CN103344525B - 一种泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定方法及设备，属于泡沫粘度的测定技术领域。本发明的泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定设备，包括由填砂管形成的填砂模型，所述填砂模型上设有若干压力表，所述填砂模型的入口通过六通阀分别连接高压气瓶、泡沫体系以及废液瓶，所述泡沫体系上连接恒速平流泵，所述恒速平流泵上连接煤油瓶，所述填砂模型的出口连接回油阀，所述回油阀连接到量筒。本发明的泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定方法及设备，通过检测填砂管上的压力分布，并通过压力变化体现出泡沫在孔隙介质中封堵能力的大小、泡沫的渗流特征及规律，从而检测出泡沫在填砂管各处的有效粘度。

Description

一种泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定方法及设备

技术领域

本发明涉及泡沫粘度的测定技术，尤其是一种泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定技术。

背景技术

要将泡沫驱运用到石油的开发中，就需要先对泡沫在孔隙介质中有效粘度进行测定。目前，对于流体粘度的测定，是通过将流体置于容器内，然后通过粘度测量仪进行粘度的测定，由于粘度测量仪的测量范围较小，每次测量需先用肉眼估算出流体的浓度，然后选择合适范围的测量仪进行测量，此过程相对繁琐，若初步评估不准确，则还需要重新选择测量仪进行测量，费时费力。另外，由粘度测量仪测定的泡沫的粘度只是泡沫的视粘度，并不能代表泡沫在孔隙介质中的实际粘度。泡沫的粘度不同于其他流体的粘度，因为泡沫在油层孔隙介质中渗流时，由于孔隙喉道的收缩与扩张，导致气泡界面变形，引起粘滞阻力增加，所以泡沫在孔隙介质中渗流时的实际有效粘度与用粘度测量仪测得的视粘度在本质上存在较大差别，其测量难度也大得多。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定方法及设备，通过检测填砂管上的压力分布，并通过压力变化体现出泡沫在孔隙介质中封堵能力的大小、泡沫的渗流特征及规律，从而检测出泡沫在填砂管各处的有效粘度。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定设备，包括由填砂管形成的填砂模型，所述填砂模型上设有若干压力表，所述填砂模型的入口通过六通阀分别连接高压气瓶、泡沫体系以及废液瓶，所述泡沫体系上连接恒速平流泵，所述恒速平流泵上连接煤油瓶，所述填砂模型的出口连接回油阀，所述回油阀连接到量筒。

由于采用了上述结构，填砂管中填充有模拟地层的地层砂，并且在填砂管形成的填砂模型上设置的若干压力表，可用于检测填砂模型内不同位置的压力值，从而可以观测到填砂模型内的压力分步，通过压力的变化，可表述泡沫在孔隙介质中封堵能力、泡沫的渗流特征及规律，因此需要将起泡剂与气体交替注入到填砂模型中，也即需要在填砂模型的入口连接高压气瓶和泡沫体系，由于在输入过程中，由于低温等原因，可能生产废液，因此还需在填砂模型的入口设置废液瓶，因此可将高压气瓶、泡沫体系和废液瓶通过六通阀连接到填砂模型的入口上，为了泡沫体系提供的泡沫达到要求，需要在连接到泡沫体系上的煤油瓶之间设置恒速平流泵，从而可匀速地向泡沫体系提供煤油。

本发明的泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定设备，其中所述填砂模型主要由填砂管和其他部件组成。填砂管的直径为38mm，长2000mm，所述填砂管的长度方向上设有4个压力表，分别位于填砂管入口端至填砂管的出口端之间。

本发明的泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定方法，包括：

步骤1、将填砂模型连接各个部件；

步骤2、将填砂模型抽真空至-720mmHg柱，并控制一定温度值；

步骤3、以一定的注入速度开始水驱，测定并记录填砂模型的渗透率，选用模拟地层水及清水；

步骤4、将起泡剂与气体交替注入到填砂模型中，选用一定效浓度的起泡剂，气体选用一定压力的空气；

步骤5、记录填砂模型上各个压力表的读数，并计算出一定气/液比为λ时，泡沫在填砂模型不同位置处的有效粘度，其计算公式为：

其中：μ_x为有效粘度，λ为气/液比，L为填砂模型长度，x为距填砂模型首端位置的距离占填砂模型长度的比，0≤x≤1，z为气体压缩因子，v₀为泡沫渗流线速度，为孔隙度，p为压力，K为渗透率。

由于采用了上述方法，填砂模型抽真空至-720mmHg柱，可饱和地层水；同时控制一定温度值，保证整个实验环境处于恒温，模拟地层下的温度条件，便于泡沫通过该填砂模型后，能真实地体现出地层下的情况，从而能有效地检测出泡沫在孔隙介质中有效粘度，使检测结果更加精确；在正式进行泡沫有效粘度的测定之前，需要对填砂模型的渗透率进行测定，为了不影响后续进行的泡沫有效粘度的测定，因此选用模拟地层水及清水以一定的注入速度进行水驱，从而可预知该填砂模型的渗透率，使在额定渗透率的情况下对填砂模型的渗透率进行检测，避免填砂模型的渗透率对测定泡沫有效粘度带来的影响；在确定了渗透率之后，再进行泡沫有效粘度的测定，需要向填砂模型中交替地注入起泡剂和一定压力的空气，其中气/液比为λ，气体和起泡剂在填砂模型中形成泡沫，开始形成泡沫驱，对于泡沫浓度以及泡沫剂种类的选择，可根据实际检测的情况而定，使得本方法可适用于多种种类的泡沫剂的不同浓度下的检测，适用范围广，可在填砂模型中形成多种不同的泡沫，可检测出其所具有的有效粘度；泡沫剂与水注入到填砂模型之后，在填砂模型中形成泡沫，泡沫在孔隙介质中渗流时不断地破灭与再生，且其在多孔介质中渗流时具有很高的有效粘度且有效粘度随介质孔隙度的增大而升高，从而泡沫可在孔隙介质中不断地堵塞其中的水，泡沫不断前进，可驱动填砂模型中的油，从而将油从填砂模型中驱出，其中泡沫的封堵能力也就体现出了其驱油能力的大小，而封堵能力主要是体现于泡沫粘着于填砂模型中的砂层上的能力，也即泡沫的有效粘度，因此需要测定泡沫的有效粘度，可通过测定泡沫在填砂模型中对油的驱动力来体现，本发明正是基于该原理，通过在填砂模型的长度放上设置若干的压力表，从而对填砂模型上不同位置的压力值进行测定，再经过精确地计算，可计算出泡沫在填砂模型不同位置处的有效粘度。本发明通过检测填砂管上的压力分布，并通过压力变化体现出泡沫在孔隙介质中封堵能力的大小、泡沫的渗流特征及规律，从而检测出泡沫在填砂管各处的有效粘度，方法极为简便，且所检测出的泡沫的有效粘度的结果更为精确。

本发明的泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定方法，步骤5中，假定气液在孔隙介质中渗流时，完全形成泡沫且为一个均匀相；假设渗流过程中，泡沫化学性质保持不变；忽略液体膨胀性。

泡沫在孔隙介质中渗流时，变大变小的可能性较小，因此了避免泡沫忽大忽小对测定结果造成的影响，本方法设定整个过程中泡沫呈一个均匀相，忽略气泡变化造成的影响；泡沫的化学性质变化对其粘度的影响较大，因此整个过程中均采用泡沫驱水，避免了泡沫化学性质的变化，保证泡沫的粘度不变，同时整个泡沫驱的过程中，气体膨胀性较大，而液体的膨胀性则较小，因此可完全忽略其膨胀性的影响。

本发明的泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定方法，步骤2中，将填砂模型抽真空至-720mmHg柱，并控制温度值为90℃；步骤4中选用有效浓度为0.5%的起泡剂，气体选用压力为15MPa的空气。

由于采用了上述方法，其中需控制温度值为90℃，从而模拟井下地层高温的条件，而将填砂模型抽真空至-720mmHg柱，可将饱和地层水；另外可对效浓度为0.5%的起泡剂进行测定其在孔隙介质中有效粘度，当然根据本发明的方法，还可以测定其它类型的泡沫，在不同浓度情况下的有效粘度，另外空气的压力为15MPa，可促使泡沫剂在填砂模型中形成泡沫，其中控制气/液比为λ，根据实际需要设定，因此可在不同工况下检测泡沫在孔隙介质中的有效粘度，其方法简便快捷。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定方法及设备，通过检测填砂管上的压力分布，并通过压力变化体现出泡沫在孔隙介质中封堵能力的大小、泡沫的渗流特征及规律，从而检测出泡沫在填砂管各处的有效粘度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明中测定泡沫有效粘度的设备；

图2是本发明中线速度对渗流特征的影响示意表；

图3是本发明中岩心不同位置处的粘度值示意表。

图中标记：1-高压气瓶、2-煤油瓶、3-恒速平流泵、4-废液瓶、5-六通阀、6-填砂管、7-泡沫体系、8-回压阀、9-量筒。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，本发明的泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定设备，其特征在于：它包括由填砂管6形成的填砂模型，所述填砂模型上设有若干压力表，所述填砂模型的入口通过六通阀5分别连接高压气瓶1、泡沫体系7以及废液瓶4，所述泡沫体系7上连接恒速平流泵3，所述恒速平流泵3上连接煤油瓶2，所述填砂模型的出口连接回油阀8，所述回油阀8连接到量筒9。其中所述填砂模型的直径38mm，长2000mm，所述填砂管6的长度方向上设有4个压力表，分别位于填砂管6入口端至填砂管6的出口端之间。

本发明的泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定方法，包括：

步骤1、将填砂模型连接各个部件；

步骤2、将填砂模型抽真空至-720mmHg柱，并控制一定温度值，本例中选定为90°C；

步骤3、以一定的注入速度开始水驱，测定并记录填砂模型的渗透率，选用模拟地层水及清水；

步骤4、将起泡剂与气体交替注入到填砂模型中，选用一定效浓度的起泡剂，气体选用一定压力的空气；本例中，选用有效浓度为0.5%的起泡剂，气体选用压力为15MPa的空气。

步骤5、假定气液在孔隙介质中渗流时，完全形成泡沫且为一个均匀相；假设渗流过程中，泡沫化学性质保持不变；忽略液体膨胀性；记录填砂模型上各个压力表的读数，并计算出一定气/液比为λ时，泡沫在填砂模型不同位置处的有效粘度，其计算公式为：

其中：μ_x为有效粘度，λ为气/液比，L为填砂模型长度，x为距填砂模型首端位置的距离占填砂模型长度的比，0≤x≤1，z为气体压缩因子，v₀为泡沫渗流线速度，为孔隙度，p为压力，K为渗透率。

本发明的泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定方法，假设气液在孔隙介质中渗流时，完全形成泡沫且为一个均匀相。同时，进一步假设渗流过程中，泡沫化学性质保持不变。则可以利用达西公式来描述：

$\mathrm{\μ}=\frac{\mathrm{KA}}{L}\·\frac{\mathrm{\ΔP}}{Q}---\left(1\right)$

其中，△P为岩心两端压差，Q为流量。

因泡沫由气液两相组成，则有

Q_f＝Q_l+Q_g (2)

Q_f为泡沫流量，Q_l为泡沫中液体流量，Q_g为泡沫中液体流量。

泡沫在填砂模型中渗流时，填砂模型各处压力不同，但泡沫中的气体组分具有膨胀性，故填砂管各处气体流量不同，即气体流量Q_g随压力P的变化而变化。

根据气体状态方程，有

PV＝znRT  (3)

式中z为气体压缩因子。

因气体体积与流量成正比，故有

z_xP₀Q_g0＝z₀P_xQ_gx  (4)

P₀、Q_g0为填砂管中间位置的压力和气体流量，P_x、Q_gx为距填砂管模型首端xL长度处位置的压力和气体流量(0≤x≤1)，L为填砂管模型长度。z₀、z_x为不同位置压力下气体的压缩因子。

若注入填砂管中泡沫液气液比为λ，则在填砂管始端泡沫气液比为λ，即Qg0：Ql0=λ：1，则有

$Q_{l0}=\frac{1}{\mathrm{\λ}+1}{\·Q}_0,$ $Q_{g0}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}+1}\·Q_0---\left(5\right)$

Ql0为注入填砂管始端液液体流量，Q_g0为始端气体流量，Q₀为泡沫液注入流量。

忽略液体膨胀性，故在填砂管各处都有

Q_lx＝Q_l0  (6)

由式（4）（5）（6）解得

$Q_{lx}=\frac{Q_0}{\mathrm{\λ}+1},$ $Q_{\mathrm{gx}}=\frac{z_x{\mathrm{\λP}}_0{Q}_0}{z_0(\mathrm{\λ}+1)P_x}---\left(7\right)$

将式（7）代入式（2）中得

$Q_{\mathrm{fx}}=\frac{(z_0{P}_x+z_x{\mathrm{\λP}}_0)}{z_0(\mathrm{\λ}+1)P_x}---\left(8\right)$

流量与渗流速度的关系式为

v₀为泡沫渗流线速度，φ为孔隙度。

将式（8）（9）代入（1）中有：

这样，可以计算出一定气/液比时泡沫在填砂管模型不同位置处的有效粘度。

实验所用气液比为1.2：1，故有λ=1.2.假设气体为理想气体，取z_x=1。

当渗流线速度为0.6m/d时，根据实验测得数据拟合出压力随填砂管模型位置变化公式如下：

P_x＝6.9-1.96x  (11)

同理，当注入线速度为1.0m/d、2m/d以及3m/d时，可根据实验数据拟合出下列公式：

P_x＝8.1-3.2x  (12)

P_x＝8.62-3.68x  (13)

P_x＝9-4.08x  (14)

将式（11）及λ=1.2、z_x=1代入式（10）中，可求出注入线速度为0.6m/d时，泡沫体系在距离注入端不同位置处的有效粘度μ_有效公式：

同理，当注入线速度为1.0m/d、2m/d以及3m/d时有：

根据上述公式计算出不同渗流速度下泡沫在填砂管各处有效粘度，其中μ₁、μ₂、μ₃和μ₄分别指离填砂管入口端为1/4、1/2、3/4填砂管长度和填砂管出口端的有效粘度μ_有效。

图2给出了填砂管模型泡沫驱线速度对压力及阻力系数影响的试验结果，填砂管长2m，孔隙体积为800mL，孔隙度为35.3%，渗透率为441×10-3μm2。P1和P4为填砂管首尾压力表示数，P2和P3则为填砂管中间的两个压力表的示数，两个压力表之间相距1m，距首尾两端距离都为0.5m。

根据本发明中的公式计算出不同渗流速度下泡沫在填砂管各处有效粘度，如图3所示，其中μ1、μ2、μ3和μ4分别指离填砂管入口端为1/4、1/2、3/4填砂管长度和填砂管出口端的有效粘度μ有效。

根据其值可见，气液两相进入填砂管后，有效粘度μ有效随着填砂管长度的增加逐渐减小。这是因为泡沫在填砂管中运移时，泡沫的生成速度总是小于泡沫的消失速度，导致泡沫量逐渐降低，所以粘度逐渐降低。在填砂管相同位置处，当注入速度超过临界起泡速度后，注入速度越小，泡沫粘度越大，有效粘度μ有效随着渗流速度的增大而降低。

本发明的泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定方法及设备，通过检测填砂管上的压力分布，并通过压力变化体现出泡沫在孔隙介质中封堵能力的大小、泡沫的渗流特征及规律，从而检测出泡沫在填砂管各处的有效粘度。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (3)

1.一种泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定方法，其特征在于：

其中测定设备包括由填砂管(6)形成的填砂模型，所述填砂模型上设有若干压力表，所述填砂模型的入口通过六通阀(5)分别连接高压气瓶(1)、泡沫体系(7)以及废液瓶(4)，所述泡沫体系(7)上连接恒速平流泵(3)，所述恒速平流泵(3)上连接煤油瓶(2)，所述填砂模型的出口连接回油阀(8)，所述回油阀(8)连接到量筒(9),其中所述填砂模型由两支并联的填砂管(6)组成，其中一支填砂管(6)的直径38mm，长2000mm；另一支填砂管(6)的直径50.8cm，长为1300mm，所述填砂管(6)的长度方向上设有4个压力表，分别位于填砂管(6)入口端至填砂管(6)的出口端之间；

其中方法步骤包括：

步骤1、将填砂模型连接各个部件；

步骤2、将填砂模型抽真空至-720mmHg柱，并控制一定温度值；

步骤3、以一定的注入速度开始水驱，测定并记录填砂模型的渗透率，选用模拟地层水及清水；

步骤4、将起泡剂与气体交替注入到填砂模型中，选用一定效浓度的起泡剂，气体选用一定压力的空气；

步骤5、记录填砂模型上各个压力表的读数，并计算出一定气/液比为λ时，泡沫在填砂模型不同位置处的有效粘度，其计算公式为：

其中：μ_x为有效粘度，λ为气/液比，L为填砂模型长度，x为距填砂模型首端位置的距离占填砂模型长度的比，0≤x≤1，z为气体压缩因子，v₀为泡沫渗流线速度，ψ为孔隙度，p为压力，K为渗透率，P₀为填砂管中间位置的压力，P_x为距填砂管模型首端xL长度 处位置的压力，z₀为填砂管中间位置的压缩因子，z_x为距填砂管模型首端xL长度处位置的压缩因子。

2.如权利要求1所述的泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定方法，其特征在于：步骤5中，假定气液在孔隙介质中渗流时，完全形成泡沫且为一个均匀相；假设渗流过程中，泡沫化学性质保持不变；忽略液体膨胀性。

3.如权利要求1所述的泡沫在孔隙介质中有效粘度的测定方法，其特征在于：步骤2中，将填砂模型抽真空至-720mmHg柱，并控制温度值为90℃；步骤4中选用有效浓度为0.5％的起泡剂，气体选用压力为15MPa的空气。