低頻波激勵下泡沫強化起泡特征

劉 靜, 夏軍勇, 劉 璽, 吳飛鵬, 李正斌

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島 266580; 2.非常規油氣開發教育部重點實驗室 (中國石油大學(華東)),山東青島 266580; 3.大慶油田采油工程研究院，黑龍江大慶 163453; 4.陜西延長油田股份有限公司志丹采油廠,陜西延安 717500)

泡沫調驅技術是裂縫性低滲透油藏水竄調控和提高采收率的有效手段,采用地面氣液交替注入方式在地層起泡是泡沫調驅技術較常用的一種注入工藝[1-4]。由于裂縫性低滲油藏的特殊儲層性質,地下泡沫液與氣體在儲層內部滲流過程中,容易受孔隙結構、壁面效應的影響,極易出現巖石吸附、氣液分離、氣相滑移等現象,導致起泡效果不理想、氣體竄流嚴重、起泡劑利用率低、實施效果欠佳等問題[5-10]。因此如何探求配套技術以協同激勵儲層,提高油藏深部起泡劑的利用率和起泡效果是促進泡沫驅技術在該類儲層全面推廣的主要發展方向。由此,將低頻波與泡沫調驅技術進行復合,利用低頻波對流體的動力擾動作用,促進氣體和液體的混合,提高泡沫在油藏深部的起泡和泡沫再生性能,有望突破當前泡沫驅所面臨的關鍵瓶頸,是提高調驅效果的一種新途徑。前期研究表明,低頻波可以提高泡沫靜態穩定性和巖心封堵能力,且在鄂爾多斯盆地成功實施了單井組礦場試驗[11-16]。然而,由于對該復合技術協同起泡規律和起泡機制缺乏深入的認識,導致該技術一直沒有得到進一步的推廣應用。鑒于此,筆者在前期研究的基礎上,采用試驗和理論相結合的方式探索低頻波激勵下泡沫在毛細管和多孔介質中的起泡性能、起泡特征以及相關作用機制。

1 試 驗

1.1 試驗儀器和材料

試驗儀器:平均孔隙直徑為500 μm的玻璃刻蝕模型(自制);泡沫可視化生成裝置(自制);DS-300-3-04電動振動試驗系統裝置,蘇州東菱振動試驗儀器有限公司;微量注射泵(LSP01-2A),南京曉曉儀器設備有限公司;顯微攝像頭(928D),瀚光光學(無錫)有限公司;電子天平(BS423S),塞多利斯科學儀器(北京)有限公司;秒表(XL-011),福州市飚速體育用品有限公司。

試驗材料:α-烯基磺酸鈉(AOS)純度92%,山東優索化工科技有限公司;試驗用水為去離子水。

1.2 試驗方法及流程

(1)向泡沫可視化毛細管裝置內加入10 mL質量分數為0.2%的α-烯基磺酸鈉溶液。設置微量注射泵以0.5 mL/min的注入速度向泡沫可視化裝置內注入氣體,關閉三通B并開啟振動裝置,設置不同振動參數,記錄產生100個氣泡所需時間,表征低頻波激勵下氣泡在可視化毛細管中的起泡性能,其試驗流程如圖1所示。

(2)將玻璃刻蝕模型抽真空飽和質量分數為0.2%的α-烯基磺酸鈉溶液。設置微量注射泵以0.5 mL/min的注入速度向平均孔隙直徑為500 μm的玻璃刻蝕模型內注入氣體,關閉三通A并開啟振動裝置和攝像裝置,分別記錄相同時間內不同振動參數下起泡劑的利用率、泡沫生成情況和氣泡波及范圍,表征低頻波激勵下泡沫在多孔介質中的起泡性能,其試驗流程如圖1所示。

圖1 波動條件下泡沫起泡性能試驗示意圖Fig.1 Sketch map of foaming behaviors of foam under fluctuating

2 結果討論

2.1 低頻波對泡沫在毛細管中起泡性能的影響

設定振動加速度為0.3g(g為重力加速度，m/s2),測定不同振動頻率下泡沫在毛細管中生成100個氣泡所需的時間,優選出最佳振動頻率;在最佳振動頻率下,測定不同振動加速度下泡沫在毛細管中生成100個氣泡所需的時間,試驗結果如圖2所示。

由圖2可知,任何振動參數下都可降低泡沫的起泡時間。由圖2(a)可知,不加振動時,生成100個氣泡所需的時間為104 s;當振動加速度為0.3g時,最佳振動頻率為15 Hz,此時起泡時間最短為64 s;由圖2(b)可知,在最佳振動頻率15 Hz條件下,對應的最佳振動加速度為0.5g,此時的起泡時間最短為60 s,其起泡效率比不振動時提高了42%。

分析認為與不加振動相比,低頻振動條件下由于水平方向上氣泡和泡沫液之間存在密度差,導致在相同振動方向下氣泡與泡沫液及多孔介質之間存在慣性效應,即相當于在水平方向上增加了一個剪切力,使氣泡在生長過程中一直處于振動剪切狀態,更有利于氣泡脫離毛細管口,進而降低了起泡時間。此外,低頻振動也會引起氣泡及其周圍泡沫液發生受迫振動,而當振動力(加速度)達到一定程度以及振動頻率和物體固有頻率相差較小時,即達到共振條件時氣泡才更容易脫離毛細管口,因此存在一個最佳的振動參數使振動效果最優。

圖2 泡沫起泡性能隨振動參數的變化Fig.2 Changes of foaming properties of foam with vibration parameters

2.2 低頻波對泡沫在多孔介質中起泡性能的影響

通過對起泡過程進行錄像,并在相同時間點處截圖,利用Matlab軟件對圖片進行二值化處理,然后利用Image-pro-plus6.0軟件對二值化后的圖片進行染色處理,結果如圖3所示。

由圖3可知,原始圖片中紅圈內的紅色液體為被染色后的起泡劑溶液,紅框內的不規則形狀為氣泡在孔隙中的形態,二值化處理后刻蝕模型中孔隙通道、通道內未被利用的起泡劑溶液以及玻璃基質均為白色,僅有氣泡輪廓被處理成黑色,通過Image軟件將黑色輪廓染成藍色。通過對比加振動和不加振動條件下泡沫在刻蝕模型內的分布,起泡劑的利用率以及氣泡數目提高倍數研究振動條件下泡沫在多孔介質內的起泡性能。

圖3 圖片處理Fig.3 Picture processing

2.2.1 振動頻率對泡沫在多孔介質中起泡性能的影響

按照1.2節試驗流程,設置振動加速度為0.3g,對氣體注入玻璃刻蝕模型中的起泡過程進行錄像,回放錄像并在相同時間節點處截圖,研究在不同振動頻率下泡沫液在刻蝕模型內的利用率和氣泡數目的提高倍數,試驗結果如圖4和5所示。

由圖4可知,在相同時間內,所有振動頻率下泡沫波及系數均大于不加振動時的波及系數(泡沫利用率),不振動條件下,刻蝕模型中出現較多空白區域(如圖4紅框所示),這表明在空白區域有泡沫液未被利用,氣泡未波及到該區域。由圖5統計數據可以看出:當振動頻率為10～15 Hz時,氣泡數目提高倍數逐漸增加,此時對應刻蝕模型孔道內小氣泡(紅圈內的藍色小圈)數量逐漸增多;當振動頻率為20～30 Hz時,刻蝕模型孔道內氣泡數目提高倍數顯著增加;當振動頻率為35～40 Hz時,刻蝕模型孔道內氣泡數目提高倍數逐漸降低;而泡沫液利用率在頻率為10 Hz時達到最大,但對應的氣泡數目提高倍數相對較小,與頻率為15 Hz相比,當頻率為25 Hz時,泡沫液利用率提高了0.24%,氣泡數目提高了0.02倍,因此優選頻率為25 Hz。

綜上所述,分析認為：一方面振動可以增加氣體在泡沫液中的分散,提高氣體與泡沫液的接觸從而產生更多的泡沫,且當泡沫流經多孔介質喉道處時低頻振動可提高液膜截斷的頻率,進而提高泡沫的生成速度和氣泡數目的提高倍數;另一方面低頻振動可降低氣體竄流、提高波及面積,加之生成的小氣泡不斷在孔隙喉道內聚集封堵大孔道迫使后續氣體流向滲流阻力相對較大的孔隙喉道內并與該處的泡沫液接觸生成新的泡沫,從而進一步協同提高了氣體的波及系數和泡沫液的利用率。對于不同儲層環境,由于形狀、重心、質量等方面的物性差異,其固有頻率也存在差異,振動頻率過低時氣體分散較慢,當振動頻率過高時造成泡沫液與氣體混合接觸時間太短,不利于泡沫的生成;當振動頻率接近刻蝕模型固有頻率時振動效果最佳,氣體和液體混合程度最佳,此時刻蝕模型內部氣泡數目的提高倍數、氣泡的波及系數和泡沫液的利用率都相對較高;當振動頻率偏離刻蝕模型固有頻率時刻蝕模型內部氣泡數目的提高倍數、氣泡的波及系數和泡沫液的利用率均有所降低,但均大于不加振動時的氣泡數目、氣泡的波及系數和泡沫液的利用率。

圖4 不同振動頻率下多孔介質模型中泡沫起泡效果(比例尺為1∶40)Fig.4 Foaming effect in porous medium under different frequency (scale being 1∶40)

圖5 不同振動頻率下氣泡數目提高倍數及泡沫液利用率Fig.5 Increase times of bubble number and foam liquid usage under different vibration frequency

2.2.2 振動加速度對泡沫在多孔介質中起泡性能的影響

由2.2.1節可知,刻蝕模型對應的最佳振動頻率為25 Hz,因此在最佳振動頻率下,改變不同的振動加速度,研究振動加速度對泡沫在刻蝕模型內起泡性能的影響。分別對起泡過程進行錄像,在相同時間點處截圖并進行圖像處理,試驗結果如圖6和7所示。

由圖6可以看出:當振動加速度為0.3g時,刻蝕模型內不存在成片空白區域,泡沫液利用率最高,對應圖7中氣泡數目提高倍數達到最大值且泡沫液利用率也達到最大;當振動加速度為0.4g～0.6g時,刻蝕模型內僅有局部小區域存在空白區域(如圖6中紅框所示),起泡劑溶液的利用率略有降低,氣泡數目的提高倍數及泡沫液利用率也有所降低,但均比不加振動時效果好;當振動加速度為0.7g時,刻蝕模型內存在成片空白區域表明起泡劑的利用率較低,氣泡數目的提高倍數與其他振動加速度下相比也大幅降低,甚至低于不加振動時,因此該模型對應的最佳振動加速度為0.3g,在最佳頻率及加速度的匹配下起泡劑利用率可達99.78%,比不加振動下提高16.33%,泡沫數目提高了5.59倍。

圖6 不同振動加速度下多孔介質模型中泡沫起泡效果(比例尺為1∶40)Fig.6 Foaming effect in porous medium under different acceleration (scale being 1∶40)

圖7 不同振動加速度下氣泡數目提高倍數Fig.7 Increase times of bubble number under different vibration acceleration

根據以上現象分析認為,加速度過大或過小均不利于提高泡沫生成速度及泡沫液的利用率。這是因為振動頻率、振動加速度和振動位移滿足式(1),當振動頻率一定時,振動位移隨振動加速度的增加而增加,振動位移越大振動越劇烈。氣體進入多孔介質時首先進入滲流阻力小的孔隙內與發泡劑溶液混合生成氣泡,當振動加速度適中時,有利于促進氣體在多孔介質中分散,并為泡沫生成和泡沫液膜在孔喉處液膜截斷提供足夠能量,從而協同提高泡沫液的利用率和起泡速度。振動加速度過低,導致氣體與泡沫液混合力度不夠,當振動加速度過大時,氣泡發生液膜截斷后來不及與后續生成的氣泡聯合封堵孔隙,而是迅速流向采出端導致后續氣體也沿著高滲通道流出,出現氣體滑移現象導致起泡劑的利用率和氣泡數目的提高倍數降低。這與李星紅等[15]關于振動對泡沫封堵效果的研究結果相吻合,該研究結果表明振動加速度過大或過小均會降低泡沫在填砂管內的封堵效果,

a=f2x.

(1)

式中,a為振動加速度,m/s2;f為振動頻率,Hz;x為振動位移,m。

3 機制分析

3.1 低頻波對氣泡液膜截斷機制

基于毛細管起泡生成試驗現象,當氣體通過毛細管壓入起泡劑溶液時,氣泡將在液相一側的微孔表面長大。此時氣泡受到兩個作用力:一是沿毛細管邊緣的三相接觸周邊的表面張力,方向向下,對氣泡產生拖拽作用;二是氣泡在液相中受到的浮力作用,如圖8所示。

圖8中F1為氣泡所受浮力,N;F2為氣泡所受拖拽力,N。當氣泡長大到即將脫離毛細管時,氣泡所受浮力與氣泡所受拖拽力相等[17],即

(2)

由式(2)可知氣泡上浮時對應的臨界直徑為

(3)

式中,R為臨界氣泡半徑,m;ρ為起泡劑密度,kg/m3;r為毛細管半徑,m;σ為起泡劑溶液表面張力,N/m;d為氣泡上浮時的直徑,m。

振動條件下,通過毛細管生成的氣泡相對于毛細管會有一定的偏移,氣泡受力如圖9所示。

圖8 不加振動時氣泡受力Fig.8 Stress of bubble without vibration

圖9 振動條件下氣泡受力Fig.9 Stress of bubble under vibration condition

圖9中θ為氣泡偏離角度。當氣泡長大到即將脫離毛細管時,在豎直方向上氣泡所受浮力與氣泡所受拖拽力相等。即

(4)

由式(4)得出氣泡上浮時對應的臨界直徑為

(5)

式中,R1為振動條件下臨界氣泡半徑,m;d1為振動條件下氣泡上浮時的直徑,m。

因為0<θ<90°,所以振動條件下氣泡脫離毛細管口時受到的拖拽力低于不加振動時氣泡脫離毛細管口時受到的拖拽力,即氣泡上浮時的臨界直徑滿足d1

在水平方向上氣泡受到一個水平剪切力為F=F2sinθ,方向與振動方向一致,在水平剪切力的作用下通過提高氣泡在毛細管口的截斷頻率提高起泡速率。

綜上所述,振動條件下一方面通過降低液膜在毛細管端口的拖拽力降低氣泡的臨界上浮直徑來提高起泡速率;另一方面通過在水平方向上施加一個水平方向的剪切力,提高氣泡在毛細管口的截斷頻率來提高起泡速率。

3.2 低頻波對氣泡液膜截斷和縮頸分離機制

3.2.1 低頻波對薄膜截斷的影響

基于多孔介質泡沫生成運移流動試驗,分析低頻波對氣泡液膜截斷機制(圖10)。由圖10可知,氣泡在多孔介質內運移時,遇到巖石基質易發生薄膜分斷,使大氣泡分裂成為兩個小氣泡,這是提高泡沫數量的主要方式[18]。不加振動時,泡沫發生液膜截斷主要取決于體系內的驅替壓力,當驅替壓力不足時氣泡不能發生液膜截斷,無法分裂成多個氣泡,只有當驅替壓力增大到足以克服泡沫通過孔隙喉道所受阻力時才能發生薄膜分斷。振動條件下,低頻波通過波的形式將機械能傳遞給多孔介質內的氣泡,進而轉化為氣泡的動能,降低了氣泡在多孔介質內發生液膜截斷時所需的臨界壓力,提高了氣泡在多孔介質內發生液膜截斷的頻率。

圖10 液膜截斷機制示意圖Fig.10 Schematic diagram of liquid film truncation mechanism

3.2.2 低頻波對縮頸分離的影響

圖11為發生縮頸分離機制示意圖,圖12為發生縮頸分離時的受力分析。

由Laplace方程可知,不加振動時,進入孔隙內的氣泡所受毛管力pc1[19]為

(6)

式中,p1為氣泡內部壓力,Pa;p2為氣泡前端液相壓力,Pa;R2為氣泡前端半徑,m。

圖11 縮頸分離機制示意圖Fig.11 Schematic diagram of necking separation mechanism

在喉道處,氣泡液膜兩側的毛管力為pc2,其表達式為

(7)

式中,p3為喉道處氣泡液膜外側液相壓力,Pa;R1為基巖半徑,m;R3為喉道半徑,m;滿足R1>R2>R3。

圖12 波動條件下氣泡縮頸分離受力Fig.12 Stress diagram of bubble necking separation under wave condition

由式(6)和(7)聯立可知,氣泡前端液相壓力與喉道處液相壓力之差Δp為

(8)

隨著氣泡的擴張,氣泡半徑R2逐漸增大,Δp逐漸降低,當氣泡前端半徑增大到Δp<0時,氣泡前端的液相壓力大于喉道處液相的壓力,即在液相中產生壓力差,液相會沿液膜向喉道處聚集,當Δp低于一定值時,液體就會在孔喉處聚并使氣泡縮頸分離成單個的氣泡,此時對應的氣泡前端半徑為氣泡發生縮頸分離時的臨界半徑r。

加上振動以后,氣泡受到的一列波的波動力[16,20]為

pb=p0exp(-αx).

(9)

式中,pb為氣泡受到的波動力,Pa;p0為初始壓力,Pa。

加上振動以后,進入孔隙內的氣泡所受毛管力為

(10)

式中,pc3為振動條件下孔隙內氣泡所受毛管力,Pa。

加上振動后,氣泡前端液相壓力與喉道處液相壓力差Δp1為

(11)

在相同條件下,對比式(11)和式(8)可知Δp1<Δp,即與不加振動相比,氣泡發生縮頸分離時的臨界半徑r1

4 結 論

(1)低頻波可縮短起泡時間、提高泡沫液利用率、氣體的波及系數和氣泡數目提高倍數;毛細管起泡試驗在最佳振動頻率15 Hz,加速度0.5g下起泡效率可提高42%。玻璃刻蝕模型動態起泡試驗表明，在最佳頻率25 Hz和加速度0.3g下泡沫液利用率可提高16.33%,氣泡數目提高倍數可達5.59。

(2)低頻波可通過降低泡沫液膜垂直方向拖拽力、增加水平方向剪切力以及降低氣泡發生液膜截斷和縮頸分離的臨界壓力,從而提高泡沫液膜在毛細管口和多孔介質喉道處發生液膜截斷和縮頸分離的頻率,進而提高了泡沫的起泡速率和效果。