水气分散体系的超声波振荡生成方法及驱油实验研究

陈兴隆 伍家忠 韩海水 刘 莉

1. 中国石油勘探开发研究院, 北京 100083;2. 提高石油采收率国家重点实验室, 北京 100083

0 前言

在油藏水驱开发后期,注入水已形成连通、低渗流阻力通道,剩余油动用困难[1-11]。针对这一开发问题,研制了水气分散的驱油体系,即将气体分散到水中形成均匀稳定的微米级气泡。水气分散体系通过气泡形变以及渗流阻力增加等方式有效改变渗流通道,提高剩余油动用效果。水气分散体系与传统化学泡沫体系不同,一是其生成方法为纯物理方法,不需要加入化学起泡剂或稳泡剂,体系中只有水、气两种物质;二是其气泡泡径尺寸远小于化学泡沫泡径尺寸。

水气分散体系中气泡泡径和稳定性是体系性能的核心体现,泡径越小气泡之间越不易合并,在水中上浮速度越低,混合所形成的体系也就越稳定。目前,气泡生成方法及工艺较多,从原理上归纳起来主要有孔板喷射法、高速剪切法、溶解气的降压析出法和电解法等[12],其中孔板喷射法和高速剪切法应用较广泛。孔板喷射法是在压差及界面张力作用下,气体通过孔眼时形成气泡,该方法工艺最简单,气泡泡径主要与孔眼大小相关,生成的气泡半径通常大于50 μm。高速剪切法是气体在高速剪切的环境下进入液相,在紊流区内形成分散气泡。孔板喷射法和高速剪切法结合应用能产生更小的微米级气泡,邓晓辉等人[13-15]利用系列微孔材料以及剪切装置测试了微气泡除油效果,并在油田现场有效应用。以Xue Ziqiu等人[16]为代表的国外研究团队以多孔介质材料替代了单一孔板,获得了半径15 μm以上的微气泡。

超声波空化泡研究是持续的热点内容[17-20],但超声波应用于生成微气泡的研究很少。本文利用超声波的振动能量结合孔板喷射法中的微孔设计,在水中生成微米级的气泡,所形成的水气分散体系具有更好的稳定性及驱油效果。

1 超声波振荡生成方法及机理

超声波振荡生成方法的实验装置见图1。显微镜为蔡司Discovery体视显微镜,最大放大80倍。高速摄像机为Photron,实验条件可达5 000帧/s记录速度。超声波发生器为自行研制,输出频率为300～500 kHz,输出电压5 V。超声波振动片由环状换能片和有微米孔阵的金属片构成,金属片为弹性较强的钢制薄片,微孔半径5 μm,换能片和金属片分属正负两极,超声波振动片结构见图2。

图1 超声波振荡生成方法的实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental devicefor ultrasonic vibration method

图2 超声波振动片结构示意图Fig.2 Structure diagram of ultrasonic vibrator

水气分散体系生成过程,首先向高压釜内注入水及气体直至设计压力。气泡生成状态示意图见图3,振动片倾斜放置在气液界面处,θ角小于45°为宜,启动超声波发生器,可见经微孔向水中喷射出微米级泡径的气泡。当气泡浓度达到设计值时,气泡及水形成稳定的水气分散体系。

图3 气泡生成状态示意图Fig.3 Schematic diagram of bubble formation state

常规孔板喷射法是气体经过孔眼时,受孔眼孔径的限制而生成气泡,通常气泡泡径是孔眼孔径的2～3倍。而超声波振荡机理则是:在超声波作用下,振动片在换能片的作用下发生高频振动,使振动片两侧压力交替变化,形成压力波动区。因振动片位于气液界面处,压力波动区包含了气液界面上方的部分气体区域和下方的部分液体区域。气体在低压阶段进入微孔,在超声波能量作用下,高压阶段被加速排出。通过微孔时,气泡不仅受到孔径的限制作用,而且超声波高频能量对气泡的加速作用产生撕裂效果,使其破碎成更小的气泡,以微米尺度喷射到液相中。除微孔处喷射出微米级气泡外,在振动片边缘处也产生少量微米级气泡。

图4为超声波振荡生成方法生成水气分散体系时微米级气泡生成效果实验图,是气态CO2在超声波作用下向水中喷射气泡的过程，气泡平均半径2.5 μm。图4左边为光学放大10倍后气泡群成丝线状喷射,稳定后整体呈雾状分布;右边为光学放大80倍后分散开的气泡形态。

2 水气分散体系的关键性能参数

水气分散体系是气泡分散在水中形成的混合流体,最关键的性能是稳定性,对应的参数是气泡半径和气泡间的分散程度。

气泡在液相中受气液密度差的影响,将做上浮运动。在只考虑浮力、重力和黏滞阻力作用的情况下,气泡上浮加速度a见式(1),由此可推导上浮加速度a与气泡泡径间的关系,见式(2)～(3)。

(1)

(2)

(3)

式中:a为气泡上浮加速度，m/s2；Vg为气泡体积,μm3;A为表面积,μm2;r为气泡半径,μm;ρw和ρg分别为水和气体的密度,kg/m3;g为重力加速度,m/s2;μ为动力黏度,Pa·s;u为气泡上浮速度,m/s。

由式(3)可知,气泡上浮加速度仅与气泡半径有关，即气泡半径变小,其上升增速减小,气泡稳定性提高。

在实验中,超声波振荡生成方法生成气泡后,初始的喷射作用较强,气泡沿与孔板的垂直方向运动。在距离孔眼较远处(>10 mm),喷射惯性作用消失,气泡运动速率明显降低,并表现为稳定的上浮状态。通过计算,图4中半径2.5 μm的气泡上浮速度为1.5 mm/s,与实际测量值一致。与常规孔板喷射法生成的气泡相比较,超声波振荡生成方法的气泡不仅明显减小,而且气泡上浮速度明显减慢,气泡稳定性增强。图5示意了Xue Ziqiu等人[16]的研究成果,红色标识的半径250 μm气泡上浮速度为27 mm/s,蓝色标识的半径50 μm气泡上浮速度为5 mm/s。

图5 常规孔板喷射法的气泡跟踪图像Fig.5 Bubble tracking image of conventional orifice injection method

气泡的稳定性还表现在气泡之间的分散程度,即气泡间分散程度越好,合并难度越大,稳定性越好。用相邻气泡距离差异度Ld的概念来描述气泡间的分散程度,定量描述水气分散体系的稳定性。在单位面积图像内,选择核心气泡,利用该气泡与相邻气泡间的距离确定Ld,见式(4)。

(4)

式中:Ld为相邻气泡距离差异度；Lmax和Lmin分别为距离核心气泡最远和最近的气泡距离,mm。

以图4为例,计算的Ld值为0.58。由式(4)可知,Ld值越接近0,分散性越均匀,稳定性越好。

3 驱油实验分析

水气分散体系作为新型的驱替液,能否在水驱的基础上继续提高采收率是研究者最关心的问题。采用常规的驱油实验方法进行研究验证,即在水驱结束后,用水气分散体系继续驱替岩心并分析驱替效果。

选取低渗岩心,长度100 cm,直径3.8 cm,气测渗透率48.6×10-3μm2。在50 ℃、10 MPa条件下进行岩心驱替实验,在1 PV水驱结束后转入水气分散体系驱替,实验流程见图6。

图6 驱替实验流程图Fig.6 Displacement experiment process

岩心驱替采出程度及含水率变化曲线见图7。在 1 PV 水驱结束后,产出液含水率为98.6%,水驱阶段的采出程度为53.0%。岩心继续用水气分散体系驱替,在总注入量1.5 PV后采出程度缓慢增加,含水下降。1.5～2.3 PV是采出程度接近线性增加的过程,含水经历了由快速降低过渡至缓慢升高的过程,这一阶段充分反映出水气分散体系具有提高采收率的作用。在水气分散体系驱替结束时,采出程度达到66.4%,较水驱方式提高13.4%。水气分散体系机理可简述如下:在驱油时,水气分散体系中的气泡能进入注水所不能进入的微小孔隙内,将其内部的剩余油产出而提高驱油效率。另外,气泡在水驱优势渗流通道、窜流通道以及微裂缝等大孔隙空间内膨胀,在贾敏效应的作用下提高渗流阻力。后续驱替液被迫改变流动方向,进入水驱过程尚未波及的剩余油区域,实现扩大波及体积作用。

图7 岩心驱替采出程度及含水率变化图Fig.7 Recovery and water cut change of core displacement

4 结论

1)超声波振荡可在气液共存环境下持续产生微米级气泡,气泡半径均值约为2.5 μm,远小于常规孔板喷射法生成的气泡半径(50 μm),气泡的均匀度、分散性及稳定性均大幅提高。

2)建立了以泡径、气泡上升速度等为关键参数的水气分散体系性能评价方法,从理论上评价超声波振荡方法生成的微米级气泡具有泡径小、上升速度慢和稳定性好的特点。

3)根据低渗透岩心驱油实验,微米级水气分散体系在水驱结束后可继续提高采出程度10%以上,水气分散体系可通过气泡形变及调节渗流阻力等方式有效扩大波及体积,提高剩余油动用效果。