多孔介質(zhì)內(nèi)CO2泡沫液滲流特性實(shí)驗(yàn)研究

杜東興，王德璽，賈寧洪，呂偉峰，秦積舜，王程程，孫盛彬，李鶯歌（.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；.中國石油勘探開發(fā)研究院；.青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院）

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多孔介質(zhì)內(nèi)CO2泡沫液滲流特性實(shí)驗(yàn)研究

杜東興1，王德璽1，賈寧洪2，呂偉峰2，秦積舜2，王程程1，孫盛彬1，李鶯歌3
（1.青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2.中國石油勘探開發(fā)研究院；3.青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院）

摘要：利用填砂方法制作了均質(zhì)多孔介質(zhì)模型，進(jìn)行了CO2泡沫液驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)，借助CT技術(shù)研究了多孔介質(zhì)內(nèi)CO2泡沫液滲流特性。在不同填砂粒徑、不同活化劑濃度及不同氣液比條件下進(jìn)行多孔介質(zhì)內(nèi)CO2泡沫液驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，采用CT技術(shù)對(duì)驅(qū)替過程進(jìn)行可視化監(jiān)測，獲取沿程水飽和度數(shù)據(jù)，并同時(shí)測量泡沫液滲流過程中的沿程壓力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：CO2泡沫液在平均粒徑較小的多孔介質(zhì)內(nèi)具有較大的滲流壓差及較小的水飽和度入口效應(yīng)；當(dāng)活化劑濃度高于臨界膠束濃度時(shí)，產(chǎn)生的泡沫較穩(wěn)定，介質(zhì)內(nèi)沿程各位置處泡沫液驅(qū)替效率相差不大，且隨著活化劑濃度的提高水飽和度入口效應(yīng)逐漸減小；提高氣液比可以增大泡沫液滲流壓差，但對(duì)驅(qū)替后介質(zhì)內(nèi)水飽和度的影響不大。圖8參25關(guān)鍵詞：CO2驅(qū)油；CO2泡沫液；驅(qū)替實(shí)驗(yàn)；滲流特性；CT技術(shù)；提高采收率

0 引言

近年來國內(nèi)外大力開展了利用CO2提高原油采收率（CO2EOR）技術(shù)的研究與應(yīng)用。利用CO2采油不但可以提高原油采收率，還能實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排，既有經(jīng)濟(jì)效益又有環(huán)境效益［1-2］。然而，利用CO2進(jìn)行強(qiáng)化采油存在一些問題，主要原因在于CO2氣體的黏度較小，可沿油藏高滲透通道早期突破，進(jìn)而導(dǎo)致項(xiàng)目失?。?-4］。采用泡沫技術(shù)可以顯著提高氣相表觀黏度，因此可被用來解決氣體指進(jìn)和竄流，進(jìn)而提高原油采收率［5-9］。要使泡沫技術(shù)成功應(yīng)用于CO2EOR的工業(yè)實(shí)踐，必須對(duì)CO2泡沫液的滲流特性和機(jī)理進(jìn)行研究。

目前已有較多研究者對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)CO2泡沫液的滲流特性進(jìn)行了研究［10-18］。由于可進(jìn)一步獲得多相流體的液相飽和度參數(shù)，CT掃描技術(shù)在多孔介質(zhì)內(nèi)CO2泡沫液滲流特性研究方面得到廣泛應(yīng)用［12-18］。

雖然目前已有較多的文獻(xiàn)報(bào)道，但泡沫技術(shù)涉及基礎(chǔ)學(xué)科較多，對(duì)CO2泡沫液在多孔介質(zhì)中滲流特性及機(jī)理的研究還不夠系統(tǒng)和完善。例如，目前泡沫液滲流特性測試中的壓力參數(shù)多限于測量多孔介質(zhì)兩端的滲流壓差［11，14-18］，而表征滲流特性的重要參數(shù)——沿程壓力變化在文獻(xiàn)報(bào)道中并不多見。本文設(shè)計(jì)制造了有機(jī)玻璃壓力容器，利用填砂方法制作均質(zhì)多孔介質(zhì)模型，并設(shè)計(jì)搭建泡沫液滲流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用CT技術(shù)對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)CO2泡沫液的驅(qū)替過程進(jìn)行可視化監(jiān)測，并同時(shí)測試其沿程壓力變化，對(duì)CO2泡沫液在多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流特性進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

本文選用十二烷基硫酸鈉（SDS，分子式C12H25SO4Na，相對(duì)分子質(zhì)量288.38）作為表面活性劑，泡沫液氣相采用CO2氣體。多孔介質(zhì)采用有機(jī)玻璃壓力容器（內(nèi)徑30 mm，外徑80 mm，長度200 mm）填砂模型。

圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。有機(jī)玻璃壓力容器放置在CT裝置的測試平臺(tái)上。實(shí)驗(yàn)開始后，使氣體和活化劑溶液分別通過氣體質(zhì)量控制器和恒流泵，按照一定流速比注入泡沫發(fā)生器中以產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫，產(chǎn)生的泡沫液再注入到飽和水的多孔介質(zhì)中。在泡沫液驅(qū)替過程中，每間隔一定時(shí)間，利用CT裝置記錄介質(zhì)內(nèi)沿流動(dòng)方向的多個(gè)截面圖像，獲得介質(zhì)內(nèi)各相飽和度的動(dòng)態(tài)分布特性。同時(shí)，利用沿程均勻布置的多路壓力傳感器組測定介質(zhì)內(nèi)沿程壓力，并利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。通過對(duì)各相飽和度及沿程壓力分布數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，研究不同填砂粒徑、活化劑濃度及氣液比條件下CO2泡沫液在多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流特性。

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖2　泡沫液在平均填砂粒徑0.21 mm多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流特性（p—沿程壓力；Sw—含水飽和度；L—至入口端距離）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 多孔介質(zhì)孔隙度分析

實(shí)驗(yàn)選用不同粒徑的石英砂填充多孔介質(zhì)模型。選取的粒徑范圍分別為0.180～0.250 mm（60～80目）、0.150～0.180 mm（80～100目）和0.106～0.150 mm （100～150目），平均粒徑分別為0.21 mm、0.17 mm 和0.13 mm，測得孔隙度分別為43.29%、43.62%和43.18%。可以看出，由不同粒徑砂子填充得到的多孔介質(zhì)孔隙度相差很小，在相同體積容器內(nèi)填充得到的多孔介質(zhì)的孔隙體積幾乎相同。

2.2 填砂粒徑對(duì)驅(qū)替過程的影響

在活化劑濃度10.4 mmol/L、氣液比13.5∶1、無背壓的條件下，分別測定了泡沫液在平均填砂粒徑0.21 mm、0.17 mm和0.13 mm的多孔介質(zhì)內(nèi)沿程壓力及水飽和度變化（見圖2—圖4）。實(shí)驗(yàn)中填砂模型長度為200 mm，入口端在0 mm處，出口端在200 mm處。

由圖2a、3a、4a可知：①隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，沿程各點(diǎn)壓力逐漸上升，并在一段時(shí)間后達(dá)到穩(wěn)定，在入口端與出口端形成一個(gè)穩(wěn)定的壓差。圖2a、3a、4a中各點(diǎn)壓力分別在注入孔隙體積倍數(shù)約為10、12、16時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)進(jìn)出口壓差分別在0.30 MPa、0.53 MPa、1.12 MPa左右。可以看出，多孔介質(zhì)的填砂粒徑越小，泡沫從入口端推進(jìn)到出口端所需要的壓差越大，壓力穩(wěn)定時(shí)的注入孔隙體積倍數(shù)越高。

②在填砂粒徑較大（平均粒徑0.21 mm、0.17 mm）的多孔介質(zhì)中，入口端壓降較小，在靠近出口端時(shí)則明顯增加；而在填砂粒徑較?。ㄆ骄?.13 mm）的多孔介質(zhì)中，入口端的壓降與其他位置處壓降無明顯差別。這是因?yàn)椋诨趦上嗔黧w分相假設(shè)的CO2泡沫液表觀黏度模型中，單個(gè)泡沫的流動(dòng)壓差及泡沫數(shù)目是非常重要的參數(shù)。根據(jù)基于統(tǒng)計(jì)理論的氣泡數(shù)目守恒模型［19-20］，均質(zhì)多孔介質(zhì)內(nèi)泡沫數(shù)目的產(chǎn)生及發(fā)展可由（1）式確定。在多孔介質(zhì)入口端，泡沫處于產(chǎn)生及發(fā)展階段，因此（1）式中泡沫湮滅率系數(shù)Kd可以忽略，泡沫數(shù)目只與泡沫產(chǎn)生率系數(shù)Kg密切相關(guān)。在填砂粒徑較大的多孔介質(zhì)中，CO2泡沫進(jìn)入多孔介質(zhì)后泡沫數(shù)目發(fā)展較慢，在一定距離后才能充分發(fā)展，因此在入口端泡沫數(shù)目較少。此外，單個(gè)泡沫的流動(dòng)壓差與氣液間的表面張力相關(guān)［21-23］，表面張力越小則泡沫流動(dòng)壓差越小。由于CO2的水溶性，在壓力增大時(shí)其表面張力減?。?4-25］，因此在入口端壓力較大時(shí)單個(gè)泡沫的滲流壓差較小，則泡沫液的表觀黏度較小，顯示出較為明顯的入口效應(yīng)。而在靠近出口端時(shí)，泡沫數(shù)目已經(jīng)達(dá)到平衡，泡沫液的表觀黏度不再發(fā)生變化，泡沫液滲流過程仍然遵從達(dá)西定律。在填砂粒徑較小的多孔介質(zhì)中，由于單位體積內(nèi)的孔喉數(shù)目多，因此泡沫生成率較高，最大泡沫數(shù)目也增多，在入口端泡沫數(shù)目增長迅速并在較短距離內(nèi)達(dá)到最大值，較大的泡沫數(shù)目可抵消CO2水溶性對(duì)單個(gè)泡沫滲流壓差的影響，因此入口效應(yīng)并不顯著。

式中 Sf——泡沫相飽和度，f；t——時(shí)間，s；Kd——泡沫湮滅率系數(shù)，f；Kg——泡沫產(chǎn)生率系數(shù)，f；n——泡沫相單位體積內(nèi)泡沫數(shù)目，個(gè)/m3；n∞——多孔介質(zhì)內(nèi)滲流過程達(dá)到穩(wěn)定時(shí)泡沫相單位體積內(nèi)產(chǎn)生泡沫最大數(shù)目，個(gè)/m3；uf——?dú)庀嗔魉偈噶浚琺/s；φ——多孔介質(zhì)孔隙度，f。

圖3　泡沫液在平均填砂粒徑0.17 mm多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流特性

圖4　泡沫液在平均填砂粒徑0.13 mm多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流特性

由圖2b、3b、4b可知：實(shí)驗(yàn)開始時(shí)多孔介質(zhì)均處于水飽和狀態(tài)，即水飽和度接近100%；隨著泡沫液注入，多孔介質(zhì)入口端的水飽和度開始降低，且隨著泡沫的推進(jìn)，水飽和度由入口端到出口端逐漸降低，最終維持在10%左右，說明泡沫驅(qū)替過程達(dá)到穩(wěn)定并具有較好的驅(qū)替效率；在填砂粒徑較大的多孔介質(zhì)中，泡沫液驅(qū)替過程具有明顯的入口效應(yīng)，說明入口處泡沫仍處于發(fā)展階段，并未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而填砂粒徑較小的多孔介質(zhì)中，由于泡沫生成及發(fā)展速度較快，入口效應(yīng)并不明顯。

2.3 活化劑濃度對(duì)驅(qū)替過程的影響

在平均填砂粒徑0.17 mm、氣液比13.5∶1、無背壓的條件下，分別測定了活化劑濃度為5.2 mmol/L、10.4 mmol/L和17.4 mmol/L的泡沫液在多孔介質(zhì)內(nèi)沿程壓力及水飽和度變化（見圖5—圖7）。

圖5　活化劑濃度為5.2 mmol/L時(shí)多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流特征

圖6　活化劑濃度為10.4 mmol/L時(shí)多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流特征

由圖5a、6a、7a可知：當(dāng)活化劑濃度為5.2 mmol/L時(shí)，由于低于臨界膠束濃度（約為8 mmol/L），生成的泡沫不穩(wěn)定，介質(zhì)內(nèi)各點(diǎn)壓力上升過程中有波動(dòng)，入口端壓力達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間較長；而活化劑濃度為10.4 mmol/L和17.4 mmol/L時(shí)，由于均大于臨界膠束濃度，生成的泡沫較穩(wěn)定，隨著泡沫液驅(qū)替過程的進(jìn)行介質(zhì)內(nèi)各點(diǎn)處的壓力平緩上升，各處壓力達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間相差不大，且流動(dòng)過程達(dá)到穩(wěn)定后介質(zhì)兩端壓差維持在0.53～0.55 MPa左右；活化劑濃度為10.4 mmol/L時(shí)，由于其濃度超過臨界膠束濃度的程度不大，入口端壓降仍然較小，而活化劑濃度為17.4 mmol/L時(shí)，可滿足介質(zhì)吸附和泡沫及時(shí)生成的要求，因此入口端壓降與其他位置處壓降相差不大。

由圖5b、6b、7b可知：當(dāng)活化劑濃度為5.2 mmol/L時(shí)，在泡沫推進(jìn)過程中氣液界面較傾斜并伴有波動(dòng)，驅(qū)替結(jié)束時(shí)平均水飽和度較高；當(dāng)活化劑濃度為10.4mmol/L時(shí)，雖然驅(qū)替過程結(jié)束后的水飽和度較低，但仍顯示出較明顯的入口效應(yīng)；當(dāng)活化劑濃度為17.4 mmol/L時(shí)，在泡沫推進(jìn)過程中氣液界面傾斜度較小，驅(qū)替結(jié)束時(shí)平均水飽和度較低，且入口效應(yīng)不明顯。

2.4 氣液比對(duì)驅(qū)替過程的影響

在平均填砂粒徑0.17 mm、活化劑濃度10.4 mmol/L、無背壓的條件下，依次測定了氣液比7.0∶1、13.5∶1、20.0∶1及30.0∶1的泡沫液在多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流特性（見圖8）。當(dāng)某種氣液比的泡沫液滲流過程達(dá)到穩(wěn)定，即滲流壓差保持不變后，再改變氣液比繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

由圖8a、8b可知：實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的氣液比為7.0∶1，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，點(diǎn)1、點(diǎn)2、點(diǎn)3、點(diǎn)4、點(diǎn)5（與入口端的距離分別為0、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm）壓力依次上升，滲流壓差最終穩(wěn)定在0.55 MPa附近；隨著氣液比的升高，各點(diǎn)處的壓力均會(huì)進(jìn)一步提高，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的進(jìn)出口壓差也隨著氣液比的升高逐漸增大。這是由于隨著泡沫質(zhì)量（氣液比）的升高，泡沫的表觀黏度逐漸升高，則泡沫的滲流壓差增大。

圖8c是驅(qū)替過程沿程水飽和度變化曲線。其中，注入孔隙體積倍數(shù)0.13～6.56的11條曲線是氣液比為7.0∶1時(shí)泡沫液突破過程中沿程水飽和度變化曲線；注入孔隙體積倍數(shù)13.80、30.20、46.00、65.30的4條曲線分別是氣液比為7.0∶1、13.5∶1、20.0∶1、30.0∶1時(shí)的穩(wěn)定曲線。從圖8c中可以看出，雖然增加氣液比可以提高泡沫液滲流壓差，但對(duì)驅(qū)替后介質(zhì)內(nèi)水飽和度的影響不大。

圖7　活化劑濃度為17.4 mmol/L時(shí)多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流特征

圖8　不同氣液比CO2泡沫液在多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流特性

3 結(jié)論

本文利用填砂方法制作了均質(zhì)多孔介質(zhì)模型，設(shè)計(jì)了泡沫液滲流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用CT技術(shù)對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)CO2泡沫的驅(qū)替過程進(jìn)行可視化監(jiān)測并獲得沿程水飽和度變化數(shù)據(jù)，同時(shí)利用沿程布置的壓力傳感器獲得泡沫液滲流過程的沿程壓力變化數(shù)據(jù)，研究了CO2泡沫液在均質(zhì)多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

①在平均填砂粒徑較大（0.17～0.21 mm）的多孔介質(zhì)中，CO2泡沫液滲流壓降在入口端較緩，在靠近出口端時(shí)明顯增加；而在平均填砂粒徑較?。?.13 mm）的多孔介質(zhì)中，泡沫液在入口端的壓降與其他位置處壓降無明顯差別。

②當(dāng)活化劑濃度低于臨界膠束濃度時(shí)，產(chǎn)生的泡沫穩(wěn)定性較差，泡沫液驅(qū)替效率較低；當(dāng)活化劑溶液濃度稍高于臨界膠束濃度時(shí)，雖然驅(qū)替過程結(jié)束后的水飽和度較低，但仍有較顯著的入口效應(yīng)；進(jìn)一步提高活化劑濃度時(shí)，驅(qū)替結(jié)束時(shí)平均水飽和度較低，且入口效應(yīng)明顯減弱。

③增加氣液比時(shí)，隨著泡沫質(zhì)量的提高，驅(qū)替過程顯示出更大的滲流壓差，但對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)剩余水飽和度影響不大。

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（編輯 胡葦瑋）

Experiments on CO2foam seepage characteristics in porous media

DU Dongxing1， WANG Dexi1， JIA Ninghong2， LYU Weifeng2， QIN Jishun2， WANG Chengcheng1， SUN Shengbin1， LI Yingge3
（1.College of Electromechanical Engineering， Qingdao University of Science and Technology， Qingdao 266061， China；2.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development， Beijing 100083， China； 3.College of Automation and Electronic Engineering， Qingdao University of Science and Technology， Qingdao 266061， China）

Abstract：Simulative experiments were carried out for CO2foam flooding process in homogeneous porous media prepared with the sand packing method， and the CO2foam seepage characteristics in porous media were studied with CT technology.CO2foam flooding experiments were carried out under different packing sand sizes， different surfactant concentrations and different gas-liquid ratios.CT technology was employed to visualize the displacement process and to obtain the water saturation data along the sample， and the pressure distribution in the sample during the foam seepage process was measured at the same time.Experimental results show that， CO2foam flooding has higher pressure drop and lower water saturation entrance effect in the porous media with lower average grain sizes； when surfactant concentrations are higher than CMC （Critical Micelle Concentration）， the generated foam is stable， without showing obvious difference for the foam displacement efficiency in the sample， and water saturation entrance effect gradually decreases with increase of surfactant concentrations； improving gas-liquid ratio can lead to higher foam seepage pressure drop， but has little effect on residue water saturation after foam displacement.

Key words：CO2flooding； CO2foam； flooding experiment； seepage characteristics； CT technology； EOR

中圖分類號(hào)：TE357.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-0747（2016）03-0456-06

DOI：10.11698/PED.2016.03.17

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51476081）；中國石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2014D50060210）

第一作者簡介：杜東興（1971-），男，河南博愛人，博士，青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授，主要從事泡沫液在多孔介質(zhì)內(nèi)的輸運(yùn)現(xiàn)象、多相流體流動(dòng)及傳熱、微細(xì)流動(dòng)及傳熱等方面的教學(xué)和研究工作。地址：山東省青島市嶗山區(qū)松嶺路99號(hào)，青島科技大學(xué)嶗山校區(qū)機(jī)電工程學(xué)院，郵政編碼：266061。E-mail：du-dongxing@163.com

收稿日期：2015-07-31 修回日期：2016-03-28