Стабильность пены и структура пены под высоким давлением для третичной добычи нефти..

Анализ пены под давлением до 35 Мпа (350 бар) новым измерительным прибором

Свойства пены, такие как стабильность, структура, вспениваемость и распределение пузырьков по размерам, зависят, среди прочего, от типа и фазового поведения и концентрации стабилизирующего поверхностно-активного вещества, от содержания соли, а также от добавок, таких как полимеры, и, наконец, от температуры. Когда пены используются в третичной нефтедобыче, возникает еще один фактор, который вряд ли играет роль в традиционных анализах пены: давление, преобладающее в пласте, которое приводит к совершенно другой пенообразующей способности и, прежде всего, стабильности по сравнению со стандартными условиями. Влияние этого особенно важного параметра до сих пор изучено лишь в ограниченной степени из-за отсутствия доступной технологии измерения.

Благодаря анализатору пены высокого давления - HPFA, недавно стал возможен анализ образования, стабильности и структуры жидкой пены при давлении до 35 Мпа (350 бар) и 120 °C за одно измерение. В этом исследовании мы представляем первые исследования пенообразования в зависимости от давления, проведенные с помощью этого прибора. Основное внимание уделяется измерениям высоты и структуры пены, а также зависимому от времени анализу относительной высоты пены и среднего размера пузырьков водных азотных пен. Измерения воспроизводимости дают хорошо согласованные результаты. Кроме того, было исследовано влияние типа газа для наиболее важных газов - азота (N₂) и диоксида углерода (CO₂) на поведение пены.

Чтобы использовать пену в третичной добыче нефти, дисперсия пузырьков газа в водном растворе поверхностно-активного вещества должна быть стабильной в течение более длительного периода времени и против экстремальных условий, присутствующих в залежи, таких как высокая соленость, температура и давление. Прежде чем можно будет исследовать многофазный поток в поровом пространстве, включая все взаимодействия с матрицей породы, необходимо знать поведение жидкой фазы (объемной пены). В зависимости от используемой системы поверхностно-активное вещество-газ играет роль давление, температура, различные добавки и взаимодействия с солями и сырой нефтью.

Поскольку предыдущие исследования структуры пены и стабильности пены могли быть выполнены только при атмосферном давлении, и поэтому влияние решающего параметра давления не могло быть определено, Анализатор пены высокого давления - HPFA был разработан как аппарат для научных исследований жидких пен при повышенных давлениях (p_max = 35 Мпа (350 бар) и температурах (T_max = 120 ° C).

Ядром прибора является смотровая ячейка с длинным отверстием под высоким давлением, в которой поступающий газ проходит через стеклянную фильтровальную пластину (фритту) или буровой керн в водный раствор поверхностно-активного вещества, указанный выше. Добавки и / или сырая нефть могут быть введены в водный раствор поверхностно-активного вещества или на пену с помощью подключенного мини-дозатора до или во время измерения (рисунок 1).

Рисунок 1 - Принципиальная схема HPFA. Подача газа, а также создание давления в камере высокого давления осуществляется дополнительным насосом (HP4790).

Постоянное определение высоты пены осуществляется оптически с помощью камеры с использованием метода проходящего света. Для определения распределения пузырьков по размерам. Специальное расположение двух призм применяется непосредственно к смотровому стеклу, так что структура пены может быть записана и оценена (рисунок 2, 3).

Рисунок 2 - Принципиальная схема измерения высоты структуры пены

Используя программное обеспечение ADVANCE, отдельные изображения высоты пены и структуры пены непрерывно записываются и оцениваются. Фактические размеры пузырьков определяются в режиме реального времени и отображаются в виде гистограммы для каждого записанного момента времени.

Рисунок 3 - Оценка двумерной структуры пены и распределения пузырьков по размерам в программе ADVANCE

Такие данные, как средний размер пузырьков и статистическое распределение пузырьков по размерам, также доступны для каждого времени измерения.

Исследованы стабильность и структура пен из водного раствора анионного ПАВ. Образцы поверхностно-активного вещества вспенивали с объемным потоком газа 50 мл / мин и объемом газа 100 мл через фритту с пористостью G2 (размер пор от 16 до 40 мкм). В качестве газов использовались азот (N₂) и диоксид углерода (CO₂) при температуре 45 °C и различных давлениях от атмосферного до 15 МПа. Изменение высоты пены и ее структуры, особенно среднего размера пузырьков, анализировали после вспенивания в течение периода до 18 часов.

Таблица 1 – Условия эксперимента

Стабильность пены в зависимости от давления

При рассмотрении стабильности пены водной пены N₂, стабилизированной анионным поверхностно-активным веществом, можно видеть, что стабильность возрастает с увеличением давления, причем наиболее значительное увеличение стабильности наблюдается в диапазоне низких давлений (рисунок 4). За период наблюдения 18 часов полного разложения при повышенных давлениях не произошло, так что можно говорить об исключительно стабильных пенах.

Что касается среднего размера пузырьков, наибольшие различия также могут быть обнаружены при низких давлениях. Например, начальный средний размер пузырьков пены, полученной при атмосферном давлении, значительно отличается от начальных средних размеров пузырьков при более высоких давлениях от 5 до 15 МПа.

Средний размер пузырьков увеличивается со временем при всех давлениях; этот эффект уменьшается с ростом давления и практически незаметен при 15 МПа. Здесь размер пузырьков очень постоянный, что также свидетельствует о высокой стабильности пены.

Плотность и вязкость дисперсной (газовой) фазы и окружающей (жидкой) фазы играют роль в стабильности пены. С повышением давления увеличивается как плотность, так и вязкость азота и водной фазы, в результате чего пена стабилизируется при повышении давления. Подвижность молекул поверхностно-активного вещества увеличивается с увеличением давления, так что конвекция Марангони, которая заставляет жидкость течь из областей с более низким поверхностным натяжением в области с более высоким поверхностным натяжением, ускоряется при повышенных давлениях. Это стабилизирует ламели из пенопласта. Возможный дестабилизирующий эффект, а именно повышение растворимости газа с повышением давления, очевидно, играет второстепенную роль в пенах, образованных с использованием азота.

Рисунок 4 - Зависимая от времени относительная высота пены (a) и средний размер пузырьков (b) при различных давлениях (N2)

Стабильность пены и развитие среднего размера пузырьков в течение срока службы пены зависят от различных физических параметров, некоторые из которых сильно зависят от давления. К ним относятся, в частности, межфазное натяжение между двумя фазами, присутствующими в пене, плотность и вязкость, которые меняются со временем из-за переноса материала, и соответствующая взаимная растворимость. Из-за принципиально различных свойств вещества СО₂ по сравнению с N₂ во всем диапазоне давлений до 35 МПа картина для пен, образованных с использованием СО₂, совершенно иная, чем для пен N₂. На рис. 5 показано сравнение между пеной, образованной с использованием N₂, и пеной, образованной с использованием CO₂, при давлении 5 МПа каждая. Остальные условия испытаний, такие как объем газа, тип и концентрация поверхностно-активного вещества, идентичны (таблица 1).

Относительная высота пены CO₂ уменьшается значительно быстрее, чем у пены N₂, и уже через 2 часа составляет менее 10% (рисунок 5a). Пена CO₂ распадается быстрее и поэтому более нестабильна, чем пена N₂.

Начальный средний размер пузырьков сопоставим и поэтому зависит только от давления, а не от газа. Средний размер пузырьков пены CO₂ увеличивается со временем значительно быстрее, чем размер пузырьков вспененных N₂ образцов (рисунок 5b).

Период полувыведения составляет примерно 12 часов при использовании N₂ и всего около 50 минут при использовании CO₂.

Решающим фактором для этого может быть возрастающая взаимная растворимость СО₂ и водного раствора ПАВ, особенно при увеличении давления. В частности, повышенный перенос СО₂ через ламели пены приводит к более быстрому увеличению среднего размера пузырьков (созревание Оствальда) и, таким образом, к снижению стабильности пены.

Рисунок 5 - Относительная высота пены (a) и средний размер пузырьков (b) как функция времени (N₂ и CO₂)

Поскольку пена - очень сложная система, воспроизводимость является серьезной проблемой. Расхождение между измерениями в одних и тех же условиях испытаний увеличивается с увеличением продолжительности измерения.

На рисунке 6 показаны два измерения в идентичных условиях при давлении 15 МПа. Результаты легко воспроизводимы. Отклонение двух измерений через 18 часов составляет 9% для относительной высоты пены и 1% для пузырьков среднего размера.

Рисунок 6 - Повторные оценки относительной высоты пены (a) и среднего размера пузырьков (b) как функции времени (N₂)

Первые исследования водных пен при высоких давлениях с помощью анализатора пены высокого давления (HPFA) показывают значительное влияние повышения давления на свойства пены. Относительная высота пены и средний размер пузырьков водных пен N₂, стабилизированных поверхностно-активными веществами, значительно более постоянны при высоких давлениях, чем при более низких давлениях.

Сравнение пен, образованных с использованием N₂ и CO₂, показывает влияние типа газа и связанных с ним свойств материала, зависящих от давления, на параметры пены. Пены CO₂ значительно более нестабильны, чем пены N₂, что можно объяснить взаимной растворимостью CO₂ и образца.

Посредством примерных повторных измерений может быть продемонстрирована хорошая воспроизводимость анализа высоты пены и превосходная повторяемость среднего диаметра пузырька.

Новый метод измерения и сильное влияние давления на поведение пены, показанное с его помощью, открывает целую область многообещающих исследовательских работ, с помощью которых можно оптимизировать использование пены в третичной добыче нефти.