil contents generated by first shearing

图11 40.0%含油量下一次剪切含油泡沫衰变过程Fig.11 Decay process of the oil-containing foam at oil content of 40.0%generated by first shearing

二次剪切含油泡沫油水界面张力低、乳化能力强，大量乳化油滴在排液过程中随水相析出（图8红色圈内），且部分油滴因浮力向上移动，因此，相较相同含油量下的一次剪切含油泡沫，二次剪切含油泡沫衰变过程中，泡沫柱内的油相减少，并出现了无油液膜（图8 黄色圈内）。由于无油液膜的稳定性高于含油液膜，所以重复剪切虽然使含油泡沫的起泡体积明显降低，但对泡沫半衰期的影响较小（图2b）。

3 结论

1）RC 分子在油相及油水界面分配令二次剪切起泡体系中的RC 质量分数显著下降，而原油在该体系胶束中的增溶会使二次剪切泡沫的性能进一步减弱。

2）因油滴占据泡沫液膜排液通道，含油量40.0%以内，随油量增加，含油泡沫的析液半衰期逐渐增大；二次剪切时，油滴尺寸因油水界面张力降低而减小，小油滴不但无法阻碍排液反而大量消耗RC 分子，造成二次剪切含油泡沫的析液半衰期随含油量增大不断缩短。

3）因原油被乳化为易于随水相析出的小油滴，二次剪切含油泡沫液柱中出现了稳定性较强的无油泡沫段，从而能在泡沫体积更小的情况下呈现与一次剪切含油泡沫相近的泡沫半衰期。