油田智能流體

編譯:李培武 (遼河油田勘探開發研究院)

審校:袁平 (遼河油田勘探開發研究院)

孫德惠 (海洋石油工程股份有限公司)

油田智能流體

編譯:李培武 (遼河油田勘探開發研究院)

審校:袁平 (遼河油田勘探開發研究院)

孫德惠 (海洋石油工程股份有限公司)

泡沫為氣體在液相中的一種分散狀態,依靠表面活性劑保持其穩定性。這種復雜的流體在油藏的勘探開發過程中起著非常重要的作用。本文從泡沫固相載容能力、降低流體密度和流度等物理性質入手,深入分析目前鉆井、酸化壓裂、提高采收率等方面的泡沫應用情況,并提出目前對泡沫認識的不足。目前對泡沫的形成機理、在多孔介質中的吸附量等尚不清楚。為取得進一步認識,研究了泡沫在多孔介質中的聚集與分散、可視模型中的流動行為、酸化和堵水過程中的流動特征等內容,從實驗的角度分析了泡沫的形成過程,并提出了泡沫穩定性的影響因素?；谝陨涎芯孔髡咛岢雠菽且环N智能流體,在油田開發過程中具有廣闊的應用前景。

泡沫 智能流體 表面活性劑屈服應力 表面張力

泡沫為氣體在液相中的一種分散狀態,依靠表面活性劑保持其穩定性。這種復雜的流體在油藏的勘探開發過程中起著非常重要的作用。泡沫被美譽為“智能流體”主要是因為它在鉆井、固井、酸化壓裂、近井地帶的調剖或深度調剖作業中都有廣泛的應用。然而,泡沫有時是不利的,例如分離器中原油的氣體脫離,或者是由于化學反應使水中的氣泡聚集并不斷擴大發生脫氣和破裂。

1 物理性質及其應用

涉及泡沫應用潛力的物理性質包括固相載容能力、降低流體密度和流體流度的能力。下面的例子解釋了泡沫在物理性質和應用之間的關系。

浮選過程中攜固相泡沫流體導致固相微粒分離,包括親水與親油成分的分離。同樣,在鉆斜井的過程中,應用泡沫水泥阻止鉆桿和地層環形空間里固相顆粒的沉降和沉積作用的發生。

欠平衡鉆井是采用泡沫鉆井泥漿來降低泥漿的有效密度而實現的。鉆井泥漿密度的降低減小了水柱靜壓力,這在很大程度上降低了油層污染的風險。在固井過程中,泡沫泥漿有助于控制靜壓力和減小氣體運移的影響。固井水泥密度的降低也可減少氣井中的液體載荷。

不論是在近井地帶還是深井地帶,應用泡沫主要是利用泡沫在多孔介質中具有可觀的表觀黏度。提高采收率技術所用的注入氣體,如空氣、二氧化碳、蒸汽泡沫等主要取決于泡沫的性能。在沒有泡沫存在的條件下,驅替氣體與被驅替相原油的流度比和密度差引起竄進和重力分異作用。氣體竄進和重力超覆現象的存在導致驅油效率低下。泡沫驅中的氣泡能夠有效降低重力分異作用及減少氣體竄進現象,能夠有效提高波及效率。由于泡沫具有不傷害油層的特殊性質,因此它們是近井地帶理想的流體暫堵劑。泡沫已廣泛用于酸化過程中來置換高滲至低滲地帶受污染儲層的酸液。

2 認知泡沫的挑戰

盡管泡沫被廣泛應用,但是泡沫的性質并不完全可靠。這主要是因為沒有全面和完整應用其物理性質,尤其是在多孔介質中泡沫的流動規律。在過去的30年,科研工作者付出巨大的努力來研究泡沫的性質,這使得對泡沫的性質有了更加全面的描述,但是在很多方面還沒有進行更加深入的研究。

Dietz科研小組對泡沫的形成機理及其吸附規模和數量進行了研究。他們研究的方法是根據唯像分析和可視化實驗。除一些相關的應用,酸反轉試驗和流度控制試驗結果是令人鼓舞的。

3 泡沫膜在孔道中的聚集與分散

為了去除表觀黏度的影響,對泡沫氣泡在聚集和分支孔道中的運動進行細致的檢查,模擬多孔介質中不同橫截面中的流動狀態。在考慮表觀黏度和黏彈性影響的前提下,研發出泡沫膜的運動可視模型。通過試驗給出表觀黏度μf的表達式:

式中,n為薄片密度;v為速度;r為平均孔道半徑;σ為表面張力;E為泡沫膜彈性系數;α、β、和A值是地質幾何模型所固有的,為定值。同時,也開展了泡沫膜在玻璃管的聚集分散試驗。泡沫膜的運動隨時間的變化通過數碼攝像機被記錄下來,與此同時,玻璃管中上部的壓力變化也得到監測和記錄。除了早期報道的關于直毛細管中氣泡運動的影響之外,還發現了氣泡表面膜的黏度和彈性對泡沫的表觀黏度具有重要作用。這一發現能夠直接歸因于泡沫膜在孔隙介質中的伸張和收縮作用。

4 可視模型中微觀泡沫的流動

為了確定泡沫結構 (如泡沫密度與空間結構的展布)和泡沫流體流變能力的關系,研究了泡沫在透明模型中的流動。這些類似二維的微觀模型能夠觀察到泡沫的動力學變化,如泡沫的形成、破滅、捕獲及其流動狀態。在利用氣體示蹤劑的條件下,這些變化也為評價氣體捕獲率提供了條件。利用一個簡單的對流擴散模型來說明示蹤劑傳質是從運動流體到捕獲氣泡的過程。氣體捕獲率是通過對模型出口端的示蹤劑濃度剖面的測量值與計算值的擬合來進行預測的。結果表明,在整個過程中平均75%的氣泡都被捕集。從微觀模型可以監測到:當氣體分數增加到一個臨界值后,壓力降會迅速上升,這表明泡沫的表觀黏度發生劇烈變化,這種現象可解釋為單個氣泡向層流流態的轉變。

5 泡沫在多孔介質中的流動研究

通過酸轉向模型試驗和堵水模型試驗觀察泡沫動態流變特征。因此,這項研究關注的主要有兩個試驗:

◇由注入氣體和表面活性劑溶液通過盛有表面活性劑溶液的多孔介質而產生泡沫;

◇向盛有泡沫的多孔介質中注入液體。

利用巖心試驗來實時觀測局部流體飽和度的形變和量變。多孔介質中不同區域的壓力降也同時進行監測和記錄。在泡沫穩態流動的第一時間,泡沫捕獲率是利用X射線示蹤技術來進行計算的。

6 泡沫的產生

圖1中的巖心試驗圖像顯示泡沫以鋒狀為特征方式驅替表面活性劑溶液。在整個過程中出現了三個明顯不同的區域:

◇逆流區:泡沫處于均勻分散狀態,分液作用低;由于在出口端有注入系統和氣體壓縮作用使分液作用較為明顯。

◇過渡區域:流動的泡沫及液體形成細小的指進形態;典型的指進形態中類似手指的尺寸與巖石顆粒的尺寸相當。

◇向下流動區域:多孔介質的下部被液體充滿。

對于更高黏度的驅替流體,這些特征更加明顯。從宏觀的角度,這是相當規則的驅替前緣驅替特征,也是實際應用中希望產生的效果。

隨著時間的推移,分液作用在泡沫區域不斷減弱,就像巖心試驗圖像中顯示的黑色部分一樣。這一現象是在Dietz的一次室內實驗發現的,并因二次減飽和作用而聞名。表面上,減飽和作用最初發生在多孔介質的中心部位并且向巖心的入口端和出口端擴散,停止于穩態流的形成。

圖1 不同無因次時間初始飽和表面活性劑溶液 (紅-黃)的泡沫 (綠-藍)驅替Bentheim巖心試驗

7 在泡沫形成后注入液體

巖心試驗圖像捕獲到在形成穩態的泡沫流后注入表面活性劑溶液所產生的驚奇現象 (圖2):

圖2 3個不同無因次時間泡沫在飽和表面活性劑溶液的多孔介質中的穩定流動

◇時間短:液體流過幾乎不動的泡沫,以一種類似前緣的形態通過孔隙和氣泡之間的間隙,這稱為泡沫析水。

◇時間長:除了產生泡沫析水剖面外也形成了一種特殊的指進模式;這種指進模式的產生和發展需要一個比泡沫自身產生的屈服應力更大的力。

所有的分液作用是由泡沫析水作用和指進作用相互作用的結果。指進現象從入口端不斷擴展,在泡沫中經過一段距離之后呈現向下彎曲的趨勢,這很可能是重力作用的結果。

8 泡沫是一種智能流體

為了解釋上述實驗現象,泡沫被描述為宏觀流體,其屈服應力為τγ,由于τ≤τγ時泡沫不發生剪切作用,τ＞τγ時泡沫表現出冪律流體特征,因此可應用下面的流變模型描述:

式中,K1、K2是泡沫和多孔介質系統的特征參數;u =φv是泡沫的表觀速度;φ是孔隙度。方程 (2)表示泡沫的捕獲是泡沫流變過程中的必然結果,因為在低于自身的屈服應力條件下泡沫被捕集而高于屈服應力條件下泡沫流動時的黏度由方程 (2)給出。對比方程 (1)和方程 (2)可以發現,K1與τγ范圍有如下關系:

或者用其他的表述方式,K1與氣泡密度n成線性關系,更重要的是τγ隨著n值、泡沫膜的彈性系數E和表面張力σ的增大而線性增加。為了有效證明這一重要的性質,唯一需要認識的就是E與σ的值受表面活性劑的影響很大。表面活性劑能夠使E和σ相互作用,通過施加外部張力實現相互作用,促成了性能可控的智能泡沫的形成。

9 結論

泡沫在多孔介質中的流態通過屈服應力表現出不同的性質,低于屈服應力泡沫被捕集不能流動,而高于屈服應力則呈現出冪律流體的特征。屈服應力值主要取決于泡沫的物理參數,如泡沫密度、泡沫膜的彈性以及表面張力,這些參數主要通過表面活性劑的仔細篩選來控制。不同泡沫具有不同的屈服應力,這使得泡沫作為一種智能流體顯示出其在油田開發過程中的應用前景。

資料來源于《Business Briefing:Exploration&Production:The Oil&Gas Review》2005

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.7.004

2009-03-27)