Eine systematische Untersuchung der Beziehung zwischen den Eigenschaften von Massenschaum und Schaum in porösen Medien

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 8058 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Massenschaumanalyse (statischer Test) ist einfach und schnell, was sie zu einer kostengünstigen Methode zum Screening und Einstufen von Hunderten von Tensiden macht, die für Schaumanwendungen in Betracht gezogen werden. Coreflood-Tests (dynamischer Test) können ebenfalls verwendet werden, sind jedoch recht aufwändig und kostspielig. Frühere Berichte zeigen jedoch, dass sich die Rangfolge auf der Grundlage statischer Tests manchmal von der Rangfolge auf der Grundlage dynamischer Tests unterscheidet. Bis heute ist der Grund für eine solche Diskrepanz nicht vollständig geklärt. Einige glauben, dass dies an einem fehlerhaften experimentellen Design liegen könnte, während andere glauben, dass es keine Diskrepanz gibt, wenn die richtigen Schaumleistungsindizes zur Beschreibung und zum Vergleich der Ergebnisse beider Methoden verwendet werden. Zum ersten Mal berichtet diese Studie über eine systematische Reihe statischer Tests, die an verschiedenen Schaumlösungen (mit einer Tensidkonzentration im Bereich von 0,025 bis 5 Gew.-%) durchgeführt und in dynamischen Tests unter Verwendung derselben Kernprobe für alle Tensidlösungen wiederholt wurden. Der dynamische Test wurde auch an drei verschiedenen Gesteinen mit einem breiten Permeabilitätsbereich (26–5000 mD) für jede der Tensidlösungen wiederholt. Im Gegensatz zu früheren Studien wurden hier mehrere dynamische Schaumindizes (Grenzkapillardruck, scheinbare Viskosität, eingeschlossener Schaum und Verhältnis von eingeschlossenem zu mobilem Schaum) gemessen und mit den aus den statischen Tests gemessenen Leistungsindizes (Schaumtextur und Schaumhalbwertszeit) verglichen. Dynamische Tests stimmten bei allen Schaumformulierungen vollständig mit statischen Tests überein. Es wurde jedoch beobachtet, dass die Porengröße der im statischen Schaumanalysator verwendeten Basisfilterscheibe eine potenzielle Quelle widersprüchlicher Ergebnisse beim Vergleich mit dem dynamischen Test sein kann. Dies liegt daran, dass es einen Schwellenwert für die Porengröße gibt, oberhalb dessen einige Schaumeigenschaften (scheinbare Viskosität und eingeschlossener Schaum) im Vergleich zu den Eigenschaften vor diesem Schwellenwert erheblich abnehmen. Die Begrenzung des Kapillardrucks durch Schaum ist die einzige Schaumeigenschaft, bei der ein solcher Trend nicht zu erkennen ist. Es scheint auch, dass dieser Schwellenwert oberhalb einer bestimmten Tensidkonzentration (0,025 Gew.-%) auftritt. Offensichtlich ist es zwingend erforderlich, dass die Porengröße der im statischen Test verwendeten Filterscheibe und des im dynamischen Test verwendeten porösen Mediums auf der gleichen Seite des Schwellenwerts liegen, da es sonst zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen kann. Außerdem sollte die Schwellenkonzentration des Tensids bestimmt werden. Die Rolle dieser beiden Faktoren (Porengröße und Tensidkonzentration) bedarf weiterer Untersuchungen.

Schaum findet in vielen industriellen Anwendungen Anwendung, darunter in der Lebensmittel-, Pharma-, Öl- und Gasindustrie usw. In der Erdöltechnik wird wässriger Schaum hauptsächlich verwendet, um die Gasmobilität bei Gasinjektionsprojekten zu reduzieren und so die Ölförderung zu verbessern. Darüber hinaus wird Schaum aufgrund seiner hohen Fähigkeit zur Reduzierung der relativen Gasdurchlässigkeit und zum Einfangen von Gas in CO2-Geo-Sequestrierungsanwendungen verwendet1. Wässriger Schaum entsteht durch Dispergieren von Gas in einer kontinuierlichen Tensidlösung. Die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche wird während der Schaumerzeugung aufgrund der Tensidaggregation an der Grenzfläche stabilisiert. Auf der Porenebene besteht der erzeugte Schaum aus strömendem Gas und eingeschlossenem Gas. Ersteres nimmt große Poren ein, die einen geringen Strömungswiderstand aufweisen, während letzteres kleine bis mittlere Porenräume einnimmt2. Die Schaumblasen werden durch einen kontinuierlichen Flüssigkeitsfilm, sogenannte Lamellen, getrennt, der eine Erhöhung der viskosen Kraft beim Fließen bewirkt, indem er dem Gasstrom einen hohen Widerstand entgegensetzt3.

Der erzeugte Schaum muss stark und stabil sein, um die beabsichtigten Ergebnisse zu erzielen. Verschiedene Arten von Tensiden und Nanopartikeln können unterschiedliche Grade an Schaumfestigkeit und -stabilität ergeben. Aus diesem Grund müssen viele kommerzielle Tenside und/oder Nanopartikellösungen auf ihre Eignung für die Anwendung in bestimmten porösen Medien und Umgebungsbedingungen überprüft und bewertet werden. Ein solches groß angelegtes Screening kann an Massenschaum (statische Schaumanalyse) oder Mikroschaum, der in porösen Medien fließt (Kernflut- oder dynamische Schaumanalyse), durchgeführt werden. Coreflood ist aufwändig und kostspielig. Andererseits ist die Massenschaumanalyse einfach und schnell, was sie zu einer kostengünstigen Methode zum Screening von Dutzenden oder Hunderten von Tensiden macht, die für Schaumanwendungen in Betracht gezogen werden. Allerdings gibt es einige Berichte über den fehlenden Zusammenhang zwischen statischer Schaumanalyse und dynamischer Schaumanalyse4. Es gibt zwei Arten von Beziehungen zwischen statischem Schaum und dynamischem Schaum. Der erste besteht darin, die Rangfolge von Schaumformulierungen (basierend auf einigen definierten Indizes) aus statischen Tests mit der Rangfolge aus dynamischen Tests zu vergleichen. Das zweite ist ein direkter Vergleich der Schaumleistung (Festigkeit und Stabilität) einer bestimmten Schaumformulierung, gemessen in einem statischen Test, mit der Messung in dynamischen Tests. In beiden Fällen sollten die Ergebnisse ähnlich sein, wenn die verwendete Methodik korrekt ist und die richtigen Indizes verglichen werden. Für die Einstufung von Tensidformulierungen verwendeten Mannhardt et al.5 verschiedene experimentelle Methoden (Kernflut, Massenschaum, Mikromodellbeobachtungen und Grenzflächenparameter), um die Leistung von sechs verschiedenen Schaumformulierungen zu bewerten und einzustufen. Sie fanden heraus, dass jede experimentelle Methode eine unterschiedliche Leistungsbewertung für die sechs getesteten Schaumformulierungen ergab, was es schwierig machte, die geeignete Schaumformulierung zu prüfen oder auszuwählen. Eine ähnliche Ungleichheit wurde auch von Jones et al.6 berichtet. Diese Forscher kamen dann zu dem Schluss, dass die Bewertung von Schäumen für Feldanwendungen mithilfe von Kernflutexperimenten unter Reservoirbedingungen erfolgen muss. Zum direkten Vergleich berichteten einige Forscher, dass es keine Korrelation zwischen dem im statischen Test durchgeführten Schaumstabilitätstest und dem im dynamischen Test durchgeführten Test gab7,8. Andererseits berichteten einige andere Forscher über eine gute Korrelation zwischen den beiden9,10,11,12,13,14. Die Ursache dieser Ungleichheit ist nicht klar. Einige Autoren führen dies einfach auf die Tatsache zurück, dass sich das Schaumverhalten in porösen Medien vom Schaumverhalten in seiner Massenform unterscheidet. Sicherlich unterliegt die Schaumströmung in porösen Medien vielen Einflussfaktoren, die das Schaumverhalten in porösen Medien beeinflussen. Dazu gehören Tensidkonzentration, Injektionsrate, Gasanteil (Schaumqualität), Temperatur, Salzgehalt, das Vorhandensein von Verunreinigungen (z. B. Rohöl), mechanische Scherung und Dehnung beim Durchgang durch Poren und Engstellen, Adsorption an Gesteinsoberflächen usw natürlich die Eigenschaften der porösen Medien. Aufgrund dieser Faktoren reagieren verschiedene Tenside unterschiedlich. Das gewünschte Tensid muss die geringste Adsorptionstendenz an der Gesteinsoberfläche aufweisen und außerdem in der Lage sein, starken und stabilen Schaum zu erzeugen. Daher sind Adsorption, Festigkeit und Stabilität die Hauptkriterien für die Prüfung und Auswahl von Tensiden für jedes Schaumprojekt. Die Analyse von Schaummassen kann durch die Messung der Halbwertszeit einen expliziten Hinweis auf die Stabilität des Schaums liefern, während die Schaumfestigkeit anhand der Blasentextur beurteilt werden kann, die durch mikroskopische Bilder der Schaummasse beobachtet wird. Anschließend können Adsorptionstests an Gesteinsproben aus dem interessierenden Reservoirgestein durchgeführt werden. Um eine gerechte Rangfolge zwischen vielen Tensiden zu gewährleisten, wird die Massenschaumanalyse für alle Tenside bei den gleichen Flüssigkeits- und Versuchsbedingungen (Temperatur, Salzgehalt der Sole, Tensidkonzentration) durchgeführt. Der Coreflood-Test kann auch Hinweise auf die Schaumfestigkeit und -stabilität geben, die aus dem Grenzkapillardruck, der scheinbaren Viskosität und dem Widerstandsfaktor abgeleitet werden. Um eine faire Rangfolge zu gewährleisten, müssen Kernfluttests in derselben Gesteinsart für alle Tenside und unter denselben experimentellen und flüssigen Bedingungen (Salzgehalt der Sole, Tensidkonzentration, Temperatur, Druck, Schaumqualität, Injektionsrate usw.) durchgeführt werden. Wenn danach Ungleichheiten in der Rangfolge auftreten, kann dies auf experimentelle Fehler oder in der technischen Definition dessen, was die in beiden Methoden verwendeten Leistungsindizes darstellen, hingewiesen werden. Es besteht daher die Notwendigkeit, eine gut konzipierte und systematische Studie durchzuführen, um zu untersuchen, ob Ergebnisse aus statischen Schaumtests und dynamischen Tests korrelieren. Nach bestem Wissen der Autoren berichtet diese Studie zum ersten Mal über einen Eins-zu-eins-Vergleich zwischen mehreren statischen Tests (von einem einzigen statischen Schaumanalysator) und mehreren dynamischen Tests (von derselben Kernprobe) für a Große Auswahl an Schaumformulierungen/-stärken und eine große Auswahl an Kerneigenschaften. Viele Leistungsindizes wurden auch aus den dynamischen Tests ermittelt und mit den Leistungsindizes des Massentests verglichen, nämlich Halbwertszeit, Schaumvolumen und Blasentextur. Anstatt verschiedene Arten von Tensiden zu untersuchen, wird hier das gleiche Tensid verwendet, jedoch mit unterschiedlicher Konzentration, da unterschiedliche Tensidkonzentrationen Schaum unterschiedlicher Stärke, Textur und Stabilität erzeugen15.

Der Abschnitt zur Methodik ist in die Bereiche Massenschaumanalyse, Gesteinscharakterisierung und Kernflutung unterteilt.

Zur Messung der Schaumhöhe und der Schaumhalbwertszeit als Funktion der Zeit bei Raumbedingungen (23 °C) wurde ein herkömmlicher statischer Schaumanalysator verwendet. Der statische Schaumanalysator besteht aus einer vertikalen transparenten Glassäule (25 cm hoch und 4 cm Innendurchmesser) und einer Filterscheibe mit einer Porengröße von 40 bis 100 µm an der Basis. Ein Volumen von 50 cm³ der Hauptflüssigkeit (verschiedene Konzentrationen von Tensidlösungen in Meerwasser) wurde in die Glassäule gegeben. Der Massenschaum wurde dann erzeugt, indem Stickstoffgas über die Dauer von 12 s mit einer Gasrate von 0,3 l pro Minute durch die unter der Massenflüssigkeit montierte Filterscheibe geleitet wurde. Anschließend wurden Schaumvolumen/-höhe, Halbwertszeit/Stabilität und mikroskopische Bilder/Textur über die Zeit gemessen. Die Oberflächenspannung der Tensidlösungen wurde ebenfalls mit einem dynamischen Kontaktwinkeltensiometer gemessen. Die Einzelheiten der Messapparatur und des Messverfahrens sind einer früheren Studie zu entnehmen16.

Drei Aufschlussgesteinsproben, die sowohl Sandstein als auch Karbonat mit einem breiten Permeabilitätsbereich abdecken, wurden entnommen und in zylindrische Pfropfen geschnitten, deren Abmessungen und petrophysikalische Eigenschaften in Tabelle 1 aufgeführt sind. Die Porenstruktur der Gesteinsproben wurde mit einem hochauflösenden Mikro-CT-Scanner analysiert auf den vom Rand der Gesteinsproben entnommenen Endstücken. Die Einzelheiten des Verfahrens und der Versuchsapparatur sind in einem früheren Artikel17,18 enthalten. Eine auf den Mikro-CT-Bildern durchgeführte Porennetzwerkmodellierung lieferte Informationen über die durchschnittliche Porengröße und die durchschnittliche Porenhalsgröße der Gesteinsproben.

Mit einem Niederfeld-NMR-Tischgerät (2 MHz) wurden auch Kernspinresonanzrelaxationsmessungen an den Proben durchgeführt, als diese zu 100 % mit Salzlösung gesättigt waren. Solche Messungen liefern Informationen über die Porengrößenverteilung der Gesteine im Hinblick auf die Relaxationsrate der Wasserstoffkerne der Flüssigkeit in den verschiedenen Poren.

An den Gesteinsproben wurden poröse Plattenmessungen durchgeführt, um die Kapillardruckverteilung für die verschiedenen Gesteinsproben zu ermitteln. Solche Kapillardruckkurven werden benötigt, um den Grenzkapillardruck zu ermitteln, bei dem Schaum zu koaleszieren oder zu reißen beginnt.

Im Labor wurde eine synthetische Sole mit einer Salzkonzentration von 67.479 ppm hergestellt (Tabelle 2). Anschließend wurden unterschiedliche Konzentrationen eines nichtionischen Tensids (Triton X-100) in der Salzlösung gelöst, um die Tensidlösungen zu bilden. Es wurde ein nichtionisches Tensid verwendet, da unsere vorherige Studie zeigte, dass es anderen Tensidtypen überlegen war11. Als Gasphase wurde in allen Experimenten Stickstoffgas mit einer Reinheit von 99,9 % verwendet. Sole mit unterschiedlichen Tensidkonzentrationen wurde in Chargen hergestellt, nämlich: 0,025 Gew.-%; 0,05 Gew.-%.; 0,1 Gew.-%.; 0,5 Gew.-%; 1 Gew./Vol. %; 2,5 Gew.-%; und 5 Gew.-%.

Für eine gegebene Charge einer Tensidlösung wurden die Gesteinsproben zunächst mithilfe einer Vakuumsättigungsmethode mit der Lösung gesättigt. Kernflutexperimente wurden bei einer Atmosphärentemperatur von 23 °C, einem Grenzdruck von 2200 psi und einem Gegendruck von 1450 psi durchgeführt. Vor der Gasinjektion wurde die Gesteinsprobe zusätzlich mit etwa 2 Porenvolumina der Tensidlösung mit einer Injektionsrate von 0,5 cm3/min injiziert, um eine vollständige Sättigung mit Tensid sicherzustellen und die Auswirkungen von Tensidverlusten durch Adsorption an der Gesteinsoberfläche zu reduzieren. Auf dem Coreflood-Gerät wurden Differenzdruckwandler installiert, um Druckdaten auf der Computerstation in einem Intervall von 5 s zu messen und aufzuzeichnen. Am Kernhalter wurden außerdem Anschlüsse für den elektrischen Widerstand installiert, um den elektrischen Widerstand der Gesteinsprobe zu überwachen und am Computer aufzuzeichnen. Das angewandte Kernflutverfahren zur Schauminjektion wurde in unseren vorherigen Artikeln beschrieben und ermöglichte die kontinuierliche Überwachung der Sättigung von eingeschlossenem und mobilem Schaum17,19,20. Bei dieser Methode wurden etwa 0,1 pv Gas mit einer Geschwindigkeit von 0,5 cm3/min in die zunächst mit Tensidlösung gesättigte Gesteinsprobe injiziert und anschließend kontinuierlich Sole (mit Tensid) injiziert, bis ein stabiler Zustand erreicht war. Das in diesem stationären Zustand eingeschlossene Gas wird dann durch Widerstandsmessung gemessen. Darauf folgt ein zweiter Zyklus, in dem ein höheres Porenvolumen an Gas (z. B. 0,2 pv) injiziert wird, gefolgt von einer kontinuierlichen Soleinjektion, bis ein weiterer stabiler Zustand erreicht wird und die neue Sättigung des eingeschlossenen Gases und der mobile Schaum gemessen werden. Das Experiment wurde abgebrochen, als es keine signifikanten Änderungen bei der Widerstands- und Druckabfallmessung mit einem Anstieg des PV des in die Gesteinsprobe injizierten Gases gab. Hier wurde die globale Stabilität des eingeschlossenen Gases erreicht.

Abbildung 1 zeigt die Schaumtexturanalyse bei unterschiedlichen Konzentrationen von Tensidlösungen und zu den verschiedenen verstrichenen Zeiten nach ihrer Erzeugung im statischen Schaumanalysator. Wenn man sich für jede Tensidkonzentration in Abb. 1 von links nach rechts bewegt, kollabieren die Schaumblasen mit der Zeit aufgrund der Ostwald-Reifung oder der Blasenkoaleszenz. Dies führt zu größeren Blasengrößen und geringerer Blasendichte (Anzahl), wenn der Schaum altert und seine Höhe abnimmt. Eine Erhöhung der Tensidkonzentration (von oben nach unten in Abb. 1) mit jeder verstrichenen Zeit führt jedoch zu einer besseren Schaumtextur. Die Wirkung der Tensidkonzentration scheint bei einer Konzentration von 2,5 Gew.-% optimal zu sein. Daher gab es über diese Konzentration hinaus keine wesentliche Verbesserung der Schaumtextur.

Die Textur von Massenschaum in verschiedenen Zeitschritten nach der Erzeugung von Massenschaum (0–3600 s). Die Textur wird für verschiedene Tensidkonzentrationen im Bereich von 0,02 bis 10 Gew.-% angezeigt.

Im Hinblick auf die Schaumstabilität steigt, wie in Abb. 2 dargestellt, die Schaumhalbwertszeit mit zunehmender Tensidkonzentration. Bei einer Konzentration über 2,5 Gew.-% ist der Anstieg der Halbwertszeit jedoch nicht so signifikant. In ähnlicher Weise war in Abb. 3 die Messung der Oberflächenspannung bis zu 2,5–5 Gew.-% sehr steil, danach wurde festgestellt, dass die Abnahme allmählich erfolgte. Aus den Abbildungen geht klar hervor. Aus den Abbildungen 2 und 3 geht hervor, dass keine Asymptote erreicht wurde, was darauf hindeutet, dass mit zunehmender Tensidkonzentration geringfügige Änderungen der Schaumeigenschaften auftreten. Dennoch ist ein optimaler Tensidkonzentrationswert erforderlich, d. h. die Konzentration, ab der sich die Eigenschaften des Schaums nicht wesentlich ändern, um die damit verbundenen Kosten einer Erhöhung der Konzentration zu rechtfertigen. Aus der Analyse der Schaummasse in dieser Studie geht hervor, dass 2,5 Gew.-% die optimale Konzentration zu sein scheint. Die Ergebnisse der Untersuchung der optimalen Tensidkonzentration für die Schaumleistung in porösen Medien werden im nächsten Abschnitt vorgestellt.

Schaumhalbwertszeit im Vergleich zu Tensidkonzentrationen.

Oberflächenspannung einer Tensidlösung bei verschiedenen Konzentrationen.

Zunächst werden die Poreneigenschaften der Gesteinsproben anhand ihrer Kapillardruckkurven (Abb. 4) und der NMR-T2-Relaxationsverteilung (Abb. 5) dargestellt. Tabelle 2 fasst auch andere Daten zur Porenstruktur zusammen, die auf auf Mikro-CT-Bildern basierenden Porennetzwerkmodellen und XRD-Analysen basieren. Aus diesen Zahlen geht deutlich hervor, dass sich die drei Gesteinsproben hinsichtlich Porosität, Permeabilität, Kapillardruck und Porengrößenverteilung deutlich voneinander unterscheiden. Dies ebnet den Weg für eine ganzheitlichere Untersuchung des Einflusses einer Vielzahl von Gesteinsporenstrukturen auf die Schaumeigenschaften. Die Probe IDG weist aufgrund der großen Porengrößen einen niedrigen Kapillardruck auf (wie durch die lange T2-Relaxation in Abb. 5 veranschaulicht), während die Probe AC den höchsten Kapillardruck aufweist, da sie die niedrigste Porengröße aufweist (kurze T2-Relaxation). Probe B liegt in allen Definitionen der Poreneigenschaften zwischen den beiden Extremen, wie in Tabelle 3 gezeigt.

Kapillardruckkurven.

NMR-T2-Relaxationskurven.

Die Sättigung der Gesteinsproben mit eingeschlossenem und beweglichem Schaum wurde anhand der gemessenen Widerstandswerte mithilfe der Archie-Gleichung (Gleichung 1) geschätzt.

Dabei ist \({S}_{w}\) die In-situ-Wassersättigung in der Gesteinsprobe (in Bruchteilen), \({R}_{0}\) (Ohm-m) der elektrische Widerstand der Gesteinsprobe Gestein, wenn es zu 100 % mit Salzlösung (mit gelöstem Tensid) gesättigt ist, ist \({R}_{t}\) (Ohm-m) der spezifische Widerstand des Gesteins bei teilweiser Wassersättigung und 'n' ist der Sättigungsexponent , ein Parameter, der während eines Experiments zum Widerstandsindex einer porösen Platte ermittelt wurde. Da nur zwei Phasen durch das poröse Medium strömten, nämlich Flüssigkeit und Gas, wird die Gas- oder Schaumgassättigung (\({S}_{g}\)) zu jedem Zeitpunkt mit Gl. (2).

Die Abbildungen 6, 7, 8, 9, 10 und 11 zeigen unterschiedliche Schaumeigenschaften (eingeschlossener Schaum, scheinbare Viskosität, Grenzkapillardruck, Verhältnis von beweglichem zu eingeschlossenem Schaum) im Vergleich zur Tensidkonzentration in allen drei Gesteinsproben. Diese Schaumeigenschaften änderten sich mit zunehmender Tensidkonzentration in unterschiedlichem Maße.

Auswirkung der Tensidkonzentration auf (A) eingeschlossenen Schaum (B) Scheinbare Viskosität des Schaums bei unterschiedlicher Permeabilität.

Einfluss der Tensidkonzentration auf (A) den begrenzenden Kapillardruck des Schaums (B) das Verhältnis von beweglichem zu eingeschlossenem Schaum bei unterschiedlicher Permeabilität.

Einfluss der Tensidkonzentration auf (A) eingeschlossenen Schaum (B) Verhältnis von beweglichem zu eingeschlossenem Schaum für verschiedene Porengrößen.

Einfluss der Tensidkonzentration auf (A) den begrenzenden Kapillardruck des Schaums (B) das Verhältnis von beweglichem zu eingeschlossenem Schaum für verschiedene Porengrößen.

Einfluss der Tensidkonzentration auf (A) den eingeschlossenen Schaum (B) die scheinbare Viskosität für verschiedene T2LM.

Einfluss der Tensidkonzentration auf (A) den begrenzenden Kapillardruck des Schaums (B) das Verhältnis von beweglichem zu eingeschlossenem Schaum für verschiedene T2LM.

Hinsichtlich der Auswirkung der Tensidkonzentration auf bestimmte Schaumeigenschaften wurde eine gute Übereinstimmung zwischen allen gemessenen Schaumeigenschaften und Schaumeigenschaften in den Gesteinsproben beobachtet. Alle statischen und dynamischen Schaumeigenschaften wurden mit einer Erhöhung der Tensidkonzentration (Schaumfestigkeit) verbessert. Allerdings treten Ungleichheiten auf, wenn der Einfluss der Poreneigenschaften im Vergleich berücksichtigt wird, was darauf hindeutet, dass der Vergleich der Schaumeigenschaften in verschiedenen Gesteinen mit Vorsicht erfolgen muss.

Die Abbildungen 6, 7, 8, 9, 10 und 11 zeigen, wie sich die Tensidkonzentration auf den eingeschlossenen Schaum, die scheinbare Viskosität und den begrenzenden Kapillardruck in einer Vielzahl von Gesteinen mit einem breiten Porencharakteristikum auswirkt: Permeabilitätsbereich von 26–5000 mD; durchschnittliche Porengröße von 4–9 µm; durchschnittliche Halsgröße von 2,7–6 µm. Die Sättigung des eingeschlossenen Schaums und folglich die scheinbare Viskosität des Schaums nehmen mit jeder Erhöhung der Tensidkonzentration (im weiteren Sinne mit jeder Erhöhung der Schaumfestigkeit) und mit jedem Gesteinsporencharakter zu, der in den Abbildungen durch einen Datenpunkt dargestellt wird. Allerdings wirkt sich die Beschaffenheit der Poren oberhalb eines Schwellenwerts umgekehrt auf die Schaumeigenschaften aus, wie in Abb. 6 dargestellt. Basierend auf diesen Zahlen scheint es, dass irgendwo zwischen 278 und 5000 mD ein optimaler Permeabilitätswert existiert, bei dem sich die Schaumeigenschaften umkehren seinen Trend vom anfänglichen Trend. Interessanterweise tritt die Umkehrung (oder der Rückgang) der Sättigung des eingeschlossenen Schaums und der scheinbaren Viskosität nur auf, wenn die Tensidkonzentration höher als 0,025 Gew.-% ist. Mit zunehmender Tensidkonzentration nimmt die Schwere der Umkehr zu (dh die Kurve wird konkaver). Der genaue Grund dafür bedarf einer umfassenderen Untersuchung. Es gibt fast eine vollständige Überschneidung zwischen der Tensidkonzentration von 2,5 Gew.-% und 5 Gew.-% für den Schaumeinschluss (Abb. 6) und die Begrenzung des Kapillardrucks (Abb. 7).

Die Ähnlichkeit zwischen dem Verhalten beim Einfangen von Schaum und der scheinbaren Viskosität des Schaums zeigt, dass die Sättigung des eingeschlossenen Schaums hauptsächlich von der scheinbaren Viskosität des Schaums bestimmt wird.

Der Grenzkapillardruck des Schaums nimmt auch zu, wenn die Tensidkonzentration steigt (Abb. 7A). Im Hinblick auf Änderungen der Permeabilität unterscheidet sich der Grenzkapillardruck des Schaums jedoch von anderen Schaumeigenschaften (z. B. der Sättigung des eingeschlossenen Schaums und seiner scheinbaren Viskosität). Der limitierende Kapillardruck nimmt mit zunehmender Permeabilität ab. Dies ist zu erwarten, da die Kapillardruckverhältnisse in Gesteinen mit hoher Permeabilität nicht so hoch sind wie in Gesteinen mit geringerer Permeabilität. Da der schaumbegrenzende Kapillardruck das direkteste Maß für die Schaumfestigkeit ist12, ist der Schaum in Gesteinen mit geringer Permeabilität stärker als in Gesteinen mit hoher Permeabilität, und mit einer Erhöhung der Tensidkonzentration erhöht sich die Festigkeit des erzeugten Schaums weiter (Abb. 7A). Es gibt auch keine Umkehr des Grenzkapillardrucktrends, wie dies im Fall der Sättigung des eingeschlossenen Schaums und der scheinbaren Viskosität in Abb. 6 beobachtet wurde.

Da eine steigende Tensidkonzentration die Sättigung des eingeschlossenen Schaums erhöhte (Abb. 6A), ist zu erwarten, dass die Sättigung des mobilen Schaums mit zunehmender Tensidkonzentration abnimmt, wie in Abb. 7B dargestellt. In ähnlicher Weise nimmt aus dem gleichen Grund der Anteil des Mobil-zu-eingeschlossenen Schaums mit zunehmender Permeabilität ab, mit einer ähnlichen Umkehrung bei demselben Permeabilitätsschwellenwert in Abb. 6A.

Basierend auf den Ergebnissen in Abb. 6 und 7 lässt sich vermuten, dass die Sättigung des eingeschlossenen Schaums die scheinbare Viskosität und das Verhältnis von mobilem zu eingeschlossenem Schaum direkt beeinflusst. Daher kann die Sättigung des eingeschlossenen Schaums oder eine ihrer abhängigen Variablen verwendet werden, um die Schaumleistung in Gesteinen mit demselben Porencharakter zu vergleichen. Beim Vergleich zweier unterschiedlicher Gesteinsporengeometrien lässt sich jedoch nicht sagen, dass die Schaumfestigkeit mit zunehmendem Einschluss zunimmt, da der Einschluss und der begrenzende Kapillardruck in unterschiedlichem Zusammenhang mit der Änderung der Porengeometrie stehen.

Es wurde bereits früher gezeigt, dass Schaum mit großen Blasen schwachem Schaum entspricht, basierend auf der Massenschaumanalyse in Abb. 1. Auch Gesteine mit großen Poren, großen Kehlen und hoher Durchlässigkeit fördern die Bildung großer Blasen (große Schaumtextur), da Schaum entsteht die Struktur der Poren, in denen sie entstehen. Die Fließneigung von schwachem (grobem) Schaum ist aufgrund des geringen Differenzdrucks und der geringen Fließgeschwindigkeit über Gestein mit hoher Permeabilität ebenfalls geringer19,21,22. Daher bleiben sie aufgrund des unzureichenden Druckabfalls in Gesteinen mit hoher Permeabilität eingeschlossen. Infolgedessen ist zu erwarten, dass die Sättigung des eingeschlossenen Schaums mit zunehmender Permeabilität zunimmt und umgekehrt. Der Grenzkapillardruck von Schaum nimmt mit zunehmender Permeabilität ebenfalls ab (Abb. 7), ein Beweis dafür, dass Gesteine mit hoher Permeabilität einen schwächeren Schaum erzeugen als Gesteine mit geringerer Permeabilität. Es wird daher schwierig zu beurteilen, ob eine höhere Sättigung des eingeschlossenen Schaums in einer Gesteinsprobe im Vergleich zu einer anderen ein Hinweis auf stärkeren oder schwächeren Schaum ist.

Die oben genannten Schaumeigenschaften wurden mit anderen Gesteinsporenmerkmalen (durchschnittliche Porengröße, durchschnittliche Halsgröße und der logarithmische Mittelwert der T2-Relaxation) aufgetragen. Diese Schaumeigenschaften reagieren ähnlich auf die Variation dieser Poreneigenschaften, wie in Abb. 8 dargestellt (eingeschlossener Schaum und scheinbare Viskosität im Verhältnis zur Porengröße); Abb. 9 (Grenzkapillardruck und Verhältnis von beweglichem zu eingeschlossenem Schaum im Verhältnis zur Porengröße); Abb. 10 (eingeschlossener Schaum und scheinbare Viskosität im Vergleich zu NMR T2); und Abb. 11 (Grenzkapillardruck und Verhältnis von mobilem zu eingeschlossenem Schaum im Vergleich zu NMR T2). Die durchschnittliche Porengröße kann auch als logarithmisches Mittel der NMR-T2-Relaxation dargestellt werden, da die T2-Relaxation eine eins-zu-eins-Beziehung zur Porengröße hat. Je größer die Porengröße, desto länger ist die T2-Relaxationszeit.

Um die optimale Tensidkonzentration für Schaum in porösen Medien zu bestimmen, wurde jede der Schaumeigenschaften gegen die Tensidkonzentration für die drei getesteten Gesteinsproben aufgetragen (Abb. 12, 13, 14 und 15). Aus den Ergebnissen lässt sich schlussfolgern, dass die optimale Tensidkonzentration für das Einfangen von Schaum, die scheinbare Viskosität, das Verhältnis von beweglichem zu eingefangenem Schaum und den begrenzenden Kapillardruck bei Probe B und IDG 1 Gew.-% zu betragen scheint, während sie bei Probe AC bei 1 Gew.-% liegt scheint 2,5 Gew.-% zu betragen. Dieser optimale Wert ist für Massenschaum ähnlich und liegt bei 2,5 Gew.-%.

Sättigung des eingeschlossenen Schaums im Vergleich zur Tensidkonzentration für drei Proben.

Scheinbare Viskosität des Schaums im Vergleich zur Tensidkonzentration für drei Gesteinsproben.

Durchschnittliches Verhältnis von mobilem zu eingeschlossenem Schaum im Vergleich zur Tensidkonzentration in drei Gesteinsproben.

Begrenzung des Kapillardrucks von Schaum im Vergleich zur Tensidkonzentration in drei Gesteinsproben.

Die oben genannten Ergebnisse haben erhebliche Auswirkungen auf den Vergleich der Schaumeigenschaften, die von einer anderen Gruppe von Forschern oder mit unterschiedlichen experimentellen Verfahren gemessen wurden. Statische Schaumanalysatoren haben an ihrer Basis eine poröse Scheibe mit unterschiedlicher Permeabilität oder Porengrößenverteilung. Beispielsweise beträgt die Porengrößenverteilung der porösen Scheibe im in dieser Studie verwendeten statischen Schaumanalysator 40–100 µm. Wenn eine andere Gruppe von Forschern, die anderswo mit einem Schaumanalysator (mit einer durchschnittlichen Porengröße von beispielsweise 4 µm) arbeitet, ein ähnliches Experiment mit demselben Tensidtyp und derselben Konzentration durchführt, können sie die Ergebnisse möglicherweise nicht reproduzieren. Dies liegt daran, dass beide Forschungsgruppen statische Schaumanalysatoren mit unterschiedlichen porösen Basisscheiben verwenden, deren individuelle Porengrößen auf zwei verschiedene Extreme der in den Abbildungen angegebenen Schwellenwerte für Porengröße/Permeabilität fallen. 8 und 10. Es gibt eine Vielzahl von Spezifikationen für statische Schaumanalysatoren, wobei die Porengrößen der porösen Basisscheibe (Filter) zwischen 0,5 und 100 µm liegen11,12,16,23, wodurch sich die Versuchsbedingungen unterscheiden, insbesondere die Kapillardruck. Einige andere Schaumanalysatoren verwenden zur Schaumerzeugung keine poröse Scheibe, sondern lediglich das Mischen von Gas und Tensidlösung bei definierten Geschwindigkeiten wie in einem Mixer9,24. Da die Schaumtextur oder Blasengröße von der Porengröße der porösen Scheiben25 oder der Mischgeschwindigkeit abhängt, können sich die Geschwindigkeit des Schaumzerfalls, die Halbwertszeit und andere Schaumeigenschaften zwischen den Schaumanalysatoren für die gleiche Schaumformulierung unterscheiden. Daher empfiehlt es sich für Forscher, weitere Informationen über den in den berichteten Tests verwendeten statischen Schaumanalysator anzugeben, beispielsweise die durchschnittliche Porengröße der porösen Basisscheibe, das Verfahren zur Schaumerzeugung in der Schaumsäule (Gaseinblas- oder Mischmethode), Die Geschwindigkeit, mit der das Gas durch die Scheibe strömt (bei einem Schaumanalysator mit Gaseinblasung), die Rührgeschwindigkeit (bei einem Schaumanalysator vom Mischertyp). Es gibt auch Bedenken, ob statische Schaumtests nur die Schaumstabilität messen oder ob sie einen Hinweis auf die Schaumfestigkeit geben26. Für einen fairen Vergleich zwischen statischem Schaum und dynamischem Schaum muss daher die poröse Scheibe oder der Filter im statischen Schaumanalysator eine ähnliche Porengeometrie aufweisen wie die Gesteinsproben, die in Kernflutungsexperimenten verwendet werden.

In dieser Studie haben wir die Eigenschaften von Massenschaum und Schaum in porösen Medien für verschiedene Schaumlösungen untersucht und verglichen. Zu diesem Zweck wurde eine statische Schaumanalyse mit einem herkömmlichen statischen Schaumanalysator durchgeführt. Schaumvolumen/-höhe, Halbwertszeit/Stabilität und mikroskopische Textur wurden über die Zeit gemessen. Es wurden auch Kernflutungsexperimente durchgeführt, um verschiedene Schaumeigenschaften in porösen Medien zu erhalten. Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie und unter den experimentellen Bedingungen werden die folgenden wesentlichen Schlussfolgerungen gezogen:

Die Leistung von Massenschaum stimmt vollständig mit der Leistung von Schaum in porösen Medien überein, wenn die entsprechenden Leistungsindizes verglichen werden.

Eine Erhöhung der Tensidkonzentration erhöhte die Halbwertszeit des Schaumvolumens und die Schaumtextur, bis eine optimale Tensidkonzentration erreicht wurde, über der eine Erhöhung der Konzentration keine signifikante Änderung der Schaumeigenschaften ergab. In ähnlicher Weise steigerte eine Erhöhung der Tensidkonzentration das Einfangen, die scheinbare Viskosität und den begrenzenden Kapillardruck des Schaums in porösen Medien, bis eine optimale Tensidkonzentration erreicht war. Eine weitere Erhöhung der Konzentration führte zu keiner signifikanten Änderung der Schaumeigenschaften. Die optimale Tensidkonzentration im statischen Test betrug 2,5 Gew.-%. während der Wert des dynamischen Tests 2,5 Gew.-% für eine der Kernproben und 1 Gew.-% betrug. für die anderen beiden Proben.

Bei einer Tensidkonzentration über 0,025 Gew.-% nahmen der eingeschlossene Schaum und die scheinbare Viskosität des Schaums in porösen Medien mit größerer Porengröße/Durchlässigkeit zu, bis oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts der Schaumeinschluss und die scheinbare Viskosität abnahmen. Bei einer Tensidkonzentration von 0,025 Gew.-% und dem schaumbegrenzenden Kapillardruck trat der umgekehrte Trend nicht auf. Der Grund hierfür ist unklar und erfordert weitere Untersuchungen.

Soll ein Vergleich zwischen statischem und dynamischem Test durchgeführt werden, müssen ausreichende Informationen über die Spezifikationen des verwendeten statischen Schaumanalysators und das Verfahren zur Schaumerzeugung darin bereitgestellt werden. Um eine Übereinstimmung zwischen den beiden Methoden zu erreichen, muss die Porengröße des statischen Schaumanalysators mit der der Kernflutprobe übereinstimmen. Auch die Flussrate des in beiden Experimenten verwendeten Gases muss übereinstimmen. Forscher müssen daher weitere Informationen zu jeder Methode angeben, wie z. B. die durchschnittliche Porengröße der porösen Basisscheibe, das Verfahren zur Schaumerzeugung in der Schaumsäule (Gaseinblas- oder Mischmethode), die Gasdurchblasrate durch die Scheibe (für einen Schaumanalysator mit Gaseinblasung). , die Rührgeschwindigkeit (für einen Schaumanalysator vom Mischertyp). Es wird außerdem empfohlen, Kernfluttests zu Screening-Zwecken an derselben Gesteinsart durchzuführen.

Die während der aktuellen Studie generierten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Føyen, T., Brattekås, B., Fernø, MA, Barrabino, A. & Holt, T. Erhöhte CO2-Speicherkapazität durch CO2-Schaum. Int. J. Greenh. Gas Control 96, 103016. https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2020.103016 (2020).

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Die Autoren danken der Hochschule für Erdöltechnik und Geowissenschaften für die Forschungsfinanzierung.

Zentrum für integrative Erdölforschung, King Fahd University of Petroleum and Minerals, Dhahran, Saudi-Arabien

Abdulrauf R. Adebayo, Suaibu O. Badmus, Sivabalan Sakthivel, Mohamed Gamal Rezk und Rahul S. Babu

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AR lieferte die Konzeptualisierung, analysierte die Ergebnisse und verfasste das Manuskript. SB und SS führten Experimente und Datenkuratierung durch. MR und RB analysierten die Daten und bearbeiteten das Manuskript.

Korrespondenz mit Abdulrauf R. Adebayo.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Adebayo, AR, Badmus, SO, Sakthivel, S. et al. Eine systematische Untersuchung der Beziehung zwischen den Eigenschaften von Massenschaum und Schaum in porösen Medien. Sci Rep 13, 8058 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35278-2

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Eingegangen: 01. März 2023

Angenommen: 16. Mai 2023

Veröffentlicht: 17. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35278-2

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