水基泡沫微觀性質分析

吉凱，周陽

水基泡沫微觀性質分析

吉凱，周陽

（西安石油大學 石油工程學院，陜西 西安 710000）

對水基泡沫結構及性質的研究進程與成果進行介紹。其中在微觀結構方面，分析了水基泡沫的形成條件、形成過程、組成成分，并總結歸納了泡沫微觀結構的發展情況；微觀性質方面，從水基泡沫的物化性質、力學性質、流變性以及穩定性幾方面出發，總結分析了近年來國內外關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；泡沫結構；泡沫性質；PB通道；液膜

水基泡沫流體在石油與天然氣領域中具有十分廣泛且重要的應用，例如在實際生產過程中，石油鉆井、驅油采油以及天然氣氣井積液排除等作業時都會涉及到對泡沫流體的相關研究。目前在該領域，有關泡沫流體的熱點問題大都集中于其在井筒、立管和極少數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構進行逐一介紹，此外文章還將結合國內外研究狀況，對泡沫體系的微觀性質（流變性、物化性質、穩定性等）進行歸納及總結。

1 泡沫結構

1.1 形成條件及過程

通過毛細管向純凈的單質水相中鼓起雖然能夠在短時間內形成氣泡，但由于缺乏液膜吸附層，會導致整個泡沫體系的破泡速度遠大于發泡速度，從而無法在靜止中長期穩定的存在。工藝應用中所指液態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，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泡的，如圖 1所示。當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，疏水端基則會朝向氣相一側，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，而且就單側活性劑分子層而言，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生電離，并產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的穩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，故在生產作業時，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存在較大差異，故由其分別形成的泡沫體系的微觀性質也各具特點。對于二氧化碳，由于其具有較強的溶解能力及反應能力，所以形成泡沫體系的穩定性一般較差，但又因其密度大、靜水壓頭高，所以通常多適應于現場深井作業；氮氣為惰性氣體，不易和地層流體及巖石發生反應[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定，另外氮氣的作業溫度相對較低，工程作業時，可直接通過液氮車設備進行汽化，最終以氣態形式被泵送入井內。

1.2.2 液相

在水基泡沫體系中，液相成分及性質一般較為復雜，同時也是影響泡沫性質的主要組成部分[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、鉆井作業等方面發揮重要作用。

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合型起泡劑，其各自的性質及特點可詳見表1。

表1 常見起泡劑性質及特點

1.3 微觀結構

最早在17世紀初期，德國物理學家開普勒就已開始對泡沫的微觀空間結構提出了猜想，到19世紀70年代，比利時物理學家普拉圖（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構平衡法則，并自此將泡沫結構的研究推向了量化階段。普拉圖猜想（即穩定液膜應具有最小面積）同開普勒猜一直是物理和數學界關注研究的熱點之一，19世紀中期，匈牙利數學家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時得到證明。此外，美國數學家Jean Taylor及Frederick Amigren也曾對普拉圖猜想進行過數學推導，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世紀末被美國數學家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構平衡法則已普遍為學術界所接受，并在許多領域的實際發展中得到廣泛應用。

1.3.1 泡沫結構平衡法則

普拉圖泡沫結構平衡法則提出以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點，從節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通道平面及空間結構

1.3.2 Plateau通道

力平衡的Plateau界面如圖 3所示。當泡沫形成以后，由于重力及毛細管力的作用會不斷發生滲流析液現象，此時根據拉普拉斯定律可得：

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致泡沫的破碎與合 并[7]。

1.3.3 胞元模型

在泡沫研究領域，單個胞元結構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構來導出控制方程[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內接觸面積最小”的問題，提出了Kelvin泡沫微觀結構，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，爾愛蘭都柏林大學圣三一學院物理學教授Weaire和Phelan受到硅基籠狀化合物的啟發，并借助Surface Evolver軟件模擬，才再次提出了一種新型結構的W-P模型，如圖 5所示，該模型結構較為復雜，由十四面體（被12個五邊形與2個六邊形包圍）和不規則五邊形組成的12面體共同構成，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”的幾何結構便是以此模型的理論基礎建造而成的。除此之外，五邊形十二面體結構也被廣泛應用于泡沫演化析液分析的數值計算中，其空間結構見圖 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

2.1 物化性質

描述泡沫特性的一個重要參數是泡沫特征值，泡沫特征值又稱為泡沫干度或泡沫質量[9]，是指在一定溫度和壓力條件下，泡沫中的氣體體積分數，即單位體積泡沫中氣體體積的占比，常用表示，其關系式如下[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極?。ㄐ∮?%）的泡沫稱為干泡沫，而將液體體積分數介于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，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筒室內實驗裝置，研究了泡沫流體密度在不同氣液質量比、溫度及壓力下的變化規律。實驗結果表明，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出先增大后平緩的變化趨勢，而這一現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出逐漸遞減的規律，這表明在一定溫度范圍內，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，通過相應的數據分析可以得出，泡沫體系的氣液質量比越大，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的復合表面活性劑，研究了泡沫性能與表面性質之間的關系。實驗得出，泡沫性能與表面張力存在反比關系，低表面張力的表面活性劑溶液有起泡能力高、泡沫穩定性強的趨勢[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，從現場常用的8種起泡劑中篩選出了地層配伍性穩定、攜液能力突出且穩泡性能最好的UT-5D型起泡劑。實驗數據表明，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為其在一定范圍內對于泡沫體系起泡和穩泡的促進作用，而礦化度的增高則會導致體系中泡沫的生成量與半衰期雙雙下降。另外實驗結果顯示，pH值的變化對于泡沫溶液的發泡高度無明顯影響，但泡沫半衰期會隨著pH值的增大表現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，從而使泡沫性能受到一定影響。

2.2 流變性

目前，有關泡沫相態劃分最常見的方法為Mitchell法[13]，其通過質量參數為泡沫流體的流變狀態定義了不同區域，即當泡沫質量在0～0.52時，泡沫體系處于分散區，氣泡不會受到彼此之間的干擾且呈球形狀態，屬于牛頓流體；當泡沫質量在0.52～0.74時，泡沫體系處于干擾區，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；泡沫質量在0.74～0.96時，泡沫體系處于穩定期，這時氣泡為多面體狀態，液膜呈多邊形，屬于賓漢姆流體或假塑性流體；泡沫質量在0.96～1.00之間時，泡沫體系處于霧區，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先持續增加，后逐漸趨于平穩，并且在相同剪切速率下，氣體體積分數越大，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系。結果顯示，在泡沫質量為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力與剪切速率的關系曲線，并發現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 力學性質

水基泡沫是一個非平衡系統，它的結構會隨著時間的推移而不斷發生演化，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，再于重力作用的驅使下，泡沫體系中的液體會沿著Plateau通道繼續下滲，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

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

根據拉普拉斯定律，較小曲率半徑的氣泡內部具有較大壓強，從而在表面張力的驅動下，泡沫體系中小氣泡內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種機制相互關聯，滲流發生時，液膜內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致氣泡平均直徑增加，進一步促進液體滲流，使得液態泡沫呈現出隨時間不斷變化的非平衡特性。雖然液態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在機制仍有待研究[17]。

2.4 穩定性

泡沫為熱力不穩定體系，除了發泡液體自身的物質組成以及界面性質會對泡沫的穩定性產生很大的影響外，外界因素（如溫度、壓力、起泡劑濃度、礦化度等）也會對泡沫的穩定性起到非常重要的作用[18]。目前衡量泡沫穩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）內流體的流速要普遍大于內PB邊界，另外越靠近PB邊界中心，流場內的流速越趨向于最大值。此外他們發現，對于剛性液-氣界面，當外部PB通道的數量為內部PB通道數量的1/7時，流經內外兩種PB通道的流量相等。而如果體系內外部PB通道的數量大于內部PB通道，則外部PB通道可以對泡沫體系的析液作用產生強烈影響。BRANNIGAN[20]等的實驗結果也表明，在一定的液體體積分數下，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 內外PB邊界及其速度場

3 結 論

水基泡沫具有復雜的結構，包括內外PB通道、節點以及液膜等元素，因此其微觀研究對于泡沫流體領域的發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之下，其結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。國內有關泡沫體系的微觀報道更是少見，只有少數文獻基本停留在有關泡沫性質實驗的定性分析上，因此目前對于該領域的研究仍處于起步階段，而以后的研究熱點應主要集中在以下幾個方面：

1）結合動力學與流變學知識，分析與泡沫體系相關的流變特性參數，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、液膜及節點中泡沫流體的流動狀態及特性，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出發，繼續深化對泡沫穩定性產生影響的各關鍵因素的研究。

［1］李松巖，林日億，李兆敏，等.泡沫流體密度-壓力-溫度關系的實驗研究[J].石油化工高等學校學報，2008（2）：71-75.

［2］張永，裴玉彬，杜華君.吐哈油田魯克沁地區稠油氮氣泡沫驅認識與實踐[J].遼寧化工，2020，49（8）：1008-1011.

［3］孔艷軍.多孔介質中的泡沫性質研究[D].北京：中國石油大學（北京），2017.

［4］田雨露，王紀偉，李加玉.氣田泡沫排水采氣起泡劑研究進展[J].應用化工，2021，50（1）：183-188.

［5］孫其誠，譚靚慧.泡沫物理學史拾萃[J].物理，2008（7）：473-481.

［6］袁野.壓縮空氣泡沫系統氣液混合特性及實驗裝置研究[D].武漢：華中科技大學，2019.

［7］趙化廷.新型抗鹽抗溫泡沫復合體系的研究與性能評價[D].成都：西南石油學院，2005.

［8］李科.泡沫金屬發泡過程的泡沫演化動力學研究[D].大連：大連理工大學，2009.

［9］李兆敏.泡沫流體在油氣開采中的應用[M].北京：石油工業出版社，2010.

［10］閻曉雨.泡排井集氣管道流動特性及消泡實驗研究[D].成都：西南石油大學，2016.

［11］高佳星.礦用CO2泡沫壓裂液的制備與特性研究[D].太原：太原理工大學，2018.

［12］郭旭.復合表面活性劑表面性質和泡沫性能的研究[D].上海：上海師范大學，2019.

［13］MITCHELL B J.Viscosity of Foam[D].PhD dissertation, U.of oanoma,1960.

［14］張猛.消防泡沫流變特性及流體力學計算方法研究[D].天津：天津大學，2017.

［15］聶衍釗.泡沫介質流變性試驗研究及應用[D].長春：吉林大學，2004.

［16］李洪強，張文，田承濤，等.無機鹽對氣液兩相泡沫特性的影響研究[J].礦產綜合利用，2021（1）：204-210.

［17］鄭賀伊.基于泡沫理論的多面體空間結構幾何構成的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

［18］薛鎣.疏水性中空二氧化硅提高泡沫穩定性研究[J].化學工程師，2021，35（4）：91-94.

［19］KOEHLER S A,HILGENFELDT S,STONE H A.Foam drainage on the microscale: I. modeling flow through single Plateau borders[J].,2004, 276(2): 420-438.

［20］BRANNIGAN G,BONFIM O F, ALCANTARA D.Boundary effects on forced drainage through aqueous foam[J].P,2001, 81(3):197-201.

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，就讀西安石油大學石油與天然氣專業，研究方向：泡沫多相流。

O648.2+4

A

1004-0935（2021）12-1840-06