多孔介質中泡沫的產(chǎn)生及其對氣體阻力特性的影響

多孔介質中泡沫的產(chǎn)生及其對氣體阻力特性的影響

隨著設備和技術的發(fā)展，作為提高原油采收率的重要方法之一，注入技術越來越受國內(nèi)外研究人員的重視。20世紀50年代以來,泡沫一直受到石油領域研究者的關注。早期的工作及Radke、Rossen、ZhuT等人的研究主要集中在對泡沫體系的表觀描述上。對泡沫產(chǎn)生的機理及其物理化學本質的研究就相對少的多,主要是由于該體系是熱力學不穩(wěn)定體系,其隨時間及環(huán)境條件的變化非常敏感;其次由于是氣液兩相體系,組成較為復雜,有效的研究方法較少。對泡沫體系的研究有直接和間接的方法,直接方法的研究手段主要有光學及微干涉測量技術(測液膜的厚度)、γ射線、電導(測泡沫的持液量)、核磁共振、LB膜天平、傅里葉紅外光譜等方法。采用的物理模型有:有機玻璃管填充模型、平板模型等,結合成像技術對氣液的分布進行直觀地描述。對巖心等不透明的多孔介質,大量的氣液界面難以用上述方法進行直接地測定和描述;對于巖心中的泡沫,其穩(wěn)定性及阻力特性不僅與氣液的分布規(guī)律有關,而且與孔喉的分布特征有關。因此,一般是采用間接和數(shù)值模擬的方法。對于泡沫體系穩(wěn)定性的室內(nèi)評價,國內(nèi)外一般用壓力梯度的增加幅度、壓力的波動情況、阻力因子、驅油效果等指標來評價其性能。除了上述指標外,筆者認為泡沫體系在油層中的駐留時間也是評價其效果的一個重要指標,并提出了相應的評價方法。1巖心流動實驗裝置實驗設備包括電子天平(精度為0.0002g)、羅氏泡沫儀、帶壓有機玻璃容器、壓力表、電加熱套、平流泵、高壓手動泵及巖心流動實驗裝置。實驗材料包括發(fā)泡劑B(十二烷基氧化叔胺,OA)、穩(wěn)泡劑。其他化學藥劑包括氯化鈉、氯化鉀以及氯化鈣。2注罪犯氣體相對滲透率露頭砂(粒徑為100～160目)經(jīng)過漂洗、烘干后裝填到填砂管中,抽真空、飽和模擬地層水,并測定不同穩(wěn)定注入壓差下的水測滲透率。對兩個填砂管測試了不同注入速度下的水驅滲透率,當水驅壓差在0～1MPa之間變化時,第1個填砂管中巖心的滲透率變化范圍為4.03～7.63μm2;第2個填砂管中巖心的滲透率在3.73～6.69μm2之間變化。即不同注入速度對填砂管內(nèi)顆粒運移的影響可以忽略。因此,可以認為,在同樣壓差下(0～1MPa)轉注氮氣進行發(fā)泡時,顆粒運移的影響也可忽略;但在測定發(fā)泡前后氣體相對滲透率變化時,應保持相同壓差,減小測量誤差。改變注入壓差,讓氮氣在不同的流速下發(fā)泡,發(fā)泡后5min內(nèi),通過比較發(fā)泡前后(用發(fā)泡劑B)氣體相對滲透率比值的變化,研究泡沫的封堵及發(fā)泡效果。當其他條件相同時,隨著注氣壓差的升高,發(fā)泡后的反向氣體相對滲透率越小,氣體或液體的流動阻力越大。根據(jù)擬合結果,注氣壓差與發(fā)泡前后氣體相對滲透率的比值Rk(稱為氣體殘余阻力系數(shù))之間呈冪指數(shù)關系,即隨著氣體注入壓差的增大,流動阻力呈冪指數(shù)增加。圖1是在兩種不同滲透率的填砂管情況下,發(fā)泡壓力與氣體殘余阻力系數(shù)的關系。當其他條件相同時,填砂管的滲透率越小,曲線的斜率越大,氣體的殘余阻力系數(shù)越大。3泡沫的穩(wěn)定性3.1穩(wěn)泡劑的用量參照國家標準GB/T13173.6—91,用Ross-Miles法進行穩(wěn)定性評價實驗,記錄0min、3min、5min、8min及22min時的泡沫高度,實驗溫度為30℃。圖2是常壓下穩(wěn)泡劑對泡沫半衰期的影響結果。加入穩(wěn)泡劑后泡沫高度降低的速率變小,穩(wěn)定性增加。根據(jù)實驗結果,質量分數(shù)為0.3%的發(fā)泡劑B的泡沫半衰期在15～20min之間,加入穩(wěn)泡劑后半衰期約為25min。3.2泡沫在多孔介質中的穩(wěn)定3.2.1氣體殘余阻力系數(shù)n的測定裝填砂管,抽真空、飽和水并水驅至壓力穩(wěn)定后測滲透率;一定壓差Δp1(20～30kPa)下注入氮氣,至穩(wěn)定后測量氮氣相對滲透率。然后泵入0.2PV(5mL/min)發(fā)泡劑B溶液,在恒定壓差Δp2(0.8MPa)下再注入一定體積的氮氣(標準狀況下氣量為24.46mL),并立即關閉巖心兩端進出口,在60℃恒溫箱中靜置一定時間,測定其對氮氣的相對滲透率(固定壓差Δp1)。重新裝填砂管,重復上述步驟,考察在不同靜置時間下氣體殘余阻力系數(shù)的變化。通過殘余阻力系數(shù)隨時間的變化研究分散后的氣體在多孔介質中的駐留及聚并情況。泡沫對氮氣的殘余阻力系數(shù)可表示為Rk=K1g/K2g(1)Rk=Κ1g/Κ2g(1)式中:K1g、K2g分別為發(fā)泡前后填砂管氣測滲透率。3.2.2水的滲透率和靜置穩(wěn)定性實驗過程基本與上述相同,測定發(fā)泡前后水測滲透率的變化(固定水的注入速度為5mL/min),得到不同靜置時間泡沫對水的殘余阻力系數(shù)。泡沫對水的殘余阻力系數(shù)可表示為R′k=K1l/K2l(2)R′k=Κ1l/Κ2l(2)式中:K1l、K2l分別為發(fā)泡前后填砂管水測滲透率。由圖3可知,隨著靜置時間的延長,泡沫對氮氣和水的殘余阻力系數(shù)均降低,泡沫的駐留能力下降,從擬合的結果看,其殘余阻力系數(shù)與時間呈冪指數(shù)關系。若以殘余阻力系數(shù)的變化表示其在多孔介質中的半衰期,則其值降低一半的時間都在3h以上,甚至達到8h;而泡沫在體相中的半衰期僅為15～20min至25min(加入穩(wěn)泡劑)。因此,泡沫在多孔介質中的靜置穩(wěn)定性遠比其在體相中的好。另外,泡沫對水的初始殘余阻力系數(shù)較大,但下降速度快,這是由于泡沫與水接觸后可能發(fā)生破滅所致;更主要的是,隨著注水量增加,多孔介質內(nèi)的氣體被排出,氣液界面數(shù)減少,毛管阻力減少。泡沫對氣體的初始殘余阻力系數(shù)較小,但下降速度慢,這可以解釋泡沫對氣體具有較好封堵作用的原因。Fig.3Influenceofequlibriumtimeonfoamresistancefactor4密封容器性能測試為評價環(huán)境壓力對泡沫穩(wěn)定性的影響,實驗設計了一種耐壓有機玻璃容器。該容器分為兩部分,上部為壓力測試部分,與壓力表連接;下部為透明的有機玻璃容器,壁厚為1.5cm,內(nèi)徑為2cm,容積為50～53mL,上、下兩部分用絲扣連接,中間用密封橡膠圈進行密封。容器在使用前進行了性能測試:注水憋壓至6MPa,24h不漏為合格。取一定體積的泡沫劑溶液,在一定氣體注入壓差下發(fā)泡,研究不同環(huán)境壓力及溫度下泡沫高度隨時間的變化。從圖4可看出,當溫度一定時,隨著環(huán)境壓力的增大,泡沫的半衰期增加;當環(huán)境壓力增至10MPa時,泡沫的半衰期可能達到800～900min。溫度升高后,泡沫的穩(wěn)定性變差,從擬合曲線的斜率可以看出,60℃時的曲線斜率約為30℃時的一半。由此可以推斷,在地層條件下,由于環(huán)境壓力較大,因此,以氣液分散體系為主要存在形式的泡沫的穩(wěn)定時間比常壓下長得多。5氣體注入壓力和孔喉半徑比氣液混合體系如何在孔喉中進行分散,不僅取決于孔喉的大小及形狀,還取決于氣體在多孔介質中的流動速度。氣體進入喉道的必要條件是其初始毛管壓力必須大于該處的毛管侵入壓力pc,對于具有圓形橫截面的孔喉,LakeLW給出了如下關系(假設氣液接觸角為0°):pc=2σRt(3)pc=2σRt(3)式中:σ為氣液表面張力,mN/m;Rt為喉道半徑,m。當表面張力一定時,喉道半徑越大,侵入壓力越小。因此,當氣體注入壓力、孔喉半徑比一定時,被水飽和的巖心中大的孔隙總是優(yōu)先被氣體侵入,表面張力越低,則氣體侵入更小孔喉的可能性增加,因此,分散效果越好。氣體分散后,其穩(wěn)定性取決于孔隙間的壓差大小及孔隙間吼道的長度l,而壓差大小則主要由孔隙與喉道的半徑比的差值決定(圖5),即a/R1與c/R2的差值越大,則孔隙中兩個氣泡的壓差越大,它們聚并的幾率也越大,泡沫的穩(wěn)定性降低。當孔隙間距或喉道長度l越大,則氣體分散后形成的氣泡之間的液膜越厚,其聚并的幾率將大大降低,氣泡的穩(wěn)定性增大。反之,盡管孔隙及喉道的半徑比較大,若孔隙間距很小,則氣泡聚并的可能性也較大。因此,滲透率的大小與泡沫的穩(wěn)定性及殘余阻力系數(shù)沒有直接的關系,喉道的長度及孔喉半徑的比值才是決定多孔介質中泡沫穩(wěn)定性的關鍵參數(shù)。發(fā)泡劑的發(fā)泡效果主要取決于氣體的注入壓力及表面張力:氣體在孔喉中的流速越大、表面張力越低,則其分散效果越好;從而使得其對后續(xù)注入的氣液流動阻力增大。隨著時間的延長,由于巖石顆粒的吸附作用,分布在氣液界面處的發(fā)泡劑濃度降低,使得表面張力升高,氣泡的聚并速度增加,從而造成流動阻力降低。因此,在現(xiàn)場應用中,應根據(jù)儲層滲透率范圍,合理選擇氮氣注入壓力、氣液比,既可以保持后續(xù)氣體的注入性,也可優(yōu)化泡沫的封堵及控水效果。6多孔介質中改性前后殘余阻力系數(shù)的變化(1)用羅氏泡沫儀、耐壓有機玻璃容器、填砂管研究了泡沫的穩(wěn)定性。在體相中隨著環(huán)境壓力的增加,泡沫的半衰期線性增大;而泡沫在多孔介質中的穩(wěn)定性(用殘余阻力系數(shù)表示)遠大于其在體相中的