多孔介質(zhì)中泡沫的產(chǎn)生及其對氣體阻力特性的影響

多孔介質(zhì)中泡沫的產(chǎn)生及其對氣體阻力特性的影響

隨著設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展，作為提高原油采收率的重要方法之一，注入技術(shù)越來越受國內(nèi)外研究人員的重視。20世紀(jì)50年代以來,泡沫一直受到石油領(lǐng)域研究者的關(guān)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(jī)理及其物理化學(xué)本質(zhì)的研究就相對少的多,主要是由于該體系是熱力學(xué)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(fù)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(xué)及微干涉測量技術(shù)(測液膜的厚度)、γ射線、電導(dǎo)(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(jī)玻璃管填充模型、平板模型等,結(jié)合成像技術(shù)對氣液的分布進(jìn)行直觀地描述。對巖心等不透明的多孔介質(zhì),大量的氣液界面難以用上述方法進(jìn)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(guān),而且與孔喉的分布特征有關(guān)。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(qū)油效果等指標(biāo)來評價其性能。除了上述指標(biāo)外,筆者認(rèn)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(biāo),并提出了相應(yīng)的評價方法。1巖心流動實(shí)驗裝置實(shí)驗設(shè)備包括電子天平(精度為0.0002g)、羅氏泡沫儀、帶壓有機(jī)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(shí)驗裝置。實(shí)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(xué)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(qū)滲透率,當(dāng)水驅(qū)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(yùn)移的影響可以忽略。因此,可以認(rèn)為,在同樣壓差下(0～1MPa)轉(zhuǎn)注氮?dú)膺M(jìn)行發(fā)泡時,顆粒運(yùn)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(yīng)保持相同壓差,減小測量誤差。改變注入壓差,讓氮?dú)庠诓煌牧魉傧掳l(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(dāng)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(jié)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(guān)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(guān)系。當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)GB/T13173.6—91,用Ross-Miles法進(jìn)行穩(wěn)定性評價實(shí)驗,記錄0min、3min、5min、8min及22min時的泡沫高度,實(shí)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(jié)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(shí)驗結(jié)果,質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)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(qū)至壓力穩(wěn)定后測滲透率;一定壓差Δp1(20～30kPa)下注入氮?dú)?至穩(wěn)定后測量氮?dú)庀鄬B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?dú)?標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣量為24.46mL),并立即關(guān)閉巖心兩端進(jìn)出口,在60℃恒溫箱中靜置一定時間,測定其對氮?dú)獾南鄬B透率(固定壓差Δp1)。重新裝填砂管,重復(fù)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(zhì)中的駐留及聚并情況。泡沫對氮?dú)獾臍堄嘧枇ο禂?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(shí)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?dú)夂退臍堄嘧枇ο禂?shù)均降低,泡沫的駐留能力下降,從擬合的結(jié)果看,其殘余阻力系數(shù)與時間呈冪指數(shù)關(guān)系。若以殘余阻力系數(shù)的變化表示其在多孔介質(zhì)中的半衰期,則其值降低一半的時間都在3h以上,甚至達(dá)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(zhì)中的靜置穩(wěn)定性遠(yuǎn)比其在體相中的好。另外,泡沫對水的初始?xì)堄嘧枇ο禂?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(zhì)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?xì)堄嘧枇ο禂?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(shí)驗設(shè)計了一種耐壓有機(jī)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(jī)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(jìn)行密封。容器在使用前進(jìn)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(dāng)溫度一定時,隨著環(huán)境壓力的增大,泡沫的半衰期增加;當(dāng)環(huán)境壓力增至10MPa時,泡沫的半衰期可能達(dá)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(jìn)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(zhì)中的流動速度。氣體進(jìn)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(guān)系(假設(shè)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(dāng)表面張力一定時,喉道半徑越大,侵入壓力越小。因此,當(dāng)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(dāng)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(guān)系,喉道的長度及孔喉半徑的比值才是決定多孔介質(zhì)中泡沫穩(wěn)定性的關(guān)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(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)儲層滲透率范圍,合理選擇氮?dú)庾⑷雺毫?、氣液?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(zhì)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(jī)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(zhì)中的穩(wěn)定性(用殘余阻力系數(shù)表示)遠(yuǎn)大于其在體相中的