泡沫封堵性能與界面性質(zhì)關(guān)系研究

王壯壯, 李兆敏, 李松巖

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泡沫封堵性能與界面性質(zhì)關(guān)系研究

王壯壯, 李兆敏, 李松巖

(中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院, 山東 青島266580)

為了進(jìn)一步揭示影響泡沫封堵性能的根本原因，首先通過泡沫驅(qū)替實(shí)驗研究了溫度對泡沫封堵性能的影響，然后利用界面流變儀分析了界面參數(shù)隨溫度的變化，在此基礎(chǔ)上，建立起泡沫封堵性能與界面性質(zhì)之間的聯(lián)系，考察界面性質(zhì)對泡沫封堵性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)溫度由20℃ 升高到80℃ 時，泡沫封堵能力先增后減，40℃ 時達(dá)到最大，80℃ 時阻力因子減小80% 以上，有效倍數(shù)降低至40℃ 時的六分之一。相同溫度變化范圍內(nèi)，平衡界面張力先減后增，40℃ 時界面張力最小為28.6 mN×m-1，而擴(kuò)張模量和界面彈性模量先增后減，界面黏性模量則逐漸減小，40℃ 時工作頻率0.1 Hz對應(yīng)的最大擴(kuò)張模量、界面彈性模量和界面黏性模量分別為9.24、8.74、2.97 mN×m-1。界面流變性表征了泡沫液膜性質(zhì)，封堵性能好的泡沫應(yīng)同時具有一定的高黏度和良好的彈性，界面彈性模量和界面黏性模量共同影響泡沫封堵性能；界面張力與泡沫封堵性能呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，界面張力越小，越有利于泡沫再生，并對應(yīng)越大界面模量，因而泡沫封堵性能越好。

泡沫；封堵性能；界面性質(zhì)；擴(kuò)張模量；界面彈性模量；界面黏性模量

1 前 言

泡沫流體具有摩擦阻力低、密度可調(diào)、表觀黏度高、“堵大不堵小”、“遇水穩(wěn)定，遇油消泡”等特點(diǎn)，在油田生產(chǎn)作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，特別是在調(diào)剖堵水和控制氣體流度等方面，泡沫封堵性能顯著[1,2]。然而，泡沫作為熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，封堵性能受溫度影響很大，高溫導(dǎo)致泡沫封堵能力下降，制約泡沫在高溫地層和熱采井中的應(yīng)用。前人圍繞泡沫封堵作用已開展了大量工作，對泡沫封堵性能的影響因素和變化規(guī)律進(jìn)行了深入研究，但一直未能從本質(zhì)上解釋各因素的影響機(jī)理，尚未揭示影響泡沫封堵性能的內(nèi)在原因[3~7]。近年來，隨著界面流變學(xué)的發(fā)展，界面張力、流變性等界面性質(zhì)對泡沫靜態(tài)和動態(tài)性能的影響日益得到重視。界面性質(zhì)反映外力作用下界面膜上流動和形變等動態(tài)特征，揭示了界面膜的黏彈特性，界面特性必然對泡沫宏觀性能產(chǎn)生一定影響[8~10]。因此，為了進(jìn)一步研究溫度對泡沫封堵性能的影響，揭示泡沫封堵性能的影響機(jī)制，有必要開展泡沫封堵性能與界面性質(zhì)的關(guān)系研究。

本文以泡沫驅(qū)替實(shí)驗為基礎(chǔ)，研究溫度對泡沫封堵性能的影響，通過測量不同溫度下界面張力和擴(kuò)張黏彈模量，建立泡沫封堵性能與界面性質(zhì)之間的聯(lián)系，從而進(jìn)一步分析界面性質(zhì)對泡沫封堵性能的影響規(guī)律，揭示影響泡沫封堵性能的內(nèi)在原因。

2 實(shí)驗部分

2.1 實(shí)驗材料

實(shí)驗所用起泡劑為耐溫型起泡劑HY-GW，由多種非離子型表面活性劑與兩性表面活性劑復(fù)配而成，主要成分是天然非離子型表面活性劑茶皂素，杭州青田中野公司生產(chǎn)；實(shí)驗用水為蒸餾水，起泡劑溶液有效濃度為0.5%。氣體為氮?dú)?，純度?9.9%，青島天源公司生產(chǎn)。多孔介質(zhì)巖心采用精制石英砂填制而成，孔隙度為35%，氣測滲透率為1000×10-3μm2。

2.2 實(shí)驗方法

2.2.1 泡沫驅(qū)替實(shí)驗

泡沫驅(qū)替實(shí)驗裝置主要由填砂模型、泡沫注入系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、壓力測量系統(tǒng)、采出液收集系統(tǒng)等組成，填砂模型選用型號為25×600 mm的填砂管，其上均勻分布4個測壓點(diǎn)，填砂模型被分為三段：入口段、中間段和出口段。實(shí)驗裝置流程圖如圖1。

實(shí)驗步驟為：(1)準(zhǔn)備巖心。按要求填制巖心，抽真空、飽和水，計算孔隙度，測量其滲透率；(2)按流程連接實(shí)驗設(shè)備并調(diào)試；(3)待設(shè)定溫度穩(wěn)定后，先以恒定速度水驅(qū)至壓力穩(wěn)定，然后保持相同驅(qū)替速度進(jìn)行氣液比為1:1的泡沫驅(qū)，驅(qū)替過程中記錄各點(diǎn)壓力；(4)驅(qū)替結(jié)束后，改變溫度，重復(fù)步驟(1)~(3)。

2.2.2 泡沫界面性質(zhì)測量

當(dāng)形成氣-液界面后，表面活性劑分子在界面上吸附并達(dá)到動態(tài)平衡，降低界面張力，有利于界面穩(wěn)定。當(dāng)界面受到外力擾動時，由于表面活性劑的存在，界面張力發(fā)生局部變化，使界面和體相間發(fā)生表面活性劑分子遷移、交換等弛豫過程，從而產(chǎn)生了界面彈性和黏性響應(yīng)[10,11]。界面擴(kuò)張模量(mN×m-1)定義為表面張力與界面面積相對變化的比值：

式中，為界面張力；為界面面積。

如果界面受到的擾動為正弦周期振蕩時，擴(kuò)張模量可表示為：

界面性質(zhì)測量采用法國Teclis公司生產(chǎn)的全自動界面流變儀，當(dāng)測量范圍大于5 mN×m-1時，精度可達(dá)0.001 mN×m-1。測量步驟為：(1)向樣品池中倒入起泡劑溶液，將吸入氣體的注射器安裝固定，調(diào)整各部分位置使形成清晰的測量圖像；(2)待設(shè)定溫度穩(wěn)定后，開動馬達(dá)，通過注射器向溶液中鼓氣泡；(3)首先測量氣泡的界面張力，待界面張力基本穩(wěn)定后，添加不同頻率的正弦振蕩，測量界面模量；(5)調(diào)整溫度，重復(fù)步驟(1)~(4)。

3 結(jié)果與討論

3.1 泡沫封堵性能

一直以來，評價泡沫封堵性能的指標(biāo)常用阻力因子表示[3]，

式中，Dfoam為泡沫驅(qū)時驅(qū)替壓差，Dwater為水驅(qū)時驅(qū)替壓差。

由于泡沫屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，滲流過程中氣泡并不是連續(xù)運(yùn)移的，而是不斷地破裂和再生，因此封堵范圍和封堵位置也是衡量泡沫封堵性能的重要參數(shù)。雖然阻力因子表示了泡沫封堵作用的整體強(qiáng)弱，但不能很好的反映泡沫在巖心深部的封堵效果，因而提出了一個新的表征泡沫封堵范圍的指標(biāo)?有效倍數(shù)，

式中，Doutlet為泡沫驅(qū)時出口段上壓差，Dinlet為泡沫驅(qū)時入口段上壓差。

通過處理水驅(qū)和泡沫驅(qū)時的壓力數(shù)據(jù)，得到填砂模型上總阻力因子和各段上的阻力因子，并通過對比泡沫驅(qū)時入口段和出口段上的壓差，計算得到有效倍數(shù)，實(shí)驗結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，隨著溫度升高，阻力因子和有效倍數(shù)都是先增大后大幅減小，40℃ 時封堵性能最優(yōu)，說明低溫下適當(dāng)升溫，泡沫封堵性能變好，但溫度過高則不利于泡沫封堵。同時，填砂模型上阻力因子分布表明，入口段泡沫封堵強(qiáng)度隨溫度變化不大，溫度主要影響泡沫在巖心深部的封堵強(qiáng)度。高溫下泡沫深部封堵強(qiáng)度大幅降低，導(dǎo)致封堵范圍減小，這是高溫泡沫封堵性能下降的主要原因。

3.2 泡沫界面性質(zhì)

形成氣-液界面后，界面張力迅速降低，逐漸趨于平衡，取7 min后的表面張力隨時間變化關(guān)系作圖3。

由圖3看出，7 min后界面張力基本不再變化，說明此時已達(dá)到平衡，平衡值依次為30.4、28.6、31.9、33.0 mN×m-1。隨溫度升高，平衡界面張力先減后增，40℃ 時氣-液界面張力最小。這是因為溫度升高，液體的飽和蒸汽壓增大，氣相中分子密度增加，氣相分子對表面分子吸引力增大，同時液體分子間距增大，分子間作用力減弱，對界面上表面活性劑分子的吸引力減小，兩種效應(yīng)均使得界面張力降低；但由于起泡劑主要成份為非離子表面活性劑，通過與水形成氫鍵而溶于水，當(dāng)溫度過高時，氫鍵斷裂，溶解度降低，氣液界面上表面活性劑吸附量減少，界面張力增大[6,11,12]。兩種作用共同影響，導(dǎo)致界面張力隨溫度先減后增，在40℃時出現(xiàn)極小值。

界面模量隨振蕩頻率的規(guī)律性變化能夠反映泡沫液膜的流變性質(zhì)。圖4中各溫度下界面擴(kuò)張模量對振蕩頻率的雙對數(shù)曲線基本呈線性關(guān)系，并且斜率都小于0.5，這說明界面上發(fā)生的弛豫過程均以擴(kuò)散弛豫為主，其特征頻率大于振蕩頻率。界面擴(kuò)張模量隨振蕩頻率增大而增大，隨溫度升高先增后減，40℃時界面擴(kuò)張模量最大。這是因為振蕩頻率的增大使以擴(kuò)散交換為主的弛豫過程作用時間縮短，界面上產(chǎn)生的界面張力梯度增大，擴(kuò)張模量增加[11,14]。溫度從多個方面影響界面模量，一是通過影響界面張力來影響擴(kuò)張模量，界面張力越小，振蕩產(chǎn)生的界面張力梯度就越大，擴(kuò)張模量就越大；二是影響分子熱運(yùn)動，溫度升高使滑障的擴(kuò)張壓縮速度小于表面活性劑分子的擴(kuò)散速度，起到減小界面張力梯度的作用；三是影響表面活性分子在氣液界面上的排布構(gòu)象，高溫下表面活性劑的尾鏈卷曲程度增強(qiáng)，界面強(qiáng)度增加，但同時親水頭基隨溫度升高而分布不均勻，使界面膜強(qiáng)度下降[13~19]。上述多種因素的競爭作用，導(dǎo)致界面模量極大值的出現(xiàn)。

由于表面活性劑分子在界面上的吸附使液膜具有黏彈性，因而擴(kuò)張模量包括彈性部分和黏性部分。界面彈性模量也稱作儲能模量，與界面上分子間的相互作用密切相關(guān)；界面黏性模量又為損耗模量，與表面活性劑分子擴(kuò)散交換等弛豫過程有關(guān)。結(jié)合圖4和圖5發(fā)現(xiàn)，界面彈性模量與擴(kuò)張模量大小相近，變化規(guī)律一致。這是因為擴(kuò)散弛豫過程作用時間很短，界面黏性模量貢獻(xiàn)較小，少量能量耗散出去，而大部分被儲存在體系中，所以擴(kuò)張模量以界面彈性模量為主，界面彈性模量變化規(guī)律與擴(kuò)張模量保持一致[11]。

由圖6可以看到，低溫時界面黏性模量隨振蕩頻率增大而增大，而80℃ 時界面黏性模量基本不隨頻率變化。前面分析已知，振蕩頻率越大，擴(kuò)張模量就越大，但擴(kuò)張模量中黏性部分比例減小，只要擴(kuò)張模量增大程度大于黏性比例減小程度，界面黏性模量就隨頻率增大而增大。界面黏性模量隨溫度升高而減小，這是由于溫度升高，表面活性劑分子在界面上吸附量減少，水化作用減弱，同時分子熱運(yùn)動加劇，表面活性劑分子由界面向體相中擴(kuò)散的阻力減小，這些作用共同導(dǎo)致界面黏性模量隨溫度升高而減小[14,16]。

3.3 泡沫封堵性能影響因素分析

3.3.1 界面張力影響

由于泡沫屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，根據(jù)Gibbs原理，體系總是趨于能量最低，所以低界面張力對泡沫形成有利，但不能保證較好的泡沫穩(wěn)定性。研究表明，界面張力不是泡沫穩(wěn)定性的決定因素。當(dāng)界面張力滿足一定值之后，界面張力變化對泡沫穩(wěn)定性影響不大，而此時決定泡沫穩(wěn)定性的主要因素是界面膜強(qiáng)度[6,14]。泡沫封堵性能與界面張力的關(guān)系如圖7所示，隨溫度升高，界面張力先減后增，而泡沫封堵能力恰好先增后減，兩者具有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明界面張力能夠在一定程度上反映泡沫封堵性能。

3.3.2 界面流變性影響

泡沫封堵性能實(shí)質(zhì)上是滲流過程中氣泡所承受的剪切作用的宏觀表現(xiàn)[5]，而氣泡所能承受的最大剪切作用力與液膜強(qiáng)度、彈性和黏度等界面性質(zhì)密切相關(guān)[11,13,20]。界面彈性模量表征了液膜表面彈性，界面彈性模量越大，表面彈性越好，液膜受外力變形后恢復(fù)原狀的能力越強(qiáng)；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，液膜強(qiáng)度越強(qiáng)，越不容易受外界擾動而破裂[11,16]。因此，建立泡沫封堵性能與界面性質(zhì)之間的聯(lián)系，對分析封堵性能影響機(jī)制很有必要。

圖7和圖8分別表示阻力因子和有效指數(shù)與界面模量的對應(yīng)關(guān)系，可以看到，隨溫度升高，阻力因子、有效指數(shù)與擴(kuò)張模量、界面彈性模量變化規(guī)律一致，這說明溫度對泡沫封堵性能的影響與擴(kuò)張模量的變化有關(guān)，溫度通過影響界面擴(kuò)張模量來影響泡沫封堵性能。由于擴(kuò)張模量中界面彈性模量占主導(dǎo)，因而泡沫封堵性能主要受界面彈性模量影響。同時，還發(fā)現(xiàn)20℃和60℃ 時界面彈性模量和擴(kuò)張模量基本相等，但阻力因子和有效倍數(shù)卻差別很大，可見泡沫封堵性能不僅僅由界面彈性模量決定。對比兩個溫度下的界面性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，20℃ 時界面黏性模量較大，而60℃ 時界面黏性模量大幅降低，說明界面黏性模量對泡沫封堵性能也有一定影響，如果界面黏性模量很小，液膜強(qiáng)度較差，即使界面彈性模量很大也難以形成良好封堵。

3.3.3 泡沫靜態(tài)性質(zhì)影響

綜上所述，盡管泡沫封堵性能影響因素很多，但根本上由界面性質(zhì)決定。泡沫封堵作用取決于泡沫所能承受最大剪切應(yīng)力和起封堵作用的氣泡數(shù)量，界面流變性反映液膜受力變形并恢復(fù)原狀和抵抗外力擾動的能力，界面張力通過影響泡沫再生能力而影響氣泡數(shù)量。封堵性能好的泡沫應(yīng)同時具有一定的高黏度和良好的彈性，界面彈性模量和界面黏性模量共同影響泡沫封堵性能。較高的界面黏性模量是泡沫封堵的基礎(chǔ)，液膜只有具備一定的機(jī)械強(qiáng)度，泡沫才能承受外力擾動而不破裂，所以界面黏性模量應(yīng)滿足一定最小值；界面彈性模量決定了液膜受外力變形后恢復(fù)原狀的能力，當(dāng)液膜具備一定強(qiáng)度后，界面彈性模量越大，液膜抵抗變形并恢復(fù)原狀的能力就越強(qiáng)，泡沫所能承受的剪切作用就越大，因而泡沫封堵性能隨界面彈性模量的增大而增強(qiáng)。界面張力越小，越容易生成氣泡，并且對應(yīng)越大的界面模量，因而與泡沫封堵性能有一定負(fù)相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié) 論

(1) 溫度由20℃升高至80℃，以非離子型表面活性劑茶皂素為主要成分的HY-GW起泡劑的泡沫封堵能力先增后減，在40℃最佳，80℃ 時阻力因子降低超過80%，有效倍數(shù)低至不足40℃的六分之一。溫度主要影響了泡沫的深部封堵能力，80℃時出口段上泡沫封堵強(qiáng)度不足40℃ 時的10%。

(2) 溫度由20℃升高至80℃，界面張力先減后增，40℃界面張力最小可達(dá)28.6 mN×m-1。隨溫度升高，界面上表面活性劑分子受氣相分子吸引力增加，受液相分子吸引力減小，同時吸附量因非離子表面活性劑溶解度降低而減少，多種競爭作用共同導(dǎo)致界面張力先減小后增大。

(3) 隨振蕩頻率增加，界面上產(chǎn)生的界面張力梯度增大，界面模量都增大。相同溫度變化范圍內(nèi)，擴(kuò)張模量和界面彈性模量先增大后減小，而界面黏性模量一直減小，40℃ 時工作頻率0.1 Hz所對應(yīng)的最大擴(kuò)張模量、最大界面彈性模量和界面黏性模量分別為9.24、8.74和2.97 mN×m-1。這是由溫度對界面張力、水化作用和分子熱運(yùn)動的影響共同決定的。

(4) 界面流變性從液膜強(qiáng)度的角度影響泡沫封堵性能，封堵性能好的泡沫應(yīng)同時具有一定的高黏度和良好的彈性，因而受到界面彈性模量和界面黏性模量共同影響；界面張力通過影響泡沫再生來影響氣泡數(shù)量，并且界面張力越小，對應(yīng)的界面模量越大，氣泡數(shù)量越多，因而與泡沫封堵能力有一定負(fù)相關(guān)關(guān)系。

符號說明：

改革開放40年來，云南省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展取得了舉世矚目的偉大成就，特別是黨的十八屆三中全會以來，各項經(jīng)濟(jì)指標(biāo)顯著增長：地區(qū)生產(chǎn)總值年均增長9．4%，財政收入年均增長7．1%，固定資產(chǎn)投資年均增長20．2%，城鄉(xiāng)居民人均可支配收入年均分別增長8．8%和10．7%，社會消費(fèi)品零售總額年均增長12．3%；全省經(jīng)濟(jì)總量在全國位次5年前進(jìn)4位，2017年位居全國20位。

A? 界面面積，m2△Pinlet? 泡沫驅(qū)時入口段上壓差，MPa E? 擴(kuò)張模量，mN×m-1△Poutlet? 泡沫驅(qū)時出口段上壓差，MPa ? 界面彈性模量，mN×m-1Y? 有效倍數(shù) ? 界面黏性模量，mN×m-1Z? 阻力因子 DPfoam? 泡沫驅(qū)時驅(qū)替壓差，MPaγ? 界面張力，mN×m-1 DPwater? 水驅(qū)時驅(qū)替壓差，MPaq? 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。

國家自然科學(xué)基金 (51274228)；教育部博士點(diǎn)基金 (20120133110008)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目(24720142043)。

王壯壯(1989-)，男，山東東營人，中國石油大學(xué)(華東)博士生。通訊聯(lián)系人：李兆敏，E-mail：lizhm@163.com