多孔介质内泡沫稳定性定量评价实验

2022-09-29董文钢杨胜来金蕾高雨萌王巧灵肖劲松

科学技术与工程 2022年22期

董文钢，杨胜来，金蕾，高雨萌，王巧灵，肖劲松

(中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249)

泡沫驱是一项关键的三次采油技术，作为泡沫驱核心的泡沫流体具有柔性可调[1]、孔隙自适应[2-3]、孔隙介质内可发泡等性能[4-5]，为了充分发挥泡沫驱提高原油采收率的优势，研究真实储层条件下泡沫流体的性能至关重要。而稳定性作为泡沫性能评价的关键指标之一，是决定泡沫驱油效率的关键因素[6]。前人对泡沫稳定性的评价已进行过大量研究，石油天然气行业标准(SY/T 7494—2020)[7]通过传统的Waring Blender法[8]获得泡沫析液半衰期并对其进行了描述。另外，传统方法还包括Ross-Miles法[9]和气流法[10]等。为了弥补传统方法只能在常压条件下进行评价的不足，王健等[11]、赵云海等[12]和毕卫宇等[13]利用泡沫仪开展了高温高压条件下泡沫稳定性定量评价实验，研究发现高温会降低泡沫半衰期，高压更有利于稳泡。利用泡沫仪虽然可以模拟真实油藏下的温压环境，但限于评价手段，实验均是在无多孔介质条件下进行的，不满足油藏的多孔介质条件。盛强等[14]和何金钢等[15]在研究中明确指出多孔介质会对泡沫产生冲压、挤压、摩擦等作用进而影响泡沫稳定性，同样限于评价手段，他们对多孔介质中的泡沫稳定性只进行了定性评价。邹积瑞等[16]考虑了孔隙条件，根据气相和液相电导率不同，采用电导率法评价了常温常压下多孔介质中泡沫稳定性。刘双星等[17]和邹高峰等[18]利用光学显微镜研究了粒径对泡沫性能影响的变化规律，认为组成相同的泡沫体系，粒径越小、均匀程度越高，体系中的气泡更不易发生破裂、消失聚并。综上所述，前人在定量评价泡沫稳定性时，其实验并没有同时满足高温、高压、多孔介质三种条件，或只是对泡沫稳定性进行了定性评价。对此，亟待一种高温高压条件下定量评价多孔介质内泡沫稳定性的实验方法。

潘功配等[19]指出泡沫由于其特殊的组分和结构，对激光具有一定的衰减作用。泡沫生成后开始析液，粒径增大，衰减作用减弱，穿过泡沫的激光透射光强度增强，据此可利用激光在泡沫中的透射性能差异实时揭示泡沫衰变后的析液特征。激光法的优势是根据穿过泡沫的透射光强度来评价泡沫稳定性，该方法避免了常规方法在多孔介质中难以计量析液体积的问题，可以用于定量评价多孔介质中泡沫的稳定性。

因此，现通过实验前开展激光探测泡沫稳定性标定实验，将无多孔介质条件下的激光探测曲线转化到多孔介质条件下，再结合无多孔介质中泡沫稳定性的研究成果，对多孔介质条件下不同温度、压力的泡沫稳定性进行定量评价及分析。此外，同时开展多孔介质内泡沫粒径微观可视化实验，揭示温度、压力对多孔介质中泡沫稳定性的影响机理，验证激光法评价结果的有效性，以期为真实地层中泡沫的有效稳泡时间及其影响机理问题提供研究思路和方法。

1 基本原理

1.1 激光法评价原理

根据光学传播理论，激光传播至球面或曲面时会使激光能量发生衰减，原因是激光穿过泡沫时会发生反射、散射、吸收、透射、衍射及干涉等现象，但通常泡沫尺寸会比激光波长大得多，可以忽略衍射和干涉现象[20]。因此，激光穿过泡沫时，能量主要分为两部分：一部分能量由于反射、散射和吸收作用被损耗掉；另一部分能量为激光穿过泡沫后所剩余的能量，称为透射光强度。泡沫体系生成后开始析液，粒径增大，液膜破裂，总液膜层数减少，泡沫对激光的衰减效果减弱，激光透过泡沫后的剩余能量增大[21]，即泡沫析液与激光透射剩余能量之间存在着实时的动态联系，因此可根据激光透射后剩余能量的动态变化对泡沫的析液情况进行实时分析，从而达到定量评价泡沫稳定性的目的。

1.2 激光透射剩余能量表征

泡沫衰变过程中，析液、消泡及聚并等现象会导致泡沫的尺寸、液膜厚度等参数发生改变，这些参数改变会直接影响到激光穿过泡沫后所剩余能量的大小。因此，为综合表征激光穿过泡沫后剩余能量的相对大小，定义激光透射率为激光透过泡沫后的透射光强度与其在空气中测试时的接收光强度之比,如式(1)所示。根据激光透射率值的动态变化可实时分析泡沫衰变过程中的析液特征。

(1)

式(1)中：τ为激光透射率，%；IR为激光透过泡沫后的透射光强度，mW；IR空为激光在空气中测试时的接收光强度，mW。

2 实验部分

2.1 实验系统

多孔介质内泡沫稳定性定量评价实验系统(图1)包括4个子系统：①泡沫流体注入系统，通过ISCO恒速恒压泵将泡沫剂溶液和空气按一定比例注入泡沫发生器中发泡，再经泡沫发生器将泡沫同时注入自制高温高压可视管和微观模型中；②多孔介质泡沫激光探测系统，向高温高压可视管(耐压30 MPa、耐温140 ℃)中充填120 目玻璃珠，达到模拟多孔介质的效果。实验期间，全程开启PSU-H-LED大型激光发射器，发射激光(发射功率：8.5 W，波长：1.55 μm)对可视管中的泡沫进行探测，通过LP-3B激光功率计实时采集透过泡沫的透射光强度；③泡沫粒径微观可视系统，泡沫注入微观模型后，利用高分辨率显微镜摄像机(VHX-7000，基恩士，中国)全程录像记录不同时刻的泡沫粒径；④数据采集处理系统，利用计算机采集不同时刻的透射光强度及泡沫粒径大小，并对数据进行处理分析。

图1 多孔介质内泡沫稳定性定量评价实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental system for quantitative evaluation of foam stability in porous media

2.2 实验材料

起泡剂、稳泡剂、模拟地层水、空气(纯度：99.9%)、120 目玻璃珠。

2.3 实验方法

2.3.1 无多孔介质泡沫稳定性激光探测标定实验

无多孔介质、常温常压下，泡沫稳定性激光探测标定实验。实验步骤为：①按配方配置模拟地层水，配置完成后进行过滤处理；②配置泡沫剂溶液。利用3 mL吸管吸取1.14 mL起泡剂原液，用精密天平称取0.17 g稳泡剂粉末，加入100 mL模拟地层水中。设定高速搅拌器转速为1 500 r/min，搅拌10 min，使泡沫剂溶液混合均匀；③将泡沫剂溶液与空气的量按1∶3注入泡沫发生器中发泡；④泡沫稳定性激光探测标定实验。自下而上向可视管(无玻璃微珠充填)中注入10 mL泡沫。实验期间，全程开启激光发射器，记录不同时刻的透射光强度及析出液体积。可视管中泡沫析出1.75 mL泡沫液的时间为析液半衰期，该时间对应的透射光强度计算出的透射率值即为激光探测标定值。重复实验3次，取标定平均值，实验参数如表1所示。

2.3.2 多孔介质泡沫稳定性激光探测评价实验

多孔介质、高温高压下，泡沫稳定性激光探测评价实验。实验步骤为：①多孔介质模型制备，向可视管中自下而上充填120 目玻璃珠，注意充填玻璃珠时应预留出可视管顶部的激光探测区；②泡沫制备及注入过程同前；③在同一温度、不同压力下，分别开展无多孔介质和多孔介质(充填120 目玻璃珠)两组平行实验以评价压力、多孔介质对泡沫稳定性的影响；④在同一压力、不同温度下，分别开展无多孔介质和多孔介质(充填120 目玻璃珠)两组平行实验以评价温度、多孔介质对泡沫稳定性的影响；⑤实验过程中将激光发射器固定在可视管探测区中央位置，通过激光功率计实时接收透射光强度至透射光强度基本不变；⑥每次实验结束后，将可视管温度、压力降至常温常压，排出其中流体及玻璃珠，清洗干净后进行烘干，再按上述实验步骤进行其余各组实验，实验参数如表1所示。

表1 实验条件参数

2.3.3 多孔介质内泡沫粒径微观可视实验

多孔介质、不同温度、压力下泡沫粒径微观可视实验。实验步骤为：①将微观模型、夹持器及管线清洗干净并烘干；②安装好微观模型，进行气密性测试；③设置好微观模型温度压力，实验参数如表1所示；④将泡沫发生器产生的泡沫注入微观模型中，关闭模型入口及出口端阀门，利用高分辨率显微镜摄像机监测并统计120 min后微观模型中的泡沫粒径大小及其分布；⑤实验期间，全程录像监测微观模型中泡沫的粒径变化。

3 实验结果及分析

3.1 无多孔介质泡沫稳定性激光标定

泡沫析液过程中，析液速率随时间出现先增大后减小的趋势。该泡沫体系由于添加了稳泡剂，析液过程中泡沫总高度变化不大，由泡沫质量定义可知，平均泡沫质量与析液体积变化趋势类似，又泡沫粒径随泡沫质量增加而增大，则泡沫粒径增大速率也是先增加后减小。激光穿过泡沫时，泡沫粒径越大，对激光的衰减效果越弱，激光透射率越高，反之。因此激光透射率曲线也呈S形，即透射率值的增长速率也是先增大后减小。

从标定结果(表2及图2)知，第一次析液半衰期为147 min左右，对应的透射光强和透射率分别为355.6 mW、45.63%；第二次析液半衰期为133 min左右，对应的透射光强和透射率分别为329.3 mW、42.26%；第三次析液半衰期为137.5 min左右，对应的透射光强和透射率分别为379.8 mW、48.74%。3次标定实验的平均析液半衰期、透射光强度、透射率分别为139.2 min、354.9 mW、45.54%。标定实验3次透射率结果偏差均在10%以内，认为该标定结果可靠。即在发射功率为8.5 W的激光探测下，45.54%可作为该泡沫体系在常温常压下析液半衰期对应的透射率标定值，后续实验将激光透射率为45.54%时对应的时间定为激光法析液半衰期。

表2 25 ℃、0.1 MPa条件下激光探测标定实验结果

3.2 多孔介质内泡沫稳定性激光探测

3.2.1 压力

压力对泡沫稳定性的影响,如表3及图3所示。随压力升高，无多孔介质与多孔介质中的泡沫析液半衰期均增大。压力小于15 MPa时，泡沫析液半衰期随压力升高增长较为明显；压力大于15 MPa后，析液半衰期随压力升高增长幅度不大。原因一是该泡沫体系主要发生排液衰变，压力升高导致泡沫粒径变小，液膜变薄，排液速度降低，泡沫稳定性提高[22]。原因二是压力升高，气体和液体间密度差降低，同时吸附在气液界面上的气体和表活剂增加，二者共同作用使溶液表面张力降低，泡沫稳定性提高[23]。

图2 25 ℃、0.1 MPa条件下激光探测标定曲线Fig.2 Laser detection calibration curve at 25 ℃, 0.1 MPa

表3 40 ℃、不同压力下泡沫析液半衰期评价结果

图3 40 ℃、不同压力下激光探测及析液半衰期对比曲线Fig.3 The curve of laser detection and comparison of half-life of foam lysate under different pressures at 40 ℃

3.2.2 温度

由前面分析可知，压力大于15 MPa后，泡沫稳定性提高的幅度变化不大，因此将15 MPa定为温度影响实验中的系统压力。温度对泡沫稳定性的影响，如表4和图4所示，可知无多孔介质与多孔介质中的泡沫稳定性均随温度升高而下降。温度低于70 ℃时，泡沫析液半衰期随温度升高急剧降低；温度高于70 ℃后，析液半衰期随温度升高下降变得缓慢。这是由于温度升高，泡沫液膜上的水分子运动速度加快，蒸发加快。同时高温会导致表活剂活性降低，降低界面张力作用减弱，泡沫稳定性降低。

表4 15 MPa, 不同温度下泡沫析液半衰期评价结果

图4 15 MPa、不同温度下激光探测及析液半衰期对比曲线Fig.4 The curve of laser detection and comparison of half-life of foam lysate under different temperatures at 15 MPa

3.2.3 多孔介质

由泡沫析液半衰期对比结果[图3(c)和图4(c)]可知，相同条件下，多孔介质中泡沫的稳定性整体优于无多孔介质中。原因是多孔介质中的孔隙喉道对泡沫具有挤压、剪切等作用[23]，较无多孔介质，多孔介质中泡沫粒径更小，因此稳定性更好。

随压力增加，两种条件下泡沫析液半衰期均升高。压力介于0.1～10 MPa，多孔介质对析液半衰期的增幅达到了69.86%～78.02%，平均增幅为73.68%；压力介于15～20 MPa，多孔介质对析液半衰期的增幅达到了95.58%～103.55%，平均增幅为99.57%，即压力越大，多孔介质对泡沫稳定性提高的幅度越大。原因是经120 目玻璃珠充填形成的多孔介质为高孔高渗型，压力继续增加，孔隙连通性基本不发生变化，但孔隙水力半径会减小[24]，而渗透率主要是由孔隙水力半径控制，导致多孔介质渗透率降低，其中的平均泡沫粒径变小[15]，使得泡沫稳定性能得到进一步地提高，即多孔介质在高压条件下更有利于稳泡。

随温度上升，两种条件下泡沫析液半衰期均下降。温度介于25～40 ℃，多孔介质对泡沫稳定性的增幅几乎达到了100%；但当温度为85 ℃时，多孔介质对泡沫稳定性提高的幅度仅为12.86%，多孔介质对泡沫稳定性提高的幅度随温度上升逐渐降低。原因是多孔介质中的颗粒为固态，分子间距小，具有良好的导热性，较纯泡沫态，单位时间内辐射出的热量更多，这会进一步地加剧泡沫液膜蒸发及表活剂失效。导致升高同样温度，多孔介质中泡沫的稳定性下降幅度更大，但整体仍高于无多孔介质下泡沫的稳定性，即多孔介质中泡沫的稳定性对温度更为敏感。

3.3 泡沫粒径微观可视结果

当统计区内泡沫数量超过120个时，泡沫粒径变异系数才会趋向一个稳定值，统计结果才具有代表性[15]。因此，本实验中统计的泡沫数量定为150个。

由不同温度、压力下泡沫粒径结果(表5和图5)可见，粒径小于100 μm的泡沫百分含量随压力增加而增加，随温度增加而减小；粒径介于100～150 μm的泡沫百分含量随压力、温度增加均表现出先增加后减小；粒径介于150～200 μm的泡沫百分含量随压力增大而减小，随温度升高先增加后减小；粒径大于200 μm的泡沫百分含量随压力增大而减小，随温度升高而增大。

平均泡沫粒径随压力增大逐渐减小，压力大于3 MPa后，泡沫粒径减小变缓。原因是压力增大，表活剂分子在泡沫液膜上分布得更加密集，加强了空气与表活剂疏水链分子间的作用力，使液膜排液速度减慢，导致平均泡沫粒径减小，泡沫稳定性增强；平均泡沫粒径随温度升高逐渐增大，温度高于70 ℃后，泡沫粒径增大放缓。原因是温度升高，气泡膨胀速率加快，泡沫液膜排液速度加快，液膜变薄，泡沫液黏度降低，气泡扩张阻力减小，平均泡沫粒径增大，泡沫稳定性降低。综上，泡沫粒径微观可视化结果与激光探测评价实验结果总体上具有一致性，认为激光方法评价结果具有有效性。