Phân tích độ ổn định của bọt và cấu trúc bọt áp suất cao với công cụ đo mới

Phân tích độ ổn định và cấu trúc bọt áp suất cao cho khai thác dầu cấp ba

Các tính chất của bọt như độ ổn định, cấu trúc, khả năng tạo bọt và phân bố kích thước bong bóng phụ thuộc, ngoài những yếu tố khác, vào loại và hành vi pha cũng như nồng độ của chất hoạt động bề mặt ổn định, vào hàm lượng muối cũng như các phụ gia như polyme và cuối cùng là nhiệt độ.

Khi bọt được sử dụng trong khai thác dầu cấp ba, một yếu tố khác xuất hiện mà hầu như không đóng vai trò trong các phân tích bọt thông thường: áp suất trong vỉa, dẫn đến khả năng tạo bọt và đặc biệt là hành vi ổn định hoàn toàn khác so với điều kiện tiêu chuẩn. Ảnh hưởng của tham số đặc biệt quan trọng này cho đến nay mới chỉ được nghiên cứu hạn chế do thiếu công nghệ đo lường khả dụng.

Với Máy phân tích bọt áp suất cao – HPFA, việc phân tích sự hình thành, độ ổn định và cấu trúc của bọt lỏng ở áp suất lên đến 35 MPa và nhiệt độ 120 °C gần đây đã trở nên khả thi trong một phép đo duy nhất.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày những khảo sát đầu tiên về hành vi tạo bọt phụ thuộc áp suất được thực hiện với thiết bị này. Trọng tâm là các phép đo chiều cao bọt và cấu trúc cũng như phân tích theo thời gian của chiều cao bọt tương đối và kích thước bong bóng trung bình của bọt nitơ trong nước. Các phép đo kiểm tra độ lặp lại cho kết quả nhất quán.

Ngoài ra, ảnh hưởng của loại khí đối với các khí quan trọng nhất là nitơ (N₂) và carbon dioxide (CO₂) đến hành vi của bọt cũng đã được nghiên cứu.

Bối cảnh nghiên cứu

Để sử dụng bọt trong khai thác dầu cấp ba, sự phân tán của bong bóng khí trong dung dịch chất hoạt động bề mặt phải ổn định trong thời gian dài và chống lại các điều kiện khắc nghiệt trong vỉa, chẳng hạn như độ mặn cao, nhiệt độ và áp suất.

Trước khi dòng chảy đa pha trong không gian lỗ rỗng bao gồm tất cả các tương tác với ma trận đá có thể được nghiên cứu, hành vi của pha lỏng (bọt khối) cần phải được biết. Tùy thuộc vào hệ chất hoạt động bề mặt – khí được sử dụng, áp suất, nhiệt độ, các phụ gia khác nhau và tương tác với muối và dầu thô đều đóng vai trò.

Phần thực nghiệm – Thiết bị đo sử dụng

Do các nghiên cứu trước đây về cấu trúc và độ ổn định bọt chỉ có thể được thực hiện ở áp suất khí quyển và do đó ảnh hưởng của tham số quyết định là áp suất không thể được xác định, Máy phân tích bọt áp suất cao – HPFA đã được phát triển như một thiết bị cho nghiên cứu khoa học về bọt lỏng dưới áp suất cao (p_max = 35 MPa) và nhiệt độ cao (T_max = 120 °C).

Trung tâm của thiết bị là một ô quan sát lỗ dài chịu áp suất cao, trong đó khí đi vào được dẫn qua một tấm lọc thủy tinh (frit) hoặc một lõi khoan vào dung dịch chất hoạt động bề mặt phía trên. Phụ gia và/hoặc dầu thô có thể được bơm vào dung dịch chất hoạt động bề mặt hoặc lên bọt bằng một đơn vị định lượng mini kết nối trước hoặc trong khi đo. (xem hình 1)

Việc đưa khí vào cũng như tạo áp suất trong buồng áp suất cao được thực hiện bằng một bơm bổ sung (HP4790).

Việc phát hiện liên tục chiều cao của bọt được tiến hành bằng phương pháp quang học với camera sử dụng phương pháp ánh sáng truyền qua. Để phát hiện phân bố kích thước bong bóng, một bố trí đặc biệt gồm hai lăng kính được gắn trực tiếp vào kính quan sát để cấu trúc bọt có thể được ghi lại và đánh giá (xem Hình 2 và 3).

Sử dụng phần mềm ADVANCE, các hình ảnh riêng lẻ về chiều cao bọt và cấu trúc bọt được ghi lại và đánh giá liên tục. Kích thước thực tế của các bong bóng được xác định theo thời gian thực và được trực quan hóa trong một biểu đồ tần suất (histogram) cho mỗi thời điểm ghi nhận.

Các dữ liệu như kích thước bong bóng trung bình và phân bố kích thước bong bóng theo thống kê cũng có sẵn cho mỗi thời điểm đo.

Mẫu khảo sát và điều kiện đo Độ ổn định và cấu trúc của bọt từ dung dịch nước của một chất hoạt động bề mặt anion đã được nghiên cứu. Các mẫu chất hoạt động bề mặt được tạo bọt với lưu lượng khí 50 mL/phút và thể tích khí 100 mL thông qua một tấm frit có độ xốp G2 (kích thước lỗ từ 16 đến 40 µm). Các khí nitơ (N₂) và carbon dioxide (CO₂) được sử dụng ở nhiệt độ 45 °C và các mức áp suất khác nhau từ áp suất khí quyển đến 15 MPa.

Sự thay đổi chiều cao bọt và cấu trúc bọt, đặc biệt là kích thước bong bóng trung bình, đã được phân tích sau khi tạo bọt trong khoảng thời gian lên đến 18 giờ. Các điều kiện thí nghiệm được tóm tắt lại trong Bảng 1.

Nhiệt độ	45 °C
Chất hoạt động bề mặt	Sodium-C14-16-Olefin sulfonat
Nồng độ chất hoạt động bề mặt	2 g/L trong nước khử khoáng
Thể tích khí đưa vào	100 mL*
Lưu lượng khí trong quá trình tạo bọt	50 mL/phút
Độ xốp của đĩa lọc	G2 (16 đến 40 µm)
Khí sử dụng	N₂, CO₂

Bảng 1: Điều kiện thí nghiệm.

Kết quả thực nghiệm

Độ ổn định bọt phụ thuộc áp suất

Khi xem xét độ ổn định của bọt N₂ trong nước được ổn định bằng chất hoạt động bề mặt anion, có thể thấy rằng độ ổn định tăng lên khi áp suất tăng, với sự gia tăng đáng kể nhất về độ ổn định nằm trong khoảng áp suất thấp (xem Hình 4). Trong khoảng thời gian quan sát 18 giờ, không có sự phân hủy hoàn toàn nào xảy ra dưới áp suất cao, do đó có thể nói rằng đây là những bọt cực kỳ ổn định.

Liên quan đến kích thước bong bóng trung bình, sự khác biệt lớn nhất cũng được tìm thấy ở áp suất thấp.

Ví dụ, kích thước bong bóng trung bình ban đầu của một bọt được tạo ra ở áp suất môi trường khác biệt đáng kể so với kích thước bong bóng trung bình ban đầu ở các áp suất cao hơn từ 5 đến 15 MPa. Kích thước bong bóng trung bình tăng theo thời gian ở tất cả các mức áp suất; hiệu ứng này giảm khi áp suất tăng và hầu như không đáng kể ở 15 MPa. Tại đây, kích thước bong bóng rất ổn định, điều này cũng cho thấy độ ổn định cao của bọt.

Độ ổn định bọt phụ thuộc vào loại khí

Độ ổn định của bọt và sự phát triển của kích thước bong bóng trung bình trong suốt vòng đời của bọt phụ thuộc vào nhiều thông số vật lý, một số trong đó phụ thuộc mạnh vào áp suất. Những thông số này bao gồm đặc biệt là sức căng bề mặt giữa hai pha có mặt trong bọt, mật độ và độ nhớt, vốn thay đổi theo thời gian do sự chuyển khối, cũng như độ hòa tan lẫn nhau liên quan.

Do các tính chất vật chất cơ bản khác nhau của CO₂ so với N₂ trong toàn bộ dải áp suất lên đến 35 MPa, bức tranh đối với các bọt hình thành với CO₂ hoàn toàn khác so với bọt N₂. Hình 5 cho thấy sự so sánh giữa một bọt hình thành với N₂ và một bọt hình thành với CO₂ ở áp suất 5 MPa. Các điều kiện thử nghiệm khác như thể tích khí, loại và nồng độ chất hoạt động bề mặt đều giống nhau (xem Bảng 1).

Chiều cao tương đối của bọt CO₂ giảm nhanh hơn đáng kể so với bọt N₂ và đã xuống dưới 10% sau 2 giờ (xem Hình 5a). Các bọt CO₂ phân rã nhanh hơn và do đó kém ổn định hơn so với bọt N₂.

Kích thước bong bóng trung bình ban đầu là tương đương và do đó chỉ phụ thuộc vào áp suất chứ không phụ thuộc vào loại khí. Kích thước bong bóng trung bình của bọt CO₂ tăng nhanh hơn đáng kể theo thời gian so với các mẫu bọt N₂ (xem Hình 5b).

Thời gian bán hủy (half-life) xấp xỉ 12 giờ khi sử dụng N₂ và chỉ khoảng 50 phút khi sử dụng CO₂.

Yếu tố quyết định cho điều này có thể là độ hòa tan lẫn nhau ngày càng tăng của CO₂ và dung dịch chất hoạt động bề mặt trong nước, đặc biệt khi áp suất tăng. Đặc biệt, sự chuyển khối tăng cường của CO₂ trong và qua các màng bọt dẫn đến sự gia tăng nhanh hơn của kích thước bong bóng trung bình (hiện tượng Ostwald ripening), và do đó làm giảm độ ổn định của bọt.

Khả năng tái lập (Reproducibility)

Vì bọt là những hệ thống rất phức tạp, khả năng tái lập là một thách thức lớn. Độ sai lệch giữa các phép đo trong cùng điều kiện thử nghiệm tăng lên khi thời gian đo tăng. Hình 6 cho thấy hai phép đo trong điều kiện giống hệt nhau ở áp suất 15 MPa. Kết quả có thể tái lập một cách dễ dàng. Độ sai lệch của hai phép đo sau 18 giờ là 9% đối với chiều cao bọt tương đối và 1% đối với kích thước bong bóng trung bình.

Kết luật

Những nghiên cứu đầu tiên về bọt nước dưới áp suất cao với Máy phân tích bọt áp suất cao – HPFA cho thấy ảnh hưởng đáng kể của việc tăng áp suất lên các tính chất của bọt. Chiều cao bọt tương đối và kích thước bong bóng trung bình của bọt N₂ được ổn định bằng chất hoạt động bề mặt trong nước ổn định hơn đáng kể ở áp suất cao so với áp suất thấp. Độ ổn định của bọt tăng lên khi áp suất tăng, điều này có thể được giải thích bằng sự đối lưu Marangoni tăng cường ở áp suất cao.

So sánh giữa các bọt hình thành với N₂ và CO₂ cho thấy ảnh hưởng của loại khí và các tính chất vật liệu phụ thuộc áp suất liên quan đến các thông số bọt. Bọt CO₂ kém ổn định hơn đáng kể so với bọt N₂, điều này có thể được giải thích bằng độ hòa tan lẫn nhau của CO₂ và mẫu dung dịch.

Thông qua các phép đo lặp lại điển hình, có thể chứng minh được khả năng tái lập tốt trong phân tích chiều cao bọt và độ chính xác lặp lại xuất sắc trong đường kính bong bóng trung bình.

Kỹ thuật đo mới này và ảnh hưởng mạnh mẽ của áp suất lên hành vi của bọt được thể hiện nhờ nó đã mở ra một lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn, qua đó việc sử dụng bọt trong khai thác dầu cấp ba có thể được tối ưu hóa.