2.1 概述

2.1.1 泡沫及其特性

研究者对于泡沫的定义说法不一，美国道康宁（Dow Corning）公司的R.F.Smith认为：泡沫是体积密度接近气体而不接近液体的气液分散体。日本有人提出，泡沫是大量气体在少量液体中的分散体。不互相影响、分散在液体中的球状气泡组成的体系称为气体乳液，并且指出：减少“气体乳液”中液体对气体的比例，最终会形成高比表面积的由液膜包裹气泡所组成的泡沫。我国表面物理化学家赵国玺教授认为，泡沫是气体分散于液体中的分散体系，气体是分散相（不连续相），液体是分散介质（连续相）。

2.1.2 泡沫的性能参数

1．泡沫的性质

泡沫在井眼条件下，受井下温度、压力的影响，实际密度与地面密度相差较大。由于气体受热膨胀，所以当温度升高时，泡沫体积增大，密度相应变小；同时，由于气体具有可压缩性，在一定温度下，压力升高，泡沫体积变小，密度相应增大。究竟是哪一种因素起主导作用，则视具体情况而定。

常压下，当温度小于50℃时，密度受温度的影响较小；当温度大于50℃时，密度受温度影响较大。在井眼条件下，压力是影响密度的主要因素，尤其是当压力小于2 MPa时，密度受压力影响很大；但当压力大于2 MPa时，密度受压力影响较小。泡沫的密度取决于气、液相的比例。泡沫的密度ρF的数学表达式如下：

式中，ρL为液相的密度；ρG为气相的密度；ψ为气相饱和度，表示单位时间流过流道截面的两相流体总体积中气相所占的比例；p为压力；g为重力加速度；Z为气体压缩系数，指实际气体性质与理想气体性质偏差的修正值；R为气体常数，在标准状况下，1mol理想气体的体积约为22.4 L; T为泡沫温度。

环空中含有岩屑的泡沫密度可表示为

式中，vM为机械钻速；vF为泡沫流速；ρR为岩屑密度。

除上述性质外，还有泡沫的热物理性质，如泡沫的温度、泡沫的比热和泡沫的有效热传导及泡沫的腐蚀性等。

2．泡沫质量参数

气体体积与泡沫总体积之比称为泡沫质量参数，又称泡沫品质（用α表示），它决定泡沫的流变性。钻井用最佳泡沫质量参数为0.75～0.98。井口与井底温度不同，泡沫质量参数不同。当气体含量大于98%时会形成雾；小于45%时，在井底易形成近似牛顿流体的混合物。图2-1表示泡沫黏度随泡沫质量参数的变化情况。

Mitchell把泡沫流体按其质量参数划分为4个区域。第1个区域：泡沫质量参数为0～0.52，称作气泡分散区，此时气泡是球形且互相不接触，属于牛顿流体。第2个区域：泡沫质量参数为0.52～0.75，称作气泡干扰区，气泡开始互相干扰与冲突，气泡逐步聚结，泡沫黏度与动切力增加。第3个区域：泡沫质量参数为0.75～0.98，气泡不再是球形，而是最终变成平行六面体，这时流体属于宾汉流体或带屈服强度的假塑性流体，是典型的稳定泡沫区。第4个区域为雾化区。图2-2为泡沫屈服强度随泡沫质量参数的变化情况。

3．发泡体积

发泡体积反映泡沫的发泡能力。发泡体积与发泡剂的发泡能力、稳定剂的性能、液相黏度等因素有关，其中最主要的是发泡剂的发泡能力。

4．半衰期

半衰期反映泡沫稳定性，主要有两种定义：一是出液半衰期，即出液为总体积的一半时所经历的时间，主要反映出液速率；二是体积半衰期，即泡沫体积减少到最初体积的一半时所经历的时间。在泡沫钻井中一般采用第二种定义。

5．出液时间

出液时间主要反映泡沫初期的排液速率，在一定程度上也反映泡沫体系的稳定性。泡沫稳定机理是在重力和表面张力的作用下，液膜的排液和气泡的合并。出液时间可以评价体系中排液的情况。

2.1.3 泡沫稳定性影响因素

泡沫破坏的过程，主要是液膜由厚变薄，直至破裂的过程。因此，泡沫的稳定性主要决定排液快慢和液膜的厚度，影响泡沫稳定性的主要因素即影响液膜厚度和表面膜强度的因素。

1．表面黏度

表面黏度是指液体表面上单分子层内的黏度，而不是纯液体黏度。液体内部的黏度叫作体黏度。如果液体的体黏度很高，可以获得较稳定的泡沫，但远不如表面黏度的影响大。

表面黏度通常是由表面活性剂分子在表面上所构成的单分子层产生的。蛋白质、皂素以及其他类似物质在水溶液里有很高的表面黏度，所以它们可以形成相当稳定的泡沫。有些泡沫的表面膜甚至具有半固体或固体物质，这种泡沫是极不容易破灭的。实验证明，凡是表面黏度比较高的体系，所形成的泡沫寿命也较长。

实践证明，在作为发泡剂的表面活性剂中加入少量极性物质，可以提高泡沫的稳定性，这种物质叫作稳泡剂。稳泡剂不仅能增加泡沫寿命，而且能使泡沫表面黏度升高。钻井时为了增大泡沫的稳定性，常使用稳泡剂（羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等）。表面上被吸附分子之间的相互作用的强弱是决定表面膜强度的内在因素。稳泡剂能增加泡沫寿命的原因就是分子间的引力加强了，因为稳泡剂能与发泡剂在表面膜上生成混合膜，两种分子间的相互作用要比同种分子间的作用强。

表面黏度是生成稳定泡沫的重要条件，但不唯一，且常有例外。有些能生成泡沫的溶液，若增加其表面黏度，反而会降低泡沫的寿命，这可能是因为表面黏度太大，表面膜变脆，从而使泡沫容易破裂。

2．表面张力

泡沫的生成是液体表面积的增加过程，而液体表面积的增加意味着体系的能量也相应增加。因此，从热力学角度来看，表面张力低显然有利于泡沫的生成，对于生成相同总面积的泡沫，表面张力低的可以少做功。但是，泡沫的稳定性不能保证，只有当表面膜具有一定的强度时，低表面张力才有助于泡沫的稳定。泡沫排液的速度与气泡液膜的交界处和平面液膜之间的压力差有关，表面张力低则压力差小，因此排液速度较慢，液膜变薄也较慢，这有利于泡沫的稳定。

3．泡沫表面的“修复”作用——Marangoni效应

将一小针刺入肥皂膜，肥皂膜不破裂；或将一铅粒穿过肥皂膜后，肥皂膜也不破裂，这就说明肥皂膜有自己“愈合伤口”的能力，仅用表面张力或表面黏度的概念是不能解释这种现象的。

Marangoni认为，当泡沫液膜受外力冲击时，会局部变薄，变薄之处的表面积增大，吸附的表面活性剂分子密度也减小，所以表面张力增大。因此，表面活性剂分子力图向变薄部分迁移，使其表面上吸附的表面活性剂分子恢复到原来的密度，此时表面张力又降低到原来的水平。在迁移的过程中，表面活性剂分子还会携带邻近溶液一起移动，结果使变薄的液膜又增加到原来的厚度。这种表面张力的恢复和液膜厚度的复原，其结果都是使泡沫液膜强度不变而维持泡沫稳定。

修复作用的宏观现象表现在泡沫液膜具有一定的表面弹性，能对抗各种机械力的撞击，保持气泡形态不变。修复作用还要求液膜有适当的黏度。如果黏度过大，不仅使液膜变脆，而且使活性剂分子的移动阻力增大，这对泡沫的稳定是不利的。

4．液膜表面电荷的影响

如果液膜的上表面带有相同电荷，当受到外力挤压时会相互排斥，可以防止液膜排液变薄。采用离子型表面活性剂作发泡剂就有此特点。

液膜中的电荷排斥力应当受到溶液中电解质浓度的影响，因为电解质浓度能影响表面电位的分布，从而直接影响液膜斥力。实验表明，由于双电层斥力减弱使得平衡液膜的厚度随电解质浓度的升高而变薄，液膜厚度与外界压力的灵敏性也随电解质浓度的升高而降低。

5．液膜透气性

新制备的泡沫的气泡是不均匀的。由于曲面压力的结果，小泡中的气压要比大泡中的大，所以小泡中的气体会扩散到大泡中去，结果是小泡逐渐变小以致消失，而大泡逐渐变大。由于存在曲面压力，最终所有气泡将全部消失。在整个过程中，液膜的存在依赖于气体穿过液膜的能力大小，称为液膜的透气性。通常可以用液面上起泡半径与时间变化率作为液膜透气性的标准。

一般认为，气泡液膜的透气性低，其表面黏度高，所形成的泡沫稳定性就好。液膜的透气性与表面上的吸附分子排列的紧密程度有关。吸附分子排列得越紧密，气体越不易通过，这种液膜就越稳定。

2.1.4 泡沫的结构与形态

泡沫由可压缩的气相（如氮气、空气、天然气等）与含有高浓度表面化学剂和泡沫稳定剂的液相组成。泡沫流体中气体体积占总体积的百分比称为泡沫质量数。表面活性剂分子具有疏水性的头和亲水性的尾，在气液界面上，表面活性剂分子“头向气，尾向液”而整齐密集地排列。结构型泡沫的气泡与气泡之间的液膜称为Plauto膜，它是由两层表面活性剂分子构成的气-液界面夹一层薄液膜，泡沫质量数越大，所夹液层越薄。因此，泡沫是一种结构均匀的稳定的气液两相流体，见图2-3。

当泡沫作为钻井流体在井内循环时，在不同井深，由于温度和压力的变化，泡沫流体的形态、体积、密度及流变性等一系列参数也随之发生变化。泡沫钻井流动计算的关键是泡沫的可压缩性、流变性和稳定性。泡沫的可压缩性直接控制静液柱压力的分布；泡沫的流变性则直接控制泡沫悬浮与携带岩屑的能力和泡沫流动的摩阻压降，用屈服强度和塑性黏度描述泡沫的流变性。在泡沫的诸多性能中，流变性是最重要、复杂的，它不仅与液相流变性直接相关，而且还与泡沫的结构与形态直接相关。

泡沫结构包括气泡的尺寸大小、尺寸分布范围、形状和相互间的关系，以及液体在泡沫中存在的形态与方式。泡沫质量参数不同，其结构形态亦不相同。按泡沫质量参数的差异可将泡沫划分为以下4个区域。

（1）气泡分散区（含气-液相区）：当泡沫质量参数小于0.52时，各气泡为相互分开、互不接触的球形气泡，泡沫未形成结构。此时，泡沫流体的切力基本上是基液的切力，而没有泡沫的结构切力。泡沫流体的有效黏度一部分是基液黏度，另一部分是孤立的球形气泡在流动中相互摩擦和碰撞而产生的附加黏度。此时，泡沫流体属于牛顿流体或泡沫基液流体。

（2）气泡干扰区（湿泡沫区）：当泡沫质量参数为0.52～0.75时，泡沫开始逐渐形成结构（球形气泡胀大，相互接触，接触面形成两个气-液表面中间夹一薄液层的结构，整个气泡由球形向空间多面体过渡），开始出现结构黏度，泡沫的结构切力和结构黏度迅速增加。

（3）气泡变形区（结构泡沫区）：当泡沫质量参数为0.75～0.98时，泡沫形成空间多面体（理论状态为五边形组成的十二面体）的紧密结构，接触面处两个气-液表面中间夹的薄液层变薄。泡沫流体的有效黏度和有效切力达到最大，主要由泡沫的结构黏度和结构切力组成，泡沫的结构黏度达到最大。此时的流体属于宾汉流体或带屈服值的假塑性流体。

（4）雾化区（干泡沫区或脆泡沫区）：当泡沫质量参数大于等于98%时，泡沫液膜变得薄而脆，总体形成不稳定的“干、脆”泡沫，甚至破泡成雾。破泡成雾临界点（泡沫质量参数为0.98）是一个估计值，不同泡沫有不同的破泡成雾临界点，尤其是稳定、黏稠的泡沫，其破泡成雾临界点有时高达99.99%。

泡沫在三个区域的基本结构与形态如图2-4所示。