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1、摘 要 大庆油田已进入高含水开发期，注水开发的平均采收率40%计算，还有60%的剩余油有待于用注水开发技术以外的其他技术开采。开展有效的三次采油技术研究是延长大庆油田开发期，确保油田稳产的需要。经过“七五”、“八五”攻关，聚合物驱油技术具备了工业化应用的配套能力，三元复合驱也取得了一定效果。尽管如此，仍有4050%的剩余油留在地下。为了挖掘这部分潜力，必须研究比聚合物驱和三元复合驱更好的三次采油方法。泡沫流体应用于油田，在国内外已有30多年的历史，作为一门新兴技术，泡沫在驱油、含水气井的排水采气、冲砂洗井、钻井、调剖、堵水、酸化、水泥固井及压裂等油气田开发中的诸多方面获得了长足的发展，并取得了
2、肯定的效果。其流体的组成形式也由单一的(表活剂+气)型发展成(表活剂+聚合物+气)、(表活剂+聚合物，蒸汽)、(表活剂+凝胶+气)和(表活剂+碱+聚合物+气)等多种形式。进入80年代以来，我国油田泡沫流体应用技术有了重大突破。大量实践表明，泡沫流体是保护油层、防止油层污染、提高油气产量的重要手段。泡沫复合驱是在多元复合驱基础上发展起来的，即在注三元体系时，加入天然气产生泡沫，最大限度地提高波及体积，从而可大幅度地提高原油采收率。本文着重研究泡沫复合体系在非均质岩心上的物理模拟实验，考虑了气液比、驱替速度、岩心渗透率变异系数、原油粘度、体系剪切对泡沫复合体系驱油效果的影响。研究结果表明：泡沫复合
3、驱采收率随气液比、驱替速度的增加而增加；当气液比一定时，在 Vk=0.60.8范围内，随着变异系数的增大，泡沫复合驱在聚驱基础上提高采收率幅度增加，在渗透率变异系数达 0.72时其提高采收率幅度最大，表明泡沫体系对非均质油层具有选择性。通过室内驱油物理模拟实验结果表明泡沫复合体系可大幅度提高原油采收率，在聚驱基础上提高15%-20%。泡沫复合驱是在三元复合驱和常规泡沫驱基础上发展起来的一项新的三次采油技术，该方法集中了三元复合驱和普通泡沫驱的双重优点，因而提高采收率的幅度很大，有广阔的发展前景。关键词：复合泡沫体系驱油；采收率；发泡特性；泡沫稳定性；超低界面张力Abstract The Daq
4、ing oilfield has been on a high water-cut development period now, the average water drive recovery efficiency is 40% OOIP, and there is 60% OOIP left which can be used for other kind of development method to produce. Studying the tertiary recovery can not only prolong the development period, but als
5、o can satisfy the request of stable production. Through National Key technology R&D Program during the Seventh and eighth Five-Year Plan Period，polymer flooding already has the related ability of industry applying, and the ASP-flooding has had a good effect. Nevertheless, there is 40-50% left in oil
6、 reservoir. In order to drive this part of oil out of the reservoir, we need to find another tertiary recovery method which is better than polymer flooding and ASP-flooding. Foam fluid was used in oil field for 30 years, as a new technology, foam has achieved rapid development and borne good results
7、 in oilfield development, such as drive , drainage gas recovery in water-bearing gas wells, sand-flushing, drilling, profile control and water shutoff, acidification, cement slurry cementing and fracturing etc. The compositions of foam fluid are surfactant and gas at first, and then it becomes the c
8、ompositions of surfactant +polymer +gas, or surfactant +polymer +steam, or surfactant +gel +gas, or surfactant +polymer +gas. From the 1980s, foam fluid application technology has had major breakthroughs in the oilfields of our country. Plenty of practices have suggested that foam fluid is a importa
9、nt means for reservoir protection, prevention of formation damage and enhance the production of gas and oil. Foam composite flooding is a technology which compounds the ASP and gas to produce foam, so it can ultimately enhance swept volume, and can drastically enhance oil recovery. Also it developed
10、 from combination flooding. This paper emphasizes on the laboratory physical simulation experiment on Heterogeneous Cores to research foam composite system, and considers gas-liquid-ratio, displacement rate, permeability modulus, crude oil viscosity, shearing forces effect on foam composite flooding
11、. The research results manifest that foam composite flooding recovery is increasing as gas-liquid-ratio and displacement velocity increasing; when gas-liquid-ratio is determined, when permeability modulus is between 0.6 and 0.8, the range of recovery increases as permeability modulus is also increas
12、ing. When permeability modulus is 0.72, the range of enhanced oil recovery reaches the maximum, this manifest foam system has selectivity to heterogeneous reservoir. The results of the laboratory physical simulation experiment manifest that foam composite flooding can enhance oil recovery on a large
13、 scale, it can increase 9% to 15% OOIP after polymer flooding. Foam composite flooding is a new tertiary oil recovery technology which developed from the ASP-flooding and foam flooding, this technology has merits of both ASP flooding and foam flooding, so it can enhance oil recovery on a large scale
14、 and has a extensive development prospect.Key words: Foam composite flooding; recovery; foaming behavior; foam stability; ultralow interfacial tension目 录第1章 前 言11.1 本文研究的目的和意义11.2 复合泡沫体系国内外发展及其研究现状11.3 本文的研究内容41.4 复合泡沫体系微观驱油机理51.5 泡沫的基本性质7第2章 起泡剂的筛选142.1 实验方法142.2 实验仪器142.3 实验步骤142.4实验结果与分析15第3章 复合泡
15、沫体系影响因素研究183.1 气液比对泡沫起泡能力的影响183.2 发泡剂浓度对泡沫起泡能力的影响203.3 水质矿化度对泡沫起泡能力的影响213.4 稳泡剂对泡沫起泡能力的影响22第4章 复合泡沫体系渗流特性研究244.1 岩心渗流实验条件与步骤244.2 实验结果与分析254.3 长填砂管复合泡沫体系渗流稳定性研究27第5章 复合泡沫体系驱油效果研究305.1 实验条件与步骤305.2 实验结果与分析31结 论37参考文献38致 谢40第1章 前 言1.1 本文研究的目的和意义流体通过多孔介质的流动称为渗流。渗流的三大要素包括多孔介质、流体和渗流环境，其中任何一项要素的改变都将会引起渗流规
16、律的变化。在油田开发过程中，驱油体系不同引起注入流体的变化，因此不同驱油体系对渗流过程影响不同，导致油田提高采收率就不同。研究新的注入体系驱油机理是科技工作者提高油田开发水平的责任，更是满足国民经济不断增长对能源的需要。在国内应用聚合物驱油规模最大的是大庆油田，目前新的三次采油技术强碱三元复合驱应用于4个区块工业生产，开始取得一定效果。尽管如此，仍有4050%的剩余油残留地下1-3。油田开发面临日趋严峻的挑战，提高石油采收率技术需求越来越迫切，为了挖掘这部分剩余潜力，必须不断研究三次采油新方法新技术。泡沫流体应用于油田，在国内外已有30多年的历史4，作为一门新兴技术，泡沫在驱油、含水气井的排水
17、采气、冲砂洗井、钻井、调剖、堵水、酸化、水泥固井及压裂等油气田开发中的诸多方面获得了长足的发展，并取得了肯定的效果。其流体的组成形式也由单一的表面活性剂+气型发展成表面活性剂+聚合物+气、表面活性剂+聚合物+蒸汽、表面活性剂+凝胶+气和表面活性剂+碱+聚合物+气等多种形式5-6。进入20世纪80年代以来，油田泡沫流体的应用技术有了重大突破。大量实践表明，泡沫流体是保护油层、防止油层污染、提高油气产量的重要手段。在提高石油采收率的研究中，近年来泡沫驱以其独特的渗流和驱油性能越来越受到人们的重视。一方面，由于泡沫视粘度较大，可以明显改善水油流度比，大大提高宏观波及体积；另一方面，由于界面张力的降低
18、，可以减小残余油饱和度，提高微观驱油效率。因此，泡沫驱是一种比较有发展前景的三次采油技术7-9。大量室内实验结果表明，泡沫驱可以在聚驱之后提高原油采收率20%左右，成为三次采油新的希望。1.2 复合泡沫体系国内外发展及其研究现状Fried1是最早研究采用泡沫在提高采收率方面增加驱油效率的研究人员。他的研究指出：泡沫引起气相相对渗透率迅速降低，进而延缓了气体的突破。泡沫法提高采收率主要归功于气体渗透率的降低。他注意到表面活性剂增加了残留气体的饱和度。其观察表明，气体相对渗透率并非饱和度的单值函数，当阻止流动的界面张力增加时，曲线向左移动，表明了泡沫流动阻力随表面恬性剂浓度的增加而增大。因此，气体
19、有效渗透率也是一个表面活性剂浓度的多值函数，因此可以认为气体有效渗透率取决于表面张力和表面粘滞力。他承认弱的泡沫能封阻气流的事实。在弱泡沫的情况下，他观察到泡沫不断地破灭和再生。Heller2-3等人做了CO2泡沫高温高压驱替实验，发现泡沫流动并不是恒定的流速。速度越高，流动性增加；表面活性剂浓度增加，泡沫流动性下降，而提高泡沫质量，流动性只稍微下降。Bond和Bernard4将泡沫流动描述为泡沫中液、气的部分流过，主张只有余下的表面活性剂才能以自由相流动。他们总结说，液体流过孔隙介质是从固定通道运移的，而与泡沫是否存在无关，并且这些通道完全取决于液体饱和度。这一结论是以Chatenaver的
20、孔道流体理论为基础的。1958年，Bond等人发表了世界上第一份泡沫驱油的专利。 1963年，Bernard5-7在实验室中发现当有泡沫存在时，气驱效果增强。实验表明，泡沫作为驱替剂，在只含水的松散砂中非常有效；而在只含油的松散砂中却不十分有效；当松散砂含水含油时，泡沫的作用介于两者之间。初步研究表明，泡沫能提高气驱采油过程中的波及体积，囚为它选择性地降低了油藏中的气体渗透率。Kolb认为大部分气体被圈闭在孔隙介质中，仅有少部分气体成为游离气体，游离气体可用达西定理描述。 1965年，Bernard8等人证明了用泡沫驱油可从线性层状岩心中采收到比传统注水法更多的原油，泡沫形成了圈闭气的高饱和，
21、并间接形成了一个较低的水相渗透率。而含油含水系统的圈闭气饱和度较只含水系统的要低。他们表明气体以非连续相流动，油水以游离相流动。他们得出结论：无论泡沫是否存在于系统中，对于给定液体饱和度，水的相对渗透率是一样的。他们重要的发现之一就是：即使注人0.10.5PV的水，泡沫在无表面活性剂水通道中也不会破灭。 1966年，Marsden和Khan9认为泡沫的组成部分是同时流过孔隙介质的通道的。他们的结论同时表明，随着质量提高，泡沫流动性下降。当然，随着孔隙介质绝对渗透率的下降，流动性下降率也越低；随着表面活性剂浓度的增大，泡沫的表观粘度也增加Holm不同意这个观测结果，他做了流体实验和目视的研究，以
22、观察孔隙介质存在泡沫时气、液流动机理。他记录说，泡沫流过多孔介质时不像是做为一个整体。相反，组成泡沫的气体和液体将分离，泡沫膜破灭，然后重新形成。当有足够泡沫存在时，泡沫前气体流动停止，液体流动减缓。因此他认为，驱动泡沫通过油藏是不可行的，但泡沫能通过减缓和阻隔高渗透率层的流动，进而改善非均质油藏注液过程的驱替状况，他观察到质量提高，泡沫的流动性也增强。他报告说气体不能以连续相流动。 Wang10研究了CO2泡沫的驱替效果。结果表明压力增加，泡沫稳定性增强，而温度增加，泡沫稳定性下降，他总结出无论是原地还是外部产生的CO2泡沫，在与原油接触时，都易于迅速破灭。进而，他建议只要在注入地层利用泡沫
23、堵塞可渗透层或通道，结果石油采收率都会提高，他还发现超高浓度的表面活性剂形成泡沫遮挡，因此降低了波及效率。Holm11报导了泡沫在选择性堵塞高渗透率通道上的成功应用，继泡沫之后注入气（而非水）会使泡沫堵塞效果更佳。尽管Bernard等人曾记载过在多次试验中孔隙系统渗透率减至其初始值的10%-15%，但Holm确认为泡沫层下的水会冲淡泡沫溶液，并将它冲掉。他还认为，当通道的渗透率高时，泡沫的堵塞效果最好。美国联合石油公司于1965年进行了泡沫驱油室内研究，如圣兰西斯科实验室的研究结果表明，将泡沫注入油层，可将最后残余油饱和度降到油层孔隙体积的11.8%。该公司于l965年10月到1967年6月，
24、在伊利诺斯州希金斯油田进行了一次矿场试验。其结果表明，泡沫驱过程中平均水油比从15降至12，而作对比的其它区块，同期水油比从20增至28a，1976年该公司又在同一油田进行了一个小规模泡沫驱试验，约增油1.9万吨。 此外，Hudgins等人先后在泡沫的远距离推进、泡沫与轻质油的相互作用、多孔介质中泡沫的渗滤原埋、泡沫流度控制等有关机理问题上进行了研究。 我国科技人员从70年代初，己经开始了泡沫驱的研究。研究内容主要集中在泡沫的稳定性、起泡剂的损失剂其抑制、泡沫驱油机理等问题上，在此基础上开展了矿场探索性试验。国内于1965年、1971年、1980年先后在玉门、克拉玛依、大庆三个油田进行过矿场试
25、验。在辽河油田稠油蒸汽吞吐试验中，也曾采用了N2泡沫驱油技术。到目前为止，泡沫驱已从简单的气加活性剂水溶液，发展为添加多种助剂(主要是稳定剂)的增强泡沫驱，如聚合物、磷酸盐等，都是很好的稳定剂。以上这些泡沫驱只是普通的活性水加入气体。1971年至1973年6月，新疆克拉玛依油田在六区检8井组进行试验，采用反七点法井网，用烷基苯磺酸钠作发泡剂，气液比为1：1，共注入化学剂95.4t，注入泡沫后，高渗透层的吸水量下降，低渗透层的吸水量上升，见效井平均日产量增加48%，含水下降27.7%，有效期26.6个月。共增产原油9900t，提高采收率6%-8%，这是一次比较成功的尝试。1991年在辽河油田稠油
26、蒸汽吞吐试验中，也曾采用了氮气泡沫驱油技术，取得了一定的成效12-15。大庆油田北二东泡沫复合驱试验区于1997年2月开始泡沫复合体系的注入。该试验区位于北二区东部北2-5排9297井与北2-6排6972井之间，全区共有试验井16口，其中6口为注入井，2口为生产井，8口是生产观察井。随着气液交替周期的增加，气窜现象得到有效的控制，油层中形成了泡沫。产液指数和含水都大幅度下降，油层中明显地形成了含油富集区。北二东泡沫复合驱全区阶段采出程度为10.64%，中心井区阶段采出程度为10.34%。中心井区总采出程度达到54.96%。试验区全区于1998年9月含水降到最低点，全区8口生产井日产液482t，
27、日产油71t，综合含水85.3%，气油比155m4/t，与见效前相比，日产液下降了222t，日产油上升了40t。综合含水下降了10.3%。 最近，大庆油田将泡沫的调剖作用和聚合物的驱油作用相结合，组成泡沫与聚合物复合驱油体系，取得了矿场试验的成功，在水驱基础上采收率提高30%。这种复合驱油体系可以将传统的聚合物驱采收率提高20%，比ASP驱油采收率提高10%。这项试验的成功开创了我国EOR技术的新局面。孤东油田稠油热采区已进入多轮次吞吐阶段，开发效果变差，高、低渗透层动用差异大，汽、水窜状况日趋严重，部分井注汽压力低，注汽效果差，导致无功采液，无效吞吐，甚至造成水淹16。因此，针对此现状，进行
28、了泡沫调剖技术研究，并在现场进行了4井次的应用试验，取得了明显效果。措施前平均注汽压力8.8MPa，汽温290，措施后平均注汽压力13.3MPa，汽温320，与措施前相比，压力上升了4.5MPa，温度上升30。4口井上轮注汽平均日产液11.8m3，日产油3.7t，含水68.7%，措施后平均日产液20.1m3，日产油10t，含水50%。平均单井日增油6.3t，含水下降18.7%，见油时间由上周期的平均9天下降到4天，平均见油时间提前了5天，至2005年9月共累计生产268天，累计增油1688.4t，平均单井增油422.1t，见到了较好的调剖增油降水效果。胜利油田先后在三个井组进行泡沫驱试验17-
29、18，取得了良好效果：a胜坨油田3-5-23井组，位于坨七断块东南部，一口注入井，四口生产井。以十二烷基苯磺酸钠作发泡剂，三聚磷酸钠为稳泡剂，空气为注入气。注入时采用基液与空气同时注入，在井筒和地下混合发泡的形式。自1977年9月6日1978年1月25日，注泡沫时间4个月，以后继续注水，结果因有两口生产井层位低于注入井而无效，两口生产井层位高于注入井，效果显著，有效期长达3年。b草20-10-18井组，有8口生产井，日产液542t，含水90%。在1994年8月26日1994年9月17日的20天内，采用非连续注入方式，每天注泡沫5小时。到1995年5月，井组增油达6000t以上，含水率明显下降，
30、由注泡沫前的90%降至82%85%，效果显著。c草20-9-13井组，同样有8口生产井。注泡沫前，井组日产液310.1t,含水率90.9%。以F240-B为发泡剂，注入量18t。同样用非连续注入方式，在10天时间里，每天注入氮气10小时，截止1995年1月23日，井组日产液309.5t，日产油55.6t，含水率降为81.9%，效果显著。目前，大庆油田三元复合驱技术已居世界领先，但是，从经济上考虑，泡沫复合驱更具优势。而且，室内岩心实验结果表明，泡沫复合驱可比二元复合驱提高采收率约10%，更优于普通泡沫驱。显然，泡沫复合驱集中了三元复合驱和泡沫驱的优点，将成为三次采油新的希望。1.3 本文的研究
31、内容为了研究复合泡沫体系驱油技术在油田聚合物驱后继续提高采收率的能力，针对泡沫在多孔介质中渗流时，在地层条件下是否稳定，需要进行高压渗流实验。同时以往研究泡沫体系渗流能力都是在常压条件下进行的，也需要研究复合泡沫体系在地层条件下的渗流特性。本文采用氮气作为发泡气体，通过室内发泡性能实验，优选出了具有良好泡沫性能的表面活性剂HY-3作为发泡剂，并进行复合泡沫体系影响因素研究，模拟油田高压条件下，进行复合泡沫体系渗流能力和驱油能力研究，主要研究内容如下：1.3.1发泡剂的筛选在45和常压条件下，通过气流法对10种表面活性剂进行了起泡能力和稳定性研究，并用泡沫综合指数方法进行性能评价，优选出性能较好
32、的发泡剂。1.3.2 复合泡沫体系性能的影响因素研究主要研究了气液比、发泡剂浓度、水质矿化度、压力、温度、稳泡剂等因素对发泡剂HY-3的起泡能力和稳定性能的影响，并测定了发泡剂在多孔介质中的吸附滞留量。1.3.3 复合泡沫体系在多孔介质中的渗流实验采用氮气作为发泡气体，阴离子表面活性剂HY-3作为发泡剂，模拟地层温度和压力条件，利用高压泡沫装置研究了复合泡沫体系在多孔介质中的渗流特性。主要研究了岩心类型、气液比、岩心渗透率、注入速度等因素对泡沫在多孔介质中渗流特性的影响。1.3.4 复合泡沫体系驱油实验采用氮气作为发泡气体，阴离子表面活性剂HY-3作为发泡剂，聚合物和羧甲基纤维素纳作为稳泡剂，
33、模拟地层温度和压力条件，利用高压泡沫装置研究了复合泡沫体系驱油效果。主要研究了泡沫段塞组合方式、注入速度、岩心渗透率、温度等因素对复合泡沫体系驱油效果的影响。1.4 复合泡沫体系微观驱油机理亲水、油孔隙介质内的复合泡沫体系渗流大致可以分为三个带：（1）前沿地带 这个区域的特点是复合体系及油分布较多。在这种环境下，有两种情况。一是复合体系和气主要在注入压力下驱油前进，形成混气复合体系驱油渗流。二是表面活性剂减小了油与水的界面张力，形成水包油乳状液渗流。（2）中部地带 在这里，由于油比前沿地带少，这个地带是三种机理共存，即泡沫驱油渗流、混气复合体系驱油渗流和与表面活性剂驱油相似的乳状液渗流。（3）
34、后沿地带 油已经相当少了，气体与三元复合体系普遍分布。所以，在后沿地带占优势的机理是泡沫渗流机理。只出现少量的气柱或气泡。1.4.1 泡沫的产生与破灭 泡沫在多孔介质内渗流时并不是以连续相的形式通过介质孔隙而是不断地破灭与再生。泡沫的再生主要由于缩颈现象。当一个大气泡在通过一个小的孔隙喉道时，因为气泡前后两端所承受的压力不同及气泡前进速度的影响，往往被孔喉截成若干小泡。泡沫在多孔介质中渗流时，气体比液体流动的快，泡沫前缘与原油接触后发生部分降解，这也就是泡沫的破灭的过程。泡沫破灭并不是指泡沫消失，而是由于原油进入泡沫薄层的乳化作用使得泡沫液膜变得不稳定，从而小泡破裂被大泡聚并。泡沫在驱替前缘不
35、断形成大的气体段塞，推动原油向前移动。导致气体向驱替前缘突破。1.4.2 增加宏观扫油面积泡沫复合体系在驱替残余油的过程中先进入孔道大、阻力小的部位。由于气泡的流动阻力大于液体的流动阻力，三元体系从气泡与岩石间的通道绕过气泡流入孔喉较小、未被气泡占据的孔隙空间。随后泡沫进入己被三元体系占据的孔隙和喉道，迫使泡沫及三元体系进入阻力更大的孔喉，从而扩大宏观扫油面积。1.4.3 微观孔隙中泡沫驱油机理19-20 泡沫复合驱油能否在技术上实现，关键因素是起泡剂的筛选。因此，泡沫驱油与起泡剂有关。其次与泡沫本身的性质有关。一般选用的起泡剂是活性很强的阴离子表面活性剂，它不仅能大幅度降低油水界而张力，还能
36、够改善岩石表面润湿性，使原来呈束缚状态的油通过乳化、液膜置换等方式成为可流动的油。泡沫复合体系驱油前缘有一段乳化油带就是泡沫破裂后起泡剂作用的结果。另外泡沫能在破裂之前乳化、吸入和运移油珠，此后，被释放的原油被随后的泡沫薄层波及和运移，然后向前传送。前缘便不断聚集起一个富油带，并被推向油井。对一般较规则的连通孔道而言，泡沫首先挤压、剪切油滴。将油推走，然后占据孔道。对于盲端孔隙而言，小泡先被快速移动的大泡挤入盲端入口，接着被后来的泡沫顶入盲端深部，占据油滴的空间，盲端里的油相则沿泡沫液膜的边缘排出。泡沫在亲油模型中驱替残余油的方式是将贴附在孔壁上的油滴整个向前推。泡沫必须克服原油与孔壁之间的粘
37、附力和原油本身的内聚力，将油剪断。1.4.4 泡沫的选择性堵塞作用 泡沫驱油的另一特性是选择性堵塞作用。泡沫在运移到一定的位置后即驻留，引起流度下降，从而大幅度地降低气相(泡沫)的渗透率，对液相(油水混合物)渗透率则影响不大。1.4.5 扩大微观波及体积 泡沫复合体系的流动阻力远大于液体的流动阻力，泡沫复合体系提高波及体积主要是通过调节孔隙空间的压力平衡来实现的。气泡占据一个或多个孔隙空间而产生气阻效应后就会停止不动，流体的原有通道被堵住，一部分孔隙空间流体停止流动。泡沫复合体系将被迫进入其他的孔隙空间，迫使另一部分原来不动的流体运移。1.4.6 提高洗油效率 泡沫复合体系是在三元体系中加入气
38、体组成的复合体系，因此具有三元体系的特点。在泡沫驱替残余油的过程中气泡占据孔喉中央的大部分区域，驱替液则从气泡与岩壁之间的窄缝中通过，三元体系能够减小亲油介质的毛细管阻力，使岩石表而的润湿性由油湿反转为水湿，驱走粘附在岩石表面的油膜。1.4.7 对非均质地层的调剖效应 泡沫体系具有“堵大不堵小”的作用，可提高中低渗透层的采收率。随着毛细管半径的增大，泡沫的表观粘度上升。在毛细管半径从小变大的过程中，泡沫的结构从单链结构变为束数逐渐增多的结构，泡沫的稳定性和表观粘度都趋于增大。注入地层的泡沫首先进入高渗透大孔道，随着注入量的不断增多，在高渗层中逐渐形成泡沫堵塞，渗流阻力增大，此后流入的流体相对比
39、较均匀地向中低渗层推进，使注入剖而得到较好的控制，波及体积扩大。另外，泡沫破灭和再生过程中分离出的一部分气体受重力的作用上浮至正韵律地层上部的低渗层发挥驱油的作用。1.5 泡沫的基本性质1.5.1泡沫的渗流特性泡沫在孔隙介质中渗流时，其视粘度比组成它的两相(活性水和气体)中的任何一相的粘度都高得多，并随介质孔隙度(或渗透率)的增大而升高。泡沫属非牛顿型流体，孔道越小，则剪切应力越大，泡沫的粘度也越小，流速因而越大20-22。由于体系中存在表面活性剂，气液间界面张力大大降低，泡沫以相对暂时稳定相的形式流动，不断地破灭与再生，因而能够长期地保持泡沫的存在。1.5.2 泡沫的稳定性所谓泡沫的稳定性是
40、指生成泡沫的持久性，即泡沫存在“寿命”的长短23-26。泡沫具有非常大的气液界面面积，因此其表面自由能比较大，自由能具有自发减少的趋势，所以泡沫是热力学上的不稳定体系，泡沫会逐渐破灭，直至气、液完全分离。但是在体系中加入一定量的辅助表面活性剂、稳泡剂等物质，就可获得稳定性良好的泡沫。下面从几个方面阐述泡沫的稳定性。1.5.2.1 泡沫的衰变机理由于气体和液体的密度相差很大，所以液体中的气泡总是很快上升至液面，形成以少量液体构成的液膜隔开气体的气泡聚集物，也就是我们常说的泡沫。泡沫不稳定，会很快发生衰变，目前普遍认为泡沫的衰变机理有两方面的原因：泡沫中液体的析出和气体穿透液膜扩散。1.5.2.2
41、 影响泡沫稳定性的因素 泡沫的稳定性主要取决于液体析出的快慢和液膜的强度27-29，而这两方面又是由诸多因素决定的。（1）溶液的表面张力表面张力对泡沫具有修复作用。从能量角度考虑，降低液体表面张力，有利于泡沫的形成，而且在泡沫的液膜受到冲击局部变薄时，有使液膜厚度复原、使液膜强度恢复的作用，这种作用称为表面张力的自修复作用。此作用也是使泡沫具有良好稳定性的原因。（2） Gibbs-Marangoni表面弹性效应纯液体不能形成稳定的泡沫。稳泡剂能稳定泡沫的原因有两点：一是它们能形成致密的混合膜，增加了表面活性剂分子间的引力；二是降低了溶液中的活性剂浓度，因而增长了表面张力达到平衡的时间，使泡沫趋
42、于稳定。（3） 表面粘度表面粘度是指表面膜液体单分子层内的粘度。这种粘度主要是表面活性分子在其表面单分子层内的亲水基间相互作用及水化作用而产生的。表面粘度越高，表面吸附分子排列越紧密，表面粘度越高，气体透过性越差，则泡沫越稳定。（4） 溶液粘度溶液粘度影响液膜的排液过程。由于液膜是由两层表面活性剂中夹一层溶液构成，如果液体本身的粘度较大，则液膜中的液体不易排出，液膜厚度变薄的速度较慢，因而延缓了液膜破裂时间，增加了泡沫的稳定性。但是应该注意，液体内部粘度仅为一辅助因素，若没有表面膜形成，即使内部粘度再大也不一定能形成稳定泡沫。若体系中既有增高液相粘度的物质，又有增高表面粘度的物质时，泡沫的稳定
43、性可大大提高。Sita等研究了水溶性聚合物对泡沫稳定性的影响，他们在0.5%NaCl的水溶液中，加入羧甲基纤维素钠盐30，并测定了泡沫的有关参数，得出以下结论：水溶性聚合物的加入，提高了溶液的粘度，增加了泡沫重力排液松弛的时间，气体扩散时间及泡沫半衰期。（5） 液膜表面电荷的影响如果泡沫液膜带有相同符号的电荷，液膜的两个表面将互相排斥，以防止液膜变薄乃至于破裂。在离子型表面活性剂的泡沫中，反离子不能中和表面活性剂同侧的吸附电荷，而在泡沫中形成扩散层。（6） 压力和气泡大小的分布泡沫在不同压力下稳定性不同，一般是压力越大，泡沫越稳定。（7） 温度的影响温度对泡沫影响较大，一般情况下，泡沫稳定性随
44、温度的增高而下降。在低温和高温下泡沫的衰变过程不同。 低温时，当泡沫的液膜达到一定厚度时，泡沫就呈现出亚稳定状态，其衰变机理主要是气体扩散。高温时，泡沫的破灭由泡沫柱顶端开始，泡沫体积随时间的增长有规律地减小。这是由于在最上面的液膜上侧，总是向上凸的，这种弯曲膜对蒸发作用很敏感，温度越高蒸发越快，膜变薄到一定厚度时，就破裂了。因此大多数泡沫在高温下是不稳定的。但是也有少数泡沫随温度的增高而稳定性增加，原因可能是发泡剂的溶解度随温度的增高而增大。（8）黑膜在稳定的泡沫表面，经常可以看到一些“黑斑”。这是由于平衡时，稳定泡沫的液膜通常很薄（约几十纳米），它们几乎不反射光，所以被称为黑膜。黑膜又可分
45、为普通黑膜和牛顿黑膜。普通黑膜由于具有双电层结构，其厚度较大，并随电解质浓度的增大而减小。牛顿黑膜的厚度仅比形成它的表面活性剂分子的双分子层厚度稍大一些，通常认为它的结构是两层表面活性剂分子中夹有一个薄水层。可通过改变溶液的pH值或电解质浓度，将一种黑膜转变成另一种黑膜，这种转变是以平衡时膜厚度的突变为标志的。（9） 泡沫质量泡沫质量是泡沫中气体所占泡沫总体积的百分比。泡沫质量对其稳定性有决定性影响，这种影响随泡沫衰变的主要机理不同而异。以排液为主要衰变机理的泡沫，其稳定性随泡沫质量的增加而增加；以气体扩散为主要衰变机理的泡沫，其泡沫稳定性随泡沫质量增加而降低（溶液粘度较高、膜较厚的泡沫就属于
46、这种情况）。前者，因泡沫质量提高，气泡半径变小，液膜变薄，排液速度降低；后者，由于泡沫质量增加，加速了气体扩散速度，泡沫变得不稳定。综上所述可看出，影响泡沫稳定性的因素多种多样，为了得到较稳定的泡沫，我们应该综合考虑各种因素。1.5.2.3 提高泡沫稳定性的方法从上面的总结可以看出，目前关于泡沫稳定性的理论还很不成熟，而且影响泡沫稳定性的因素很多，所以只有在实际应用中根据经验和实验选择合适方法来获得稳定泡沫。根据需要选择适当的发泡剂，以降低液相的表面张力，增加液膜的强度和弹性。在泡沫中稳泡剂起着不容忽视的作用。发泡剂-体系产生的泡沫不够稳定，为提高泡沫的稳定性，需加入泡沫稳泡剂。泡沫的产生是由
47、于空气或其它气体从液面下通入，液体发生膨胀，并以液膜将气泡包围而形成。在绝对纯的液体下，通入气体形成的气泡，当它们相互接触或逸出液体时，就会立即破裂。通常要形成气泡，需要有一个溶质被吸附在液气界面上才行。如果表面活性剂作为溶质存在于溶液中，当通入气体时，表面活性剂分子被吸附在液气表面界面上，并在界面两边形成单分子吸附膜，此时即可能形成气泡。所形成的气泡或泡沫可以是暂时性的，也可以是持久性的。暂时性的泡沫，寿命在数秒到几十秒的范围内；而持久性的泡沫，寿命则可以从数时达到数天之久。无论形成暂时性的泡沫还是持久性的泡沫，围绕着气泡的液膜，都必须具有某种特殊形式的弹性，以抵制使膜局部减薄或伸展的作用，
48、即使在膜伸展或减薄过程中，也会很快产生反抗伸展或减薄的应力，这种性质被称为膜弹性。在以表面活性剂作溶质时，所产生的泡沫，具有很好的膜弹性。膜弹性一般与表面活性剂水溶液达到平衡表面张力所需要的时间有关，也和表面活性剂的一些性质有关，例如在低于临界胶束浓度时，随着表面活性剂浓度的降低，表面张力是迅速增加的。膜弹性是产生泡沫的必要条件，但还不是形成持久性泡沫的充分条件。泡沫要持久，还必须存在这样一种功能，即当泡沫遭受机械冲击或达到某种临界厚度时，有一种作用能够延迟液体或气体从泡沫中流失，以防止薄膜的破裂。这种决定泡沫稳定的重要因素就是表面活性剂溶液从薄膜内部流失的程度和速度。因为流失会导致膜变薄，当膜达到临界厚度（50100m）时，膜就会自动破裂。从泡沫的生成和破裂的过程来分析，泡沫初生时，薄膜比较厚，这时重力引起的流失是主要的。由此可见，要能够延迟溶液从薄膜内部流失，就必须克服由重力和表面张力引起的流失。通常通过加入另一种表面活性剂-泡沫稳泡剂来达到这个目的。同时，考虑地层条件下岩石的组成及性质，还要考虑粘土稳定剂等添加剂。1.5.3 多孔介质中泡沫产生机理泡沫的产生有三个机理，分别为液膜遗留（或气泡超越）、气泡
