泡沫性能綜合評價實驗設計

李賓飛， 黃夢梅， 李兆敏， 陳德春

(中國石油大學(華東) 石油工程學院， 山東 青島 266580)

實驗課程改革

泡沫性能綜合評價實驗設計

李賓飛， 黃夢梅， 李兆敏， 陳德春

(中國石油大學(華東) 石油工程學院， 山東 青島 266580)

為了加深學生對泡沫基本性能的理解和提高學生的科研創新能力，結合石油工程專業特點，從教學科研相融合理念出發，設計了泡沫性能綜合評價實驗。該實驗可以實現對泡沫起泡能力、穩定性、攜砂(巖)能力、多孔介質中的封堵能力的性能評價，對于加深學生對課程基本概念和基本原理的理解，提高學生的科研創新和工程實踐能力具有良好的促進作用。

石油工程； 評價實驗； 性能參數

教學與科研相融合是高校近年來所倡導的一種學生培養形式，將教師的科研思想、科研條件和科研成果等融入到本科教學過程中，加強大學生創新能力與實踐能力的培養，對于提高創新人才培養質量具有重要作用[1-4]。我校石油工程專業以油氣井工程和油氣田開發工程2個國家重點學科為依托，是國家級特色專業、山東省品牌專業，是國家第一批“卓越工程師教育培養計劃”試點專業。主要培養能在石油工程領域從事工程設計、生產施工、科學研究與科技開發和生產管理工作的高級專門人才。泡沫理論與采油技術是將石油工程專業課與教師多年科研成果有機結合形成的一門課程，是石油工程專業課的深入與延伸，主要針對復雜油氣開采中所面臨的問題，系統講授泡沫流體在石油工程領域應用的基本原理、設計計算方法、工藝技術和現場應用實例、新技術及發展方向。泡沫的相關特性是該課程的基礎理論，是泡沫在石油工程領域應用的基礎。本實驗旨在幫助學生直觀掌握泡沫基本性能、拓寬專業視野，培養學生創新意識和實踐能力，引導學生進行科研探索。

1 泡沫性能表征參數

泡沫是由不溶性或微溶性的氣體分散于液體中所形成的分散體系，具有密度低且可調、黏度高、攜砂能力強、對高滲透地層和高含水地層具有選擇性封堵作用等特性，在石油工程領域，廣泛應用于鉆完井、井筒作業、酸化壓裂等增產措施、調剖堵水、提高采收率等方面，與之相關的泡沫性能主要包括起泡能力、穩定性、攜砂(巖)能力、多孔介質中的封堵能力等[5-7]。

起泡能力是指起泡沫液生成泡沫的能力，一般用起泡體積進行表征[5,8]。

泡沫是熱力學不穩定體系，穩定性是泡沫應用中的核心問題，一般用半衰期進行表征。半衰期包括析液半衰期和泡沫半衰期，析液半衰期是指從泡沫中排出一半的液體所需的時間，泡沫半衰期是指泡沫體積變為泡沫原始體積一半所需的時間。前者測量時間短、可重復性好，后者測量時間長且受環境溫度、濕度、空氣流動等因素影響大，可重復性較差[5,8]。

攜砂(巖)能力是指泡沫攜帶砂或巖屑的能力，是泡沫沖砂、泡沫壓裂以及泡沫鉆井中的重要性能指標，一般通過砂?；驇r屑在泡沫中的沉降速度進行表征，能夠反映泡沫的表觀黏度[5,9]。

泡沫在多孔介質中的封堵能力是指泡沫在多孔介質中流動阻力的大小，是泡沫酸化、泡沫調剖堵水以及泡沫提高采收率中的重要性能指標，一般采用阻力因子和殘余阻力因子進行表征[5,8]。

2 實驗環節設計

泡沫性能綜合評價實驗包括起泡體積和析液半衰期測試、砂粒沉降速度測試、阻力因子和殘余阻力因子測試3個實驗。

2.1 起泡體積和析液半衰期測試

本實驗中采用攪拌法測試起泡體積和析液半衰期[8]。攪拌法是采用高速攪拌機發泡并進行測試，實驗用到的高速攪拌機如圖1所示。該方法測定周期短、試劑用量少、操作簡單、測定結果重復性好、可靠性高。具體實驗步驟如下：

圖1 高速攪拌機

(1) 起泡劑溶液準備：取蒸餾水或自來水100 mL，按照質量濃度0.5%的比例加入起泡劑(SDS或AES，不同組學生采用不同的起泡劑)，攪拌均勻使其充分溶解；

(2) 攪拌起泡：將100 mL起泡劑溶液倒入高速攪拌機的量杯中，以8 000 r/min的速度攪拌3 min；

(3) 起泡體積測試：將高速攪拌機量杯中形成的泡沫馬上倒入500 mL量筒，記錄泡沫體積V0，并開始計時，該體積即為起泡體積；

(4) 析液半衰期測試：觀察量筒底部析出液體體積的變化，當析出液體體積達到50 mL時，停止計時，該時間即為泡沫的析液半衰期，用t0.5表示；

(5) 將實驗數據記錄到表格中，不同組學生實驗結果進行對比，分析不同起泡劑的起泡能力和穩定性。

2.2 砂粒沉降速度測試

沉降速度測試主要用來表征泡沫的攜砂(巖)能力，反映了泡沫的表觀黏度大小，實驗中采用油氣增產壓裂中常用的陶粒進行測試[5,9]。

(1) 起泡劑溶液準備：取蒸餾水或自來水100 mL，按照質量濃度0.5%的的比例加入起泡劑(SDS或AES)，攪拌均勻使其充分溶解；

(2) 陶粒準備：稱取20～40目的陶粒5 g；

(3) 攪拌起泡：將100 mL起泡劑溶液倒入高速攪拌機的量杯中，以8 000 r/min的速度攪拌3 min；

(4) 沉降速度測試：將高速攪拌機量杯中的泡沫倒入500 mL量筒，將稱取的5 g陶粒放在泡沫表面，同時開始計時，記錄第一粒陶粒到達量筒底部的時間t。

(5) 測量5組，取其平均時間，計算沉降速度，沉降速度按照下式計算：

(1)

其中，ν為陶粒沉降速度，cm/s；H為壓裂液在量筒中的高度，cm；t為陶粒在壓裂液中的沉降時間，s。

2.3 阻力因子和殘余阻力因子測試

阻力因子是相同流量條件下泡沫驅滲流阻力與水驅滲流阻力之比，表征泡沫封堵能力。泡沫封堵后，進行后續水驅一定體積后的滲流阻力與相同流量條件下水驅滲流阻力之比為殘余阻力因子，表征泡沫的耐沖刷性[8,10-13]。在評價泡沫的阻力因子和殘余阻力因子時采用巖心流動實驗進行測試，實驗流程如圖2所示,實物連接如圖3所示。

(1) 實驗準備：配置質量濃度0.5%起泡劑溶液和模擬地層水，用石英砂填制巖心，按照圖2所示的流程連接實驗設備。

圖2 巖心流動實驗流程圖

圖3 巖心流動實驗實物圖

(2) 水驅壓差及滲透率測定：打開平流泵，以流量Q將模擬地層水注入巖心管，待壓力穩定后記錄水驅壓差P1，同時按照達西定律計算巖心滲透率K。

(3) 泡沫驅壓差及阻力因子測定：打開氣體質量流量計和平流泵，以總流量Q注入氮氣和起泡劑溶液，待壓力穩定后記錄泡沫驅壓差P2，按照下式計算泡沫阻力因子R。

(2)

(4) 殘余阻力因子測定：停止注入泡沫，以流量Q注入模擬地層水進行后續水驅，注入一定體積后，記錄后續水驅壓差P3，按照下式計算殘余阻力因子Rr。

(3)

3 實驗結果分析

圖4為起泡體積和析液半衰期測試中形成的泡沫，a為形成泡沫最初時刻的狀態，泡沫底部無液體析出，b為達到析液半衰期時刻的狀態，泡沫底部有50 mL液體析出，但泡沫總高度基本不變。圖5為砂粒沉降速度測試，可以看出泡沫具有良好的攜砂能力，部分砂粒懸浮在泡沫中。圖6、圖7為測試得到的不同起泡劑濃度條件下的起泡體積和析液半衰期變化曲線，可以看出，隨著起泡劑濃度的增加起泡體積增加，析液半衰期延長，表明泡沫起泡能力和穩定性增加。表1為阻力因子和殘余阻力因子測試結果，從實驗結果可以看出，隨著滲透率的增加，泡沫阻力因子增大，表明泡沫封堵性能隨著滲透率的增大而增大。

圖4 起泡體積和析液半衰期測試

圖5 砂粒沉降速度測試

圖6 起泡體積隨起泡劑濃度變化

圖7 析液半衰期隨起泡劑濃度變化

K/103μm2P1/kPaP2/kPaP3/kPaRRr21810.201142.40234.60112235054.401127.21158.51256368402.641154.15148.2443656

4 實驗拓展及創新實驗

在上述實驗基礎上，可進一步拓展實驗內容，結合大學生創新實驗，讓學生自主設計實驗內容、總結實驗規律、理論聯系實際，熟悉泡沫性能及其在油氣田開發中的應用。主要包括以下2個方面：

(1) 泡沫性能影響因素分析。通過測試不同條件下的泡沫性能，分析起泡劑類型、起泡劑濃度、礦化度、溫度等因素對起泡能力和泡沫穩定性的影響；探究起泡劑類型、起泡劑濃度以及泡沫質量對攜砂(巖)能力的影響；評價泡沫質量、液相黏度、巖心滲透率等對泡沫在多孔介質中的封堵能力的影響。

(2) 泡沫性能研究與應用。根據泡沫性能影響因素，分析影響泡沫性能的主要因素，研究提高泡沫性能的方法。結合石油工程領域的生產問題，掌握泡沫流體在石油工程中應用的基本原理，根據泡沫性能及其影響因素，完善和改進工藝技術，探索泡沫在油氣開采中應用的新技術和新領域。

5 結語

泡沫流體在石油工程領域有著廣泛的應用，為了能讓學生深刻理解和掌握泡沫基本性能，設計了泡沫性能綜合評價實驗。通過起泡體積、析液半衰期、砂粒沉降速度、阻力因子和殘余阻力因子測試，系統評價泡沫的起泡能力、穩定性、攜砂(巖)能力以及多孔介質中的封堵能力，加深學生對課程中基本概念和基本原理的理解，加強對泡沫基本性能的掌握。在此基礎上，結合大學生創新實驗，鼓勵學生自主設計并完成實驗、分析泡沫性能影響因素、研究提高泡沫性能的方法、理論聯系實際，完善和探索泡沫在油氣開采中的應用。該實驗系統目前已應用于課程教學和大學生創新實驗，實踐結果表明，通過該實驗，激發了學生對泡沫性能及其應用研究的興趣，鍛煉了學生自主設計實驗、分析和解決實驗中問題的能力，提高了學生的科研創新和工程實踐能力。在該實驗的實施和支撐下，多名學生申請了大學生創新實驗，并申請專利2項。

References)

[1] 施林淼,劉貴松.我國研究型大學教學科研融合的方式、問題及對策:以清華大學等6所高校發布的本科教學質量報告為例[J].中國高教研究,2015(3):31-35.

[2] 黃敏,陳炎輝.我國研究型大學拔尖創新人才培養模式研究:基于“985工程”大學《2010年度本科教學質量報告》的文本分析[J].國家教育行政學院學報, 2012(10):51-56.

[3] 李井葵,陳俐.高校實驗室教學科研相融合對創新型人才培養研究探索[J].高校實驗室工作研究,2013(3):107-108.

[4] 赫冀成.教學科研融合 構建創新型人才培養體系[J].中國高等教育, 2006(20):13-14.

[5] 李兆敏.泡沫流體在油氣開采中的應用[M].北京:石油工業出版社,2010.

[6] 李兆敏,李冉,史江恒,等.泡沫在油氣田開發中的應用及展望(Ⅰ):起泡劑及泡沫流體在井筒中的應用[J].油田化學,2012,29(4):507-512.

[7] 李兆敏,李冉,劉偉,等.泡沫在油氣田開發中的應用及展望(Ⅱ):泡沫流體在近井及地層中的應用[J].油田化學,2013,30(1):155-160.

[8] 李賓飛.氮氣泡沫調驅技術及其適應性研究[D]. 東營:中國石油大學(華東)，2007

[9] 彭歡,桑宇,楊建,等.泡沫壓裂液攜砂性能評價方法研究進展及展望[J].鉆采工藝, 2016, 39(3):87-90.

[10] Kovscek A R,Bertin H J.Foam Mobility in Heterogeneous Porous Media[J].Transport in Porous Media,2003,52(1):37-49.

[11] 秦積舜,李愛芬.油層物理學[M].東營:中國石油大學出版社,2001.

[12] 趙福麟.油田化學[M].東營:中國石油大學出版社,2000.

[13] Nguyen Q P, Currie P K, Zitha P L J. Effect of Crossflow on Foam-Induced Diversion in Layered Formations[J]. SPE Journal, 2005,10(1):54-65.

Design on experiment of comprehensive evaluation of foam properties

Li Binfei, Huang Mengmei, Li Zhaomin, Chen Dechun

(School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

In order to deepen the students’ understanding of the basic foam properties and improve their scientific research and innovation ability, in combination of the characteristics of the petroleum engineering majors, and based on the idea of integration of the teaching and research, the experiment of the foam property evaluation is designed. This experiment can realize the property evaluation on the foaming ability, the foam’s stability, its sand (rock) carrying capacity and plugging ability in porous media, which can promote the students’ understanding of the basic concepts and basic principles of the course and improve their research innovation and engineering practical ability.

petroleum engineering; evaluation experiment; property parameter

TE311；TE357.3

A

1002-4956(2017)10-0187-04

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.046

2017-03-28修改日期2017-05-03

國家科技重大專項(2016ZX05056-001)；中國石油大學(華東)教學改革重點項目(JY-A201603)

李賓飛(1978—)，男，河北唐縣，博士，副教授，從事油氣田開發的教學與研究工作.

E-mail：libinfei@upc.edu.cn