油田智能流体

编译:李培武 (辽河油田勘探开发研究院)

审校:袁平 (辽河油田勘探开发研究院)

孙德惠 (海洋石油工程股份有限公司)

油田智能流体

编译:李培武 (辽河油田勘探开发研究院)

审校:袁平 (辽河油田勘探开发研究院)

孙德惠 (海洋石油工程股份有限公司)

泡沫为气体在液相中的一种分散状态,依靠表面活性剂保持其稳定性。这种复杂的流体在油藏的勘探开发过程中起着非常重要的作用。本文从泡沫固相载容能力、降低流体密度和流度等物理性质入手,深入分析目前钻井、酸化压裂、提高采收率等方面的泡沫应用情况,并提出目前对泡沫认识的不足。目前对泡沫的形成机理、在多孔介质中的吸附量等尚不清楚。为取得进一步认识,研究了泡沫在多孔介质中的聚集与分散、可视模型中的流动行为、酸化和堵水过程中的流动特征等内容,从实验的角度分析了泡沫的形成过程,并提出了泡沫稳定性的影响因素。基于以上研究作者提出泡沫是一种智能流体,在油田开发过程中具有广阔的应用前景。

泡沫 智能流体 表面活性剂屈服应力 表面张力

泡沫为气体在液相中的一种分散状态,依靠表面活性剂保持其稳定性。这种复杂的流体在油藏的勘探开发过程中起着非常重要的作用。泡沫被美誉为“智能流体”主要是因为它在钻井、固井、酸化压裂、近井地带的调剖或深度调剖作业中都有广泛的应用。然而,泡沫有时是不利的,例如分离器中原油的气体脱离,或者是由于化学反应使水中的气泡聚集并不断扩大发生脱气和破裂。

1 物理性质及其应用

涉及泡沫应用潜力的物理性质包括固相载容能力、降低流体密度和流体流度的能力。下面的例子解释了泡沫在物理性质和应用之间的关系。

浮选过程中携固相泡沫流体导致固相微粒分离,包括亲水与亲油成分的分离。同样,在钻斜井的过程中,应用泡沫水泥阻止钻杆和地层环形空间里固相颗粒的沉降和沉积作用的发生。

欠平衡钻井是采用泡沫钻井泥浆来降低泥浆的有效密度而实现的。钻井泥浆密度的降低减小了水柱静压力,这在很大程度上降低了油层污染的风险。在固井过程中,泡沫泥浆有助于控制静压力和减小气体运移的影响。固井水泥密度的降低也可减少气井中的液体载荷。

不论是在近井地带还是深井地带,应用泡沫主要是利用泡沫在多孔介质中具有可观的表观黏度。提高采收率技术所用的注入气体,如空气、二氧化碳、蒸汽泡沫等主要取决于泡沫的性能。在没有泡沫存在的条件下,驱替气体与被驱替相原油的流度比和密度差引起窜进和重力分异作用。气体窜进和重力超覆现象的存在导致驱油效率低下。泡沫驱中的气泡能够有效降低重力分异作用及减少气体窜进现象,能够有效提高波及效率。由于泡沫具有不伤害油层的特殊性质,因此它们是近井地带理想的流体暂堵剂。泡沫已广泛用于酸化过程中来置换高渗至低渗地带受污染储层的酸液。

2 认知泡沫的挑战

尽管泡沫被广泛应用,但是泡沫的性质并不完全可靠。这主要是因为没有全面和完整应用其物理性质,尤其是在多孔介质中泡沫的流动规律。在过去的30年,科研工作者付出巨大的努力来研究泡沫的性质,这使得对泡沫的性质有了更加全面的描述,但是在很多方面还没有进行更加深入的研究。

Dietz科研小组对泡沫的形成机理及其吸附规模和数量进行了研究。他们研究的方法是根据唯像分析和可视化实验。除一些相关的应用,酸反转试验和流度控制试验结果是令人鼓舞的。

3 泡沫膜在孔道中的聚集与分散

为了去除表观黏度的影响,对泡沫气泡在聚集和分支孔道中的运动进行细致的检查,模拟多孔介质中不同横截面中的流动状态。在考虑表观黏度和黏弹性影响的前提下,研发出泡沫膜的运动可视模型。通过试验给出表观黏度μf的表达式:

式中,n为薄片密度;v为速度;r为平均孔道半径;σ为表面张力;E为泡沫膜弹性系数;α、β、和A值是地质几何模型所固有的,为定值。同时,也开展了泡沫膜在玻璃管的聚集分散试验。泡沫膜的运动随时间的变化通过数码摄像机被记录下来,与此同时,玻璃管中上部的压力变化也得到监测和记录。除了早期报道的关于直毛细管中气泡运动的影响之外,还发现了气泡表面膜的黏度和弹性对泡沫的表观黏度具有重要作用。这一发现能够直接归因于泡沫膜在孔隙介质中的伸张和收缩作用。

4 可视模型中微观泡沫的流动

为了确定泡沫结构 (如泡沫密度与空间结构的展布)和泡沫流体流变能力的关系,研究了泡沫在透明模型中的流动。这些类似二维的微观模型能够观察到泡沫的动力学变化,如泡沫的形成、破灭、捕获及其流动状态。在利用气体示踪剂的条件下,这些变化也为评价气体捕获率提供了条件。利用一个简单的对流扩散模型来说明示踪剂传质是从运动流体到捕获气泡的过程。气体捕获率是通过对模型出口端的示踪剂浓度剖面的测量值与计算值的拟合来进行预测的。结果表明,在整个过程中平均75%的气泡都被捕集。从微观模型可以监测到:当气体分数增加到一个临界值后,压力降会迅速上升,这表明泡沫的表观黏度发生剧烈变化,这种现象可解释为单个气泡向层流流态的转变。

5 泡沫在多孔介质中的流动研究

通过酸转向模型试验和堵水模型试验观察泡沫动态流变特征。因此,这项研究关注的主要有两个试验:

◇由注入气体和表面活性剂溶液通过盛有表面活性剂溶液的多孔介质而产生泡沫;

◇向盛有泡沫的多孔介质中注入液体。

利用岩心试验来实时观测局部流体饱和度的形变和量变。多孔介质中不同区域的压力降也同时进行监测和记录。在泡沫稳态流动的第一时间,泡沫捕获率是利用X射线示踪技术来进行计算的。

6 泡沫的产生

图1中的岩心试验图像显示泡沫以锋状为特征方式驱替表面活性剂溶液。在整个过程中出现了三个明显不同的区域:

◇逆流区:泡沫处于均匀分散状态,分液作用低;由于在出口端有注入系统和气体压缩作用使分液作用较为明显。

◇过渡区域:流动的泡沫及液体形成细小的指进形态;典型的指进形态中类似手指的尺寸与岩石颗粒的尺寸相当。

◇向下流动区域:多孔介质的下部被液体充满。

对于更高黏度的驱替流体,这些特征更加明显。从宏观的角度,这是相当规则的驱替前缘驱替特征,也是实际应用中希望产生的效果。

随着时间的推移,分液作用在泡沫区域不断减弱,就像岩心试验图像中显示的黑色部分一样。这一现象是在Dietz的一次室内实验发现的,并因二次减饱和作用而闻名。表面上,减饱和作用最初发生在多孔介质的中心部位并且向岩心的入口端和出口端扩散,停止于稳态流的形成。

图1 不同无因次时间初始饱和表面活性剂溶液 (红-黄)的泡沫 (绿-蓝)驱替Bentheim岩心试验

7 在泡沫形成后注入液体

岩心试验图像捕获到在形成稳态的泡沫流后注入表面活性剂溶液所产生的惊奇现象 (图2):

图2 3个不同无因次时间泡沫在饱和表面活性剂溶液的多孔介质中的稳定流动

◇时间短:液体流过几乎不动的泡沫,以一种类似前缘的形态通过孔隙和气泡之间的间隙,这称为泡沫析水。

◇时间长:除了产生泡沫析水剖面外也形成了一种特殊的指进模式;这种指进模式的产生和发展需要一个比泡沫自身产生的屈服应力更大的力。

所有的分液作用是由泡沫析水作用和指进作用相互作用的结果。指进现象从入口端不断扩展,在泡沫中经过一段距离之后呈现向下弯曲的趋势,这很可能是重力作用的结果。

8 泡沫是一种智能流体

为了解释上述实验现象,泡沫被描述为宏观流体,其屈服应力为τγ,由于τ≤τγ时泡沫不发生剪切作用,τ＞τγ时泡沫表现出幂律流体特征,因此可应用下面的流变模型描述:

式中,K1、K2是泡沫和多孔介质系统的特征参数;u =φv是泡沫的表观速度;φ是孔隙度。方程 (2)表示泡沫的捕获是泡沫流变过程中的必然结果,因为在低于自身的屈服应力条件下泡沫被捕集而高于屈服应力条件下泡沫流动时的黏度由方程 (2)给出。对比方程 (1)和方程 (2)可以发现,K1与τγ范围有如下关系:

或者用其他的表述方式,K1与气泡密度n成线性关系,更重要的是τγ随着n值、泡沫膜的弹性系数E和表面张力σ的增大而线性增加。为了有效证明这一重要的性质,唯一需要认识的就是E与σ的值受表面活性剂的影响很大。表面活性剂能够使E和σ相互作用,通过施加外部张力实现相互作用,促成了性能可控的智能泡沫的形成。

9 结论

泡沫在多孔介质中的流态通过屈服应力表现出不同的性质,低于屈服应力泡沫被捕集不能流动,而高于屈服应力则呈现出幂律流体的特征。屈服应力值主要取决于泡沫的物理参数,如泡沫密度、泡沫膜的弹性以及表面张力,这些参数主要通过表面活性剂的仔细筛选来控制。不同泡沫具有不同的屈服应力,这使得泡沫作为一种智能流体显示出其在油田开发过程中的应用前景。

资料来源于《Business Briefing:Exploration&Production:The Oil&Gas Review》2005

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

2009-03-27)