水基泡沫微觀性質(zhì)分析

吉凱，周陽

水基泡沫微觀性質(zhì)分析

吉凱，周陽

（西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

對水基泡沫結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的研究進程與成果進行介紹。其中在微觀結(jié)構(gòu)方面，分析了水基泡沫的形成條件、形成過程、組成成分，并總結(jié)歸納了泡沫微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展情況；微觀性質(zhì)方面，從水基泡沫的物化性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、流變性以及穩(wěn)定性幾方面出發(fā)，總結(jié)分析了近年來國內(nèi)外關(guān)于水基泡沫的研究方法與成果。最后指出了水基泡沫未來的研究方向。

水基泡沫；泡沫結(jié)構(gòu)；泡沫性質(zhì)；PB通道；液膜

水基泡沫流體在石油與天然氣領(lǐng)域中具有十分廣泛且重要的應(yīng)用，例如在實際生產(chǎn)過程中，石油鉆井、驅(qū)油采油以及天然氣氣井積液排除等作業(yè)時都會涉及到對泡沫流體的相關(guān)研究。目前在該領(lǐng)域，有關(guān)泡沫流體的熱點問題大都集中于其在井筒、立管和極少數(shù)集輸管道中的宏觀流動上，另外還包括有泡沫鉆井、泡沫壓裂液等一些方面的宏觀探究，然而要想對泡沫流體具有更深層面的認知，就需要從微觀角度對泡沫體系進行更加透徹的分析及了解。

本文以水基泡沫體系為研究對象，對泡沫的形成條件、組成成分以及泡沫基本單元的微觀結(jié)構(gòu)進行逐一介紹，此外文章還將結(jié)合國內(nèi)外研究狀況，對泡沫體系的微觀性質(zhì)（流變性、物化性質(zhì)、穩(wěn)定性等）進行歸納及總結(jié)。

1 泡沫結(jié)構(gòu)

1.1 形成條件及過程

通過毛細管向純凈的單質(zhì)水相中鼓起雖然能夠在短時間內(nèi)形成氣泡，但由于缺乏液膜吸附層，會導(dǎo)致整個泡沫體系的破泡速度遠大于發(fā)泡速度，從而無法在靜止中長期穩(wěn)定的存在。工藝應(yīng)用中所指液態(tài)泡沫是由大量氣泡在溶液體系中所密集堆積形成的、具有高度自組織的非平衡系統(tǒng)，該溶液體系必須擁有兩種或以上組分的混合溶液，例如表面活性劑溶于水、一些有機大分子或可溶于水的高分子溶液體系，此外還包括一些其他溶劑所形成的溶液體系等。

在石油與天然氣領(lǐng)域中，常見的水基泡沫體系基本都是使用表面活性劑來進行起泡發(fā)泡的，如圖 1所示。當(dāng)起泡劑分子在水中均勻溶解并通入氣體后，其親水端基會指向液相一側(cè)，疏水端基則會朝向氣相一側(cè)，此時由于氣液密度差與液相表面張力改變的原因，起泡劑分子便會吸附在氣泡的氣液界面上，形成一層致密緊湊的分子層。在此之后，由于浮力作用，氣泡會從溶液中繼續(xù)上升至溶液液面之上，這時因為最上層的氣泡裸露在氣相中，每個和氣相直接接觸的氣泡就會形成內(nèi)外兩個氣液界面，氣液界面中間為起泡劑溶液，起泡劑分子則會在新的氣液界面上再次匯聚，從而在兩個氣液界面上形成一種特殊的雙層吸附[1]。

液膜的雙吸附層對于泡沫的穩(wěn)定性具有十分重要的作用，這是因為其不僅阻止了液膜中液體的揮發(fā)，而且就單側(cè)活性劑分子層而言，分子間引力還可以增加雙吸附層的強度。另外雙吸附層的存在同時也增大了泡沫液膜的黏度，這就會使泡沫中液體的流動性變差，從而使液膜保持在一定厚度延緩破裂。另外雙吸附層兩邊的親水基會在水中發(fā)生電離，并產(chǎn)生相互作用的靜電斥力，這也在一定程度上阻礙了液膜的變薄破裂。

圖 1 泡沫形成過程及起泡劑吸附形式

1.2 組成成分

水基泡沫體系的組成成分主要包括氣相和液相兩大部分，其中氣相為分散相，液相為連續(xù)相。常見的氣相通常有空氣、氮氣和二氧化碳；液相則一般由淡水、地層水或鹽水和相應(yīng)的穩(wěn)泡劑及起泡劑混合溶液組成。

1.2.1 氣相

在石油與天然氣工程中，由于空氣和天然氣之間存在著易燃、易爆等不安全因素，故在生產(chǎn)作業(yè)時，氣體一般多采用氮氣或二氧化碳，但由于兩種氣體的物化性質(zhì)存在較大差異，故由其分別形成的泡沫體系的微觀性質(zhì)也各具特點。對于二氧化碳，由于其具有較強的溶解能力及反應(yīng)能力，所以形成泡沫體系的穩(wěn)定性一般較差，但又因其密度大、靜水壓頭高，所以通常多適應(yīng)于現(xiàn)場深井作業(yè)；氮氣為惰性氣體，不易和地層流體及巖石發(fā)生反應(yīng)[2]，同時在水中的溶解能力遠小于二氧化碳，因此由其形成的泡沫體系相對穩(wěn)定，另外氮氣的作業(yè)溫度相對較低，工程作業(yè)時，可直接通過液氮車設(shè)備進行汽化，最終以氣態(tài)形式被泵送入井內(nèi)。

1.2.2 液相

在水基泡沫體系中，液相成分及性質(zhì)一般較為復(fù)雜，同時也是影響泡沫性質(zhì)的主要組成部分[3]。

淡水、地層水或鹽水均是水基泡沫體系中常見的液相組成成分，但在實驗研究和現(xiàn)場施工時，水基泡沫的液相組分一般采用地層水或鹽水，這是由于其發(fā)泡體積和能力雖然低于淡水配置的泡沫，卻可以有效防止地層黏土膨脹等不配伍方面的危害等問題。另外這些較小密度的水基泡沫流體往往在油藏增注、排水采氣、鉆井作業(yè)等方面發(fā)揮重要作用。

除卻淡水、地層水以及鹽水外，水基泡沫的液相組分還包括有各類起泡劑[4]。目前市面上常見的起泡劑種類有陰離子起泡劑、陽離子起泡劑、非離子起泡劑、兩性離子起泡劑、聚合物起泡劑以及復(fù)合型起泡劑，其各自的性質(zhì)及特點可詳見表1。

表1 常見起泡劑性質(zhì)及特點

1.3 微觀結(jié)構(gòu)

最早在17世紀初期，德國物理學(xué)家開普勒就已開始對泡沫的微觀空間結(jié)構(gòu)提出了猜想，到19世紀70年代，比利時物理學(xué)家普拉圖（Plateau）在其《Statique Expirimentale et Théorique des Liquides soumis aux Seules Forces Moleculaires》一書中最先提出了泡沫結(jié)構(gòu)平衡法則，并自此將泡沫結(jié)構(gòu)的研究推向了量化階段。普拉圖猜想（即穩(wěn)定液膜應(yīng)具有最小面積）同開普勒猜一直是物理和數(shù)學(xué)界關(guān)注研究的熱點之一，19世紀中期，匈牙利數(shù)學(xué)家Toth證明了正多邊形是所有首尾相連的多邊形中周長最小的，而且還認為，與任何形狀的圖形相比，正六邊形的周長最小，不過這一觀點并未在當(dāng)時得到證明。此外，美國數(shù)學(xué)家Jean Taylor及Frederick Amigren也曾對普拉圖猜想進行過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，并證明在最小面積的前提下，3個相連液膜的夾角為120°，4個相連液膜的夾角為109.47°，但當(dāng)時人們認為該證明并不充分完整[5]，仍需進行進一步補充及解釋。上述問題最終在20世紀末被美國數(shù)學(xué)家Thomas C. Hales借助計算機輔助得以驗證，目前，普拉圖提出的泡沫結(jié)構(gòu)平衡法則已普遍為學(xué)術(shù)界所接受，并在許多領(lǐng)域的實際發(fā)展中得到廣泛應(yīng)用。

1.3.1 泡沫結(jié)構(gòu)平衡法則

普拉圖泡沫結(jié)構(gòu)平衡法則提出以4個相互作用的泡沫作為基本單元，泡沫粒徑范圍約在10 μ拉至1 cm之間，4個泡沫的交匯點稱為節(jié)點，從節(jié)點四面向外延伸的凹三角柱體為plateau通道，再沿著 plateau通道中每個側(cè)棱向外延伸的平面則為泡沫的液膜。在該平衡法則中，每3個氣泡圍成一個plateau通道，通道之間的夾角約為109.47°，每兩個氣泡間形成一個液膜，液膜與液膜之間的夾角則為120°，如圖2所示。由此可以看出，一個泡沫基本單元是分別由一個節(jié)點、4個plateau通道以及6個液膜組合而成的[6]。

圖 2 Plateau通道平面及空間結(jié)構(gòu)

1.3.2 Plateau通道

力平衡的Plateau界面如圖 3所示。當(dāng)泡沫形成以后，由于重力及毛細管力的作用會不斷發(fā)生滲流析液現(xiàn)象，此時根據(jù)拉普拉斯定律可得：

式中：B、A—圖 3中B點（液膜）與A點（PB截面）的壓力；

—PB通道的曲率半徑；

—表面張力。

該式表明，B處的壓力較A處的壓力大，在這種壓差下，泡沫中的液體會自動的從B點向A點流動，從而使液膜變薄并最終導(dǎo)致泡沫的破碎與合 并[7]。

1.3.3 胞元模型

在泡沫研究領(lǐng)域，單個胞元結(jié)構(gòu)是泡沫群性能的主要研究范圍，因為一切對泡沫的研究都要基于此結(jié)構(gòu)來導(dǎo)出控制方程[8]。目前，被廣泛采用泡沫的胞元模型主要有三大類：19世紀末期，英國物理學(xué)家Kelvin曾基于“在三維空間劃分若干部分，使得等體積條件下系統(tǒng)內(nèi)接觸面積最小”的問題，提出了Kelvin泡沫微觀結(jié)構(gòu)，如圖 4所示，該胞元模型是由8個正六邊形和6個正四邊形組成一種特殊的十四面體，并且在此后的一個多世紀里，科學(xué)界一直將其視為上述問題的最佳答案。直到20世紀90年代，爾愛蘭都柏林大學(xué)圣三一學(xué)院物理學(xué)教授Weaire和Phelan受到硅基籠狀化合物的啟發(fā)，并借助Surface Evolver軟件模擬，才再次提出了一種新型結(jié)構(gòu)的W-P模型，如圖 5所示，該模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由十四面體（被12個五邊形與2個六邊形包圍）和不規(guī)則五邊形組成的12面體共同構(gòu)成，且胞元總面積比Kelvin胞元模型減少了0.3%，著名游泳館“水立方”的幾何結(jié)構(gòu)便是以此模型的理論基礎(chǔ)建造而成的。除此之外，五邊形十二面體結(jié)構(gòu)也被廣泛應(yīng)用于泡沫演化析液分析的數(shù)值計算中，其空間結(jié)構(gòu)見圖 6。

圖4 Kelvin胞元模型

圖5 W-P胞元模型

圖6 五邊形十二面體模型

2 泡沫性質(zhì)

2.1 物化性質(zhì)

描述泡沫特性的一個重要參數(shù)是泡沫特征值，泡沫特征值又稱為泡沫干度或泡沫質(zhì)量[9]，是指在一定溫度和壓力條件下，泡沫中的氣體體積分數(shù)，即單位體積泡沫中氣體體積的占比，常用表示，其關(guān)系式如下[10]：

式中：—泡沫特征值，無量綱；

G—氣體體積，m3；

L—液體體積，m3；

F—泡沫體積，m3。

在泡沫研究中，通常把液體體積分數(shù)極?。ㄐ∮?%）的泡沫稱為干泡沫，而將液體體積分數(shù)介于1%～30%左右的泡沫稱為濕泡沫。因為泡沫存在氣體，所以泡沫流體具有可壓縮性質(zhì)，又由于其中的液相組分不具有壓縮性，所以泡沫流體是一種半壓縮性流體[11]。

李松巖等通過PVT筒室內(nèi)實驗裝置，研究了泡沫流體密度在不同氣液質(zhì)量比、溫度及壓力下的變化規(guī)律。實驗結(jié)果表明，在相同的溫度及氣液比條件下，隨著壓力的升高，泡沫流體密度會呈現(xiàn)出先增大后平緩的變化趨勢，而這一現(xiàn)象正是由于泡沫流體的半壓縮性所致；另外在相同氣液比與壓力條件下，隨著溫度的升高，泡沫流體的密度會表現(xiàn)出逐漸遞減的規(guī)律，這表明在一定溫度范圍內(nèi)，溫度的改變會引起泡沫體系中氣體體積的變化，從而使泡沫流體的物性也隨之改變。除此之外，實驗還對比了同等壓力及溫度下，不同氣液比對泡沫流體密度的影響，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析可以得出，泡沫體系的氣液質(zhì)量比越大，泡沫流體密度隨著壓力變化的遞增時間就越長，即泡沫的壓縮性越強。

郭旭針對不同理化性質(zhì)的復(fù)合表面活性劑，研究了泡沫性能與表面性質(zhì)之間的關(guān)系。實驗得出，泡沫性能與表面張力存在反比關(guān)系，低表面張力的表面活性劑溶液有起泡能力高、泡沫穩(wěn)定性強的趨勢[12]，這是因為低表面張力形成泡沫時所需的能量較低，且在同等能量引入條件下，起泡能力更好。

閻曉雨基于川西LHS氣田，從現(xiàn)場常用的8種起泡劑中篩選出了地層配伍性穩(wěn)定、攜液能力突出且穩(wěn)泡性能最好的UT-5D型起泡劑。實驗數(shù)據(jù)表明，針對同一種起泡劑，溫度、起泡劑濃度、pH值以及礦化度對起泡性能均有顯著影響，其中起泡劑濃度和溫度的影響主要表現(xiàn)為其在一定范圍內(nèi)對于泡沫體系起泡和穩(wěn)泡的促進作用，而礦化度的增高則會導(dǎo)致體系中泡沫的生成量與半衰期雙雙下降。另外實驗結(jié)果顯示，pH值的變化對于泡沫溶液的發(fā)泡高度無明顯影響，但泡沫半衰期會隨著pH值的增大表現(xiàn)出先降低后增大的總體趨勢，這說明酸或堿的存在會部分干擾泡沫體系的平衡狀態(tài)，從而使泡沫性能受到一定影響。

2.2 流變性

目前，有關(guān)泡沫相態(tài)劃分最常見的方法為Mitchell法[13]，其通過質(zhì)量參數(shù)為泡沫流體的流變狀態(tài)定義了不同區(qū)域，即當(dāng)泡沫質(zhì)量在0～0.52時，泡沫體系處于分散區(qū)，氣泡不會受到彼此之間的干擾且呈球形狀態(tài)，屬于牛頓流體；當(dāng)泡沫質(zhì)量在0.52～0.74時，泡沫體系處于干擾區(qū)，此時泡沫之間開始相互作用，球體匯聚，且啟動剪切力與黏度增大；泡沫質(zhì)量在0.74～0.96時，泡沫體系處于穩(wěn)定期，這時氣泡為多面體狀態(tài)，液膜呈多邊形，屬于賓漢姆流體或假塑性流體；泡沫質(zhì)量在0.96～1.00之間時，泡沫體系處于霧區(qū)，液量很小，呈霧狀分布在氣體之中。

張猛[14]采用BROOKFIELD R/S Plus流變儀研究了水成膜泡沫的屈服特性和流變性，并提出了修正的Herschel-Bulkley流變模型。實驗表明，在恒定剪切速率下，泡沫的表觀黏度在一定時間范圍內(nèi)先持續(xù)增加，后逐漸趨于平穩(wěn)，并且在相同剪切速率下，氣體體積分數(shù)越大，表觀黏度也就越大。

趙化廷采用HAAKE流變儀分別研究了水基泡沫和礦化泡沫兩種體系下，不同剪切速率與泡沫表觀黏度之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，在泡沫質(zhì)量為0.75左右時，兩種泡沫體系的表觀黏度均隨著剪切速率的增加表現(xiàn)出剪切稀釋性。此外實驗還分別得出了兩種泡沫體系下剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系曲線，并發(fā)現(xiàn)在低剪切速率下泡沫體系服從假塑性流體特性，在高剪切速率下，泡沫體系服從賓漢姆流體特性。

2.3 力學(xué)性質(zhì)

水基泡沫是一個非平衡系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)會隨著時間的推移而不斷發(fā)生演化，其演化過程主要涉及3個機制：泡沫滲流、液膜破裂以及氣體擴散[15]。

由于毛細管力的存在，泡沫中的液相組分會先從泡沫液膜向Plateau通道中匯聚，如圖7所示，再于重力作用的驅(qū)使下，泡沫體系中的液體會沿著Plateau通道繼續(xù)下滲，這一過程最終會隨著重力方向的靜壓力梯度與重加速度相平衡而結(jié)束，從而使泡沫體系中液膜的厚度隨著高度的增加而減小。

圖 7 泡沫滲流

液膜的破裂主要發(fā)生在干泡沫中，其原因主要是隨著滲流作用的發(fā)生，表面活性劑分子的排斥力和馬蘭戈尼效應(yīng)不足[16]。

根據(jù)拉普拉斯定律，較小曲率半徑的氣泡內(nèi)部具有較大壓強，從而在表面張力的驅(qū)動下，泡沫體系中小氣泡內(nèi)的氣體分子就會通過液膜不斷向較大氣泡擴散，最終使得體系中氣液界面的面積減小。

以上3種機制相互關(guān)聯(lián)，滲流發(fā)生時，液膜內(nèi)微量液體的流動會影響氣泡間的氣體擴散，同時液膜破裂和氣體擴散過程會導(dǎo)致氣泡平均直徑增加，進一步促進液體滲流，使得液態(tài)泡沫呈現(xiàn)出隨時間不斷變化的非平衡特性。雖然液態(tài)泡沫的演化過程可以被十分清楚的觀察到，但目前對于各個階段的定量分析及內(nèi)在機制仍有待研究[17]。

2.4 穩(wěn)定性

泡沫為熱力不穩(wěn)定體系，除了發(fā)泡液體自身的物質(zhì)組成以及界面性質(zhì)會對泡沫的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響外，外界因素（如溫度、壓力、起泡劑濃度、礦化度等）也會對泡沫的穩(wěn)定性起到非常重要的作用[18]。目前衡量泡沫穩(wěn)定性的指標包括泡沫體系起泡高度、泡沫半衰期以及泡沫的析液特性等。

KOEHLER[19]等通過對泡沫內(nèi)外PB邊界幾何模型與物理模型的建立，分別模擬了相同條件下兩種邊界內(nèi)的速度場速度分布情況，如圖 8所示。從圖8中可以看出，外PB邊界（由與容器接觸的泡沫形成）內(nèi)流體的流速要普遍大于內(nèi)PB邊界，另外越靠近PB邊界中心，流場內(nèi)的流速越趨向于最大值。此外他們發(fā)現(xiàn)，對于剛性液-氣界面，當(dāng)外部PB通道的數(shù)量為內(nèi)部PB通道數(shù)量的1/7時，流經(jīng)內(nèi)外兩種PB通道的流量相等。而如果體系內(nèi)外部PB通道的數(shù)量大于內(nèi)部PB通道，則外部PB通道可以對泡沫體系的析液作用產(chǎn)生強烈影響。BRANNIGAN[20]等的實驗結(jié)果也表明，在一定的液體體積分數(shù)下，隨著容器管直徑的減小，由于外部PB通道的影響，泡沫析液率明顯增加。

圖8 內(nèi)外PB邊界及其速度場

3 結(jié) 論

水基泡沫具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)外PB通道、節(jié)點以及液膜等元素，因此其微觀研究對于泡沫流體領(lǐng)域的發(fā)展具有十分重要的意義。目前，國外在泡沫體系的微觀研究方面雖然取得了一定程度的量化成果，但大都是基于各種約束與假設(shè)之下，其結(jié)論也往往只適于某一情況或一定范圍，多具有較強的局限性。國內(nèi)有關(guān)泡沫體系的微觀報道更是少見，只有少數(shù)文獻基本停留在有關(guān)泡沫性質(zhì)實驗的定性分析上，因此目前對于該領(lǐng)域的研究仍處于起步階段，而以后的研究熱點應(yīng)主要集中在以下幾個方面：

1）結(jié)合動力學(xué)與流變學(xué)知識，分析與泡沫體系相關(guān)的流變特性參數(shù)，完善泡沫流體流變模型。

2）以單個氣泡為研究對象，分析PB通道、液膜及節(jié)點中泡沫流體的流動狀態(tài)及特性，完善微觀尺度泡沫流體流動特性機理。

3）深入對液膜破裂、氣體擴散、氣泡并聚等泡沫力學(xué)特征的量化研究，探討泡沫體系演變過程中各個階段之間的聯(lián)系與影響。

4）從外界因素（如溫度、壓力等）與泡沫體系自身性質(zhì)出發(fā)，繼續(xù)深化對泡沫穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的各關(guān)鍵因素的研究。

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Analysis on Microscopic Properties of Water-based Foam System

,

（College of Petroleum EnXi'an Shiyou University, Xi’an Shaanxi 710000, China）

The research progress and achievements of the structure and properties of water-based foam were mainly introduced. In the aspect of microstructure, the formation condition, formation process and composition of water-based foam were analyzed,and the development of foam microstructure was summarized. In terms of microscopic properties,the research methods and achievements of water-based foams in recent years were summarizedand analyzed from the physical and chemical properties, mechanical properties, rheological properties and stability of water-based foams. At last, the future research direction of water-based foam was pointed out.

Water-based foam; Foam structure; Foam property; PB channel; Film

2021-05-13

吉凱（1997-），男，陜西省咸陽市人，碩士，就讀西安石油大學(xué)石油與天然氣專業(yè)，研究方向：泡沫多相流。

O648.2+4

A

1004-0935（2021）12-1840-06