1中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室·石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·城市油氣輸配技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

2長(zhǎng)慶油田第一采氣廠

原油泡沫是一種以氣體為分散相、原油為連續(xù)相的氣液分散體系，在石油行業(yè)中，如鉆井、壓裂、酸化、調(diào)剖、驅(qū)油等方面的應(yīng)用有助于提高效能，增加原油產(chǎn)量，但原油泡沫會(huì)對(duì)集輸、煉化等過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面影響。在油氣集輸站場(chǎng)，原油沿集輸管道進(jìn)入分離器時(shí)壓力降低，溶解在原油中的氣體析出，產(chǎn)生泡沫[1]。特別是近些年氣驅(qū)技術(shù)的應(yīng)用，地層中的原油溶有大量氣體，在集輸分離時(shí)易產(chǎn)生大量穩(wěn)定的泡沫。大量泡沫的產(chǎn)生以及泡沫破滅時(shí)間的延長(zhǎng)降低了分離器效率，同時(shí)氣相出口中易夾帶小液珠，液相出口中也可能攜帶氣泡，損壞下游的泵或壓縮機(jī)，甚至發(fā)生氣蝕等嚴(yán)重事故[2-3]。通過(guò)增加分離器的尺寸，延長(zhǎng)油品停留時(shí)間可消除泡沫，但會(huì)增加成本，對(duì)于空間有限的海上平臺(tái)來(lái)說(shuō)不易實(shí)現(xiàn)[4-5]。目前有關(guān)原油泡沫的研究多是分析地層條件下泡沫特性，針對(duì)油氣集輸條件下的泡沫特性分析不足。本文綜述了原油中膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、蠟、固體顆粒等因素對(duì)泡沫穩(wěn)定特性的影響，并從液膜排液、氣體擴(kuò)散等機(jī)制方面闡明各單一因素對(duì)泡沫特性的影響，在此基礎(chǔ)上，提出將現(xiàn)代精密儀器應(yīng)用到泡沫研究中，將宏觀原油泡沫現(xiàn)象與微觀下膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、蠟等在原油泡沫中結(jié)構(gòu)變化相結(jié)合，分析各物質(zhì)作用機(jī)理，對(duì)于深入認(rèn)識(shí)泡沫特性，促進(jìn)相關(guān)泡沫領(lǐng)域的研究與發(fā)展等具有重要作用，并可為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 原油泡沫穩(wěn)定特性

1.1 泡沫結(jié)構(gòu)

泡沫是一種分散相為氣體、連續(xù)相為液體或固體的分散體系。典型的多邊形泡沫結(jié)構(gòu)遵循Plateau平衡條件，如圖1所示，有4個(gè)氣泡形成一組互相作用的基本單元。這4個(gè)氣泡共用一個(gè)交匯點(diǎn)，其中每3個(gè)氣泡圍成一個(gè)凹三角形柏拉圖通道，每2個(gè)氣泡間形成一個(gè)液膜。泡沫中的液體分布在液膜、柏拉圖通道和交匯點(diǎn)上，當(dāng)液體體積分?jǐn)?shù)?高時(shí)，氣泡接近圓球形，分率低時(shí)呈多面體形態(tài)，一般將?=36%時(shí)的分界點(diǎn)稱為臨界液體體積分?jǐn)?shù)[6]，此時(shí)泡沫結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生突變，這也是區(qū)分干濕泡沫的臨界點(diǎn)。油田集輸分離器中原油泡沫結(jié)構(gòu)與此類似，在泡沫破滅過(guò)程中，泡沫液體體積分?jǐn)?shù)由高到低，泡沫由圓球形變成多邊形，繼而聚并破滅。

圖1 泡沫結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of foam

1.2 泡沫衰變與穩(wěn)定機(jī)理

泡沫結(jié)構(gòu)的演化、衰變過(guò)程的機(jī)理主要包括泡沫排液和氣體擴(kuò)散。泡沫間的微量液體在重力、毛細(xì)管力、黏滯力的作用下，在薄膜、Plateau邊界和交匯點(diǎn)共同形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程稱為泡沫排液[7]。泡沫排液可分為兩個(gè)階段：第一階段為排液初期，液膜較厚，排液主要是重力作用所致，排液速度較快；另一階段是在毛細(xì)管力作用下的排液過(guò)程，范德華力和靜電排斥力起決定作用。氣體擴(kuò)散則是由于泡沫內(nèi)氣泡大小不一，曲率半徑不同所致，根據(jù)Laplace公式可知，曲率半徑越大氣泡內(nèi)壓力越小，小氣泡內(nèi)壓力大于大氣泡內(nèi)壓力，于是小氣泡內(nèi)氣體向大氣泡內(nèi)擴(kuò)散。分離器中原油泡沫在破滅過(guò)程中，前期以排液為主，后期排液速率下降，氣體擴(kuò)散占主導(dǎo)地位。

泡沫穩(wěn)定是由于自身性質(zhì)的改變或是表面活性劑等外界添加物的影響而使泡沫衰變過(guò)程減緩或停滯。泡沫是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，純液體一般不會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定泡沫[8]。有學(xué)者認(rèn)為形成穩(wěn)定泡沫必須滿足三個(gè)條件[9]：①溶質(zhì)必須具有表面活性；②泡沫的液體薄膜必須具有低的表面自由能；③泡沫的液體薄膜必須具有良好的彈性。在原油泡沫中，瀝青質(zhì)、蠟晶、固體顆粒、聚合物、表面活性添加劑等都可改變泡沫表面自由能、表面張力等性質(zhì)，增加泡沫穩(wěn)定性。

2 原油組分對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

2.1 膠質(zhì)、瀝青質(zhì)對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

膠質(zhì)、瀝青質(zhì)是原油中相對(duì)分子質(zhì)量較高的表面活性劑。一般認(rèn)為，石油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)分子是以多個(gè)芳香環(huán)組成的稠合芳香環(huán)系為核心，周圍連接若干個(gè)環(huán)烷環(huán)或芳香環(huán)，環(huán)烷環(huán)上帶有長(zhǎng)度不一的正構(gòu)或異構(gòu)烷基側(cè)鏈的大分子，分子中還雜有各種含S、N、O的官能團(tuán)，同時(shí)會(huì)絡(luò)合Ni、V、Fe等金屬。這些環(huán)結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)、雜原子等以不同的形式影響著膠質(zhì)、瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)或狀態(tài)，從而影響泡沫穩(wěn)定性。

瀝青質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為50%，是具有最低H/C比（氫碳比）的油組分，擁有酸性和堿性官能團(tuán)，在不同pH值溶液中電離程度不同[10-12]，這些性質(zhì)從不同層面影響著原油黏度、表面張力等性質(zhì)，從而改變泡沫穩(wěn)定性。瀝青質(zhì)含量的增加提高了原油的黏度，減緩泡沫排液速率，延長(zhǎng)泡沫破滅時(shí)間[13-14]。吸附在液膜表面的瀝青質(zhì)，可降低液膜表面張力，減緩泡沫的合并，與液膜形成高強(qiáng)度三維網(wǎng)狀膜，增強(qiáng)了泡沫膜強(qiáng)度與韌性，從而穩(wěn)定泡沫[15-16]。瀝青質(zhì)中的活性組分相對(duì)分子質(zhì)量越大，分子結(jié)構(gòu)中芳香環(huán)結(jié)構(gòu)越多，其形成的界面膜強(qiáng)度越大[17]。含有較多酸性官能團(tuán)的瀝青質(zhì)，其形成泡沫膜穩(wěn)定時(shí)間明顯增加[18]。在高壓實(shí)驗(yàn)條件下，瀝青質(zhì)相對(duì)于其他原油組分能夠更好地穩(wěn)定油膜。但有學(xué)者認(rèn)為泡沫穩(wěn)定特性與瀝青質(zhì)含量相關(guān)：瀝青質(zhì)有很高的表面活性，當(dāng)其分散或溶解在模擬油中時(shí)會(huì)強(qiáng)化泡沫的穩(wěn)定性，但當(dāng)瀝青質(zhì)濃度超過(guò)最大溶解度時(shí)，分子相互聚集程度增加，產(chǎn)生絮凝沉淀，泡沫穩(wěn)定性反而減小[19]。也有學(xué)者認(rèn)為瀝青質(zhì)對(duì)泡沫穩(wěn)定性無(wú)影響，不同瀝青質(zhì)含量的油表現(xiàn)出相似的泡沫油現(xiàn)象[20]。

膠質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量小于瀝青質(zhì)。一般認(rèn)為，膠質(zhì)對(duì)泡沫性質(zhì)的影響主要是通過(guò)與瀝青質(zhì)相互作用，改變?yōu)r青質(zhì)性質(zhì)，從而影響泡沫特性。瀝青質(zhì)在溶液中濃度增大時(shí)會(huì)有一定的聚集，瀝青質(zhì)聚集度取決于溶液芳香度和膠質(zhì)/瀝青質(zhì)的比值。聚集度到達(dá)一定閾值后對(duì)泡沫的穩(wěn)定性影響減弱，而膠質(zhì)可以減小瀝青質(zhì)聚集的尺寸，增加瀝青質(zhì)的溶解度，進(jìn)而穩(wěn)定泡沫。另一種解釋是膠質(zhì)包裹在瀝青質(zhì)的周圍，減小瀝青質(zhì)聚集沉淀的概率，增加瀝青質(zhì)溶解性[21]。但也有人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%范圍內(nèi)變化時(shí)，泡沫穩(wěn)定性變化不大，此時(shí)膠質(zhì)含量的增加會(huì)降低泡沫界面剛性，從而降低泡沫穩(wěn)定性和乳液穩(wěn)定性[19]。

2.2 蠟質(zhì)等固體顆粒對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響

原油中的蠟以液態(tài)蠟或固態(tài)蠟晶存在。蠟對(duì)泡沫特性的影響一般是指蠟晶，多數(shù)研究將蠟晶對(duì)泡沫的作用視為固體顆粒對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響[22]。一定條件下，固體顆?？梢栽黾右后w黏度，減緩泡沫排液。有研究發(fā)現(xiàn)，固體顆粒對(duì)泡沫特性的影響存在閾值，納米SiO2顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.7%以下產(chǎn)生的泡沫穩(wěn)定性是有限的，質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.7%后，泡沫穩(wěn)定性顯著增加[23]。泡沫特性與顆粒結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，通過(guò)低溫掃描電鏡觀察到層狀結(jié)構(gòu)的小顆粒穩(wěn)定泡沫效果顯著[24]。在原油中，析出的蠟晶結(jié)構(gòu)、形狀和大小不盡相同，因此對(duì)泡沫特性的影響不可預(yù)測(cè)。

針對(duì)蠟晶對(duì)泡沫特性的直接影響，有專家認(rèn)為，原油中蠟含量決定了原油的流變性能，石蠟晶體的存在會(huì)干擾表面流變特性，從而影響發(fā)泡特性[25]。有研究發(fā)現(xiàn)，原油中蠟晶與瀝青質(zhì)可相互作用[26]：在瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%條件下，瀝青質(zhì)表現(xiàn)出抑制蠟分子析出的性質(zhì)，延緩膠凝過(guò)程；瀝青質(zhì)通過(guò)進(jìn)入蠟晶三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，成為其中的“脆弱點(diǎn)”，弱化膠凝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低蠟晶包裹液態(tài)油的能力，使得蠟晶顆粒由針狀轉(zhuǎn)變?yōu)闄E球狀；而在降壓原油中蠟絮凝可導(dǎo)致瀝青質(zhì)不穩(wěn)定[27]。由此可推測(cè)原油組分對(duì)泡沫特性的影響復(fù)雜多變。

3 原油泡沫評(píng)價(jià)方法

3.1 原油發(fā)泡方法

目前，針對(duì)分離器條件下原油泡沫特性進(jìn)行研究時(shí)，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生泡沫的方法主要有攪拌法、注氣法和降壓法等。

攪拌法是相對(duì)傳統(tǒng)的方法，直接利用攪拌器將氣液混合產(chǎn)生泡沫，該方法操作簡(jiǎn)單，在測(cè)量黏稠或超稠液體發(fā)泡性能方面具有不可替代的作用。但攪拌法屬于強(qiáng)制起泡，所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能夠真實(shí)反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)。

注氣法（氣流法）是研究泡沫最常見的方法。將氣體以一定速率通過(guò)玻璃砂濾板等多孔介質(zhì)，介質(zhì)上面有一定量的測(cè)試溶液，氣體通過(guò)多孔介質(zhì)分散后與溶液均勻混合形成泡沫[28]。產(chǎn)生的泡沫與多孔介質(zhì)孔隙度、氣體流速等有直接的關(guān)系，泡沫破滅速率也與氣體速率、容器大小等有關(guān)[29]。利用注氣法研究泡沫特性的技術(shù)已相當(dāng)成熟，但注氣產(chǎn)生的泡沫并不能很好地模擬分離器條件下的泡沫特性，壓力的擾動(dòng)對(duì)泡沫特性的影響不可忽略。

降壓法則是在高壓下將氣體溶解在待發(fā)泡液體中，通過(guò)壓降析出氣體產(chǎn)生泡沫，這是研究地層泡沫以及集輸分離泡沫時(shí)與實(shí)際工況較吻合的方法[30-31]。不足的是這些方法壓降末端均為大氣壓，而實(shí)際分離器壓力要高于此，末端壓力對(duì)泡沫特性是否存在影響，有待進(jìn)一步認(rèn)證。后續(xù)研究可從改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法、獲取有效數(shù)據(jù)等方面入手，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性及指導(dǎo)性。

3.2 原油泡沫觀測(cè)方法

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的高精尖儀器設(shè)備應(yīng)用到原油、泡沫等基礎(chǔ)研究中[32-35]。除了宏觀發(fā)泡實(shí)驗(yàn)，可借助現(xiàn)代儀器觀測(cè)泡沫微觀結(jié)構(gòu)特征。泡沫界面微觀形貌的研究是在近代微觀電鏡出現(xiàn)后發(fā)展起來(lái)的，主要研究界面膜上不同結(jié)構(gòu)的微觀形貌對(duì)泡沫體系物理化學(xué)性質(zhì)的影響。已有研究表明，氣泡界面膜微區(qū)形貌的形成是由于Laplace附加壓力的壓縮驅(qū)動(dòng)或多個(gè)作用機(jī)理如相分離、屈曲演變等復(fù)合作用的結(jié)果[36]。BINKS[37]在對(duì)不同類型的氟乙烯顆粒對(duì)泡沫穩(wěn)定性影響的研究中，利用冷凍刻蝕掃描電鏡觀察泡沫結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)大的形狀不規(guī)則的顆粒鑲嵌在泡沫表面，而小的球形顆粒則在液膜表面形成單層可視結(jié)構(gòu)，層狀大顆粒的面積較大面貼合于泡沫膜，可直觀發(fā)現(xiàn)各形狀結(jié)構(gòu)對(duì)泡沫的影響。

4 結(jié)論

綜上所述，原油泡沫穩(wěn)定特性與原油成分密切相關(guān)。膠質(zhì)、瀝青質(zhì)對(duì)泡沫穩(wěn)定性影響復(fù)雜，針對(duì)膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的研究，不同的實(shí)驗(yàn)條件、原油特性、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)結(jié)構(gòu)等都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，而且，蠟晶與瀝青質(zhì)的相互作用使得研究泡沫特性更加艱難?，F(xiàn)有研究泡沫特性的方法以注氣法為主，不能夠很好地模擬現(xiàn)場(chǎng)工況，近些年利用降壓法研究泡沫的學(xué)者日益增多，但還是需要改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，增加實(shí)驗(yàn)的可靠性。隨著現(xiàn)代科學(xué)儀器的發(fā)展，高精尖儀器越來(lái)越多的應(yīng)用到石油行業(yè)中，為原油泡沫特性的研究方向、研究方法、研究深度擴(kuò)展了新的思路。今后的研究可基于現(xiàn)代化的儀器設(shè)備，從微觀角度觀察膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和蠟等結(jié)構(gòu)形態(tài)，以及這些物質(zhì)在液膜表面形成的特殊穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并結(jié)合宏觀發(fā)泡特性，外加理論分析，多層次多方向研究各物質(zhì)對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響。除膠質(zhì)、瀝青質(zhì)和蠟之外，影響原油泡沫特性的因素還有很多，如無(wú)法預(yù)測(cè)的外界因素、油品的性質(zhì)、組成因素等，針對(duì)原油泡沫特性的研究任重而道遠(yuǎn)。