編譯:李培武 (遼河油田勘探開發(fā)研究院)

審校:袁平 (遼河油田勘探開發(fā)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(fā)研究院)

審校:袁平 (遼河油田勘探開發(fā)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(tài),依靠表面活性劑保持其穩(wěn)定性。這種復(fù)雜的流體在油藏的勘探開發(fā)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(zhì)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(yīng)用情況,并提出目前對(duì)泡沫認(rèn)識(shí)的不足。目前對(duì)泡沫的形成機(jī)理、在多孔介質(zhì)中的吸附量等尚不清楚。為取得進(jìn)一步認(rèn)識(shí),研究了泡沫在多孔介質(zhì)中的聚集與分散、可視模型中的流動(dòng)行為、酸化和堵水過程中的流動(dòng)特征等內(nèi)容,從實(shí)驗(yàn)的角度分析了泡沫的形成過程,并提出了泡沫穩(wěn)定性的影響因素。基于以上研究作者提出泡沫是一種智能流體,在油田開發(fā)過程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

泡沫 智能流體 表面活性劑屈服應(yīng)力 表面張力

泡沫為氣體在液相中的一種分散狀態(tài),依靠表面活性劑保持其穩(wěn)定性。這種復(fù)雜的流體在油藏的勘探開發(fā)過程中起著非常重要的作用。泡沫被美譽(yù)為“智能流體”主要是因?yàn)樗阢@井、固井、酸化壓裂、近井地帶的調(diào)剖或深度調(diào)剖作業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用。然而,泡沫有時(shí)是不利的,例如分離器中原油的氣體脫離,或者是由于化學(xué)反應(yīng)使水中的氣泡聚集并不斷擴(kuò)大發(fā)生脫氣和破裂。

1 物理性質(zhì)及其應(yīng)用

涉及泡沫應(yīng)用潛力的物理性質(zhì)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(zhì)和應(yīng)用之間的關(guān)系。

浮選過程中攜固相泡沫流體導(dǎo)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(yīng)用泡沫水泥阻止鉆桿和地層環(huán)形空間里固相顆粒的沉降和沉積作用的發(fā)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(shí)現(xiàn)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(fēng)險(xiǎn)。在固井過程中,泡沫泥漿有助于控制靜壓力和減小氣體運(yùn)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(yīng)用泡沫主要是利用泡沫在多孔介質(zhì)中具有可觀的表觀黏度。提高采收率技術(shù)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(qū)替氣體與被驅(qū)替相原油的流度比和密度差引起竄進(jìn)和重力分異作用。氣體竄進(jìn)和重力超覆現(xiàn)象的存在導(dǎo)致驅(qū)油效率低下。泡沫驅(qū)中的氣泡能夠有效降低重力分異作用及減少氣體竄進(jìn)現(xiàn)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(zhì),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(chǔ)層的酸液。

2 認(rèn)知泡沫的挑戰(zhàn)

盡管泡沫被廣泛應(yīng)用,但是泡沫的性質(zhì)并不完全可靠。這主要是因?yàn)闆]有全面和完整應(yīng)用其物理性質(zhì),尤其是在多孔介質(zhì)中泡沫的流動(dòng)規(guī)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(zhì),這使得對(duì)泡沫的性質(zhì)有了更加全面的描述,但是在很多方面還沒有進(jìn)行更加深入的研究。

Dietz科研小組對(duì)泡沫的形成機(jī)理及其吸附規(guī)模和數(shù)量進(jìn)行了研究。他們研究的方法是根據(jù)唯像分析和可視化實(shí)驗(yàn)。除一些相關(guān)的應(yīng)用,酸反轉(zhuǎn)試驗(yàn)和流度控制試驗(yàn)結(jié)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(duì)泡沫氣泡在聚集和分支孔道中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行細(xì)致的檢查,模擬多孔介質(zhì)中不同橫截面中的流動(dòng)狀態(tài)。在考慮表觀黏度和黏彈性影響的前提下,研發(fā)出泡沫膜的運(yùn)動(dòng)可視模型。通過試驗(yàn)給出表觀黏度μf的表達(dá)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(shù);α、β、和A值是地質(zhì)幾何模型所固有的,為定值。同時(shí),也開展了泡沫膜在玻璃管的聚集分散試驗(yàn)。泡沫膜的運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間的變化通過數(shù)碼攝像機(jī)被記錄下來,與此同時(shí),玻璃管中上部的壓力變化也得到監(jiān)測(cè)和記錄。除了早期報(bào)道的關(guān)于直毛細(xì)管中氣泡運(yùn)動(dòng)的影響之外,還發(fā)現(xiàn)了氣泡表面膜的黏度和彈性對(duì)泡沫的表觀黏度具有重要作用。這一發(fā)現(xiàn)能夠直接歸因于泡沫膜在孔隙介質(zhì)中的伸張和收縮作用。

4 可視模型中微觀泡沫的流動(dòng)

為了確定泡沫結(jié)構(gòu) (如泡沫密度與空間結(jié)構(gòu)的展布)和泡沫流體流變能力的關(guān)系,研究了泡沫在透明模型中的流動(dòng)。這些類似二維的微觀模型能夠觀察到泡沫的動(dòng)力學(xué)變化,如泡沫的形成、破滅、捕獲及其流動(dòng)狀態(tài)。在利用氣體示蹤劑的條件下,這些變化也為評(píng)價(jià)氣體捕獲率提供了條件。利用一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)流擴(kuò)散模型來說明示蹤劑傳質(zhì)是從運(yùn)動(dòng)流體到捕獲氣泡的過程。氣體捕獲率是通過對(duì)模型出口端的示蹤劑濃度剖面的測(cè)量值與計(jì)算值的擬合來進(jìn)行預(yù)測(cè)的。結(jié)果表明,在整個(gè)過程中平均75%的氣泡都被捕集。從微觀模型可以監(jiān)測(cè)到:當(dāng)氣體分?jǐn)?shù)增加到一個(gè)臨界值后,壓力降會(huì)迅速上升,這表明泡沫的表觀黏度發(fā)生劇烈變化,這種現(xiàn)象可解釋為單個(gè)氣泡向?qū)恿髁鲬B(tài)的轉(zhuǎn)變。

5 泡沫在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)研究

通過酸轉(zhuǎn)向模型試驗(yàn)和堵水模型試驗(yàn)觀察泡沫動(dòng)態(tài)流變特征。因此,這項(xiàng)研究關(guān)注的主要有兩個(gè)試驗(yàn):

◇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(zhì)而產(chǎn)生泡沫;

◇向盛有泡沫的多孔介質(zhì)中注入液體。

利用巖心試驗(yàn)來實(shí)時(shí)觀測(cè)局部流體飽和度的形變和量變。多孔介質(zhì)中不同區(qū)域的壓力降也同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和記錄。在泡沫穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的第一時(shí)間,泡沫捕獲率是利用X射線示蹤技術(shù)來進(jìn)行計(jì)算的。

6 泡沫的產(chǎn)生

圖1中的巖心試驗(yàn)圖像顯示泡沫以鋒狀為特征方式驅(qū)替表面活性劑溶液。在整個(gè)過程中出現(xiàn)了三個(gè)明顯不同的區(qū)域:

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

◇過渡區(qū)域:流動(dòng)的泡沫及液體形成細(xì)小的指進(jìn)形態(tài);典型的指進(jìn)形態(tài)中類似手指的尺寸與巖石顆粒的尺寸相當(dāng)。

◇向下流動(dòng)區(qū)域:多孔介質(zhì)的下部被液體充滿。

對(duì)于更高黏度的驅(qū)替流體,這些特征更加明顯。從宏觀的角度,這是相當(dāng)規(guī)則的驅(qū)替前緣驅(qū)替特征,也是實(shí)際應(yīng)用中希望產(chǎn)生的效果。

隨著時(shí)間的推移,分液作用在泡沫區(qū)域不斷減弱,就像巖心試驗(yàn)圖像中顯示的黑色部分一樣。這一現(xiàn)象是在Dietz的一次室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的,并因二次減飽和作用而聞名。表面上,減飽和作用最初發(fā)生在多孔介質(zhì)的中心部位并且向巖心的入口端和出口端擴(kuò)散,停止于穩(wěn)態(tài)流的形成。

圖1 不同無因次時(shí)間初始飽和表面活性劑溶液 (紅-黃)的泡沫 (綠-藍(lán))驅(qū)替Bentheim巖心試驗(yàn)

7 在泡沫形成后注入液體

巖心試驗(yàn)圖像捕獲到在形成穩(wěn)態(tài)的泡沫流后注入表面活性劑溶液所產(chǎn)生的驚奇現(xiàn)象 (圖2):

圖2 3個(gè)不同無因次時(shí)間泡沫在飽和表面活性劑溶液的多孔介質(zhì)中的穩(wěn)定流動(dòng)

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

◇時(shí)間長(zhǎng):除了產(chǎn)生泡沫析水剖面外也形成了一種特殊的指進(jìn)模式;這種指進(jìn)模式的產(chǎn)生和發(fā)展需要一個(gè)比泡沫自身產(chǎn)生的屈服應(yīng)力更大的力。

所有的分液作用是由泡沫析水作用和指進(jìn)作用相互作用的結(jié)果。指進(jìn)現(xiàn)象從入口端不斷擴(kuò)展,在泡沫中經(jīng)過一段距離之后呈現(xiàn)向下彎曲的趨勢(shì),這很可能是重力作用的結(jié)果。

8 泡沫是一種智能流體

為了解釋上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,泡沫被描述為宏觀流體,其屈服應(yīng)力為τγ,由于τ≤τγ時(shí)泡沫不發(fā)生剪切作用,τ＞τγ時(shí)泡沫表現(xiàn)出冪律流體特征,因此可應(yīng)用下面的流變模型描述:

式中,K1、K2是泡沫和多孔介質(zhì)系統(tǒng)的特征參數(shù);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(jié)果,因?yàn)樵诘陀谧陨淼那?yīng)力條件下泡沫被捕集而高于屈服應(yīng)力條件下泡沫流動(dòng)時(shí)的黏度由方程 (2)給出。對(duì)比方程 (1)和方程 (2)可以發(fā)現(xiàn),K1與τγ范圍有如下關(guān)系:

或者用其他的表述方式,K1與氣泡密度n成線性關(guān)系,更重要的是τγ隨著n值、泡沫膜的彈性系數(shù)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(zhì),唯一需要認(rèn)識(shí)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(shí)現(xiàn)相互作用,促成了性能可控的智能泡沫的形成。

9 結(jié)論

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