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概述

泡沫性质如起泡性、泡沫稳定性、结构和尺寸分布取决于表面活性剂的类型，浓度，盐含量，添加剂，温度等。当泡沫用于三次采油的时候，储层中存在的压力，会导致完全不同的起泡性和稳定性。到目前为止，由于缺乏可用的测量技术，这一重要参数的研究还较为有限。现在有了KRÜSS的高压泡沫分析仪—HPFA，可以分析高达35MPa和120℃的液体泡沫的起泡性，泡沫稳定性和结构，尺寸等。在此次研究中，我们使用HPFA仪器测试了一定压力条件下的泡沫起泡行为，重点是泡沫高度和结构的测量，以及泡沫高度和气泡大小随时间的变化。同时分析了不同气氛下如氮气（N2）和二氧化碳（CO2）对泡沫行为的影响。

背景 

在三次采油中使用泡沫驱油，水性表面活性剂溶液中的气泡必须长时间保持稳定分散，并能抵御矿床中存在的极端条件，如高盐度、高温和高压。在研究孔隙空间中的多相流动（包括与岩石基质的所有相互作用）之前，应先了解流体相（本体泡沫）的行为特性。根据所使用的表面活性剂-气体体系，压力、温度、各类添加剂以及与盐度和原油的相互作用都会产生影响。  

实验 

分析仪器KRÜSS HPFA

由于以前关于泡沫结构和泡沫稳定性的研究工作只能在大气压力下进行，因此无法确定决定性参数压力的影响，因此，高压泡沫分析仪–HPFA被开发为用于在高压（pmax=35MPa）和高温（Tmax=120°C）下对液体泡沫进行科学分析的仪器。

核心腔体是一个高压长孔观察池，其中气体通过底部筛板鼓入含表面活性剂的溶液中。在测量之前或测量期间，可借助于连接的微滴定系统，将添加剂和/或原油从下方注入表面活性剂水溶液或从上方滴入泡沫上。（见Fig.1）

高压腔体中气体压力的产生由附加的泵完成。 (HP4790). 

HPFA正面和侧面的两个相机同时分析高压下液态泡沫高度和结构。通过一排LED灯透射测量液体及泡沫的高度，利用棱镜和成像系统实时记录泡沫从产生到消失的结构和尺寸变化。（见Fig.2和3）

在Advance软件内连续记录泡沫高度和泡沫结构。实时观察泡沫结构和大小，并通过下图可视化直方图来记录。

样品制备和测量条件 

本文研究了离子型表面活性剂水溶液中泡沫的稳定性和结构。流速为50mL/min，100mL的气体经过孔隙度G2（孔径为16至40μm）的过滤筛板对样品进行起泡。氮（N2）和二氧化碳（CO2），45°C，15Mpa，在长达18小时时间内监测泡沫高度和泡沫结构的变化，特别是平均气泡大小。 

实验条件见Table1

结果 

压力对泡沫稳定性的影响 

在阴离子表面活性剂溶液中，鼓入氮气，观察不同压力下的起泡性和泡沫稳定性。可以看到稳定性随着压力的增加而增加，稳定性最显著的增加是在低压范围内（见Fig.4）。在18小时的观察期间，在压力增大的情况下，没有完全分解，因此可以说是极其稳定的泡沫。 

关于平均气泡大小，压力较低时差异也比较明显。例如，在大气压力下产生泡沫的初始平均气泡大小与在5-15Mpa的较高压力下产生的初始平均气泡尺寸有很大不同。 

平均气泡大小在各压力下会随着时间增大，但这种效应随着压力的增加而降低，在15MPa时几乎不明显，这里的气泡大小非常恒定，这也表示泡沫的稳定性很高。 

分散相（气体）和环绕相（液体）的密度和粘度对泡沫稳定性起着作用。随着压力的增加，氮气和水相的密度和粘度都增加，使得泡沫在压力增加时变得稳定。随着压力的增加，表面活性剂分子的流动性增加，因此Marangoni对流在压力增加时加速，导致液体从表面张力较低的区域流向表面张力较高的区域。这稳定了泡沫层。

不同气氛发泡的泡沫稳定性 

泡沫的稳定性和泡沫寿命内平均气泡尺寸的发展取决于各种物理参数，其中一些参数高度依赖压力。这尤其包括泡沫中两相之间的界面张力、密度和粘度（这些参数会因物质转移而随时间变化），以及相关的互溶性。

由于CO2在整个压力范围（最高35MPa）内的物质性质与 N2存在根本性差异，用CO2发泡形成的泡沫与N2泡沫呈现出完全不同的形态。图5展示了在5MPa压力下，分别使用N2和CO2发泡形成的泡沫对比。其他测试条件如气体体积、表面活性剂类型及浓度均保持一致（参见表1）。CO2泡沫的相对泡沫高度比N2泡沫下降的速度明显加快，2小时后已经低于10%（见Fig.5a），CO2泡沫分解速度更快，因此比N2泡沫更不稳定。 

初始平均气泡大小相似，因此仅与压力相关，而非气体相关。随着时间的推移，CO2泡沫的平均气泡大小比N2泡沫样品的气泡大小增长快得多（见Fig.5b）。使用N2时，半衰期约为12小时，使用CO2时仅约50分钟。 

这一现象的关键因素可能是二氧化碳与水性表面活性剂溶液之间相互溶解性的增强，尤其是在压力增加时。特别是，随着CO2在泡沫层中的传输量增加，导致平均气泡尺寸（Ostwald熟化）迅速增大，从而降低了泡沫的稳定性。

由于泡沫是非常复杂的系统，可重复性是一个重大挑战。相同测试条件下的测量之间的偏差会随着测量持续时间的增加而增加。Fig.6显示了在相同条件15MPa压力下进行两次测量，结果很容易重现。 

18小时后两个测量值的偏差为相对泡沫高度的9%和中等气泡大小的1%。

总结 

首次使用高压泡沫分析仪对高压泡沫进行分析，压力增加对泡沫性能的影响很大。起稳定作用的表面活性剂水溶液中N2泡沫的相对泡沫高度和平均气泡大小在高压下比在较低压力下更恒定。泡沫稳定性随压力的增加而增加，这可以通过高压下增加的Marangoni对流来解释。 

与N2和CO2形成的泡沫的比较显示了气体类型的影响以及相关的压力、相关材料特性对泡沫参数的影响。CO2泡沫比N2泡沫更不稳定，CO2和样品的相互溶解性可以解释。 

通过重复测量，泡沫高度分析具有良好的重复性，平均气泡直径的重复精度也非常出色。 

现在有了KRÜSS的高压泡沫分析仪—HPFA 

这项新型测量技术以及借助该技术揭示的压力对泡沫行为的显著影响，压力增加对泡沫稳定性有相当大的影响，同时也跟气体的类型有很大的关,为整个前景广阔的研究领域开辟了道路。通过这些研究，可以优化三次采油中泡沫的应用效果。