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氮气泡沫
1、泡沫形成机理
泡沫是不溶性气体分散丁•液体中形成的多孔膜状多相分散体系,是热力学不稳定体系,类似丁•乳状液或悬浮液,所不同的是分散相为气体,而不是液体或细微颗粒。
在泡沫体系中,气相是分散相,而液体是分散介质(连续相)。
绝对纯净的液体不会产生泡沫,因为任绝对纯净的液面以下形成的气泡,它们相互接触或从液体中溢出时就立即破裂,同时液体也从泡沫中流出,如果液体中〃在表而活性剂,表而活性剂能够吸附在气液界面上,任气泡Z间形成液膜,产生并稳定泡沫。
泡沫是许多气泡聚集、悬浮在液体中,并被液体薄膜隔离开來的体系。
起泡机理:
表面活性剂加入气、液体系中,其分子在气、液界而上作定向排列,形成液膜、降低界面张力。
气体通入该体系时,液体发生膨胀,液膜包I科气泡而形成泡沫。
当气泡表面上所吸附的表面活性剂分子达到一定程度时,气泡唯就形成一层坚固的薄膜使气泡不易合并,从而有利丁泡沫的稳定。
因此,利用表而活性剂降低体系的表而张力(界而张力),是形成泡沫的首要条件。
2、泡沫的组成
(1)气相
构成石汕工业的泡沫流体的气相多为空气、天然气、氮气以及二氧化碳。
考虑到安全经济等因素,一般使用较多是用氮气或二氧化碳作为气相。
氮气是悄性气体,不易与地层流体及岩石发生反应。
与空气相比,氮气在水中的溶解能力大约是空气的十分之一,这样,就减少了【大I乳化、沉淀堵塞地层的不利因素;二氧化碳溶解能力强、易发生化学反应,形成泡沫的稳定性差。
所以,生成泡沫的最佳气相为氮气。
(2)液相
以泡沫的液相性质可分为水基、醇基、绘基和酸基,驱汕泡沫都是水基泡沫。
淡水、地层水及盐水都可以用來配制水棊泡沫。
水基泡沫配制方便、价格便宜,除强水敏地层外,一般均可广泛应用。
另外,为了抑制地层粘土的水化膨胀,通常在水基泡沫液相中加入氯化钾或有机抑制剂等粘土稳定剂。
醇基泡沫液相易丁•挥发,表而张力较低,但易燃,在禽有石蜡、沥青的汕井应用,易产生固体沉淀:
绘某泡沫中含有石蜡、沥青,不易形成稳定的泡沫。
(3)起泡剂
起泡性能好的物质称为起泡剂,吧皂、洗衣粉中的表而活性剂(烷基苯磺酸钠、烷基硫酸钠等)就是良好的起泡剂。
油出一般采用阴离子或非离子型表面活性剂作起泡剂,极少使用阳离子表而活性剂。
任含钙、镁离子高的地层,常用阴离子和非离子表而活性剂复配作起泡剂。
(4)稳泡剂
为了延长泡沫的寿命,通常在表面活性剂溶液中加入一定暈的辅助表而活性剂作稳泡剂。
如在十二烷基苯磺酸钠或十二烷某硫酸钠溶液中加入一些月桂酰二乙胺,则町得到更稳定的泡沫。
常用的泡沫稳泄剂有轻甲基纤维索、部分水解聚内烯醸胺、聚乙烯醇、三乙醇胺、月桂醇、生物聚介物XC、十二烷基氧化物等.
3、泡沫的流变性
泡沫流变性对泡沫工艺过程有巫要的影响,泡诛钻井液、泡沫压裂液的流变性质化接影响各种作业的进行,如果恰当地调节泡沫流动性质,能保持井眼规则,早出油,多出油。
普通流体为不可床缩流体,采用普通旋转粘度计即可测最其流变性,而泡沫流体屈丁哆相流体,液相不可压缩,但气相组分却受温度和压力影响较大,随在井筒深度的增加,温度和斥力呈递增变化,要准确表征在井筒中泡沫的流变性,就必须考虑温度和斥力等重要参数的影响。
冃前,国内外研究者还未能得到常温常床卜不同类型泡沫的统一流变方程,对丁•考虑了拓温高压条件的泡沫流变方程也鲜有报道。
一般认为泡沫流变特性为:
>泡沫的流变模型采用幕律方程时,相关系数较好:
>泡沫的表观粘度随泡沫质帛•的増大而増大:
>泡沫的表观粘度随剪切速率的增大而减少;
>泡沫的表观粘度不稳定地随着温皮的升烏而降低;一定泡沫质帚:
的泡沫,在一定的压力下,随着温度的升高,其流性指数增大,而稠度系数减少。
>泡沫的表观粘度随压力的增加而增加;压力对泡沫流变性的影响较为复杂,它可以通过泡沫质最、密度等参数间接地影响泡沫的流变牲:
在泡沫体系中,随着斥力的増加,泡沫中气泡的平均尺寸减小,流体变得更稠:
即压力微小的变化,也会引起泡沫流体中气体体积的显著变化,从而导致泡沫质量、密皮等参数的变化,但是当剪切速率增大到一定范闌时,这种影响程度将有所降低。
4、泡沫的稳定性
泡沫的稳定性指泡沫生成后的持久性,即泡沫寿命的长短。
泡沫流体的稳定性问题是泡沫流体应用中的致命性问题,因为泡沫流体的所有性质都是在稳赵泡沫的皋础上体现的,而且在特殊的情况下,我们利用的不仅仅是稳定的泡沫,还耍利用泡沫的破灭进行施工。
(1)泡沫的衰变机理
日询普遍认为,泡沫的衰变机理是:
1)泡沫屮液体的流失(液膜排液):
2)气体透过液膜扩散(气体扩散)。
两者均和泡沫性质以及液膜与Plateau(普拉托)边界的相互作用有
a)液膜排液
泡沫中液体的流欠是气泡相互挤爪和雨力作用的结果Laplace(拉普拉斯)方程:
CF
Pr_Pa=—
R
式中:
。
一表而张力R—三个气泡的半径
该式表明,A处液体的压力比B处小,在这种压差下,泡沫中的液体『I动的从B处流向A处,从而使液膜变薄,最终导致破火o从曲面斥力看,银胺册臾燃为120。
时,B和A之间的压差故小,泡沫最稳定,所以,泡沫多呈八边形。
另一种排液过程是I人1为取力作用而使液膜变薄,但这仅在液膜较厚时才有显著作用。
同时,液膜佼厚时,排液的动力也有毛管压力。
b)气体扩散
无论用什么方法产生的泡沫,其大小总是不均匀的。
小气泡内的气体压力要比大气泡高,因而小气泡中的气体会透过液膜扩散到大气泡中,从而造成小泡变小,大泡变大,最终趋丁•破灭。
气泡间的气体扩散,会导致泡沫液膜总表面积的降低,如下式:
3V
式中:
A(t)—t时刻泡沫液膜的总而积;
V—封闭体系的体积
△化一泡沫完全破灭后体系的压力增HI;
&P—t时刻时泡沫外部空间的丿E力增最
只要测出不同时间的比就可以计算出A(t)也就不难得出泡沫寿命Lf:
L/=fA
(2)影响泡沫稳定性的因素
A、表面活性剂的影响
a)表而活性剂增加液膜的弹性
变薄,变薄处的表而积増大,表而吸附的分子密度减少,表面张力梯度,因此邻近处的表活剂分子就向此处迁移,并14同时带动液体一起运动,结果使得表而张力复原,RPMarangoni(马朗哥尼)效应。
所以,表而活性剂不仅仅可以造成较大的表面张力梯度,也能增加液膜的弹性,有利r提高泡沫的稳定性。
b)表面活性剂降低液膜排液速度
从Laplace方程可以看出,较低的表面张力,可以产生较低的气泡内外床差,从而降低泡沫液膜的排液速度,增加泡沫的稳泄性。
c)表面活性剂增加液膜的强度和粘度
液膜的强度主要决定于表面吸附膜的坚固性,在实验上我们以表面粘度为其帚:
度。
表面活性剂的水溶液表面粘度较大的,泡沫的稳定性较好。
表面活性剂可以大幅度提高液体的粘度,比较粘稠的液体膜,有助J:
吸收对泡沫液膜的冲击,起到缓冲作用,降低了冲击液膜的速度,使得液膜能持久-些,并且由丁•液体的粘度大,流度低,延缓r排液速度。
从而增加了泡沫的稳定性。
d)表而电荷的影响
离子型表而活性剂,在水中离解后即带有电荷,用该类表面活性剂稳定的泡沫,液膜上形成离子吸附的双电层结构,当液膜变薄到一定程度,离子静电相互排斥,阻碍离子彼此的靠近,降低了排液速度,延缓了泡沫液膜的变薄速度。
B、固体颗粒的影响
室内试验表明三村I泡沫的半衰期为二相泡沫半衰期的12.5倍飞1.7倍,这主要是由J:
固体粉末附着在气液界而上,成为气泡相互合并的障碍,增加了液膜中流体流动的阻力,使泡沫稳定性显著提高。
C、原油的影响
汕对泡沫有抑制和破坏作用。
地层殘余汕对泡诛的破坏程度各异,遇到原汕时有些泡沫很稳定,而另一些泡沫则很不稳定,同一泡沫遇到不同原汕破坏程度也不同。
泡沫与原油的相互作用忡先发生在泡膜与原油Z间,因为原油对泡沫的破坏是通过在泡膜表面铺展或者以油珠形式进入泡膜实现的。
原油遇到泡沫时町能出现以卜三种
A型:
在孔道中原油和泡沫相遇后界限分明,二者无相互作用,仅仅由丁•毛细作用,油以大滴状沿固体表面略微上升。
两者之间不存在相互作用和影响
B型:
原油能进入泡膜,但不能在泡膜表而铺展,原汕对泡沫的破坏作用取决J:
油珠大小.油珠足够小时可被大杲吸入而剧烈减小泡沫的稳定性。
C熨:
原油能进入并在泡膜表面铺展,对泡膜性质产生强烈影响,导致泡膜朋溃
D、矿化度的影响
从图可以看出:
发泡剂的稳定性随矿化度增拓而下降,是由于无机离子浓度增大,加强了对泡沫膜双电层的爪缩作用,胶团聚集数增加,泡沫性能下降。
E、温度压力的影响矿化度对泡沫稳定性的影响
半衰期随温度升高而降低。
温度较高时,一方而液膜的水分蒸发加剧,排液速度加快,在岛速搅拌下生成的泡沫易破灭;另一方面,温度较高时,活性剂分子亲水基的水化作用下降,疏水基碳链间凝聚力减弱,表面粘度降低,泡沫稳定性下降。
泡沫在不同压力下稳定性不同,压力越大,泡沫越稳定。
这是因为泡沫质暈一定时,斥力越大,泡沫半径越小;泡膜的面积越大,液膜变得越薄,排液速度越低。
F、PH值的影响
泡沫溶液的PH值,影响起泡剂的溶解性和表而层的吸附状态,因而影响泡沫的稳定性。
一般情况卜,过高或者过低的pH值下,泡沫的稳定性较差。
G、气泡结构的影响
a)泡從大小的影响
由液膜包裹着的气泡,体积越小越不易破裂,即稳定性好,泡沫的寿命与泡径的平方成反比。
b)泡径均匀程度的影响
当相邻气泡大小不同时,气体会不断的由小气泡的高床区扩散到大气泡的低斥区,造成起跑数目减少,平均泡径增大,最终导致破灭。
因此,泡沫中的气泡何径大小越均匀,则泡沫的稳定性越好。
c)气泡的儿何形状及泡诛质暈的影响
由Laplace方程得到,当液膜之间的夹角为120度时液膜间的压力差最小,因此当泡沫质最大丁•52%时,由丁•气泡的增多,彼此之间接触而发生互相干扰和冲突,同时随着膜内的排液,泡沫体系的气泡不再是球形,而逐渐过渡到菱形,故后变为八边形的集合体。
此时膜之间的夹角为120度。
泡沫液膜成为平吐时压差出现最低值,排液显著减缓,因此泡沫最稳定,所以泡沫的稳定性随着泡沫质最的增加而增加。
但是当泡沫质最超过96%时,泡沫雾化而不稳定。
5、泡沫渗流机理
(1)泡沫的渗流特性
a)泡沫注入地层时不断的破灭与再生。
经过小孔道后重新形成的细小泡沫
b)泡沫在孔隙介质中具有很高的视粘度,且随渗透率的增大而升拓。
泡沫是假刻性流体,粘度随剪切应力的增加而降低:
孔道大则流速低,剪切应力小,因而视粘度较高。
为保证气体的冷.,建议作业气液比保持在2,并JJ.在注入泡沫之询,预先注入一定的泡沫基液段塞。
c)泡沫流动过程中,泡沫的流动速度不一。
d)泡沫在通过不规则孔隙介质时,会降低孔陳介质的渗流能力。
采用不规则的模型进行渗流实验,虽然已经产生了泡沫,但是,模熨两端的床差继续增加,实验室不能继续,而來用规则模型时,该现象不会发生。
说明,泡沫在变径孔道中流动时,会产牛附加的阳力,从而使其改道,进入其他的几隙,达到调剖的作用。
这样泡沫可以有效地增加波及面积,但同时也会增加注入斥力。
(2)泡沫渗流机理
a)液膜滞后
当气体侵入事先被流体饱和的区域时,
2
O•
它便渗流入许多连接的孔道,通常两股气体的前缘以不同的方向到达同一流体允填的空间,孔隙空间的液体就被两个前缘挤成薄膜,如果这个液相中有足够的表而活性剂的话,这个薄膜可能是稳定的,否则,它就会破裂。
b)缩颈分离
随着气泡的扩张,毛管斥力递减,液相中产生圧力梯度使流体从周围进入狭窄的孔道中。
这种來液就以环状聚集在狭道中,如果毛管斥力低丁•临界值,液体绘终会使气泡缩颈分离.
C)薄膜分断
这种机理的特征与缩颈分离是非常接近的,所形成的分散气泡或者流入,或者■址樂通道。
这个机理在某一点可能发生无数次,而且在较岛气体流速下,情况也是这样。
6、泡沫的特殊物理性质
(1)密度可调,液柱床力低,对地层伤害小。
常压下其最低密度可达0.03〜0.04,在井眼中其平均密度一般均低于0.5〜0.8。
低密度可以使得泡沫流体具有漏失少、对地层污染较轻等优点,可以用來対低斥井进行作业。
同时氮气泡沫流体中无固相,这可使其对地层的损害减少到最小。
(2)泡沫流体动切力鮫人,粘度岛,在较低的返速下,其携带岩屑的能力犬。
砂砾在泡沫屮的沉降速度仅为在清水中的沉降速度的十分Z—左右,可以看出泡沫的携砂能力大大强丁清水。
泡沫质量25%〜85%Z间时,砂砾在泡沫屮的沉降速度较小,施T•中要将泡沫质量控
(3〉较低的滤失赧,对地层的伤害钱小,从而适合用于水敏性地层。
(4)摩阻低,压力损火较小
有效粘度高,雷诺数低,处丁•层流状态,从而摩阻较低。
(5)泡沫流体属丁•非牛顿流体,具有剪切稀释特性,在髙渗透地层中的表观粘度大丁•在低渗层中的表观粘度(已经由土其伟室内试验证明),对高渗层有封址作用,对低渗层有增人波及体积、提高波及系数的效果。
从图屮町以看出,随着毛细管半径的增大,泡沫的表规粘度急剧上升,这说明鳥渗透率多孔介质中泡沫的阻力耍高丁•低渗透率多几介质中的阻力。
在毛管半径从小变大的过程屮,泡沫的结构从单链结构变为束数逐渐增多的结构,从而使泡沫的稳疋性和现粘度逐渐増大,渗流阻力逐渐变大。
这就是泡沫能够封堵高渗透岩层的原理。
高渗透率岩芯吸液帛.较多,低渗透率岩芯吸入流最较少(注液时间相同),因此,高渗透岩芯在注入泡沫溶液后,注液量首先降低且幅度很大。
当高渗透率岩芯流M:
降低至低渗透率岩芯流帚以询,低渗透率岩芯流址基本保持不变,说明注入泡沫初期主耍是堵塞疝渗透岩芯,只有当烏渗透岩芯渗透率值降至低渗透岩芯的渗透率值时,低渗透岩芯的渗透率才开始降低,般终两块岩芯渗透率趙J:
一致,流量趋J:
相同,说明注入泡沫溶液后,确实起到了暂堵分流作用。
(6)遇水稳定,遇油消泡,可以暂堵水层,同时对油层进行作业。
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4321
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儈水仔油岩心注入泡沐mi流磧变化ilii线
T一含油若心—•—rf水V;心;
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300
停止注泡沫,水驱
(7)较好的封堵性能,较高
的注入能力
含水岩心注泡沬压力曲线
岩心气测渗透率410md
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