泡沫驱机理实验研究进展

泡沫驱机理实验研究进展
耿小烬;范洪富;罗幼松;王德虎
【摘要】This paper studies the micro-mechanisms of foam generation in porous media;summarizes the recent research of foam flooding including microscope generation,migration and propagation;and reveal partial relationships Among microscope generation,migration,propagation and macroscopic pressure or velocity.Investigation of experiment methods shows that CT and NMR assistant experiment can measure the microscope distribution of fluid in porous media and corresponding changes in macro-parameters simultaneously,so that they are important methods to study the relations between microscopic mechanism and macro-parameters.Studying the micro-mechanism in depth and exploring the relation ship between the micro-mechanism and macro-parameters is a key step for foam flooding developing from a potential technique to be a stable and controllable technique.%研究泡沫在多孔介质中生成、运移、传播的微观机理与宏观速度压力之间的部分关系。

CT和NMR辅助物理模拟实验能同时测得岩心中流体的微观分布和相应的宏观参数变化,该实验是研究泡沫驱微观机理与宏观控制因素关系的重要方法。

深入研究泡沫驱微观机理及微观机理与宏观控制因素之间的关系,是泡沫驱技术从一种有潜力的三次采油技术发展成为一种稳定可控的三次采油技术的关键。

【期刊名称】《重庆科技学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2011(013)004
【总页数】4页(P10-13)
【关键词】泡沫驱;机理;CT;NMR
【作者】耿小烬;范洪富;罗幼松;王德虎
【作者单位】中国地质大学（北京）,北京100083;中国地质大学（北京）,北京100083;中国石油勘探开发研究院提高石油采收率国家重点实验室,北京100083;中国地质大学（北京）,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】TE357
与传统的水驱和气驱相比，泡沫驱具有将能量引到未波及区和改善油水界面性质的能力，提高采收率效果明显，因而受到广泛关注。

然而，泡沫在孔隙介质中的流动行为非常复杂，且难以控制，使其在三次采油中的应用受限。

深入研究泡沫在多孔介质中的微观机理及微观机理与宏观控制因素之间的关系是泡沫驱技术从一种有潜力的三次采油技术发展成一种稳定可控的三次采油技术的关键。

研究表明，泡沫在多孔介质中生成首先形成液膜，液膜的形成机理主要有截断、分断和遗留。

Chambers and Radke通过微观模型研究泡沫在多孔介质中的生成机理时，首先发现了液膜生成的截断机理，包括“前颈”截断、“线”截断、“缩颈”截断。

“前颈”截断即液膜侵入喉道入口后停止，液体在喉道入口处聚集发生的截断。

“线”截断发生在局部毛管压力波动的情况下，当局部毛管压力（Pc）低于毛管进入压力（）时液体侵入产生的截断。

“缩颈”截断依赖于孔隙的形态，当液膜侵入原来被液体占据的孔隙时，液体回流进入喉道产生截断。

Mast[1]通过微观模型研究得到液膜在多孔介质中的另一种生成机理——分断。

分
断是当液膜向前运移时，遇到分支喉道，沿着分支喉道伸展，使一个液膜分成两个或多个液膜的过程。

Owete等[2]人研究发现了泡沫生成的遗留机理。

遗留是相互靠近的气泡挤压排除之间多余的液体之后形成液膜的过程。

Fridmann等[3]人认为遗留通常发生在较低的气体流速下，并且产生的液膜容易破裂。

近期的研究表明在均匀的多孔介质中，泡沫生成首先是形成可移动的液膜，再通过后来的分断过程促进泡沫的生成，而不是一开始就通过截断形成。

截断更容易发生在从低渗透到高渗透的突变边界上。

Fall认为渗透率急速增加时很容易形成泡沫，并采用截断机理和渗透率边界对局部毛管压力的影响进行解释。

Rossen[4]采用孔隙网络模型研究了渗透率急速增加时的截断机理，认为高低渗透率极差大于4倍时发生截断。

泡沫在多孔介质中的生成定义为泡沫从一个粗泡沫状态突然变到一个强泡沫状态的过程。

Rossen等[5]人的研究发现泡沫产生需要一个最小的压力梯度或速度。

在固定注入速度的实验中发现压力梯度超过某一特定值时，模型两端的压差突然增加，这个压差的突然增加表示强泡沫生成。

这个特定的压力梯度值即泡沫生成的最小压力梯度，如图1所示。

在固定模型两端压差的实验中，气体的表观速度逐渐增加到某一临界值后降低。

这个临界值即泡沫生成的最小速度，如图2所示(图中
1ft=0.304 8m)。

Gauglitz研究得到泡沫生成的最小压力梯度随着渗透率、活性剂浓度和液体流动分数的增加而降低，CO2泡沫产生的最小压力梯度低于N2泡沫，随着温度的增加泡沫产生的压力梯度先降低后增加，泡沫生成具有一个最佳温度条件。

Li等[6]人研究了促进泡沫在多孔介质中生成的方法，得到脉冲注入方式能很好地促进泡沫在非均质多孔介质中的生成。

Gauglitz等人在实验中观察到泡沫生成过程中的三种状态（图1）：
（1）粗泡沫状态，这时如果存在泡沫，则气泡非常大，液膜数nf非常小，气体的流动性相对较高（尽管与没有泡沫时的流速相比可能小一些），|▽p|很小。

（2）强泡沫状态，这时的气泡小，nf值大，气体流动性低，|▽p|值大。

（3）粗泡沫与强泡沫之间为中间状态。

粗泡沫状态与强泡沫状态是相对稳定的状态，而中间状态是一种不稳定的状态，气体速度会发生变化。

Alvarez等[7]人的研究表明，多孔介质中的强泡沫主要有两种形式，即高质量强泡沫和低质量强泡沫，如图3所示。

图中左上部分为高质量强泡沫，这时的压力梯度决定于气泡的稳定性，与气体的表观速度无关；右下部分为低质量强泡沫，这时压力梯度取决于气泡的捕集分数，与液体表观速度无关。

在低质量强泡沫状态时，气泡大小处于一个最小值，该值与孔隙大小相当。

Rossen[8]研究认为泡沫沿着孔隙中最大的孔喉通道以泡沫链的形式流动，而泡沫链周围较小的孔喉中气泡以捕集形式存在。

泡沫在多孔介质中流动需要一个最小的压力梯度，这个最小压力梯度与孔喉的结构、气泡的大小数量、泡沫的压缩性等因素有关。

泡沫的压缩性使这个最小压力梯度增加，因为可压缩的泡沫趋向于堆积在孔隙喉道处，而这些地方是毛管阻力最大的位置。

CT扫描可测量线性衰减系数[9]，其表达式为：
式中：μ—线性衰减系数，m-1；ρ—密度，kg/m3；h—厚度，m；σ(E)—Klein 系数，与能量有关；b—常数，9.8×10-24；Z—有效原子序数。

岩心CT扫描实验中，油相和水相通过加入衰减物质进行区分，气体中加入示踪剂进行检测。

岩心流体分布可视化：岩心CT扫描实验得到的是不同像素点的线性衰减系数矩阵（不同位置和不同方向的线性衰减系数），通过对线性衰减系数矩阵进行计算得到岩心不同像素点的孔隙度或流体饱和度值，通过重建得到可视化图像，如图4所示。

CT辅助物理模拟实验为研究泡沫在岩心中微观机理提供了可视化的研究途径，为
研究泡沫在岩心中的微观渗流机理与宏观控制因素的关系提供了条件。

岩心核磁共振实验测量到的是岩心中氢原子核磁信号的T2弛豫特征，得到T2弛
豫过程中总核磁信号随时间的衰减曲线。

总核磁信号表示为：
式中：T2i—某一孔隙组分的T2驰豫时间；Ai—驰豫时间为T2i的孔隙所占比例。

根据反演计算得到T2弛豫时间谱。

根据弛豫时间的长短计算出多孔介质中孔隙的大小：
式中：Fs—孔隙形状因子；r—孔隙半径；C—无因次常数，通过分析不同孔隙半
径的核磁共振T2值来确定。

孔隙级别上的流体分布：实验过程中尽管油水具有不同的含氢指数，但是这个区分较弱，为了对油水进行进一步的区分，通常在水相中加入顺磁性衰减物质，检测油相的T2弛豫信号。

通过对T2弛豫信号强度和时间长短分析得到不同孔隙大小内
流体饱和度，如图5所示。

NMR辅助物理模拟实验为泡沫驱孔隙级别上的机理研究提供了途径，建立了研究孔隙级别上微观机理与宏观控制因素关系的方法。

CT和NMR实验方法特点见表1。

（1）泡沫微观生成机理研究表明，驱替过程中分断和截断是液膜生成的主要机理，非均质的多孔介质有助于泡沫的生成。

（2）泡沫驱微观机理与宏观控制因素关系的研究表明，泡沫在多孔介质中的生成、存在状态、运移、传播与宏观速度、压力条件有密切关系。

调节注入参数或注入方式使泡沫达到最佳生成和传播状态是泡沫驱技术成功应用的基础。

（3）CT和NMR辅助物理模拟实验能同时测得岩心中流体的微观分布和相应的
宏观参数的变化，是研究泡沫驱微观机理与宏观控制因素关系的纽带，对推动泡沫
驱技术的发展起重要的作用。

【相关文献】
[1]Mast R F.Microscopic Behavior of Foam in Porous Media[G].SPE 3997,1972.
[2]Owete Brigham.Flow Behavior of Foam:A Porous Micromodel Study[G].SPE 11349,1987.
[3]Friedmann F,Chen W H，Gauglitz P A.Experimental and Simulation Study of High-Temperature Foam Displacement in Porous Media[J].SPERE,1991，6(1):37-45.
[4]Rossen W R.Foam Generation at Layer Boundaries in Porous Media[J].SPE
Journal,1999(4):409-412.
[5]Rossen W R,Shi J，Zeilinger S C.Percolation Modeling of Foam Generation in Porous Media[J].AIChE J,1994，40（6）:1 082-1 084.
[6]Li Q，Rossen W R.Injected Strategies for Foam Generation in Homogeneous and Layered Porous Media[G].SPE 96116,2005.
[7]Alvarez J M,Rivas H，Rossen W R.A Unified Model for Steady-State Foam Behavior at High and Low Foam Qualities[J].SPE Journal,2001，6（3）:325-333.
[8]Rossen W R.Theory of Mobilization Pressure Gradient of Flowing Foams in Porous Media.II Effect of Compressibility[J].J.Colloid Interface Sci.,1990，136:17-37.
[9]李玉彬,李向良，李全祥.利用计算机层析（CT）确定岩心的基本参数[J].石油勘探与开发,1999，26(6):86-90.。