多孔介質內泡沫穩定性定量評價實驗

董文鋼， 楊勝來， 金蕾， 高雨萌， 王巧靈， 肖勁松

(中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室， 北京 102249)

泡沫驅是一項關鍵的三次采油技術，作為泡沫驅核心的泡沫流體具有柔性可調[1]、孔隙自適應[2-3]、孔隙介質內可發泡等性能[4-5]，為了充分發揮泡沫驅提高原油采收率的優勢，研究真實儲層條件下泡沫流體的性能至關重要。而穩定性作為泡沫性能評價的關鍵指標之一，是決定泡沫驅油效率的關鍵因素[6]。前人對泡沫穩定性的評價已進行過大量研究，石油天然氣行業標準(SY/T 7494—2020)[7]通過傳統的Waring Blender法[8]獲得泡沫析液半衰期并對其進行了描述。另外，傳統方法還包括Ross-Miles法[9]和氣流法[10]等。為了彌補傳統方法只能在常壓條件下進行評價的不足，王健等[11]、趙云海等[12]和畢衛宇等[13]利用泡沫儀開展了高溫高壓條件下泡沫穩定性定量評價實驗，研究發現高溫會降低泡沫半衰期，高壓更有利于穩泡。利用泡沫儀雖然可以模擬真實油藏下的溫壓環境，但限于評價手段，實驗均是在無多孔介質條件下進行的，不滿足油藏的多孔介質條件。盛強等[14]和何金鋼等[15]在研究中明確指出多孔介質會對泡沫產生沖壓、擠壓、摩擦等作用進而影響泡沫穩定性，同樣限于評價手段，他們對多孔介質中的泡沫穩定性只進行了定性評價。鄒積瑞等[16]考慮了孔隙條件，根據氣相和液相電導率不同，采用電導率法評價了常溫常壓下多孔介質中泡沫穩定性。劉雙星等[17]和鄒高峰等[18]利用光學顯微鏡研究了粒徑對泡沫性能影響的變化規律，認為組成相同的泡沫體系，粒徑越小、均勻程度越高，體系中的氣泡更不易發生破裂、消失聚并。綜上所述，前人在定量評價泡沫穩定性時，其實驗并沒有同時滿足高溫、高壓、多孔介質三種條件，或只是對泡沫穩定性進行了定性評價。對此，亟待一種高溫高壓條件下定量評價多孔介質內泡沫穩定性的實驗方法。

潘功配等[19]指出泡沫由于其特殊的組分和結構，對激光具有一定的衰減作用。泡沫生成后開始析液，粒徑增大，衰減作用減弱，穿過泡沫的激光透射光強度增強，據此可利用激光在泡沫中的透射性能差異實時揭示泡沫衰變后的析液特征。激光法的優勢是根據穿過泡沫的透射光強度來評價泡沫穩定性，該方法避免了常規方法在多孔介質中難以計量析液體積的問題，可以用于定量評價多孔介質中泡沫的穩定性。

因此，現通過實驗前開展激光探測泡沫穩定性標定實驗，將無多孔介質條件下的激光探測曲線轉化到多孔介質條件下，再結合無多孔介質中泡沫穩定性的研究成果，對多孔介質條件下不同溫度、壓力的泡沫穩定性進行定量評價及分析。此外，同時開展多孔介質內泡沫粒徑微觀可視化實驗，揭示溫度、壓力對多孔介質中泡沫穩定性的影響機理，驗證激光法評價結果的有效性，以期為真實地層中泡沫的有效穩泡時間及其影響機理問題提供研究思路和方法。

1 基本原理

1.1 激光法評價原理

根據光學傳播理論，激光傳播至球面或曲面時會使激光能量發生衰減，原因是激光穿過泡沫時會發生反射、散射、吸收、透射、衍射及干涉等現象，但通常泡沫尺寸會比激光波長大得多，可以忽略衍射和干涉現象[20]。因此，激光穿過泡沫時，能量主要分為兩部分：一部分能量由于反射、散射和吸收作用被損耗掉；另一部分能量為激光穿過泡沫后所剩余的能量，稱為透射光強度。泡沫體系生成后開始析液，粒徑增大，液膜破裂，總液膜層數減少，泡沫對激光的衰減效果減弱，激光透過泡沫后的剩余能量增大[21]，即泡沫析液與激光透射剩余能量之間存在著實時的動態聯系，因此可根據激光透射后剩余能量的動態變化對泡沫的析液情況進行實時分析，從而達到定量評價泡沫穩定性的目的。

1.2 激光透射剩余能量表征

泡沫衰變過程中，析液、消泡及聚并等現象會導致泡沫的尺寸、液膜厚度等參數發生改變，這些參數改變會直接影響到激光穿過泡沫后所剩余能量的大小。因此，為綜合表征激光穿過泡沫后剩余能量的相對大小，定義激光透射率為激光透過泡沫后的透射光強度與其在空氣中測試時的接收光強度之比,如式(1)所示。根據激光透射率值的動態變化可實時分析泡沫衰變過程中的析液特征。

(1)

式(1)中：τ為激光透射率，%；IR為激光透過泡沫后的透射光強度，mW；IR空為激光在空氣中測試時的接收光強度，mW。

2 實驗部分

2.1 實驗系統

多孔介質內泡沫穩定性定量評價實驗系統(圖1)包括4個子系統：①泡沫流體注入系統，通過ISCO恒速恒壓泵將泡沫劑溶液和空氣按一定比例注入泡沫發生器中發泡，再經泡沫發生器將泡沫同時注入自制高溫高壓可視管和微觀模型中；②多孔介質泡沫激光探測系統，向高溫高壓可視管(耐壓30 MPa、耐溫140 ℃)中充填120 目玻璃珠，達到模擬多孔介質的效果。實驗期間，全程開啟PSU-H-LED大型激光發射器，發射激光(發射功率：8.5 W，波長：1.55 μm)對可視管中的泡沫進行探測，通過LP-3B激光功率計實時采集透過泡沫的透射光強度；③泡沫粒徑微觀可視系統，泡沫注入微觀模型后，利用高分辨率顯微鏡攝像機(VHX-7000，基恩士，中國)全程錄像記錄不同時刻的泡沫粒徑；④數據采集處理系統，利用計算機采集不同時刻的透射光強度及泡沫粒徑大小，并對數據進行處理分析。

圖1 多孔介質內泡沫穩定性定量評價實驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental system for quantitative evaluation of foam stability in porous media

2.2 實驗材料

起泡劑、穩泡劑、模擬地層水、空氣(純度：99.9%)、120 目玻璃珠。

2.3 實驗方法

2.3.1 無多孔介質泡沫穩定性激光探測標定實驗

無多孔介質、常溫常壓下，泡沫穩定性激光探測標定實驗。實驗步驟為：①按配方配置模擬地層水，配置完成后進行過濾處理；②配置泡沫劑溶液。利用3 mL吸管吸取1.14 mL起泡劑原液，用精密天平稱取0.17 g穩泡劑粉末，加入100 mL模擬地層水中。設定高速攪拌器轉速為1 500 r/min，攪拌10 min，使泡沫劑溶液混合均勻；③將泡沫劑溶液與空氣的量按1∶3注入泡沫發生器中發泡；④泡沫穩定性激光探測標定實驗。自下而上向可視管(無玻璃微珠充填)中注入10 mL泡沫。實驗期間，全程開啟激光發射器，記錄不同時刻的透射光強度及析出液體積。可視管中泡沫析出1.75 mL泡沫液的時間為析液半衰期，該時間對應的透射光強度計算出的透射率值即為激光探測標定值。重復實驗3次，取標定平均值，實驗參數如表1所示。

2.3.2 多孔介質泡沫穩定性激光探測評價實驗

多孔介質、高溫高壓下，泡沫穩定性激光探測評價實驗。實驗步驟為：①多孔介質模型制備，向可視管中自下而上充填120 目玻璃珠，注意充填玻璃珠時應預留出可視管頂部的激光探測區；②泡沫制備及注入過程同前；③在同一溫度、不同壓力下，分別開展無多孔介質和多孔介質(充填120 目玻璃珠)兩組平行實驗以評價壓力、多孔介質對泡沫穩定性的影響；④在同一壓力、不同溫度下，分別開展無多孔介質和多孔介質(充填120 目玻璃珠)兩組平行實驗以評價溫度、多孔介質對泡沫穩定性的影響；⑤實驗過程中將激光發射器固定在可視管探測區中央位置，通過激光功率計實時接收透射光強度至透射光強度基本不變；⑥每次實驗結束后，將可視管溫度、壓力降至常溫常壓，排出其中流體及玻璃珠，清洗干凈后進行烘干，再按上述實驗步驟進行其余各組實驗，實驗參數如表1所示。

表1 實驗條件參數

2.3.3 多孔介質內泡沫粒徑微觀可視實驗

多孔介質、不同溫度、壓力下泡沫粒徑微觀可視實驗。實驗步驟為：①將微觀模型、夾持器及管線清洗干凈并烘干；②安裝好微觀模型，進行氣密性測試；③設置好微觀模型溫度壓力，實驗參數如表1所示；④將泡沫發生器產生的泡沫注入微觀模型中，關閉模型入口及出口端閥門，利用高分辨率顯微鏡攝像機監測并統計120 min后微觀模型中的泡沫粒徑大小及其分布；⑤實驗期間，全程錄像監測微觀模型中泡沫的粒徑變化。

3 實驗結果及分析

3.1 無多孔介質泡沫穩定性激光標定

泡沫析液過程中，析液速率隨時間出現先增大后減小的趨勢。該泡沫體系由于添加了穩泡劑，析液過程中泡沫總高度變化不大，由泡沫質量定義可知，平均泡沫質量與析液體積變化趨勢類似，又泡沫粒徑隨泡沫質量增加而增大，則泡沫粒徑增大速率也是先增加后減小。激光穿過泡沫時，泡沫粒徑越大，對激光的衰減效果越弱，激光透射率越高，反之。因此激光透射率曲線也呈S形，即透射率值的增長速率也是先增大后減小。

從標定結果(表2及圖2)知，第一次析液半衰期為147 min左右，對應的透射光強和透射率分別為355.6 mW、45.63%；第二次析液半衰期為133 min左右，對應的透射光強和透射率分別為329.3 mW、42.26%；第三次析液半衰期為137.5 min左右，對應的透射光強和透射率分別為379.8 mW、48.74%。3次標定實驗的平均析液半衰期、透射光強度、透射率分別為139.2 min、354.9 mW、45.54%。標定實驗3次透射率結果偏差均在10%以內，認為該標定結果可靠。即在發射功率為8.5 W的激光探測下，45.54%可作為該泡沫體系在常溫常壓下析液半衰期對應的透射率標定值，后續實驗將激光透射率為45.54%時對應的時間定為激光法析液半衰期。

表2 25 ℃、0.1 MPa條件下激光探測標定實驗結果

3.2 多孔介質內泡沫穩定性激光探測

3.2.1 壓力

壓力對泡沫穩定性的影響,如表3及圖3所示。隨壓力升高，無多孔介質與多孔介質中的泡沫析液半衰期均增大。壓力小于15 MPa時，泡沫析液半衰期隨壓力升高增長較為明顯；壓力大于15 MPa后，析液半衰期隨壓力升高增長幅度不大。原因一是該泡沫體系主要發生排液衰變，壓力升高導致泡沫粒徑變小，液膜變薄，排液速度降低，泡沫穩定性提高[22]。原因二是壓力升高，氣體和液體間密度差降低，同時吸附在氣液界面上的氣體和表活劑增加，二者共同作用使溶液表面張力降低，泡沫穩定性提高[23]。

圖2 25 ℃、0.1 MPa條件下激光探測標定曲線Fig.2 Laser detection calibration curve at 25 ℃, 0.1 MPa

表3 40 ℃、不同壓力下泡沫析液半衰期評價結果

圖3 40 ℃、不同壓力下激光探測及析液半衰期對比曲線Fig.3 The curve of laser detection and comparison of half-life of foam lysate under different pressures at 40 ℃

3.2.2 溫度

由前面分析可知，壓力大于15 MPa后，泡沫穩定性提高的幅度變化不大，因此將15 MPa定為溫度影響實驗中的系統壓力。溫度對泡沫穩定性的影響，如表4和圖4所示，可知無多孔介質與多孔介質中的泡沫穩定性均隨溫度升高而下降。溫度低于70 ℃時，泡沫析液半衰期隨溫度升高急劇降低；溫度高于70 ℃后，析液半衰期隨溫度升高下降變得緩慢。這是由于溫度升高，泡沫液膜上的水分子運動速度加快，蒸發加快。同時高溫會導致表活劑活性降低，降低界面張力作用減弱，泡沫穩定性降低。

表4 15 MPa, 不同溫度下泡沫析液半衰期評價結果

圖4 15 MPa、不同溫度下激光探測及析液半衰期對比曲線Fig.4 The curve of laser detection and comparison of half-life of foam lysate under different temperatures at 15 MPa

3.2.3 多孔介質

由泡沫析液半衰期對比結果[圖3(c)和圖4(c)]可知，相同條件下，多孔介質中泡沫的穩定性整體優于無多孔介質中。原因是多孔介質中的孔隙喉道對泡沫具有擠壓、剪切等作用[23]，較無多孔介質，多孔介質中泡沫粒徑更小，因此穩定性更好。

隨壓力增加，兩種條件下泡沫析液半衰期均升高。壓力介于0.1～10 MPa，多孔介質對析液半衰期的增幅達到了69.86%～78.02%，平均增幅為73.68%；壓力介于15～20 MPa，多孔介質對析液半衰期的增幅達到了95.58%～103.55%，平均增幅為99.57%，即壓力越大，多孔介質對泡沫穩定性提高的幅度越大。原因是經120 目玻璃珠充填形成的多孔介質為高孔高滲型，壓力繼續增加，孔隙連通性基本不發生變化，但孔隙水力半徑會減小[24]，而滲透率主要是由孔隙水力半徑控制，導致多孔介質滲透率降低，其中的平均泡沫粒徑變小[15]，使得泡沫穩定性能得到進一步地提高，即多孔介質在高壓條件下更有利于穩泡。

隨溫度上升，兩種條件下泡沫析液半衰期均下降。溫度介于25～40 ℃，多孔介質對泡沫穩定性的增幅幾乎達到了100%；但當溫度為85 ℃時，多孔介質對泡沫穩定性提高的幅度僅為12.86%，多孔介質對泡沫穩定性提高的幅度隨溫度上升逐漸降低。原因是多孔介質中的顆粒為固態，分子間距小，具有良好的導熱性，較純泡沫態，單位時間內輻射出的熱量更多，這會進一步地加劇泡沫液膜蒸發及表活劑失效。導致升高同樣溫度，多孔介質中泡沫的穩定性下降幅度更大，但整體仍高于無多孔介質下泡沫的穩定性，即多孔介質中泡沫的穩定性對溫度更為敏感。

3.3 泡沫粒徑微觀可視結果

當統計區內泡沫數量超過120個時，泡沫粒徑變異系數才會趨向一個穩定值，統計結果才具有代表性[15]。因此，本實驗中統計的泡沫數量定為150個。

由不同溫度、壓力下泡沫粒徑結果(表5和圖5)可見，粒徑小于100 μm的泡沫百分含量隨壓力增加而增加，隨溫度增加而減小；粒徑介于100～150 μm的泡沫百分含量隨壓力、溫度增加均表現出先增加后減小；粒徑介于150～200 μm的泡沫百分含量隨壓力增大而減小，隨溫度升高先增加后減小；粒徑大于200 μm的泡沫百分含量隨壓力增大而減小，隨溫度升高而增大。

平均泡沫粒徑隨壓力增大逐漸減小，壓力大于3 MPa后，泡沫粒徑減小變緩。原因是壓力增大，表活劑分子在泡沫液膜上分布得更加密集，加強了空氣與表活劑疏水鏈分子間的作用力，使液膜排液速度減慢，導致平均泡沫粒徑減小，泡沫穩定性增強；平均泡沫粒徑隨溫度升高逐漸增大，溫度高于70 ℃后，泡沫粒徑增大放緩。原因是溫度升高，氣泡膨脹速率加快，泡沫液膜排液速度加快，液膜變薄，泡沫液黏度降低，氣泡擴張阻力減小，平均泡沫粒徑增大，泡沫穩定性降低。綜上，泡沫粒徑微觀可視化結果與激光探測評價實驗結果總體上具有一致性，認為激光方法評價結果具有有效性。

表5 不同溫度、壓力下平均泡沫粒徑統計結果

圖5 不同壓力、溫度下, 120 min后多孔介質內泡沫粒徑Fig.5 Foam particle size in porous medium after 120 min under different pressure and temperature

4 結論

(1)泡沫穩定性激光標定實驗，3次標定結果相差不大，說明激光評價方法具有可重復性。此外，多孔介質中泡沫穩定性的激光探測結果與泡沫粒徑微觀可視化統計結果總體上具有一致性，說明基于激光探測技術定量評價多孔介質內泡沫穩定性的結果具有準確性。

(2)相同條件下，泡沫在多孔介質中的穩定性優于無多孔介質中。原因是泡沫在衰變過程中發生運動會受到孔隙介質的擠壓、剪切等作用，導致其粒徑變小，穩定性增強。

(3)壓力增加，表活劑分子在泡沫液膜上分布得更加密集，空氣與表活劑疏水鏈分子間的作用力增強，液膜排液減緩，平均泡沫粒徑減小，泡沫穩定性增強；同時，壓力增加，高孔高滲型多孔介質孔隙連通性基本不變，但孔隙水力半徑減小，滲透率降低，這會進一步地提高泡沫的穩定性。

(4)溫度升高，氣泡膨脹及液膜排液速度加快，液膜變薄，泡沫液黏度降低，氣泡擴張阻力減小，平均泡沫粒徑增大，泡沫穩定性降低。此外，相比純泡沫態，多孔介質中的固態顆粒導熱系數更高，單位時間內輻射出的熱量更多，導致多孔介質中泡沫穩定性的降幅比純泡沫態下更大。