氮气泡沫原理

氮气泡沫原理
1、泡沫形成机理 泡沫是不溶性气体分散于液体中形成的多孔膜状多相分散体系， 是热力学不稳定体系， 类似于乳状液或悬浮液，所不同的是分散相为气体，而不是液体或细微颗粒。在泡沫体系 中，气相是分散相，而液体是分散介质（连续相） 。 绝对纯净的液体不会产生泡沫，因为在绝对纯净的液面以下形成的气泡，它们相互接 触或从液体中溢出时就立即破裂，同时液体也从泡沫中流出，如果液体中存在表面活性剂， 表面活性剂能够吸附在气液界面上，在气泡之间形成液膜，产生并稳定泡沫。泡沫是许多 气泡聚集、悬浮在液体中，并被液体薄膜隔离开来的体系。 起泡机理：表面活性剂加入气、液体系中，其分子在气、液界面上作定向排列，形成 液膜、降低界面张力。气体通入该体系时，液体发生膨胀，液膜包围气泡而形成泡沫。当 气泡表面上所吸附的表面活性剂分子达到一定程度时，气泡壁就形成一层坚固的薄膜使气 泡不易合并，从而有利于泡沫的稳定。因此，利用表面活性剂降低体系的表面张力（界面 张力） ，是形成泡沫的首要条件。 2、泡沫的组成 （1）气相 构成石油工业的泡沫流体的气相多为空气、天然气、氮气以及二氧化碳。考虑到安全 经济等因素，一般使用较多是用氮气或二氧化碳作为气相。 氮气是惰性气体，不易与地层流体及岩石发生反应。与空气相比，氮气在水中的溶解 能力大约是空气的十分之一，这样，就减少了因乳化、沉淀堵塞地层的不利因素；二氧化 碳溶解能力强、易发生化学反应，形成泡沫的稳定性差。所以，生成泡沫的最佳气相为氮 气。 （2）液相 以泡沫的液相性质可分为水基、醇基、烃基和酸基，驱油泡沫都是水基泡沫。淡水、
c) 薄膜分断 这种机理的特征与缩颈分离是非常接近的，所形成的分散气泡或者流入，或者堵塞通 道。这个机理在某一点可能发生无数次，而且在较高气体流速下，情况也是这样。 6、泡沫的特殊物理性质 （1）密度可调，液柱压力低，对地层伤害小。 常压下其最低密度可达 0.03～0.04，在井眼中其平均密度一般均低于 0.5～0.8 。
泡沫是假塑性流体，粘度随剪切应力的增 加而降低；孔道大则流速低，剪切应力小，因 而视粘度较高。
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为保证气体的量，建议作业气液比保持在 2，并且在注入泡沫之前，预先注入一定的泡 沫基液段塞。 c) 泡沫流动过程中，泡沫的流动速度不一。 d) 泡沫在通过不规则孔隙介质时，会降低孔隙介质的渗流能力。 采用不规则的模型进行渗流实验， 虽然 已经产生了泡沫，但是，模型两端的压差继 续增加，实验室不能继续，而采用规则模型 时，该现象不会发生。说明，泡沫在变径孔 道中流动时，会产生附加的阻力，从而使其 改道，进入其他的孔隙，达到调剖的作用。 这样泡沫可以有效地增加波及面积， 但同时 也会增加注入压力。 （2）泡沫渗流机理 a) 液膜滞后 当气体侵入事先被流体饱和的区域时， 它便渗流入许多连接的孔道， 通常两股气体 的前缘以不同的方向到达同一流体充填的 空间，孔隙空间的液体就被两个前缘挤成薄膜，如果这个液相中有足够的表面活性剂的话， 这个薄膜可能是稳定的， 否则， 它就会破裂。 b) 缩颈分离 随着气泡的扩张，毛管压力递减，液相 中产生压力梯度使流体从周围进入狭窄的 孔道中。 这种来液就以环状聚集在狭道中， 如 果毛管压力低于临界值， 液体最终会使气泡缩 颈分离。
矿化度对泡沫稳定性的影响
半衰期随温度升高而降低。温度较高时，一方面液膜的水分蒸发加剧，排液速度加快， 在高速搅拌下生成的泡沫易破灭；另一方面，温度较高时，活性剂分子亲水基的水化作用 下降，疏水基碳链间凝聚力减弱，表面粘度降低，泡沫稳定性下降。 泡沫在不同压力下稳定性不同，压力越大，泡沫越稳定 。这是因为泡沫质量一定时， 压力越大，泡沫半径越小；泡膜的面积越大，液膜变得越薄，排液速度越低。 F、PH 值的影响 泡沫溶液的 PH 值， 影响起泡剂的溶解性和表面层的吸附状态， 因而影响泡沫的稳定性。 一般情况下，过高或者过低的 pH 值下，泡沫的稳定性较差。 G、气泡结构的影响
原油遇到泡沫时可能出现以下三种 情况： A 型： 在孔道中原油和泡沫相遇后界 限分明，二者无相互作用，仅仅由于毛 细作用，油以大滴状沿固体表面略微上 升。两者之间不存在相互作用和影响 B 型： 原油能进入泡膜， 但不能在泡 膜表面铺展，原油对泡沫的破坏作用取 决于油珠大小，油珠足够小时可被大量吸入而剧烈减小泡沫的稳定性。 C 型：原油能进入并在泡膜表面铺展，对泡膜性质产生强烈影响，导致泡膜崩溃 D、矿化度的影响 从图可以看出：发泡剂的稳定性随矿化度增高而 下降，是由于无机离子浓度增大，加强了对泡沫膜双 电层的压缩作用，胶团聚集数增加，泡沫性能下降。 E、温度压力的影响
另一种排液过程是因为重力作用而使液膜变薄，但这仅在液膜较厚时才有显著作用。 同时，液膜较厚时，排液的动力也有毛管压力。 b) 气体扩散 无论用什么方法产生的泡沫，其大小总是不均匀的。小气泡内的气体压力要比大气泡 高，因而小气泡中的气体会透过液膜扩散到大气泡中，从而造成小泡变小，大泡变大，最 终趋于破灭。气泡间的气体扩散，会导致泡沫液膜总表面积的降低,如下式:
泡沫的表观粘度随泡沫质量的增大而增大； 泡沫的表观粘度随剪切速率的增大而减少； 泡沫的表观粘度不稳定地随着温度的升高而降低；一定泡沫质量的泡沫，在一定的 压力下，随着温度的升高，其流性指数增大，而稠度系数减少。 泡沫的表观粘度随压力的增加而增加；压力对泡沫流变性的影响较为复杂，它可以 通过泡沫质量、密度等参数间接地影响泡沫的流变性；在泡沫体系中，随着压力的 增加，泡沫中气泡的平均尺寸减小，流体变得更稠；即压力微小的变化，也会引起 泡沫流体中气体体积的显著变化，从而导致泡沫质量、密度等参数的变化，但是当 剪切速率增大到一定范围时，这种影响程度将有所降低。 4、泡沫的稳定性 泡沫的稳定性指泡沫生成后的持久性，即泡沫寿命的长短。泡沫流体的稳定性问题是 泡沫流体应用中的致命性问题， 因为泡沫流体的所有性质都是在稳定泡沫的基础上体现的， 而且在特殊的情况下，我们利用的不仅仅是稳定的泡沫，还要利用泡沫的破灭进行施工。 （1）泡沫的衰变机理 目前普遍认为，泡沫的衰变机理是：1）泡沫中液体的流失（液膜排液） ；2）气体透过 液膜扩散（气体扩散） 。两者均和泡沫性质以及液膜与 Plateau(普拉托)边界的相互作用有 直接关系。 a) 液膜排液 泡沫中液体的流失是气泡相互挤压和重力作用的结果 Laplace(拉普拉斯)方程:
地层水及盐水都可以用来配制水基泡沫。水基泡沫配制方便、价格便宜，除强水敏地层外， 一般均可广泛应用。另外，为了抑制地层粘土的水化膨胀，通常在水基泡沫液相中加入氯 化钾或有机抑制剂等粘土稳定剂。 醇基泡沫液相易于挥发，表面张力较低，但易燃，在含有石蜡、沥青的油井应用，易 产生固体沉淀；烃基泡沫中含有石蜡、沥青，不易形成稳定的泡沫。 （3）起泡剂 起泡性能好的物质称为起泡剂，肥皂、洗衣粉中的表面活性剂（烷基苯磺酸钠、烷基 硫酸钠等）就是良好的起泡剂。油田一般采用阴离子或非离子型表面活性剂作起泡剂，极 少使用阳离子表面活性剂。在含钙、镁离子高的地层，常用阴离子和非离子表面活性剂复 配作起泡剂。 （4）稳泡剂 为了延长泡沫的寿命，通常在表面活性剂溶液中加入一定量的辅助表面活性剂作稳泡 剂。如在十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠溶液中加入一些月桂酰二乙胺，则可得到更 稳定的泡沫。常用的泡沫稳定剂有羟甲基纤维素、部分水解聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、三乙 醇胺、月桂醇、生物聚合物 XC、十二烷基氧化物等。 3、泡沫的流变性 泡沫流变性对泡沫工艺过程有重要的影响，泡沫钻井液、泡沫压裂液的流变性质直接 影响各种作业的进行，如果恰当地调节泡沫流动性质，能保持井眼规则，早出油，多出油。 普通流体为不可压缩流体，采用普通旋转粘度计即可测量其流变性，而泡沫流体属于多相 流体，液相不可压缩，但气相组分却受温度和压力影响较大，随在井筒深度的增加，温度 和压力呈递增变化，要准确表征在井筒中泡沫的流变性，就必须考虑温度和压力等重要参 数的影响。 目前，国内外研究者还未能得到常温常压下不同类型泡沫的统一流变方程，对于考虑 了高温高压条件的泡沫流变方程也鲜有报道。一般认为泡沫流变特性为： 泡沫的流变模型采用幂律方程时，相关系数较好；
b) 表面活性剂降低液膜排液速度 从 Laplace 方程可以看出，较低的表面张力，可以产生较低的气泡内外压差，从而降 低泡沫液膜的排液速度，增加泡沫的稳定性。 c) 表面活性剂增加液膜的强度和粘度 液膜的强度主要决定于表面吸附膜的坚固性，在实验上我们以表面粘度为其量度。表 面活性剂的水溶液表面粘度较大的，泡沫的稳定性较好。 表面活性剂可以大幅度提高液体的粘度，比较粘稠的液体膜，有助于吸收对泡沫液膜 的冲击，起到缓冲作用，降低了冲击液膜的速度，使得液膜能持久一些，并且由于液体的 粘度大，流度低，延缓了排液速度。从而增加了泡沫的稳定性。 d) 表面电荷的影响 离子型表面活性剂，在水中离解后即带有电荷，用该类表面活性剂稳定的泡沫，液膜 上形成离子吸附的双电层结构，当液膜变薄到一定程度，离子静电相互排斥，阻碍离子彼 此的靠近，降低了排液速度，延缓了泡沫液膜的变薄速度。 B、固体颗粒的影响 室内试验表明三相泡沫的半衰期为二相泡沫半衰期的 12.5 倍~31.7 倍，这主要是由于 固体粉末附着在气液界面上，成为气泡相互合并的障碍，增加了液膜中流体流动的阻力， 使泡沫稳定性显著提高。 C、原油的影响 油对泡沫有抑制和破坏作用。地层残余油对泡沫的破坏程度各异，遇到原油时有些泡 沫很稳定，而另一些泡沫则很不稳定，同一泡沫遇到不同原油破坏程度也不同。泡沫与原 油的相互作用首先发生在泡膜与原油之间，因为原油对泡沫的破坏是通过在泡膜表面铺展 或者以油珠形式进入泡膜实现的。
A(t )
式
3V (P Pt ) 2
中：A(t)—t 时刻泡沫液膜的总面积；
V—封闭体系的体积
P —泡沫完全破灭后体系的压力增量；
Pt —t 时刻时泡沫外部空间的压力增量
只要测出不同时间的 Pt 就可以计算出 A(t)也就不难得出泡沫寿命 Lf：
Lf


0
At dt
（2）影响泡沫稳定性的因素 A、表面活性剂的影响 a) 表面活性剂增加液膜的弹性 吸附了表面活性剂的液膜，在受到外界冲击的时候，会发生局部的变形，而使得液膜 变薄，变薄处的表面积增大，表面吸附的分子密度减少，表面张力增加，这将形成局部的 表面张力梯度，因此邻近处的表活剂分子就向此处迁移，并且同时带动液体一起运动，结 果使得表面张力复原，即 Marangoni（马朗哥尼）效应。所以，表面活性剂不仅仅可以造 成较大的表面张力梯度，也能增加液膜的弹性，有利于提高泡沫的稳定性。
a) 泡径大小的影响 由液膜包裹着的气泡，体积越小越不易破裂，即稳定性好，泡沫的寿命与泡径的平方 成反比。 b) 泡径均匀程度的影响 当相邻气泡大小不同时,气体会不断的由小气泡的高压区扩散到大气泡的低压区,造成 起跑数目减少,平均泡径增大,最终导致破灭。因此，泡沫中的气泡直径大小越均匀，则泡 沫的稳定性越好。 c) 气泡的几何形状及泡沫质量的影响 由 Laplace 方程得到，当液膜之间的夹角为 120 度时液膜间的压力差最小，因此当泡 沫质量大于 52%时，由于气泡的增多，彼此之间接触而发生互相干扰和冲突，同时随着膜 内的排液，泡沫体系的气泡不再是球形，而逐渐过渡到菱形，最后变为六边形的集合体。 此时膜之间的夹角为 120 度。泡沫液膜成为平壁时压差出现最低值，排液显著减缓，因此 泡沫最稳定，所以泡沫的稳定性随着泡沫质量的增加而增加。但是当泡沫质量超过 96%时， 泡沫雾化而不稳定。 5、泡沫渗流机理 （1）泡沫的渗流特性 a) 泡沫注入地层时不断的破灭与再生。 经过小孔道后重新形成的细小泡沫 b) 泡沫在孔隙介质中具有很高的视粘度，且随渗透率的增大而升高。
PB PA
式中：σ—表面张力
R
R—三个气泡的半径
该式表明，A 处液体的压力比 B 处小，在这种压差下，泡沫中的液体自动的从 B 处流
Plateau 边界 向 A 处，从而使液膜变薄，最终导致破灭 。从曲面压力看，液膜间夹角为 120°时，B 和
A 之间的压差最小，泡沫最稳定，所以，泡沫多呈六边形。