周 恒， 邢曉凱， 國旭慧， 孫銳艷

(1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣管道輸送安全國家工程實驗室、城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102249； 2. 吉林石油集團(tuán)石油工程有限責(zé)任公司，吉林 松原 138000)

泡沫是氣體分散到連續(xù)液相或固相中的一種兩相體系，在化工、食品等許多工業(yè)領(lǐng)域起重要作用。其中以水相泡沫研究最為完備，同時非水相泡沫在石油化工、涂料油漆等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。原油泡沫是一種典型的非水相泡沫，在油田生產(chǎn)上有廣泛的應(yīng)用，如油基泡沫鉆井液技術(shù)等。原油泡沫起積極作用的同時，也會產(chǎn)生負(fù)面影響，例如延遲焦化工藝中泡沫層現(xiàn)象等[1]，其中以油田分離器的泡沫問題最為值得關(guān)注。

油井采出液中溶解有伴生氣或氣驅(qū)用氣，在分離器中由于溫度壓力變化與擾動等影響，氣體會從采出液中逸出，對于發(fā)泡性強(qiáng)的原油，可能會在分離器內(nèi)形成穩(wěn)定的泡沫層，其存在會占據(jù)分離器內(nèi)大量空間，影響液位控制，造成氣中帶液現(xiàn)象，危害下游壓縮機(jī)與氣體處理設(shè)施，嚴(yán)重時還會發(fā)生冒罐事故[2]。因此，研究原油泡沫的生成穩(wěn)定機(jī)理及影響因素對油田分離設(shè)備的高效運行有重要意義。

1 泡沫的基本性質(zhì)

1.1 泡沫的生成與結(jié)構(gòu)

在攪動、沖擊或快速降壓的情況下，液體會生成泡沫。純液體生成的泡沫由于表面自由能的增加處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，存在時間極短。加入表面活性劑后，溶液的表面張力降低，整個體系的表面能降低，有利于泡沫的生成，離子表面活性劑的靜電排斥作用和Maragoni效應(yīng)也有利于泡沫穩(wěn)定。水相泡沫的研究表明，泡沫生成的決定性因素是表面活性物質(zhì)在氣體與溶液界面上的吸附[3]，由于氫鍵作用在氣-水界面產(chǎn)生高表面張力(72 mN/m)，界面很容易吸附表面活性物質(zhì)，因此很容易產(chǎn)生泡沫。原油等非水相液體表面張力小(15～30 mN/m)，吸附能力小，幾乎沒有碳?xì)浠衔锉砻婊钚晕镔|(zhì)吸附[4]，因此原油發(fā)泡行為與水相泡沫有差異。

泡沫有兩種結(jié)構(gòu)。氣相被很薄的液膜隔開，氣泡基本呈多面體，液體體積分率小的泡沫稱為多面體泡沫。當(dāng)液體體積分率較高，氣泡接近圓球形且之間有較厚的液膜時稱為球狀泡沫，也被稱為“氣體乳狀液”。二者的力學(xué)特性不同，通常由于脫液作用，后者會向前者發(fā)生轉(zhuǎn)變。

原油中均可以生成上述兩種泡沫結(jié)構(gòu)，后者的典型例子是稠油溶解氣驅(qū)中的泡沫油[5]，這類油呈現(xiàn)出一種油相連續(xù)的泡沫狀態(tài)，包含了大量的氣泡，且氣泡非常穩(wěn)定，能在敞開的容器中保持十到十幾個小時[6]。

1.2 泡沫穩(wěn)定機(jī)理

泡沫是一個非平衡系統(tǒng)，表現(xiàn)為它的結(jié)構(gòu)隨時間發(fā)生演化，涉及三個機(jī)制：泡沫排液、液膜破裂和氣體擴(kuò)散[7]。

由于密度差，重力易將泡沫中的氣液分開，球狀泡沫中氣泡升起而液體流下；多面體泡沫中氣泡緊密排布，液體體積分率很小，但微量液體仍可以通過柏拉圖通道形成的網(wǎng)絡(luò)流下，同時由于毛細(xì)管力作用，液膜中的液體有向液膜交界處(柏拉圖邊界)流動的傾向，造成液膜變薄。假定氣泡間不聚并，排液將一直發(fā)展下去，直到重力方向的靜壓力梯度與重力相平衡，該梯度由分離應(yīng)力支撐。泡沫排液不僅取決于泡沫的成分，還取決于容器的大小和形狀。

液膜破裂是相鄰氣泡間液膜的破裂造成氣泡合并，在多面體泡沫中常見。液膜破裂很可能是熱振動激發(fā)的一個過程，需要一個較大的在平衡厚度附近的振動，并且大于能量勢壘。例如可采用機(jī)械激波加快液膜破裂，也可施加剪切力和添加化學(xué)劑來影響液膜破裂速率。

由Laplace方程可知：

(1)

式中，pi為氣泡內(nèi)部壓力，Pa；pl為液體壓力，Pa；σ為表面張力，N/m；r為氣泡的半徑，m。由于液體壓力相同，小氣泡內(nèi)部壓力大于大氣泡內(nèi)部壓力，壓差使小氣泡內(nèi)氣體經(jīng)液膜向大氣泡內(nèi)擴(kuò)散，大氣泡變大，液膜變薄，進(jìn)而破裂，小氣泡消失。液面上氣泡中氣體會透過液膜向氣相擴(kuò)散，造成泡沫衰變[8]。

上述三種機(jī)制互相關(guān)聯(lián)，盡管已能清楚地觀察泡沫演化，但對于這些內(nèi)在機(jī)制仍然沒有完全了解[9]。原油泡沫與水相泡沫最大的區(qū)別在于原油的低介電常數(shù)(2左右)限制了離子離解，靜電雙層推斥產(chǎn)生分離應(yīng)力，這一水相泡沫的主要穩(wěn)定因素在原油體系中很弱。研究原油泡沫穩(wěn)定原因的文獻(xiàn)有限，有學(xué)者認(rèn)為，穩(wěn)定源是特殊的表面活性劑或氣液界面上吸附的顆粒。

綜上所述，盡管水相泡沫的一些基本概念和規(guī)律可用于原油泡沫研究，但二者的形成與穩(wěn)定機(jī)理并不同，原油泡沫仍有待深入研究。

2 研究原油泡沫的實驗方法

部分原油泡沫研究采用了氣流法等傳統(tǒng)泡沫測試方式，為更好地模擬實際發(fā)泡過程，也有學(xué)者開發(fā)了降壓法。

氣流法原理是向帶刻度的玻璃容器裝入一定試液，從容器底部勻速通入氣體，一段時間后停止供氣并記錄泡沫的最大體積和半衰期[10]。曾有學(xué)者利用該法采用不同氣體(空氣、氮氣、甲烷)研究原油泡沫。氣流法產(chǎn)生泡沫的機(jī)理與現(xiàn)場實際不同，不能很好地重現(xiàn)原油泡沫。但有報道表明，采用該方法選出的消泡劑是有效的[11- 12]。氣流法設(shè)備簡單，結(jié)果易于觀察，對原油泡沫研究有一定意義，近年來仍有應(yīng)用。有學(xué)者提出“環(huán)上成膜法”評價原油的發(fā)泡趨勢[13]，依據(jù)不同原油在不同直徑的環(huán)上會形成膜，通過計算外推出能在環(huán)上成膜的最大直徑dkp，該值越大，則原油形成穩(wěn)定膜的趨勢就越強(qiáng)。該方法的優(yōu)點在于所需儀器非常簡單，但操作人員的主觀判斷對結(jié)果有影響。

原油發(fā)泡的根本原因是降壓使溶解氣逸出形成泡沫，首先在一定壓力下將氣體溶于原油，再降壓使氣體逸出所形成的泡沫更符合現(xiàn)場實際。

J. J. Sheng等[14]將20 cm3原油在高壓下飽和，再轉(zhuǎn)移到有視鏡和高度刻度的壓力容器中，通過背壓閥線性或瞬時降壓，觀察泡沫高度變化來評價泡沫油的穩(wěn)定性。J. Wang等[15]在壓力活塞容器中裝入CO2油溶液，通過推動活塞維持壓力，搖動容器使氣油混合均勻，24 h后將泡沫原油抽出，測量半衰期。吳永彬等[16]為研究超重泡沫油開發(fā)了可視強(qiáng)度測試裝置，包括注入系統(tǒng)、可視化本體以及回壓控制等模塊。降壓速率可控制，通過記錄不同時刻泡沫高度來評價泡沫。

降壓法中原油靜態(tài)降壓，與原油流入分離器的動態(tài)過程不同。A. K. Fraga等[17]為模擬現(xiàn)場降壓過程，將150 mL原油在壓力容器內(nèi)用CO2加壓到一定壓力，加熱至實驗溫度，旋轉(zhuǎn)以促進(jìn)溶解平衡；微開出口閥，用量筒接取泡沫，記錄泡沫高度隨時間的變化直到泡沫完全破滅。C.Blázquez[18]在400 mL的老化槽中裝入100 mL原油，用CO2或甲烷加壓到0.5、1.0、1.5 MPa后利用震蕩儀促進(jìn)溶解，溶氣原油經(jīng)出口球閥、固定開度的針型閥和盤管進(jìn)入量筒，針型閥能提供足夠的壓降，盤管可穩(wěn)流，以防止原油對量筒的沖擊改變泡沫行為(如氣泡直徑分布)，提高實驗可重復(fù)性。

原油泡沫的實驗方法主要基于對泡沫體積的觀察，不同學(xué)者的研究方式存在差異。目前的實驗方法還無法很好地還原采出液由管路進(jìn)入分離器再排出這一動態(tài)過程，與實際發(fā)泡情況不盡相同。

3 影響原油泡沫形成與穩(wěn)定性的因素

原油組成、溫度、黏度等因素會影響泡沫演變過程與界面膜性質(zhì)，進(jìn)而影響發(fā)泡與穩(wěn)定。影響原油泡沫形成與穩(wěn)定性的因素分析如下。

3.1 原油組成的影響

原油中存在的特殊表面活性物質(zhì)如膠質(zhì)、瀝青質(zhì)、環(huán)烷酸等能影響泡沫的生成和穩(wěn)定。I. C. Callaghan等[19]利用氣流法研究經(jīng)堿洗的原油發(fā)現(xiàn)，相對分子質(zhì)量小于等于400的短鏈羧酸和酚是多種原油發(fā)泡的必要條件，原油的表面擴(kuò)張流變性很大程度上也受這類化合物的影響。J. Peng等[20]通過氣流法與環(huán)上成膜法研究重質(zhì)油，認(rèn)為瀝青質(zhì)中酸性與堿性基團(tuán)在油氣界面上相互作用形成瀝青質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而形成穩(wěn)定界面。F. Bauget等[21]采用氣流法和環(huán)上成膜法研究不同膠質(zhì)、瀝青質(zhì)濃度的甲苯溶液，發(fā)現(xiàn)瀝青質(zhì)濃度達(dá)到10%左右時，溶液的發(fā)泡性、泡沫膜壽命、表面性質(zhì)會有明顯變化，歸因于瀝青質(zhì)聚集狀態(tài)的變化，并認(rèn)為由于膠質(zhì)能溶解瀝青質(zhì)，膠質(zhì)含量越大泡沫越不穩(wěn)定。X. Sun等[22]通過向甲苯中加入膠質(zhì)、瀝青質(zhì)，并由針頭鼓氣來模擬發(fā)泡，結(jié)果顯示，膠質(zhì)能促進(jìn)瀝青質(zhì)的發(fā)泡作用，其解釋是吸附在瀝青質(zhì)表面的膠質(zhì)阻止其聚集，有利于油氣界面穩(wěn)定。N. N. Zaki等[23]采用氣流法研究指出，瀝青質(zhì)的聚集狀態(tài)對發(fā)泡性與穩(wěn)定性有影響，瀝青質(zhì)含量在溶解度極限附近時泡沫最穩(wěn)定。I. Adil[24]認(rèn)為瀝青質(zhì)促進(jìn)了原油降壓過程中氣泡的生成，并能防止泡沫聚結(jié)。M. S. Jupsrasert[25]通過降壓法研究溶甲烷原油發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡性與穩(wěn)定性均與膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量正相關(guān)。C. Blázquez[18]結(jié)合前人研究認(rèn)為，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)促進(jìn)泡沫穩(wěn)定，而飽和烴與芳香烴組分則起反作用。

不同實驗條件與實驗方法均表明，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等物質(zhì)對原油泡沫生成與穩(wěn)定有較大影響，但影響機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。

3.2 原油黏度的影響

原油黏度是影響泡沫穩(wěn)定性的重要因素，其值越大，泡沫排液與氣體擴(kuò)散過程越慢，I. C. Callaghan[19]采用氣流法研究黏度小于20 mPa·s的原油，發(fā)現(xiàn)泡沫壽命與黏度近似成線性關(guān)系；而M. K. Poindexter[26]對較高黏度原油的研究則沒有發(fā)現(xiàn)該規(guī)律，可能的原因是對于排液較快的低黏原油，黏度起主導(dǎo)作用。C.Blázquez[18]認(rèn)為黏度和原油組成共同影響發(fā)泡性和穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)m(膠質(zhì)+瀝青質(zhì))/m(飽和烴+芳香烴)的值乘以黏度所得的值和泡沫壽命、發(fā)泡指數(shù)近似成線性關(guān)系。對于泡沫油，X. Zhou[27]的研究表明，原油黏度越大，氣泡體積增長越慢，氣泡聚結(jié)越慢，泡沫壽命越長。

3.3 溫度的影響

溫度的升高會降低原油黏度，促進(jìn)泡沫排液，同時氣泡更容易發(fā)生聚結(jié)。溫度越高，泡沫的穩(wěn)定性越低。當(dāng)泡沫與氣體空間相接觸時，溫度越高，泡沫彎曲膜的蒸發(fā)速率越大，氣體擴(kuò)散越快，穩(wěn)定性越差。溫度對瀝青質(zhì)在原油中的溶解度有重要影響[28]，進(jìn)而影響瀝青質(zhì)在油氣界面上的分布，改變泡沫性質(zhì)。

3.4 機(jī)械作用的影響

原油降壓過程中的發(fā)泡情況與其所受的機(jī)械作用有關(guān)。黃永湘[29]的現(xiàn)場試驗顯示，入口結(jié)構(gòu)和分離區(qū)的流動條件對泡沫生成量有影響，穩(wěn)流式入口生成泡沫最少，入口節(jié)流時產(chǎn)生泡沫最多。一般認(rèn)為離心式入口有助于消泡[30]，但在現(xiàn)場曾有換裝離心式入口發(fā)泡反而更嚴(yán)重的例子，N. M. Guzmán[31]利用水相泡沫研究柱狀旋流氣液分離器(GLCC)對泡沫的影響，發(fā)現(xiàn)隨工況不同，其可能起到消泡和促進(jìn)泡沫生成兩種相反的作用。有報道稱某油田在換裝離心式入口和軸流旋風(fēng)除霧器后，分離器消泡劑的用量下降了50%[32]。利用適當(dāng)?shù)膬?nèi)構(gòu)件消泡是經(jīng)濟(jì)又可靠的方法[33]，常用的有平行板、波紋板等，但內(nèi)構(gòu)件對原油泡沫穩(wěn)定性的研究較少[34]。隨著小型化設(shè)備的開發(fā)，合理設(shè)計分離器結(jié)構(gòu)以解決發(fā)泡問題是必要的。

3.5 其他因素的影響

溶解氣性質(zhì)對泡沫的生成與穩(wěn)定性有影響。有學(xué)者[35]認(rèn)為溶解度高的氣體擴(kuò)散作用強(qiáng)，泡沫不穩(wěn)定。C. Blázquez[36]在實驗中發(fā)現(xiàn)，溶解度低的氣體如N2無法生成原油泡沫，同時盡管相同條件下CO2在原油中的溶解度大于甲烷，但后者形成的泡沫更穩(wěn)定，原因可能是降壓過程中CO2形成氣泡更多，聚結(jié)更快。溶解的CO2會導(dǎo)致原油中瀝青質(zhì)沉積，影響發(fā)泡性能[37]。表面特性是影響泡沫穩(wěn)定的重要因素，I. C. Callaghan[19]的研究顯示泡沫壽命隨表面黏度、表面擴(kuò)張黏彈性的增強(qiáng)而增大。水和固體顆粒的存在也會對泡沫產(chǎn)生影響，形成油氣水三相系統(tǒng)時，氣水界面和油水界面會吸附不同的表面活性物質(zhì)進(jìn)而改變表面性質(zhì)[38]。B. P. Binks等[39]認(rèn)為氣液界面上的固體顆粒有穩(wěn)定泡沫的作用。

4 結(jié)論

原油泡沫的生成和穩(wěn)定與原油組成、黏度等多種因素有關(guān)，其中機(jī)械作用作為現(xiàn)場操作中的重要因素受到的研究并不多。目前還沒有針對原油泡沫的專門研究方法，研究結(jié)果不可避免地受到所采用方法的影響，因此有必要研發(fā)一種貼近現(xiàn)場實際的原油泡沫測試方法。原油泡沫生成和穩(wěn)定機(jī)理與水相泡沫不同，有待進(jìn)行更深入的研究，尤其是膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等表面活性物質(zhì)對泡沫生成與穩(wěn)定的影響。

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