泡沫性能综合评价实验设计

李宾飞， 黄梦梅， 李兆敏， 陈德春

(中国石油大学(华东) 石油工程学院， 山东 青岛 266580)

实验课程改革

泡沫性能综合评价实验设计

李宾飞， 黄梦梅， 李兆敏， 陈德春

(中国石油大学(华东) 石油工程学院， 山东 青岛 266580)

为了加深学生对泡沫基本性能的理解和提高学生的科研创新能力，结合石油工程专业特点，从教学科研相融合理念出发，设计了泡沫性能综合评价实验。该实验可以实现对泡沫起泡能力、稳定性、携砂(岩)能力、多孔介质中的封堵能力的性能评价，对于加深学生对课程基本概念和基本原理的理解，提高学生的科研创新和工程实践能力具有良好的促进作用。

石油工程； 评价实验； 性能参数

教学与科研相融合是高校近年来所倡导的一种学生培养形式，将教师的科研思想、科研条件和科研成果等融入到本科教学过程中，加强大学生创新能力与实践能力的培养，对于提高创新人才培养质量具有重要作用[1-4]。我校石油工程专业以油气井工程和油气田开发工程2个国家重点学科为依托，是国家级特色专业、山东省品牌专业，是国家第一批“卓越工程师教育培养计划”试点专业。主要培养能在石油工程领域从事工程设计、生产施工、科学研究与科技开发和生产管理工作的高级专门人才。泡沫理论与采油技术是将石油工程专业课与教师多年科研成果有机结合形成的一门课程，是石油工程专业课的深入与延伸，主要针对复杂油气开采中所面临的问题，系统讲授泡沫流体在石油工程领域应用的基本原理、设计计算方法、工艺技术和现场应用实例、新技术及发展方向。泡沫的相关特性是该课程的基础理论，是泡沫在石油工程领域应用的基础。本实验旨在帮助学生直观掌握泡沫基本性能、拓宽专业视野，培养学生创新意识和实践能力，引导学生进行科研探索。

1 泡沫性能表征参数

泡沫是由不溶性或微溶性的气体分散于液体中所形成的分散体系，具有密度低且可调、黏度高、携砂能力强、对高渗透地层和高含水地层具有选择性封堵作用等特性，在石油工程领域，广泛应用于钻完井、井筒作业、酸化压裂等增产措施、调剖堵水、提高采收率等方面，与之相关的泡沫性能主要包括起泡能力、稳定性、携砂(岩)能力、多孔介质中的封堵能力等[5-7]。

起泡能力是指起泡沫液生成泡沫的能力，一般用起泡体积进行表征[5,8]。

泡沫是热力学不稳定体系，稳定性是泡沫应用中的核心问题，一般用半衰期进行表征。半衰期包括析液半衰期和泡沫半衰期，析液半衰期是指从泡沫中排出一半的液体所需的时间，泡沫半衰期是指泡沫体积变为泡沫原始体积一半所需的时间。前者测量时间短、可重复性好，后者测量时间长且受环境温度、湿度、空气流动等因素影响大，可重复性较差[5,8]。

携砂(岩)能力是指泡沫携带砂或岩屑的能力，是泡沫冲砂、泡沫压裂以及泡沫钻井中的重要性能指标，一般通过砂粒或岩屑在泡沫中的沉降速度进行表征，能够反映泡沫的表观黏度[5,9]。

泡沫在多孔介质中的封堵能力是指泡沫在多孔介质中流动阻力的大小，是泡沫酸化、泡沫调剖堵水以及泡沫提高采收率中的重要性能指标，一般采用阻力因子和残余阻力因子进行表征[5,8]。

2 实验环节设计

泡沫性能综合评价实验包括起泡体积和析液半衰期测试、砂粒沉降速度测试、阻力因子和残余阻力因子测试3个实验。

2.1 起泡体积和析液半衰期测试

本实验中采用搅拌法测试起泡体积和析液半衰期[8]。搅拌法是采用高速搅拌机发泡并进行测试，实验用到的高速搅拌机如图1所示。该方法测定周期短、试剂用量少、操作简单、测定结果重复性好、可靠性高。具体实验步骤如下：

图1 高速搅拌机

(1) 起泡剂溶液准备：取蒸馏水或自来水100 mL，按照质量浓度0.5%的比例加入起泡剂(SDS或AES，不同组学生采用不同的起泡剂)，搅拌均匀使其充分溶解；

(2) 搅拌起泡：将100 mL起泡剂溶液倒入高速搅拌机的量杯中，以8 000 r/min的速度搅拌3 min；

(3) 起泡体积测试：将高速搅拌机量杯中形成的泡沫马上倒入500 mL量筒，记录泡沫体积V0，并开始计时，该体积即为起泡体积；

(4) 析液半衰期测试：观察量筒底部析出液体体积的变化，当析出液体体积达到50 mL时，停止计时，该时间即为泡沫的析液半衰期，用t0.5表示；

(5) 将实验数据记录到表格中，不同组学生实验结果进行对比，分析不同起泡剂的起泡能力和稳定性。

2.2 砂粒沉降速度测试

沉降速度测试主要用来表征泡沫的携砂(岩)能力，反映了泡沫的表观黏度大小，实验中采用油气增产压裂中常用的陶粒进行测试[5,9]。

(1) 起泡剂溶液准备：取蒸馏水或自来水100 mL，按照质量浓度0.5%的的比例加入起泡剂(SDS或AES)，搅拌均匀使其充分溶解；

(2) 陶粒准备：称取20～40目的陶粒5 g；

(3) 搅拌起泡：将100 mL起泡剂溶液倒入高速搅拌机的量杯中，以8 000 r/min的速度搅拌3 min；

(4) 沉降速度测试：将高速搅拌机量杯中的泡沫倒入500 mL量筒，将称取的5 g陶粒放在泡沫表面，同时开始计时，记录第一粒陶粒到达量筒底部的时间t。

(5) 测量5组，取其平均时间，计算沉降速度，沉降速度按照下式计算：

(1)

其中，ν为陶粒沉降速度，cm/s；H为压裂液在量筒中的高度，cm；t为陶粒在压裂液中的沉降时间，s。

2.3 阻力因子和残余阻力因子测试

阻力因子是相同流量条件下泡沫驱渗流阻力与水驱渗流阻力之比，表征泡沫封堵能力。泡沫封堵后，进行后续水驱一定体积后的渗流阻力与相同流量条件下水驱渗流阻力之比为残余阻力因子，表征泡沫的耐冲刷性[8,10-13]。在评价泡沫的阻力因子和残余阻力因子时采用岩心流动实验进行测试，实验流程如图2所示,实物连接如图3所示。

(1) 实验准备：配置质量浓度0.5%起泡剂溶液和模拟地层水，用石英砂填制岩心，按照图2所示的流程连接实验设备。

图2 岩心流动实验流程图

图3 岩心流动实验实物图

(2) 水驱压差及渗透率测定：打开平流泵，以流量Q将模拟地层水注入岩心管，待压力稳定后记录水驱压差P1，同时按照达西定律计算岩心渗透率K。

(3) 泡沫驱压差及阻力因子测定：打开气体质量流量计和平流泵，以总流量Q注入氮气和起泡剂溶液，待压力稳定后记录泡沫驱压差P2，按照下式计算泡沫阻力因子R。

(2)

(4) 残余阻力因子测定：停止注入泡沫，以流量Q注入模拟地层水进行后续水驱，注入一定体积后，记录后续水驱压差P3，按照下式计算残余阻力因子Rr。

(3)

3 实验结果分析

图4为起泡体积和析液半衰期测试中形成的泡沫，a为形成泡沫最初时刻的状态，泡沫底部无液体析出，b为达到析液半衰期时刻的状态，泡沫底部有50 mL液体析出，但泡沫总高度基本不变。图5为砂粒沉降速度测试，可以看出泡沫具有良好的携砂能力，部分砂粒悬浮在泡沫中。图6、图7为测试得到的不同起泡剂浓度条件下的起泡体积和析液半衰期变化曲线，可以看出，随着起泡剂浓度的增加起泡体积增加，析液半衰期延长，表明泡沫起泡能力和稳定性增加。表1为阻力因子和残余阻力因子测试结果，从实验结果可以看出，随着渗透率的增加，泡沫阻力因子增大，表明泡沫封堵性能随着渗透率的增大而增大。

图4 起泡体积和析液半衰期测试

图5 砂粒沉降速度测试

图6 起泡体积随起泡剂浓度变化

图7 析液半衰期随起泡剂浓度变化

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

4 实验拓展及创新实验

在上述实验基础上，可进一步拓展实验内容，结合大学生创新实验，让学生自主设计实验内容、总结实验规律、理论联系实际，熟悉泡沫性能及其在油气田开发中的应用。主要包括以下2个方面：

(1) 泡沫性能影响因素分析。通过测试不同条件下的泡沫性能，分析起泡剂类型、起泡剂浓度、矿化度、温度等因素对起泡能力和泡沫稳定性的影响；探究起泡剂类型、起泡剂浓度以及泡沫质量对携砂(岩)能力的影响；评价泡沫质量、液相黏度、岩心渗透率等对泡沫在多孔介质中的封堵能力的影响。

(2) 泡沫性能研究与应用。根据泡沫性能影响因素，分析影响泡沫性能的主要因素，研究提高泡沫性能的方法。结合石油工程领域的生产问题，掌握泡沫流体在石油工程中应用的基本原理，根据泡沫性能及其影响因素，完善和改进工艺技术，探索泡沫在油气开采中应用的新技术和新领域。

5 结语

泡沫流体在石油工程领域有着广泛的应用，为了能让学生深刻理解和掌握泡沫基本性能，设计了泡沫性能综合评价实验。通过起泡体积、析液半衰期、砂粒沉降速度、阻力因子和残余阻力因子测试，系统评价泡沫的起泡能力、稳定性、携砂(岩)能力以及多孔介质中的封堵能力，加深学生对课程中基本概念和基本原理的理解，加强对泡沫基本性能的掌握。在此基础上，结合大学生创新实验，鼓励学生自主设计并完成实验、分析泡沫性能影响因素、研究提高泡沫性能的方法、理论联系实际，完善和探索泡沫在油气开采中的应用。该实验系统目前已应用于课程教学和大学生创新实验，实践结果表明，通过该实验，激发了学生对泡沫性能及其应用研究的兴趣，锻炼了学生自主设计实验、分析和解决实验中问题的能力，提高了学生的科研创新和工程实践能力。在该实验的实施和支撑下，多名学生申请了大学生创新实验，并申请专利2项。

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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

国家科技重大专项(2016ZX05056-001)；中国石油大学(华东)教学改革重点项目(JY-A201603)

李宾飞(1978—)，男，河北唐县，博士，副教授，从事油气田开发的教学与研究工作.

E-mail：libinfei@upc.edu.cn