Систематическое исследование взаимосвязи свойств объемной пены и пены в пористых средах.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8058 (2023) Цитировать эту статью

304 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Объемный анализ пены (статическое испытание) является простым и быстрым, что делает его экономически эффективным методом проверки и ранжирования сотен поверхностно-активных веществ, рассматриваемых для применения в пеноматериалах. Также можно использовать испытания керна (динамические испытания), но это достаточно трудоемко и затратно. Однако предыдущие отчеты показывают, что ранжирование на основе статических тестов иногда отличается от ранжирования на основе динамических тестов. На сегодняшний день причина такого несоответствия не совсем понятна. Некоторые считают, что это может быть связано с ошибочным планированием эксперимента, в то время как другие считают, что не существует расхождений, если для описания и сравнения результатов обоих методов используются правильные показатели эффективности пены. Впервые в данном исследовании сообщается о систематической серии статических испытаний, проведенных на различных пенообразующих растворах (с концентрацией ПАВ от 0,025 до 5 мас.%) и продублированных в динамических испытаниях с использованием одного и того же образца керна для всех растворов ПАВ. Динамическое испытание также было повторено на трех разных породах широкого диапазона проницаемости (26–5000 мД) для каждого из растворов ПАВ. В отличие от предыдущих исследований, здесь измерялись множественные динамические показатели пены (предельное капиллярное давление, кажущаяся вязкость, захваченная пена и соотношение захваченной и подвижной пены) и сравнивались с показателями эффективности, измеренными в результате статических испытаний (текстура пены и период полураспада пены). Динамические испытания полностью соответствовали статическим испытаниям для всех составов пенопласта. Однако было замечено, что размер пор базового фильтрующего диска, используемого в статическом анализаторе пены, может быть потенциальным источником противоречивых результатов при сравнении с динамическими испытаниями. Это связано с тем, что существует пороговый размер пор, выше которого некоторые свойства пены (кажущаяся вязкость и захваченная пена) значительно уменьшаются по сравнению со свойствами до этого порога. Пена, ограничивающая капиллярное давление, является единственным свойством пены, которое не демонстрирует такой тенденции. Также оказывается, что такой порог возникает выше определенной концентрации поверхностно-активного вещества (0,025 мас.%). По-видимому, становится обязательным, чтобы размер пор фильтрующего диска, используемого в статических испытаниях, и пористой среды, используемой в динамических испытаниях, находился по одну сторону от пороговой точки, иначе может возникнуть несоответствие их результатов. Также следует определить пороговую концентрацию ПАВ. Роль этих двух факторов (размера пор и концентрации ПАВ) требует дальнейшего изучения.

Пена имеет множество промышленных применений, включая пищевую, фармацевтическую, нефтегазовую промышленность и т. д. В нефтяной промышленности водная пена в основном используется для уменьшения подвижности газа во время проектов закачки газа и, следовательно, для улучшения нефтеотдачи. Кроме того, пена используется в целях геосеквестрации CO2 из-за ее высокой способности снижать относительную проницаемость газа и улавливать газ1. Водная пена образуется путем диспергирования газа в непрерывном растворе поверхностно-активного вещества. Граница раздела газ–жидкость стабилизируется при пенообразовании за счет агрегации поверхностно-активных веществ на границе раздела. На уровне пор образующаяся пена состоит из текущего газа и захваченного газа. Первый занимает большие поры с низким сопротивлением течению, а второй занимает поровое пространство от малого до среднего2. Пузырьки пены разделены сплошной пленкой жидкости, называемой ламелями, которая вызывает увеличение вязкой силы во время течения за счет создания высокого сопротивления потоку газа3.

Образующаяся пена должна быть прочной и стабильной для достижения намеченных результатов. Различные типы поверхностно-активных веществ и наночастиц могут придавать пене разную степень прочности и стабильности. По этой причине многие коммерческие растворы поверхностно-активных веществ и/или наночастиц необходимо проверять и ранжировать на предмет их пригодности для применения в конкретных пористых средах и условиях окружающей среды. Такой крупномасштабный скрининг можно проводить на объемной пене (статический анализ пены) или микропене, текущей в пористой среде (заводнение керна или динамический анализ пены). Заводнение керна является трудоемким и дорогостоящим процессом. С другой стороны, анализ объемной пены является простым и быстрым, что делает его экономически эффективным методом проверки десятков или сотен поверхностно-активных веществ, рассматриваемых для применения в пеноматериалах. Однако были некоторые сообщения об отсутствии связи между анализом статической пены и динамическим анализом пены4. Взаимосвязь между статической пеной и динамической пеной может быть двух типов. Первый – это сравнение рейтинга составов пенопластов (на основе некоторых определенных показателей) по результатам статических испытаний с рейтингом по результатам динамических испытаний. Второй представляет собой прямое сравнение характеристик пены (прочности и стабильности) данного состава пены, измеренных в ходе статических испытаний, с результатами измерений в ходе динамических испытаний. В обоих случаях должно быть сходство результатов, если используемая методология правильна и сравниваются правильные индексы. В случае ранжирования составов поверхностно-активных веществ Маннхардт и др.5 использовали различные экспериментальные методы (заводнение керна, объемная пена, наблюдения на микромоделях и межфазные параметры) для оценки и ранжирования характеристик шести различных составов пен. Они обнаружили, что каждый экспериментальный метод дает различный рейтинг эффективности для шести протестированных составов пены, что затрудняет проверку или выбор подходящего состава пены. О подобном неравенстве также сообщили Jones et al.6. Затем эти исследователи пришли к выводу, что оценка пен для полевых работ должна проводиться с использованием экспериментов по заводнению керна в пластовых условиях. Для прямого сравнения некоторые исследователи сообщили, что не было никакой корреляции между испытанием на стабильность пены, проведенным в статических испытаниях, и результатами, проведенными в динамических испытаниях7,8. С другой стороны, некоторые другие исследователи сообщили о хорошей корреляции между ними9,10,11,12,13,14. Причина такого неравенства не ясна. Некоторые авторы просто объясняют это тем, что поведение пены в пористой среде отличается от поведения пены в объемной форме. Разумеется, на течение пены в пористых средах влияет множество факторов, влияющих на поведение пены в пористых средах. К ним относятся концентрация поверхностно-активных веществ, скорость закачки, газовая фракция (качество пены), температура, соленость, наличие примесей (например, сырой нефти), механический сдвиг и растяжение при прохождении через поры и каналы, адсорбция на поверхности породы, а затем Конечно, свойства пористой среды. Различные поверхностно-активные вещества будут реагировать по-разному из-за этих факторов. Желаемое поверхностно-активное вещество должно иметь наименьшую склонность к адсорбции на поверхности камня, а также должно быть способно образовывать прочную и стабильную пену. Следовательно, адсорбция, прочность и стабильность являются основными критериями отбора и выбора поверхностно-активного вещества для любого проекта пенопласта. Анализ объемной пены может явно указать на стабильность пены посредством измерения «периода полураспада», тогда как прочность пены можно оценить на основе текстуры пузырьков, наблюдаемой с помощью микроскопических изображений объемной пены. Затем можно провести испытания на адсорбцию на образцах породы из интересующей породы-коллектора. Для справедливости при ранжировании среди многих поверхностно-активных веществ анализ объемной пены проводится для всех поверхностно-активных веществ при одной и той же жидкости и условиях эксперимента (температура, соленость рассола, концентрация поверхностно-активного вещества). Испытание Coreflood также может дать представление о прочности и стабильности пены, которые определяются по ее предельному капиллярному давлению, кажущейся вязкости и коэффициенту сопротивления. Аналогичным образом, для справедливости при ранжировании, испытания на заводнение керна должны проводиться в одном и том же типе породы для всех поверхностно-активных веществ и в одинаковых экспериментальных и флюидных условиях (соленость рассола, концентрация поверхностно-активного вещества, температура, давление, качество пены, скорость закачки и т. д.). Если после этого в рейтинге возникает несоответствие, то внимание может быть обращено на экспериментальные ошибки или на техническое определение того, что представляют собой показатели эффективности, используемые в обоих методах. Поэтому существует необходимость провести хорошо спланированное и систематическое исследование, чтобы выяснить, коррелируют ли результаты статических испытаний пены и динамических испытаний. Насколько известно авторам, в этом исследовании впервые сообщается о однозначном сравнении нескольких статических испытаний (из одного статического анализатора пены) и нескольких динамических испытаний (из одного и того же образца керна) для широкий диапазон составов/прочности пены и широкий диапазон основных свойств. Многие показатели эффективности также были получены в результате динамических испытаний и сравнены с показателями производительности объемных испытаний, а именно период полураспада, объем пены и текстура пузырьков. Кроме того, вместо того, чтобы исследовать различные типы поверхностно-активных веществ, здесь используется одно и то же поверхностно-активное вещество, но с различной концентрацией, поскольку разные концентрации поверхностно-активного вещества образуют пену разной прочности, текстуры и стабильности15.