劉 瓏，范洪富

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083）

氮氣泡沫驅(qū)在油藏驅(qū)油過程中表現(xiàn)出良好的特性，因此在改善我國油田中后期嚴峻的開采狀況方面具有很大的潛力，是在水驅(qū)和聚合物驅(qū)后提升原油采收率的重要方式之一［1］。本文在氮氣泡沫性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，闡述了氮氣泡沫驅(qū)在油藏中的驅(qū)油機理，指出氮氣泡沫驅(qū)仍存在泡沫穩(wěn)定性較差、現(xiàn)場應(yīng)用標準體系尚未成型等問題，預(yù)測未來氮氣微泡沫技術(shù)、氮氣泡沫輔助蒸汽開采技術(shù)和氮氣泡沫驅(qū)數(shù)值模擬技術(shù)很可能成為研究熱點，并根據(jù)前人的研究成果提出了一些建議。

1 氮氣泡沫驅(qū)油研究現(xiàn)狀

氮氣泡沫驅(qū)油技術(shù)是以氮氣驅(qū)為基礎(chǔ)、驅(qū)油機理多樣化的三次采油技術(shù)，借助其獨特的性質(zhì)和驅(qū)油機理在油氣田開采過程中顯現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注。

1.1 氮氣泡沫驅(qū)國外研究現(xiàn)狀

國外從1956年就開始了關(guān)于泡沫驅(qū)油技術(shù)的研究，并不斷取得突破。1958年Bond 和Holbrook將氣體泡沫引入石油開發(fā)領(lǐng)域，以緩解氣體注入的限制和提高注入氣體的流動性［2］；1961年，F(xiàn)ried等［3］首次進行了泡沫提高驅(qū)油效率的實驗，發(fā)現(xiàn)注入泡沫技術(shù)能驅(qū)替經(jīng)過水驅(qū)、氣驅(qū)或表面活性劑驅(qū)后在未固結(jié)砂中大部分的殘余油，有效改善儲層的流動分布和流體傳導(dǎo)性；1964數(shù)1967年美國聯(lián)合石油公司在伊利諾斯州Siggins油田進行泡沫試驗，水油比由15%降至12%，注入井吸水剖面得到改善［4］；1969年，Raza［5］對影響多孔介質(zhì)中泡沫產(chǎn)生、擴散、質(zhì)量和性質(zhì)的因素進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)泡沫的質(zhì)量主要決定于起泡劑的種類、起泡劑溶液的濃度、多孔介質(zhì)的物理性質(zhì)、壓差大小以及流體的組成和飽和度等；1989年，Huh 和 Handy［6］在 Berea 砂巖中采用穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài)方法測量了起泡劑溶液和氮氣的相對滲透率，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流動和非穩(wěn)態(tài)流動之間存在較大的差異；1994年，英國和挪威在北海油田的3個試驗區(qū)進行了長達4年的泡沫試驗，發(fā)現(xiàn)表面活性劑吸附程度、泡沫耐油性等對泡沫的成功處理有較大的影響［7］；2014年，Singh和Mohanty［8］采取共同注入的方式將發(fā)泡分散體和氮氣注入Berea 砂巖，形成了納米顆粒-表面活性劑泡沫。

1.2 氮氣泡沫驅(qū)國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于氮氣泡沫驅(qū)的研究起步較晚，在研究水平上仍滯后于國際水平。但近年來在大慶油田、遼河油田、新疆油田以及渤海灣油田等進行了大量的研究和現(xiàn)場應(yīng)用，收效甚佳。如1996年遼河油田金90區(qū)塊開啟氮氣泡沫驅(qū)油試驗，2006年該試驗區(qū)塊的波及效率得到了有效提高，石油產(chǎn)量增加，儲層壓力增大，取得了良好的效果［9］；2003數(shù)2005年，根據(jù)勝利油田油藏條件采用數(shù)值模擬技術(shù)研究了原油黏度和地層韻律對氮氣泡沫驅(qū)油效率的影響，并選取四個區(qū)塊進行現(xiàn)場試驗，截至2008年，采用氮氣泡沫驅(qū)油技術(shù)開采的油井超過90%的原油采收率提高［10］；2010數(shù) 2011年基于渤海灣SZ 油田條件的油藏數(shù)值模擬，評估了不同起泡劑和穩(wěn)泡劑的表現(xiàn)、不同注入方法/氣液比的泡沫體系的封堵能力，氮氣泡沫現(xiàn)場試驗后，SZ 油田試驗區(qū)塊原油產(chǎn)量上升、含水率下降［11］；2013年在渤海灣海上油田進行氮氣泡沫驅(qū)油現(xiàn)場試驗，選取的兩個井組的13口油井中有12 口井效果良好，平均含水率下降6.3%，累積油量在8 個月內(nèi)達到 20756 m3［12］。室內(nèi)研究和現(xiàn)場試驗結(jié)果表明氮氣泡沫驅(qū)在改善油藏開發(fā)狀況方面具有很大的潛力。

2 氮氣泡沫的性質(zhì)

氮氣泡沫是利用氮氣、起泡劑和穩(wěn)泡劑等混合產(chǎn)生的連續(xù)不穩(wěn)定體系，對其性質(zhì)的研究主要集中在兩個方面：氮氣自身的性質(zhì)和泡沫體系的穩(wěn)定性。

2.1 氮氣的性質(zhì)

氮氣作為一種非凝析氣體，具有相對于其他氣體較為特殊的性質(zhì)特征，如壓縮系數(shù)高、密度可調(diào)、攜砂能力強、低濾失以及高黏度［13］，并且來源廣，不易與儲層巖石流體等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故對地層的傷害較小。氮氣還具有良好的膨脹性和壓縮性，通過向地層中注入氮氣泡沫可以增大地層壓力，補充地層彈性能量；氮氣由于壓縮性好可以進入小孔道中，從而擴大了波及范圍，改變了油藏相滲特征，提高了油藏采收率［14］。

2.2 泡沫體系的穩(wěn)定性

泡沫作為一種不穩(wěn)定體系，其自由能自發(fā)減少的趨勢使得泡沫逐漸破滅直至氣液分離。表面活性劑可使泡沫具有暫時的穩(wěn)定性［15］。泡沫的穩(wěn)定性對其在油藏中的作用時間、驅(qū)替范圍等具有重要的影響。影響泡沫體系穩(wěn)定性的因素主要包括：（1）泡沫的氣泡半徑、表面黏度以及氣液比；（2）起泡劑的種類、濃度；（3）油藏含油飽和度等。

2.2.1 泡沫氣泡半徑、表面黏度和氣液比的影響

泡沫直徑越小，氣液相壓力降越大。由Laplace公式［16］可知大氣泡的氣壓小于小氣泡，氣泡越大，上升速度越大，氣泡間排列更加緊密，存活時間越短，泡沫的穩(wěn)定性越差；氣泡直徑越小，界面ζ電位越高，形成的泡沫穩(wěn)定性越高。

隨著氣液比的增大，泡沫的含氣量增加，表觀黏度隨之增大；當氣液比大到一定程度時，泡沫質(zhì)量下降，容易發(fā)生破裂，產(chǎn)生的氣體較多，容易發(fā)生氣竄［17］。向湘興等［18］提出表面活性分子在其表面單分子層內(nèi)的親水基間相互作用及水化作用是泡沫表面黏度產(chǎn)生的原因，并發(fā)現(xiàn)泡沫表面黏度越高，泡沫存活時間越長。合理的氣液比是保持泡沫穩(wěn)定流動和良好黏度的重要保障。

2.2.2 起泡劑濃度、種類的影響

通過合理調(diào)節(jié)起泡劑的濃度不僅可以改善其起泡性能，還可以延長泡沫的半析水期，有效提高泡沫的穩(wěn)定性。在其他條件不變的情況下，泡沫體系的半析水期和起泡體積隨著模擬水礦化度的升高而顯著降低［19］，由此反映出地層水礦化度對泡沫體系穩(wěn)定性的影響較大。

起泡劑種類是影響泡沫穩(wěn)定性的根本因素。不同種類起泡劑的分子結(jié)構(gòu)不同，其在液膜中的排列以及與水的相互作用不同，液膜的厚度、彈性以及溶液的黏度不同導(dǎo)致泡沫攜液、排液過程的差異，進而影響泡沫的穩(wěn)定性［20］。

2.2.3 油藏含油飽和度的影響

由于泡沫具有“遇油消泡”的特性，當泡沫遇到原油時泡沫破裂，起泡劑溶入原油中，從而降低原油的黏度，有利于油藏驅(qū)油效果的改善。李兆敏等［21］提出泡沫在遇到原油時會將其乳化成小油珠，小油珠在界面張力等作用下進入泡沫，并對泡沫液膜完整性造成不同程度的影響，加速泡沫破滅速度，進而降低了泡沫的穩(wěn)定性。周玉萍［22］提出泡沫遇油消泡或耐油性較差的根本原因：泡沫注入油層后，油水界面張力要比水氣界面張力小很多，根據(jù)界面能趨向于減小的規(guī)律，在三相界面共存時表面活性劑會從氣液界面轉(zhuǎn)移到油水界面，氣液界面張力增大，泡沫穩(wěn)定性遭到破壞。

2.3 氮氣泡沫的流變性

泡沫的流變性對泡沫形成過程具有重要的影響，因此研究泡沫的流變性有利于改善泡沫驅(qū)油的過程。由于泡沫的黏度主要取決于泡沫的機械性能（強度和彈性），而氣體本身黏度又很小，因此起泡氣體（空氣、氮氣、天然氣和二氧化碳等）種類對泡沫流變性的影響可以忽略不計［23］。

李春洲等［24］用氮氣作為起泡氣體與分別含有不同起泡劑（十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉）的水溶液混合，研究了影響泡沫流變性的因素。（1）起泡液類型：不同的起泡液黏度不同，使得其產(chǎn)生的泡沫的液膜機械性能產(chǎn)生差異，因而不同起泡劑所產(chǎn)生的泡沫的流變性也不同。（2）起泡劑濃度：泡沫的表觀黏度隨著起泡劑濃度的增加而增大，當起泡劑加量大于1%后，泡沫的表觀黏度趨于穩(wěn)定。（3）泡沫質(zhì)量（氣含率）：常溫下，泡沫表觀黏度隨著泡沫質(zhì)量的增大而增大，但增幅較小，當泡沫質(zhì)量（泡沫中氣體體積與泡沫總體積的比值）超過70%后，泡沫表觀黏度增幅變大。（4）溫度：當泡沫質(zhì)量較低時，隨著溫度上升，氣泡體積膨脹，液體黏度降低，泡沫表觀黏度隨之增大；當泡沫質(zhì)量較高時，泡沫液膜較薄，液體蒸發(fā)作用加強，氣泡強度及彈性減弱，表觀黏度減小。

2.4 氮氣泡沫在多孔介質(zhì)中的滲流特性

泡沫在多孔介質(zhì)中產(chǎn)生的機理主要有：液膜滯留、氣泡截斷和液膜分割，其中氣泡截斷是主要的機理。當氣體流速超過臨界流速時，在截斷和液膜分割機理作用下生成流動液膜；當氣體流速低于臨界流速時，在液膜滯留機理作用下形成靜止泡沫［25］。泡沫在多孔介質(zhì)中的生成具有周期性，每個周期包括生成封堵、開始運移、穩(wěn)定運移和結(jié)束，同時需要一個最小的壓力梯度（臨界壓力梯度）或氣體速度（臨界氣體速度）［26］。

泡沫在多孔介質(zhì)中滲流時不斷經(jīng)歷破滅和再生過程，通常情況下并不是以連續(xù)相的形式通過介質(zhì)孔隙，泡沫的液相和氣相分別以不同的速率在孔隙介質(zhì)中運移［27］。泡沫在多孔介質(zhì)的流動過程中，其氣相和液相與巖石孔隙結(jié)構(gòu)的相互作用過程存在一定的差異性，因此需要分別研究泡沫的氣相和液相在孔隙結(jié)構(gòu)中的作用機理。氣相包括流動泡沫和捕集氣體兩部分，捕集氣體能堵塞大孔道，因此氣體有效滲透率降低；流動泡沫可以在小孔隙中流動，但由于液膜的存在增大了流動阻力；而液相在小孔隙中呈液膜狀態(tài)附著于巖石表面，并以連續(xù)狀態(tài)占據(jù)了小孔隙［28］。

3 氮氣泡沫驅(qū)油機理及注入方式

3.1 氮氣泡沫驅(qū)油機理

氮氣泡沫在油藏開采過程中的驅(qū)油機理主要包括選擇性封堵機理、氣液重力分異作用機理以及表面活性作用機理。

3.1.1 選擇性封堵機理

氮氣泡沫的選擇性封堵機理可以分為兩種作用機制。（1）堵水不堵油：由于泡沫具有“遇水起泡，遇油消泡”的特性，遇水時會產(chǎn)生更多的泡沫阻隔水的流動，而遇油時會溶入其中，使得原油體積增大，黏度降低，流動性增強，從而提高驅(qū)油效率；（2）堵高不堵低：由于高滲透層相對于低滲透層的含水率較大、含油飽和度較小，因而氮氣泡沫在高滲透層所形成的封堵能力要比在低滲透層大得多，使得后續(xù)注入流體能向低滲透區(qū)域流去。

Liu等［29］在泡沫驅(qū)油實驗中發(fā)現(xiàn)氮氣泡沫具有較高的封堵能力和驅(qū)油效率，在用于目標稠油油藏的開采過程中，氮氣泡沫注入由于封堵能力較強可減少底水錐進現(xiàn)象的產(chǎn)生，并能在一定程度上緩解低滲透層非均質(zhì)性嚴重的問題，有效提高原油采收率。李文靜等［30］提出氮氣泡沫具有調(diào)整分流的作用，可改善水驅(qū)波及的狀況，具有“分級堵調(diào)、逐級啟動”的特性；由于泡沫流體具有剪切變稀性，其在孔隙尺寸較小的低滲透油層中的滲流流速更大，視黏度降低，封堵能力減弱，因而氮氣泡沫更適合封堵高滲透層。韓紅旭等［31］發(fā)現(xiàn)泡沫流體在儲層移動的過程中會產(chǎn)生賈敏效應(yīng)，氣泡在孔隙中發(fā)生膨脹使得液流的阻力迅速上升，提高了對高滲層的封堵效果；并通過實驗證明泡沫對高滲巖心的分流效果明顯好于低滲巖心；泡沫堵水不堵油的特點使其能更好的應(yīng)用于封堵高滲層出水層位或水平井段。

3.1.2 氣液重力分異作用機理

氮氣泡沫在儲層流動的過程中，泡沫中的液體在重力的作用下逐漸向下流動，使得泡沫液膜逐漸變薄，最終導(dǎo)致泡沫破裂，發(fā)生氣液分離。氣液重力分異作用會極大地影響泡沫在儲層內(nèi)部的運移過程及封堵效果［32］。

從破裂的泡沫中分離出的氣體會從孔道底部上升到頂部形成氣頂，給油藏增加了氣驅(qū)的能量，由于氣體半徑較小，能進入狹窄的喉道或者盲道中，從而將原注入流體無法驅(qū)替到的剩余油驅(qū)替出來［33］；并且從破滅的泡沫中分離出的氮氣有利于保持地層壓力，在一定程度上增加地層的彈性勢能，其能量釋放可起到良好的氣舉、助排作用［34］。

3.1.3 表面活性作用機理

氮氣泡沫驅(qū)替液中含有很多表面活性劑分子，由吉布斯原理可知整個泡沫體系會呈現(xiàn)出較低的表面性能狀態(tài)，即較低的界面張力能保持泡沫的穩(wěn)定性［35］；起泡劑作為一種表面活性劑具有較高的表面活性，使得其所產(chǎn)生的泡沫在實際驅(qū)油過程中具有降低油水界面張力、乳化稠油和改變油藏潤濕性的特性。

3.2 氮氣泡沫注入方式

目前泡沫注入開發(fā)主要包括交替注入、共同注入和直接注入3 種方式，在選擇氮氣泡沫驅(qū)進行油藏開采時，應(yīng)針對不同的開發(fā)狀況，分析不同泡沫注入方式對泡沫封堵性、穩(wěn)定性的影響，選擇合適的注入方式，充分發(fā)揮氮氣泡沫優(yōu)越的驅(qū)油特性，提高油藏原油采收率。

楊浩［36］提出對泡沫注入方式進行優(yōu)選可以使注入的起泡劑溶液和氣體形成均勻的泡沫體系，充分發(fā)揮泡沫的封堵作用；目前注入流體封堵實驗仍存在注入流體段塞過大、表面活性劑易被吸附等問題。Hou 等［37］針對大慶油田非均質(zhì)性嚴重、殘余油分散程度較高的儲層進行泡沫驅(qū)試驗，對比了氣體-溶液共同注入、氣體-溶液交替注入和泡沫溶液直接注入3 種方式，發(fā)現(xiàn)泡沫直接注入是最有效的注入方式，而氣體-溶液交替注入方式效果最差。

4 氮氣泡沫驅(qū)存在的問題

4.1 氮氣泡沫穩(wěn)定性較差

氮氣泡沫雖然具有較好的驅(qū)油特性，但是泡沫的體積較大、結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，其含有的表面活性劑成分易被儲層巖石礦物吸附，導(dǎo)致其穩(wěn)定性較低。而穩(wěn)定性會影響其在油藏中的存活時間、作用面積以及是否會形成氣竄等，因此需要從技術(shù)層面提高氮氣泡沫的穩(wěn)定性，進而優(yōu)化其驅(qū)油性質(zhì)。

國內(nèi)關(guān)于泡沫的研究較多，但實驗結(jié)果不盡如人意，這可能和國內(nèi)泡沫驅(qū)油技術(shù)研究手段落后、泡沫流動特性理論尚未成型以及復(fù)合泡沫體系仍需改進等因素有關(guān)［38］。國外針對提高泡沫穩(wěn)定性的研究取得了一些進展，其中主要包括微泡沫和納米顆粒穩(wěn)定泡沫的研究。研究發(fā)現(xiàn)微泡沫直徑較小，穩(wěn)定性較高，在液體中上升速度較慢，液膜強度較高，存活時間較長，作用效果較好。而納米顆粒由于在泡沫氣液邊界和Plateau 邊界的不可逆吸附和累積過程，所形成的納米顆粒穩(wěn)定泡沫在儲層條件下能保持較高的穩(wěn)定性，并且納米顆粒在移動過程中不易被儲層巖石和黏土礦物吸附，因而不易造成孔隙喉道堵塞，具有優(yōu)異的特性。但由于納米顆粒對人體健康和環(huán)境影響的不確定性，納米顆粒穩(wěn)定泡沫在礦場試驗和油田應(yīng)用方面受到了限制［39］。因此在提高氮氣泡沫的穩(wěn)定性和增大其應(yīng)用范圍方面，目前微泡沫的研究價值大于納米顆粒穩(wěn)定泡沫。

4.2 氮氣泡沫驅(qū)現(xiàn)場應(yīng)用標準缺乏

泡沫驅(qū)油技術(shù)在實際礦場試驗過程中沒有形成系統(tǒng)有效的現(xiàn)場應(yīng)用標準體系，而不同的生產(chǎn)參數(shù)對泡沫驅(qū)油效果具有很大的影響，如注氣速度、注入方式、段塞大小以及表面活性劑濃度等都會對泡沫的質(zhì)量和數(shù)量產(chǎn)生不同的影響，進而導(dǎo)致驅(qū)油效果的差異［40］，影響泡沫驅(qū)油的推廣和應(yīng)用，因此有必要加強關(guān)于泡沫驅(qū)現(xiàn)場應(yīng)用標準的研究力度。

我國的泡沫驅(qū)油技術(shù)尚未成熟，需要對氣體-泡沫注入方式、注入時機以及起泡劑和穩(wěn)泡劑的配方等參數(shù)進行更深層次的研究，綜合考慮不同區(qū)塊的實際開發(fā)狀況，優(yōu)化注入?yún)?shù)，選擇合適的開發(fā)方式，達到室內(nèi)研究和現(xiàn)場應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合的目的［41］。泡沫驅(qū)在應(yīng)用過程中，泡沫的穩(wěn)定性、泡沫驅(qū)尤其是泡沫復(fù)合驅(qū)的乳化問題以及泡沫管線設(shè)備的腐蝕等問題都會嚴重影響其在油藏的驅(qū)油效果，因此很有必要建立一套適用度高的泡沫驅(qū)現(xiàn)場應(yīng)用標準。盡管目前泡沫驅(qū)現(xiàn)場應(yīng)用效果方面有待提高，但室內(nèi)研究以及現(xiàn)場應(yīng)用都充分表明泡沫驅(qū)在非常規(guī)油藏中能很好的改善油藏滲透性、提高油藏采出程度，是一種繼聚合物驅(qū)后很有潛力的三次采油技術(shù)［42］。

4.3 氮氣泡沫驅(qū)環(huán)境污染問題

氮氣泡沫驅(qū)作為一種具有高效驅(qū)油特性的三次采油技術(shù)，在給油田帶來可觀的經(jīng)濟效益的同時，也帶來了一定程度上的環(huán)境問題。對于泡沫驅(qū)提高原油采收率的方法研究相對較多，但關(guān)于泡沫體系和環(huán)境之間的相互作用、泡沫驅(qū)產(chǎn)出液后續(xù)處理技術(shù)的研究較少，三次采油污水的處理已經(jīng)成為油田采油污水處理的難點及研究熱點［43］。

任廣萌等［44］總結(jié)出三次采油污水具有如下特點：（1）組成中除含有石油烴類、固體顆粒、無機鹽、細菌等物質(zhì)之外，還含有殘余的聚合物；（2）污水黏度大；（3）油滴初始粒徑??；（4）乳化程度高。油田當前采用的處理工藝已經(jīng)無法滿足要求，出現(xiàn)設(shè)備處理能力低、水質(zhì)不合格及沉降時間長等問題。因此，對氮氣泡沫驅(qū)油環(huán)境污染處理技術(shù)的研究具有重要的意義。

5 氮氣泡沫驅(qū)研究方向

5.1 氮氣微泡沫

微泡沫又稱為膠質(zhì)氣體泡沫，是在高速攪拌速率（大于5000 r/min）下對含表面活性劑水溶液進行攪拌生成直徑較?。?0數(shù)100 μm）的微細氣泡［45］。與普通泡沫相比，微泡沫的特點主要有氣泡微細，比表面積大，含氣率高，具有較好的動力穩(wěn)定性、聚結(jié)穩(wěn)定性以及和水相似的黏度、流動性等［46］。由前文泡沫穩(wěn)定性影響因素分析可知，微泡沫相對于普通泡沫具有更高的穩(wěn)定性，其在油藏驅(qū)油過程中可以表現(xiàn)出更大的優(yōu)越性，具有重要的研究意義。目前制備微泡沫的主要方法為：高速攪拌法、加壓溶氣法、引氣法、電解法以及超聲空化法等。

高速攪拌法是最為常見的制備微泡沫的方法，通過將起泡劑置于攪拌杯中，然后在高速攪拌（攪拌速率大于5000 r/min）下將空氣包裹起來產(chǎn)生微泡沫，通過控制攪拌速率、起泡劑濃度、穩(wěn)泡劑濃度和地層水礦化度來調(diào)節(jié)微泡沫大小和粒徑分布。該方法要求起泡劑中必須同時含有起泡性能突出的表面活性劑和黃原膠，使得微泡沫具有膠體性質(zhì)易于流動［47］。房炎偉等［48］用高速攪拌法制得微泡沫體系，發(fā)現(xiàn)微泡沫在20 MPa、120℃的條件下仍然存在，抗溫抗壓能力較強；燕永利等［49］選取不同濃度的油溶性非離子表面活性劑GMS-水混合液用高速攪拌法制備微泡沫，發(fā)現(xiàn)微泡沫的流動性好于普通泡沫。

加壓溶氣法的原理是先使氣體在溶液中達到過飽和狀態(tài)，然后通過減壓產(chǎn)生氣穴效應(yīng)，壓力降低后水中的分子態(tài)空氣便以微氣泡形式釋放出來，產(chǎn)生的氣泡大多介于50數(shù)80 μm。這種方法存在能耗大、能源利用不合理等問題。引氣法的原理是氣體在各種剪切力作用下被粉碎成微納米氣泡。該方法主要包括：壓縮空氣通過擴散板法、機械力高速剪切空氣法和引射流分散空氣法［50］。

電解法產(chǎn)生微氣泡的原理較為簡單，通過向水中通電，在電流作用下正負兩電極產(chǎn)生微小氣泡，直徑在20數(shù)60 μm 之間，氣泡均勻性較好，但是氣泡產(chǎn)量較少，設(shè)備損耗較大［51］。Sakai等［52］通過向電解質(zhì)溶液通電發(fā)生電解反應(yīng)，在兩電極表面產(chǎn)生微氣泡，數(shù)量較少，能耗大；Shin等［53］通過電解實驗產(chǎn)生微氣泡，研究了毛細管半徑、電極距離及氣體流動速率等對微氣泡形成的影響，發(fā)現(xiàn)氣泡體積隨著施加的電壓和韋伯數(shù)的增大而減小，隨著氣體流動速率和雷諾數(shù)的減小而減小。

超聲空化法是通過高頻超聲波使氣體或者液體分散成為懸浮微粒并包裹于特定包裹材料內(nèi)；氣體或者液體乳化形成微氣泡或者微液泡懸浮在具有自動吸附性的涂層材料如蛋白質(zhì)或者表面活性劑上，然后施以高溫高壓從而產(chǎn)生空穴現(xiàn)象繼而對表層進行化學(xué)修飾來提高其穩(wěn)定性。該方法操作簡單、成本較低，但制備的微氣泡粒徑通常較大［54］。

微泡沫的研究對氮氣泡沫穩(wěn)定性的提高具有重要的價值，但對于氮氣微泡沫的研究尚處于初級階段，需要進一步增大研究力度。

5.2 氮氣泡沫輔助蒸汽開發(fā)技術(shù)

由于稠油對溫度特別敏感，因此利用蒸汽開采稠油油藏具有非常明顯的增產(chǎn)效果。目前利用蒸汽開采稠油油藏主要有兩種技術(shù)：蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)油。兩種技術(shù)在應(yīng)用過程中均易產(chǎn)生蒸汽超覆和蒸汽竄流，并有一定的熱損失，因而熱采效果受到一定的影響。為了解決這些問題，可以考慮使用氮氣泡沫輔助蒸汽開采來減少蒸汽竄流、蒸汽超覆等現(xiàn)象的產(chǎn)生。

5.2.1 氮氣泡沫輔助蒸汽吞吐開采

針對泡沫輔助蒸汽吞吐技術(shù)存在的熱損失、蒸汽超覆等問題，目前遼河油田、大慶油田等都相繼研制出相應(yīng)的解決技術(shù)，如真空隔熱油管技術(shù)、蒸汽鍋爐與配套的煙道氣回收技術(shù)等，但存在工藝復(fù)雜、對環(huán)境傷害大等問題。而利用氮氣泡沫輔助蒸汽吞吐來開發(fā)稠油油田，可以有效減少熱損失，降低氣相滲透率，抑制蒸汽竄流或蒸汽超覆，并且對環(huán)境污染較?。?5］。周海紅等［56］針對九區(qū)南部齊古組稠油油藏進入蒸汽多輪次吞吐后期，地層非均質(zhì)性嚴重、含水率高、開發(fā)效果較差的情況，進行了伴蒸汽注入氮氣和起泡劑驅(qū)替原油的室內(nèi)實驗和現(xiàn)場應(yīng)用，結(jié)果表明氮氣泡沫輔助蒸汽吞吐技術(shù)可有效提高波及系數(shù)和驅(qū)替效率，提高稠油油藏的原油采收率。氮氣泡沫輔助蒸汽吞吐技術(shù)的深入研究對于未來我國稠油油藏的開采具有重要的意義。

5.2.2 氮氣泡沫輔助蒸汽驅(qū)油

為了解決蒸汽驅(qū)過程中出現(xiàn)的蒸汽超覆和蒸汽竄流問題，Pang 等［57］向蒸汽中加入非凝析氣體（氮氣）和起泡劑進行單一填砂管驅(qū)替實驗。氮氣泡沫輔助蒸汽驅(qū)可有效提高稠油油藏采收率，氮氣泡沫將蒸汽驅(qū)的驅(qū)替效率由43.30%提高到81.24%。熱泡沫能改善注入剖面從而起到抑制蒸汽竄流和蒸汽超覆的目的。

通常所說的蒸汽驅(qū)油是采用飽和蒸汽進行驅(qū)油，而如今也逐漸開始采用過熱蒸汽驅(qū)油。過熱蒸汽是飽和蒸汽在達到干飽和狀態(tài)之后繼續(xù)加熱形成的。相比于常規(guī)飽和蒸汽，過熱蒸汽密度更小，比容積更大，在稠油油藏?zé)岵蛇^程中會產(chǎn)生更強的超覆作用；而氮氣由于壓縮系數(shù)較大，體積膨脹性較好，能補充地層能量和有效提高驅(qū)油效率；氮氣泡沫含有表面活性劑能降低油水流度比，因而加入氮氣泡沫能增大過熱蒸汽的波及體積、改善過熱蒸汽在稠油油藏的熱采效果［58］。

5.3 氮氣泡沫數(shù)值模擬開發(fā)技術(shù)

氮氣泡沫數(shù)值模擬技術(shù)可以通過計算機對實驗過程或者現(xiàn)場應(yīng)用過程進行模擬或數(shù)據(jù)處理，并可調(diào)整優(yōu)化參數(shù)，模擬結(jié)果直觀性強，模擬時間短，具有較大的優(yōu)勢。Hosseini等［59］利用數(shù)值模擬技術(shù)來研究在沒有油存在的情況下表面活性劑濃度對泡沫驅(qū)替的巖心壓降的影響，模擬兩種表面活性劑濃度下泡沫驅(qū)油的壓力降曲線來確定參數(shù)，模擬結(jié)果和壓力降實驗數(shù)據(jù)十分符合；并利用數(shù)值模擬技術(shù)研究了泡沫驅(qū)油過程，確定泡沫模型參數(shù)；數(shù)值模擬得到的壓力降曲線和原油采收率與室內(nèi)巖心驅(qū)替實驗結(jié)果一致。張雷等［60］以岐口17-2 油田為例建立了聚合物與氮氣泡沫驅(qū)數(shù)值模擬模型，按優(yōu)化的注入?yún)?shù)進行先導(dǎo)性實驗后，井組日增油32.0 m3，含水率下降4.8%。周志斌等［61］采用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方法研究了氮氣泡沫對裂縫性低滲油藏的封堵性能和驅(qū)油性能，結(jié)果表明氮氣泡沫調(diào)驅(qū)“控水增油”效果顯著，對裂縫通道具有較好的封堵能力，有效增大波及效率。

氮氣泡沫數(shù)值模擬技術(shù)與實驗結(jié)合使用，在參數(shù)優(yōu)化、效果預(yù)測等方面展現(xiàn)其優(yōu)越性，但也因模擬過程中簡化了邊界條件和部分屬性，導(dǎo)致模擬結(jié)果精度不夠高，因而需要在氮氣泡沫數(shù)值模擬技術(shù)的研究方面進一步改善。

6 結(jié)論

氮氣泡沫流體在多孔介質(zhì)中的流變性和滲流特性不同于水、氣體和聚合物溶液在多孔介質(zhì)中的流變性和滲流特性。氮氣泡沫作為典型的非牛頓流體，在多孔介質(zhì)中的滲流行為具有剪切變稀的特征，其流變性主要受溫度、氣泡尺寸、壓力和泡沫質(zhì)量等因素的影響，而泡沫流速對滲流特性的影響較大。氮氣泡沫驅(qū)同時具有氣驅(qū)和泡沫驅(qū)的驅(qū)油優(yōu)勢，能有效增大波及效率和提高油田驅(qū)油效率。在油藏開采過程中的驅(qū)油機理主要包括選擇性封堵機理、氣液重力分異作用機理以及表面活性作用機理，注入開發(fā)方式主要為交替注入、共同注入和直接注入。針對氮氣泡沫驅(qū)存在的問題，提出以下幾點建議：（1）建立氮氣泡沫驅(qū)油理論體系，改進實驗方法，完善數(shù)學(xué)模型，加強泡沫在多孔介質(zhì)中的流動特性研究；（2）制定一套適用度較高的氮氣泡沫驅(qū)油田應(yīng)用標準，優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)，改善應(yīng)用狀況；（3）加強泡沫體系產(chǎn)出液后續(xù)處理技術(shù)的研究，減少氮氣泡沫驅(qū)油過程所造成的環(huán)境污染，提高油藏開采的可持續(xù)發(fā)展性；（4）加大氮氣微泡沫制備技術(shù)、氮氣泡沫輔助蒸汽開發(fā)技術(shù)和氮氣泡沫數(shù)值模擬技術(shù)的研究力度，進一步提高氮氣泡沫驅(qū)油技術(shù)的優(yōu)越性，增大其應(yīng)用范圍。