2.2 泡沫流体的流变模式
泡沫是由空气和泡沫基液混合形成的分散体系，其中液体是连续相，气体则是非连续相。泡沫基液一般由水、发泡剂和稳泡剂按照一定的比例配置而成。泡沫的生成必须具备一定配比的发泡剂、液体以及发泡装置。
当气体进入混有发泡剂的水溶液中时，其通过发泡装置分散成了小气泡。在被水溶液包围时，气泡界面存在的活性剂亲水基朝向液相，而疏水基则朝向气体内部，按一定规律排列成界面膜，此时泡沫由于浮力的作用而上升。当溢出界面时，活性剂分子再次定向，形成双层活性剂水膜结构的泡沫壁，使泡沫具有一定的稳定性。
泡沫流体是一种比较复杂的非牛顿流体，对其流变性造成影响的因素有很多，国内外的研究者分别提出了不同的模式来对其特性进行说明。
（1）根据泡沫质量参数把泡沫流体分成四个区域：第一个区域是气泡分散区；第二个区域是气泡干扰区；第三个区域的泡沫流体是宾汉流体；第四个区域是雾化区，此时气泡将破碎形成雾。
如图2-5所示的泡沫流变性与泡沫质量参数的关系曲线为Mitchell于1971年针对某种泡沫基液在常温常压下所做的实测结果。显然，泡沫基液不同，流变曲线也应有所不同。目前公开发表的相关论著中，关于泡沫流变性高压测量的结果均由实验室内的泡沫管流实验装置得出，这些实验中改变泡沫质量参数进行测试的工作量大，消耗泡沫量大，且实验装置不能方便用于实测现场。因此，对泡沫流变性进行现场实测仍然比较困难。
图2-5 泡沫流变性与泡沫质量参数的关系（Mitchell,1971）
（2）Wenderff等发现泡沫有时表现为假塑性。当剪切速率为90～420 s-1时，泡沫一般服从奥斯特瓦尔德·德沃尔幂律模型。他们在处理数据时发现，这种流变模式从统计规律的角度看要比宾汉模式更好，由此得出结论：泡沫在低剪切速率时表现为假塑性流体，而在高剪切速率时表现为宾汉塑性流体。
（3）Sanghani和Ikoku模拟井眼的实际情况，用同轴环状黏度计对泡沫流体的流变性进行研究。在研究中需要先同时注入空气和起泡剂水溶液，然后再通过橡胶盘管泡沫发生器产生泡沫。通过该研究得出以下结论：
①泡沫流体在管壁剪切速率低于1000 s-1时为奥斯特瓦尔德·德沃尔幂律假塑性流体。
②对于固定的泡沫质量参数，其有效黏度随剪切速率的增加而降低。
③在低剪切速率下，有效黏度随泡沫质量参数增加而增加。速率越低，有效黏度增加越明显。
④在低剪切速率（低于500 s-1）和固定泡沫质量参数这两个条件下，有效黏度比在高剪切速率时下降得更快。
Sanghani和Ikoku的实验数据见表2-1与表2-2。
表2-1 不同剪切速率下泡沫流体的有效黏度与泡沫质量参数的关系
表2-2 不同泡沫质量参数下泡沫流体的流动性质
根据Sanghani和Ikoku的实验数据可以得出以下两点结论：
①由于泡沫流体黏度在泡沫质量参数高于0.98时会急剧降低，表现出较差的携带能力，所以在钻井作业时不能使泡沫质量参数大于0.98。
②当泡沫质量参数为0.65～0.98时，流变指数从0.187变到0.326。这意味着该区域泡沫流体的流动规律为层流流动。又由于泡沫的低密度、高黏度和高携带能力，所以几乎所有的泡沫钻井作业都可以在层流的范围内成功实现（要在井底泡沫质量参数不低于0.55的条件下）。
（4）泡沫质量参数的大小将会直接影响泡沫的流变性。表2-3为广义流变模型下的奥斯特瓦尔德·德沃尔幂律假塑性模型在不同泡沫质量参数时，泡沫流变参数的变化规律。表中的公式是Sanghani和Ikoku根据实验数据通过回归分析得到的。
表2-3 泡沫质量参数与广义流体黏度系数和流变指数的关系
对于钻井用的泡沫，其泡沫质量参数在0.55～0.96范围内。在任何条件下，宾汉塑性模型、奥斯特瓦尔德·德沃尔幂律假塑性模型以及屈服值幂律模型都可以用于计算泡沫的流变性。然而，屈服值幂律模型更能反映泡沫的流变特性。[11]
用泡沫质量参数相同的泡沫，通过同一个水平圆管，在常温和较低压差的条件下做系统流动试验。对于不断改变压差而测得的流量，假设不考虑其他影响因素，可以发现，表观黏度随着剪切速率的增加而降低，特别是在低剪切速率范围内，其变化幅度更大。这是由于泡沫通常呈球形多面体，在流动时受到剪切应力的作用，迫使泡沫由球形多面体改变成更有利于流动的扁平状或棒状，以减小流动的阻力。
研究表明，当泡沫质量参数为0.65～0.98时，流变指数在0.187～0.326之间变化。根据流体力学理论，较高黏度的流体可以使泡沫处于稳定层流流动的状态，这对于携带井底砂粒是极为有利的。