泡沫體系多流態(tài)滲流特征試驗

郭蘭磊

（中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營 257015）

泡沫體系多流態(tài)滲流特征試驗

郭蘭磊

（中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營 257015）

為研究低張力泡沫體系多流態(tài)滲流特征，采用泡沫驅(qū)替試驗分析泡沫滲流的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)變化特點、泡沫體系流動過程中的高、低干度流態(tài)區(qū)特征以及兩種流態(tài)的轉(zhuǎn)化條件。結(jié)果表明:泡沫在巖心內(nèi)是逐漸形成的，當(dāng)泡沫達到穩(wěn)態(tài)后呈活塞式驅(qū)替;泡沫滲流具有多流態(tài)特征，在高干度流態(tài)區(qū)，壓力梯度隨液相速度增加而增加，壓力梯度的對數(shù)值與液相速度呈較好的線性關(guān)系，而與氣相速度關(guān)系不大;在低干度流態(tài)區(qū)，壓力梯度隨氣相速度增加而增加，壓力梯度的對數(shù)值與氣相速度呈一定的線性關(guān)系，而與液相速度關(guān)系不大。

泡沫體系;高干度流態(tài);低干度流態(tài);滲流特征;物理模擬

由于泡沫所具有的獨特性質(zhì)，泡沫驅(qū)油技術(shù)能夠大幅度提高原油采收率，因而逐漸發(fā)展成為一種應(yīng)用于高含水油田的有效三次采油技術(shù)［1-5］。然而，泡沫體系在多孔介質(zhì)中的滲流機制十分復(fù)雜，準(zhǔn)確合理地認(rèn)識和描述其滲流特征有助于提高泡沫驅(qū)油技術(shù)的礦場適應(yīng)性。關(guān)于泡沫體系在多孔介質(zhì)中流態(tài)方面的研究，Osterloh和Jante［6］通過試驗首次提出了泡沫的流動包括高干度和低干度兩種流態(tài)，并以氣體流動分?jǐn)?shù)，即泡沫體系中氣體流速與總流速的比值界定兩種流態(tài)的轉(zhuǎn)化條件。不同流態(tài)下泡沫體系滲流特征不同，流動表征模型也有所不同。低界面張力驅(qū)油用泡沫劑兼具可形成超低界面張力和高發(fā)泡能力的優(yōu)勢，有較好的應(yīng)用前景［7］。筆者以低張力泡沫體系為例，開展泡沫多流態(tài)滲流特征研究，在討論泡沫體系封堵壓力與氣/液滲流速度關(guān)系的基礎(chǔ)上，研究泡沫體系流動的高、低干度流態(tài)區(qū)特征以及兩種流態(tài)的轉(zhuǎn)化條件。

1 試驗方法

試驗采用的是美國TEMECO公司生產(chǎn)的泡沫驅(qū)替試驗系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)控溫精度為±0.5℃、氣體質(zhì)量流量控制器的控制流量為0～30 mL、回壓閥控壓為0～10 MPa、回壓閥的控壓精度為0.01 MPa、數(shù)字壓力表的精度為0.01 MPa。

模擬用水為自來水;泡沫劑為低張力泡沫劑LD-1，pH值為7～8，密度為1.00～1.01 g/cm3，有效含量為36%;注入氣體為氮氣，純度為99.9%。物理模型為填砂管，管長為30 cm，內(nèi)徑為2.5 cm。巖心入口端、距巖心入口端10 cm、20 cm處以及出口端共有4個測壓點，依次為測壓點1、2、3、4?？梢杂涗洸煌瑫r間、不同位置處巖心壓力變化。通過回壓閥調(diào)整巖心出口端壓力，試驗溫度為60℃。

圖1 泡沫體系多流態(tài)滲流特征試驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system formultiple flow regim e characteristics of foam system

泡沫多流態(tài)滲流特征試驗設(shè)計重點是氣、液流體的注入速度?；谂菽w系高、低干度兩種流態(tài)過渡區(qū)的氣體流動分?jǐn)?shù)f*g在0.9附近的認(rèn)識［8］，設(shè)計了10組試驗，各試驗的氣、液流體注入速度及滲流速度見表1。具體試驗步驟如下:

表1 泡沫多流態(tài)特征試驗參數(shù)Table 1 Experimental parameters ofmultiple flow regim e characteristics of foam system

（1）將巖心驅(qū)替試驗系統(tǒng)連接、安裝、調(diào)試，如圖2所示。將人工敲制的石英砂模型接入系統(tǒng)，飽和水并除盡巖心內(nèi)的空氣，然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的表面活性劑溶液驅(qū)替巖心。

（2）調(diào)節(jié)回壓閥壓力至5 MPa，然后同時注入表面活性劑溶液和氮氣，根據(jù)表1調(diào)節(jié)氣、液流體注入速度，記錄巖心兩端和各測壓點壓力。

（3）當(dāng)巖心各測壓點壓力穩(wěn)定后，關(guān)閉注入泵，釋放回壓。

（4）更換石英砂模型，重復(fù)步驟（1）～（3）。

圖2 泡沫體系多流態(tài)滲流試驗流程Fig.2 Experimental procedures ofm ultip le flow regime characteristics of foam system

2 泡沫滲流瞬態(tài)變化特征

泡沫在瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)下的滲流特征不同。所謂瞬態(tài)滲流，就是泡沫在巖心內(nèi)逐漸生成的過程，其生成速度大于破滅速度，巖心各測壓點壓力隨著注入倍數(shù)的增加而逐漸上升。泡沫體系流動過程中，泡沫由瞬態(tài)逐漸過渡到穩(wěn)態(tài)。

2.1 壓力變化特征

不同注入速度下，壓力隨注入量變化規(guī)律類似。以試驗7（液體滲流速度vw=0.088 m/d，氣體滲流速度vg=0.909m/d）為例進行試驗數(shù)據(jù)分析，圖3為該試驗中巖心各測壓點壓力與注入量的關(guān)系曲線。

圖3 巖心各測壓點壓力隨注入體積變化Fig.3 Variation of pressurewith injection volume at differentmeasurement points of core

從圖3中可以看出:當(dāng)起泡劑與氮氣同時注入后，巖心入口壓力（測壓點1）迅速上升，說明泡沫生成速度較快，且穩(wěn)定性較好;當(dāng)注入量大于3.0Vp（Vp為孔隙體積）后，各測點壓力基本保持不變，巖心中泡沫體系達到穩(wěn)態(tài)。

2.2 壓力梯度變化特征

圖4為不同注入體積下巖心不同位置處的壓差分布（圖4中無因次距離xD為距巖心入口段的長度x與巖心總長度L之比）。可以看出:

（1）隨著注入孔隙體積倍數(shù)的增加，巖心不同位置處壓差逐漸上升，當(dāng)注入體積等于3.0Vp時，巖心壓差基本不變，此時泡沫在巖心內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)。

（2）相對于巖心后段（B段和C段），巖心入口端（A段）壓力梯度較小，說明泡沫在巖心內(nèi)是逐漸形成的，入口端泡沫數(shù)目較少，阻力系數(shù)較小。

（3）泡沫在巖心內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)后，巖心后段（B段和C段）壓力梯度相等，泡沫在巖心內(nèi)呈活塞式驅(qū)替。

圖4 巖心各測壓點壓差分布Fig.4 Distribution of pressure difference at d ifferentmeasurement points of core

3 泡沫滲流穩(wěn)態(tài)變化特征

泡沫穩(wěn)態(tài)滲流是指泡沫在巖心內(nèi)滲流時穩(wěn)定存在，其生成速度等于破滅速度，此時巖心各測壓點壓力保持不變。

圖5為不同試驗條件下泡沫達到穩(wěn)態(tài)時測試的壓力梯度分布及通過插值繪制的壓力梯度等值線。圖5中圓點附近標(biāo)示的數(shù)值為該試驗點測得的巖心兩端壓力穩(wěn)定后的壓力梯度值，單位為兆帕每米。可以看出，考慮氣液流速比的不同，根據(jù)低張力泡沫驅(qū)壓力梯度分布可以劃分為兩種流態(tài)，左側(cè)區(qū)域氣液比較高，泡沫干度較高，為高干度流態(tài)區(qū)。在該區(qū)壓力梯度僅與液相流速有關(guān)，液相流速越大，壓力梯度越大，與氣相流速關(guān)系不大。圖5中右側(cè)區(qū)域氣液比較低，泡沫干度相對較低，為低干度流態(tài)區(qū)。在該區(qū)壓力梯度僅與氣相流速有關(guān)，氣相流速越大，壓力梯度越大，與液相流速關(guān)系不大。高、低干度流態(tài)區(qū)以臨界泡沫干度f*g=0.84為界。

圖5 壓力梯度等值線分布Fig.5 Distribution map of contour lines of pressure gradient

選取vg=0.911 m/d時的數(shù)據(jù)點，繪制高干度流態(tài)區(qū)壓力梯度隨液相速度變化曲線，同時選取vw=0.147 m/d時的數(shù)據(jù)點，繪制低干度流態(tài)區(qū)壓力梯度隨氣相速度變化曲線（圖6）?？梢钥闯觯诟吒啥攘鲬B(tài)區(qū)，壓力梯度的對數(shù)值與液相流速呈較好的線性關(guān)系，而在低干度流態(tài)區(qū)，壓力梯度的對數(shù)值與氣相流速呈一定的線性關(guān)系。

圖6 壓力梯度隨液相、氣相速度變化曲線Fig.6 Variation of p ressure gradient w ith liquid and gas flow rate

國外學(xué)者在研究泡沫驅(qū)滲流時同樣發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象［9-10］，Osterloh和Jante［6］提出了泡沫驅(qū)滲流的多流態(tài)特征，他們通過試驗得到壓降等值線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣體流動分?jǐn)?shù)f*

g大于0.94時，存在一個高干度流態(tài)，在這種狀態(tài)下壓降與氣相流速無關(guān)，但是與液相流速的0.33次方成比例;當(dāng)氣體流動分?jǐn)?shù)f*g小于0.94時，存在一個低干度流態(tài)，在這種狀態(tài)下壓降與液相流速無關(guān)，但是與氣相流速的0.31次方成比例。

在高干度流態(tài)區(qū)，泡沫的存在符合臨界毛管力模型，壓差主要取決于泡沫穩(wěn)定性能;而在低干度流態(tài)區(qū)，氣泡尺寸均勻，泡沫尺寸較小且較穩(wěn)定，壓差主要取決于多孔介質(zhì)的性質(zhì)。高、低干度兩種流態(tài)過渡區(qū)對應(yīng)的臨界泡沫干度f*g值的影響因素較多，主要包括表面活性劑性質(zhì)和濃度、巖石滲透率等參數(shù)。

Chalbaud等［8］通過試驗驗證了泡沫驅(qū)高低干度流態(tài)分布情況，其試驗條件與本文試驗接近。所用巖心為貝雷砂巖，巖心長度為30.48 cm，內(nèi)徑為3.81 cm，孔隙度為23%，滲透率為0.215μm2。泡沫劑類型為AOS，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，試驗溫度為90℃，回壓設(shè)置為5.5 MPa。壓力梯度對比如圖7所示。圖7中等值線為文獻數(shù)據(jù)，圓點數(shù)值為本次研究在相應(yīng)條件下的壓力梯度值，單位為兆帕每米?？梢钥闯?，在相同滲流速度條件下，本試驗壓力梯度比文獻中的試驗值稍低，但文獻中巖心滲透率0.215μm2低于本試驗的1.0μm2，反映出試驗所采用的起泡劑性能與文獻中所用起泡劑相近。從壓力梯度分布來看，高低干度區(qū)壓力梯度隨氣、液速度變化規(guī)律類似，而文獻中高低干度區(qū)分界點泡沫干度高于本試驗的0.84。

圖7 多流態(tài)特征試驗結(jié)果對比Fig.7 Comparison of experimental results ofmultip le flow regime characteristics

4 結(jié)論

（1）試驗驗證了低張力泡沫體系滲流具有的多流態(tài)特征。根據(jù)泡沫干度的不同，該體系滲流可劃分為高干度流態(tài)區(qū)和低干度流態(tài)區(qū)，兩流態(tài)區(qū)以泡沫干度fg

*=0.84為界。（2）泡沫在巖心內(nèi)是逐漸形成的，入口端泡沫數(shù)目較少，阻力系數(shù)較低。當(dāng)泡沫在巖心內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)后呈活塞式驅(qū)替。

（3）在高干度流態(tài)區(qū)，壓力梯度隨液相速度增加而增加，而與氣相速度關(guān)系不大;在低干度流態(tài)區(qū)，壓力梯度隨氣相速度增加而增加，而與液相速度關(guān)系不大。

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Experiment on multip le flow regim e characteristics of foam system

GUO Lan-lei
（Geological Science Research Institute of Shengli Oilfield，SINOPEC，Dongying 257015，China）

In order to investigate themultiple flow regime characteristics of the foam system with a low tension，the flow characteristics of the transient and steady state of the foam system were analyzed by using foam flooding experiments.The characteristics in flow regimes with high and low quality respectively were observed during the process of foam flooding.The conditions for transforming from one flow regime to the other flow regimewere also obtained.The experimental results show that the foam generates gradually in the core，and the piston-like displacement process appearswhen the foam system reaches steady state.Foam flooding hasmultip le flow regimes characteristics.In the high-quality flow regime，the pressure gradient increaseswith the liquid flow rate increasing.The logarithm of the pressure gradient has a good linear correlation with the liquid flow rate，while ithas little relation with the gas flow rate.However，in the low-quality flow regime，the pressure gradient increaseswith the gas flow rate increasing.The logarithm of the pressure gradient has a linear correlation with the gas flow rate，while it has little relation with the liquid flow rate.

foam system;high-quality flow regime;low-quality flow regime;seepage characteristics;physical simulation

TE 357.46

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.03.021

1673-5005（2012）03-0126-04

2011－12－18

國家自然科學(xué)基金項目（10972237;11102236）;國家科技重大專項課題（2011ZX05011）

郭蘭磊（1969－），男（漢族），山東招遠(yuǎn)人，高級工程師，博士，從事三次采油方面的研究。

（編輯 李志芬）