Una investigación sistemática de la relación entre las propiedades de la espuma a granel y la espuma en medios porosos - Grupo Co., Ltd de los laboratorios de minería de Foshan

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8058 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

El análisis de espuma a granel (prueba estática) es simple y rápido, lo que lo convierte en un método rentable para seleccionar y clasificar cientos de tensioactivos que se consideran para aplicaciones de espuma. También se pueden utilizar pruebas Coreflood (prueba dinámica), pero es bastante laboriosa y costosa. Sin embargo, informes anteriores muestran que la clasificación basada en pruebas estáticas a veces difiere de la clasificación basada en pruebas dinámicas. Hasta la fecha, la razón de tal discrepancia no se comprende bien. Algunos creen que puede deberse a un diseño experimental defectuoso, mientras que otros creen que no hay discrepancia si se utilizan los índices correctos de rendimiento de la espuma para describir y comparar los resultados de ambos métodos. Por primera vez, este estudio informa una serie sistemática de pruebas estáticas realizadas en diferentes soluciones espumantes (con una concentración de surfactante que oscila entre 0,025 y 5% en peso) y duplicadas en pruebas dinámicas utilizando la misma muestra central para todas las soluciones de surfactante. La prueba dinámica también se repitió en tres rocas diferentes de un amplio rango de permeabilidad (26–5000 mD) para cada una de las soluciones de surfactante. A diferencia de estudios anteriores, aquí se midieron múltiples índices dinámicos de espuma (presión capilar límite, viscosidad aparente, espuma atrapada y proporción de espuma atrapada a espuma móvil) y se compararon con los índices de desempeño medidos a partir de las pruebas estáticas (textura de la espuma y vida media de la espuma). Las pruebas dinámicas coincidieron totalmente con las pruebas estáticas para todas las formulaciones de espuma. Sin embargo, se observó que el tamaño de poro del disco de filtro base utilizado en el analizador estático de espuma puede ser una fuente potencial de resultados contradictorios cuando se compara con la prueba dinámica. Esto se debe a que existe un tamaño de poro umbral por encima del cual algunas propiedades de la espuma (viscosidad aparente y espuma atrapada) disminuyen significativamente en comparación con las propiedades antes de ese umbral. La presión capilar limitante de la espuma es la única propiedad de la espuma que no muestra tal tendencia. También parece que dicho umbral se produce por encima de una determinada concentración de tensioactivo (0,025% en peso). Aparentemente, se vuelve imperativo que el tamaño de poro del disco de filtro usado en la prueba estática y el medio poroso usado en las pruebas dinámicas estén del mismo lado del punto umbral, de lo contrario puede haber disparidad en sus resultados. También debe determinarse la concentración umbral de tensioactivo. El papel de estos dos factores (tamaño de poro y concentración de surfactante) requiere más investigación.

La espuma tiene muchas aplicaciones industriales que incluyen alimentos, productos farmacéuticos, la industria del petróleo y el gas, etc. En las aplicaciones de ingeniería petrolera, la espuma acuosa se usa principalmente para reducir la movilidad del gas durante los proyectos de inyección de gas y, por lo tanto, mejorar la recuperación de petróleo. Además, la espuma se utiliza en aplicaciones de geosecuestro de CO2 debido a su alta capacidad para reducir la permeabilidad relativa al gas y el atrapamiento de gas1. La espuma acuosa se forma al dispersar el gas en una solución continua de surfactante. La interfase gas-líquido se estabiliza durante la generación de espuma debido a la agregación de surfactante en la interfase. A escala de poros, la espuma generada consta de gas que fluye y gas atrapado. El primero ocupa poros grandes que tienen una baja resistencia al flujo, mientras que el segundo ocupa espacios de poros pequeños a medianos2. Las burbujas de espuma están separadas por una película líquida continua llamada laminillas, que provoca un aumento de la fuerza viscosa durante el flujo al crear una alta resistencia al flujo de gas3.

La espuma generada debe ser fuerte y estable para lograr los resultados previstos. Diferentes tipos de surfactantes y nanopartículas pueden dar diferentes grados de resistencia y estabilidad a la espuma. Por esta razón, muchas soluciones comerciales de tensioactivos y/o nanopartículas deben examinarse y clasificarse según su idoneidad para su aplicación en medios porosos y condiciones ambientales específicos. Este cribado a gran escala se puede realizar en espuma a granel (análisis de espuma estática) o microespuma que fluye en medios porosos (análisis de espuma de núcleo o dinámico). Coreflood es laborioso y costoso. Por otro lado, el análisis de espuma a granel es simple y rápido, lo que lo convierte en un método rentable para evaluar decenas o cientos de tensioactivos que se consideran para aplicaciones de espuma. Sin embargo, ha habido algunos informes sobre la falta de relación entre la espuma estática y el análisis dinámico de la espuma4. La relación entre espuma estática y espuma dinámica puede ser de dos tipos. El primero es comparar la clasificación de las formulaciones de espuma (basada en algunos índices definidos) de las pruebas estáticas con la clasificación de las pruebas dinámicas. El segundo es una comparación directa del rendimiento de la espuma (resistencia y estabilidad) de una formulación de espuma determinada medida en una prueba estática en comparación con la medición en pruebas dinámicas. Para ambos casos, debería haber una similitud en los resultados si la metodología utilizada es correcta y se comparan los índices correctos. Para el caso de clasificar las formulaciones de surfactantes, Mannhardt et al.5 utilizaron diferentes métodos experimentales (inundación central, espuma a granel, observaciones de micromodelos y parámetros interfaciales) para evaluar y clasificar el rendimiento de seis formulaciones de espuma diferentes. Descubrieron que cada método experimental otorgaba una clasificación de rendimiento diferente para las seis formulaciones de espuma probadas, lo que dificultaba la selección o la elección de la formulación de espuma adecuada. Una disparidad similar también fue reportada por Jones et al.6. Luego, estos investigadores concluyeron que la evaluación de espumas para aplicaciones de campo debe realizarse utilizando experimentos de inundación del núcleo en condiciones de yacimiento. Para una comparación directa, algunos investigadores informaron que no hubo correlación entre la prueba de estabilidad de la espuma realizada en la prueba estática y la realizada en las pruebas dinámicas7,8. Por otro lado, algunos otros investigadores reportaron una buena correlación entre los dos9,10,11,12,13,14. La causa de tal disparidad no está clara. Algunos autores simplemente lo atribuyen al hecho de que el comportamiento de la espuma en medios porosos es diferente del comportamiento de la espuma en su forma a granel. Ciertamente, el flujo de espuma en medios porosos experimenta muchos factores influyentes que afectan el comportamiento de la espuma en medios porosos. Estos incluyen la concentración de surfactante, la tasa de inyección, la fracción de gas (calidad de la espuma), la temperatura, la salinidad, la presencia de impurezas (p. ej., petróleo crudo), el corte mecánico y el estiramiento a medida que pasan a través de los poros y las gargantas, la adsorción en las superficies rocosas y luego de curso las propiedades de los medios porosos. Diferentes tensioactivos responderán de manera diferente debido a estos factores. El surfactante deseado debe tener la menor tendencia a la adsorción en la superficie de la roca y también debe poder generar una espuma fuerte y estable. Por lo tanto, la adsorción, la fuerza y la estabilidad son los criterios principales para evaluar y seleccionar el surfactante para cualquier proyecto de espuma. El análisis de espuma a granel puede dar una indicación explícita de la estabilidad de la espuma a través de la medición de la "vida media", mientras que la resistencia de la espuma se puede evaluar en función de la textura de la burbuja observada a través de imágenes microscópicas de la espuma a granel. Luego se pueden realizar pruebas de adsorción en muestras de roca de la roca del yacimiento de interés. Para que la clasificación sea justa entre muchos tensioactivos, el análisis de espuma a granel se realiza en todos los tensioactivos en el mismo fluido y en las mismas condiciones experimentales (temperatura, salinidad de la salmuera, concentración de tensioactivo). La prueba Coreflood también puede dar una indicación de la resistencia y estabilidad de la espuma que se infiere de su presión capilar límite, viscosidad aparente y factor de resistencia. De manera similar, para que la clasificación sea justa, las pruebas de inundación central deben realizarse en el mismo tipo de roca para todos los surfactantes y en las mismas condiciones experimentales y de fluidos (salinidad de la salmuera, concentración de surfactante, temperatura, presión, calidad de la espuma, velocidad de inyección, etc.). Si después de esto, se presenta disparidad en la clasificación, entonces se puede llamar la atención sobre errores experimentales o en la definición técnica de lo que representan los índices de desempeño utilizados en ambos métodos. Por lo tanto, existe la necesidad de llevar a cabo un estudio bien diseñado y sistemático para investigar si los resultados de las pruebas estáticas de espuma y las pruebas dinámicas se correlacionan. Según el leal saber y entender de los autores, este estudio informa por primera vez una comparación uno a uno entre múltiples pruebas estáticas (de un solo analizador estático de espuma) y múltiples pruebas dinámicas (de la misma muestra central) para un amplia gama de formulaciones/fuerzas de espuma y una amplia gama de propiedades centrales. También se obtuvieron muchos índices de rendimiento de las pruebas dinámicas y se compararon con los índices de rendimiento de las pruebas a granel, a saber, la vida media, el volumen de la espuma y la textura de la burbuja. Además, en lugar de investigar diferentes tipos de tensioactivos, aquí se utiliza el mismo tensioactivo pero con una concentración variable, ya que diferentes concentraciones de tensioactivo generan una espuma de diferente fuerza, textura y estabilidad15.

La sección de metodología se divide en análisis de espuma a granel, caracterización de rocas e inundación de núcleos.

Se usó un analizador de espuma estático convencional para medir la altura de la espuma y la vida media de la espuma en función del tiempo en condiciones ambientales (23 °C). El analizador estático de espuma consta de una columna de vidrio transparente vertical (25 cm de altura y 4 cm de diámetro interior) y un disco de filtro con un tamaño de poro que oscila entre 40 y 100 µm en la base. Se colocó un volumen de 50 cc del fluido a granel (varias concentraciones de soluciones de tensioactivo en agua de mar) en la columna de vidrio. A continuación, se generó la espuma a granel rociando gas nitrógeno a través del disco de filtro montado debajo del fluido a granel a una velocidad de gas de 0,3 l por minuto durante 12 s. A continuación, se midieron el volumen/altura de la espuma, la vida media/estabilidad y las imágenes/textura microscópicas a lo largo del tiempo. La tensión superficial de las soluciones de tensioactivo también se midió utilizando un tensiómetro de ángulo de contacto dinámico. Los detalles del aparato de medición y el procedimiento se proporcionan en un estudio previo16.

Se adquirieron tres muestras de roca de afloramiento que cubrían tanto arenisca como carbonato con un amplio rango de permeabilidad y se cortaron en tapones cilíndricos cuyas dimensiones y propiedades petrofísicas se enumeran en la Tabla 1. La estructura de poro de las muestras de roca se analizó utilizando un escáner micro-CT de alta resolución. en las piezas finales extraídas del borde de las muestras de roca. Los detalles del procedimiento y el aparato experimental se proporcionan en un artículo anterior17,18. Un modelo de red de poros realizado en las imágenes de micro-CT generó información sobre el tamaño promedio de los poros y el tamaño promedio de la garganta de los poros de las muestras de roca.

También se realizaron mediciones de relajación por resonancia magnética nuclear en las muestras cuando estaban saturadas al 100 % con salmuera, utilizando un aparato de RMN de sobremesa de bajo campo (2 MHz). Estas medidas proporcionan información sobre la distribución del tamaño de los poros de las rocas en términos de la tasa de relajación de los núcleos de hidrógeno del fluido en los diferentes poros.

Se realizaron mediciones de placa porosa en las muestras de roca para obtener la distribución de presión capilar para las diferentes muestras de roca. Tales curvas de presión capilar son necesarias para identificar la presión capilar límite a la que la espuma comienza a fusionarse o romperse.

En el laboratorio se preparó una salmuera sintética con una concentración de sal de 67.479 ppm (Cuadro 2). A continuación, se disolvieron diferentes concentraciones de un tensioactivo no iónico (Triton X-100) en la salmuera para formar las soluciones de tensioactivo. Se utilizó un tensioactivo no iónico porque nuestro estudio anterior demostró que superaba a otros tipos de tensioactivos11. Se usó nitrógeno gaseoso con una pureza del 99,9 % como fase gaseosa en todos los experimentos. Se preparó salmuera con diferentes concentraciones de tensioactivo en lotes, a saber: 0,025% en peso; 0,05% en peso; 0,1% en peso; 0,5% en peso; 1% p/vol; 2,5% en peso; y 5% en peso

Para un lote determinado de solución de surfactante, las muestras de roca se saturaron inicialmente con la solución mediante un método de saturación al vacío. Los experimentos de inundación del núcleo se realizaron a una temperatura atmosférica de 23 °C, una presión de confinamiento de 2200 psi y una contrapresión de 1450 psi. Antes de la inyección de gas, la muestra de roca se inyectó con aproximadamente 2 volúmenes de poro de la solución de surfactante a una velocidad de inyección de 0,5 cm3/min para garantizar la saturación total con el surfactante y reducir el impacto de las pérdidas de surfactante por adsorción en la superficie de la roca. Se instalaron transductores de presión diferencial en el aparato Coreflood para medir y registrar datos de presión en la estación de la computadora en un intervalo de 5 s. También se instalaron puertos de resistividad eléctrica en el soporte del núcleo para monitorear la resistividad eléctrica de la muestra de roca y registrarla en la computadora. El procedimiento de inundación del núcleo adoptado para la inyección de espuma se describió en nuestros artículos anteriores y permitió monitorear continuamente la saturación de espuma atrapada y móvil17,19,20. En este método, se inyectó alrededor de 0,1 pv de gas en la muestra de roca inicialmente saturada con una solución de surfactante a una velocidad de 0,5 cm3/min y seguida de una inyección continua de salmuera (que contenía surfactante) hasta que se alcanzó un estado estacionario. El gas atrapado en este estado estable se mide luego a través de la medición de resistividad. A esto le sigue un segundo ciclo, en el que se inyecta un volumen de poro de gas más alto (p. ej., 0,2 pv) seguido de una inyección continua de salmuera hasta que se mide otro estado estacionario y la nueva saturación de gas atrapado y la espuma móvil. El experimento se detuvo cuando no hubo cambios significativos en la medición de la resistencia y la caída de presión con un aumento en el PV del gas inyectado en la muestra de roca. Aquí, se alcanzó el equilibrio global de gas atrapado.

La Figura 1 muestra el análisis de la textura de la espuma a diferentes concentraciones de soluciones de surfactantes y en los diferentes tiempos transcurridos después de que se generaron en el analizador estático de espuma. Moviéndose de izquierda a derecha para cada concentración de surfactante en la Fig. 1, las burbujas de espuma colapsan con el tiempo debido a la maduración de Ostwald o la coalescencia de las burbujas. Esto da como resultado burbujas de mayor tamaño y menor densidad de burbujas (números) a medida que la espuma envejece y su altura disminuye. Sin embargo, un aumento en la concentración de tensioactivo (moviéndose de arriba hacia abajo en la Fig. 1) en cada tiempo transcurrido da como resultado una mejor textura de la espuma. El efecto de la concentración de tensioactivo parece ser óptimo a una concentración del 2,5% en peso. Por lo tanto, no hubo una mejora sustancial en la textura de la espuma más allá de esta concentración.

La textura de la espuma a granel en diferentes pasos de tiempo después de que se generó la espuma a granel (0-3600 s). La textura se muestra para diferentes concentraciones de tensioactivo que oscilan entre 0,02 y 10 % en peso.

En cuanto a la estabilidad de la espuma, como se muestra en la Fig. 2, la vida media de la espuma aumenta con el aumento de las concentraciones de tensioactivo. Sin embargo, a una concentración superior al 2,5% en peso, el aumento de la vida media no es tan significativo. De manera similar, en la Fig. 3, la medición de la tensión superficial fue muy pronunciada hasta 2,5–5% en peso, después de lo cual se encontró que la reducción era gradual. Está claro a partir de las Figs. 2 y 3 que no se ha alcanzado una asíntota, lo que indica que se producen ligeros cambios en las propiedades de la espuma a medida que aumenta la concentración de tensioactivo. No obstante, se requiere un valor óptimo de concentración de tensioactivo, que es la concentración más allá de la cual las propiedades de la espuma no cambian significativamente para justificar el costo asociado de aumentar la concentración. Del análisis de la espuma a granel en este estudio, 2,5% en peso parece ser la concentración óptima. Los hallazgos de la investigación de la concentración óptima de surfactante para el desempeño de la espuma en medios porosos se presentan en la siguiente sección.

Vida media de la espuma versus concentraciones de surfactante.

Tensión superficial de la solución de surfactante a varias concentraciones.

Primero, las características de los poros de las muestras de roca se presentan en términos de sus curvas de presión capilar (Fig. 4) y la distribución de relajación NMR T2 (Fig. 5). La Tabla 2 también resume otros datos sobre la estructura de poros basados en modelos de red de poros basados en imágenes de micro-CT y análisis XRD. Es obvio a partir de estas figuras que las tres muestras de rocas son significativamente distintas entre sí en términos de porosidad, permeabilidad, presiones capilares y distribución del tamaño de los poros. Esto allana el camino para un estudio más holístico del impacto de una amplia gama de estructuras de poros de roca en las propiedades de la espuma. La muestra IDG tiene un régimen de presión capilar baja debido a los grandes tamaños de poro (como se ilustra en la relajación T2 larga en la Fig. 5), mientras que la muestra AC tiene la presión capilar más alta porque tiene el tamaño de poro más bajo (relajación T2 corta). La muestra B se encuentra entre los dos extremos en todas las definiciones de caracteres de poro como se muestra en la Tabla 3.

Curvas de presión capilar.

Curvas de relajación RMN T2.

La saturación de espuma atrapada y móvil de las muestras de roca se estimó a partir de los valores de resistividad medidos utilizando la ecuación de Archie (Ec. 1).

donde \({S}_{w}\) es la saturación de agua in situ en la muestra de roca (en fracción), \({R}_{0}\) (ohm-m) es la resistividad eléctrica de la roca cuando está 100 % saturada con salmuera (con surfactante disuelto), \({R}_{t}\) (ohm-m) es la resistividad de la roca con saturación parcial de agua, y 'n' es el exponente de saturación , un parámetro derivado durante un experimento de índice de resistividad de placa porosa. Dado que solo dos fases fluían a través del medio poroso, es decir, líquido y gas, la saturación de gas o gas espumado (\({S}_{g}\)) en cualquier instancia se estima con la ecuación. (2).

Las Figuras 6, 7, 8, 9, 10 y 11 muestran diferentes propiedades de la espuma (espuma atrapada, viscosidad aparente, presión capilar límite, proporción de espuma móvil a espuma atrapada) frente a la concentración de surfactante en las tres muestras de roca. Estas propiedades de la espuma cambiaron a medida que la concentración de tensioactivo aumentó en diferentes grados.

Efecto de la concentración de surfactante en (A) espuma atrapada (B) Viscosidad aparente de la espuma, para diferentes permeabilidades.

Efecto de la concentración de surfactante en (A) la presión capilar limitante de la espuma (B) la proporción de espuma móvil a espuma atrapada, para diferentes permeabilidades.

Efecto de la concentración de surfactante en (A) espuma atrapada (B) proporción de espuma móvil a espuma atrapada para diferentes tamaños de poro.

Efecto de la concentración de surfactante en (A) la presión capilar limitante de la espuma (B) la proporción de espuma móvil a espuma atrapada, para diferentes tamaños de poro.

Efecto de la concentración de surfactante en (A) espuma atrapada (B) viscosidad aparente, para diferentes T2LM.

Efecto de la concentración de surfactante en (A) la presión capilar limitante de la espuma (B) la proporción de espuma móvil a espuma atrapada, para diferentes T2LM.

En cuanto al efecto de la concentración de tensioactivo en las propiedades de la espuma dadas, se observó una buena concordancia entre todas las propiedades de la espuma a granel medidas y las propiedades de la espuma en las muestras de roca. Todas las propiedades estáticas y dinámicas de la espuma mejoraron con un aumento en la concentración de tensioactivo (resistencia de la espuma). Sin embargo, la disparidad ocurre cuando se considera el efecto de las propiedades de los poros en la comparación, lo que sugiere que la comparación de las propiedades de la espuma en diferentes rocas debe hacerse con cautela.

Las Figuras 6, 7, 8, 9, 10 y 11 muestran cómo la concentración de surfactante afecta la espuma atrapada, la viscosidad aparente y la presión capilar limitante en una variedad de rocas con un amplio rango de características de poro: rango de permeabilidad de 26–5000 mD; tamaño de poro promedio de 4 a 9 µm; tamaño medio de la garganta de 2,7 a 6 µm. La saturación de la espuma atrapada y, en consecuencia, la viscosidad aparente de la espuma aumentan con cada aumento en la concentración de surfactante (por extensión, con cada aumento en la resistencia de la espuma) y con cada carácter de poro de la roca, representado por un punto de datos en las figuras. Sin embargo, el carácter de los poros por encima de un valor umbral tiene un efecto inverso en las propiedades de la espuma, como se ve en la Fig. 6. Según estas cifras, parece que existe un valor de permeabilidad óptimo entre 278 y 5000 mD en el que las propiedades de la espuma se invierten. su tendencia de la tendencia inicial. Curiosamente, la inversión (o disminución) de la saturación de la espuma atrapada y la viscosidad aparente solo se producen cuando la concentración de tensioactivo es superior al 0,025 % en peso. A medida que aumenta la concentración de tensioactivo, aumenta la gravedad de la inversión (es decir, la curva se vuelve más cóncava). La razón exacta de esto requiere un estudio más completo. Hay casi una superposición completa entre la concentración de surfactante de 2,5% en peso y 5% en peso, para atrapar espuma (Fig. 6) y limitar la presión capilar (Fig. 7).

La similitud entre el comportamiento de la espuma atrapada y la viscosidad aparente de la espuma muestra que la saturación de la espuma atrapada se rige principalmente por la viscosidad aparente de la espuma.

Las presiones capilares limitantes de la espuma también aumentan cuando aumenta la concentración de tensioactivo (Fig. 7A). Sin embargo, con respecto a los cambios en la permeabilidad, la presión capilar límite de la espuma difiere de otras propiedades de la espuma (es decir, la saturación de la espuma atrapada y su viscosidad aparente). La presión capilar límite disminuye a medida que aumenta la permeabilidad. Esto es de esperar porque los regímenes de presión capilar en rocas de alta permeabilidad no son tan altos como en rocas de menor permeabilidad. Por lo tanto, dado que la presión capilar limitante de la espuma es la medida más directa de la resistencia de la espuma12, la espuma es más fuerte en rocas de baja permeabilidad que en rocas de alta permeabilidad, y con un aumento en la concentración de surfactante, aumenta aún más la resistencia de la espuma generada (Fig. 7A). Tampoco hay inversión en la tendencia de la presión capilar limitante como se observó en el caso de la saturación de espuma atrapada y la viscosidad aparente en la Fig. 6.

Dado que el aumento de la concentración de tensioactivo aumentó la saturación de la espuma atrapada (Fig. 6A), entonces se espera que la saturación de la espuma móvil disminuya a medida que aumenta la concentración de tensioactivo, como se muestra en la Fig. 7B. De manera similar, por la misma razón, la espuma móvil a atrapada disminuye con un aumento en la permeabilidad, con una inversión similar en el mismo valor umbral de permeabilidad en la Fig. 6A.

Basándose en los resultados de las Figs. 6 y 7, se puede sugerir que la saturación de espuma atrapada afecta directamente la viscosidad aparente y la proporción de espuma móvil a espuma atrapada. Por lo tanto, la saturación de la espuma atrapada o cualquiera de sus variables dependientes se puede utilizar para comparar el rendimiento de la espuma en rocas con el mismo carácter de poro. Sin embargo, no se puede decir que la resistencia de la espuma aumente con un mayor atrapamiento cuando se comparan dos geometrías de poro de roca diferentes, ya que atrapar y limitar la presión capilar tienen una correlación diferente con el cambio en la geometría del poro.

Anteriormente se mostró que la espuma con burbujas grandes corresponde a espuma débil según el análisis de espuma a granel en la Fig. 1. Además, las rocas con poros grandes, gargantas grandes y alta permeabilidad mejoran la formación de burbujas grandes (textura de espuma grande) ya que la espuma asume la estructura de los poros donde se generan. La tendencia de la espuma débil (gruesa) a fluir también es menor debido a la baja presión diferencial y la baja velocidad de flujo a través de rocas de alta permeabilidad19,21,22. Por lo tanto, quedan atrapados debido a la caída de presión insuficiente presente en las rocas de alta permeabilidad. Como resultado, se espera que la saturación de espuma atrapada aumente con el aumento de la permeabilidad y viceversa. La presión capilar límite de la espuma también disminuye con un aumento de la permeabilidad (Fig. 7), una confirmación de que las rocas de alta permeabilidad generan una espuma más débil que las rocas de baja permeabilidad. Por lo tanto, se vuelve difícil juzgar si una mayor saturación de espuma atrapada en una muestra de roca en relación con otra es una indicación de una espuma más fuerte o una espuma más débil.

Las propiedades de la espuma antes mencionadas se trazaron con otros caracteres de poro de roca (tamaño de poro promedio, tamaño de garganta promedio y la media logarítmica de la relajación T2). Estas propiedades de la espuma tienen respuestas similares a la variación en estas características de los poros, como se muestra en la figura 8 (espuma atrapada y viscosidad aparente frente al tamaño de los poros); Fig. 9 (presión capilar límite y proporción de espuma móvil a espuma atrapada frente al tamaño de poro); Fig. 10 (espuma atrapada y viscosidad aparente frente a RMN T2); y la Fig. 11 (presión capilar límite y proporción de espuma móvil a espuma atrapada frente a NMR T2). El tamaño de poro promedio también se puede representar en términos de la media logarítmica de la relajación T2 de RMN, ya que la relajación T2 tiene una relación de uno a uno con el tamaño de poro. Cuanto mayor sea el tamaño del poro, mayor será el tiempo de relajación T2.

Para determinar la concentración óptima de tensioactivo para la espuma en medios porosos, cada una de las propiedades de la espuma se representó frente a la concentración de tensioactivo para las tres muestras de roca analizadas (Figs. 12, 13, 14 y 15). A partir de los resultados, se puede concluir que la concentración óptima de surfactante para la captura de espuma, la viscosidad aparente, la proporción de espuma móvil a espuma atrapada y la presión capilar límite parece ser del 1 % en peso, en la muestra B e IDG, mientras que para la muestra AC parece ser 2,5% en peso. Este valor óptimo es similar para la espuma a granel, que es del 2,5 % en peso.

Saturación de espuma atrapada versus concentración de surfactante para tres muestras.

Viscosidad aparente de la espuma frente a la concentración de surfactante para tres muestras de roca.

Proporción promedio de espuma móvil a espuma atrapada versus concentración de surfactante en tres muestras de roca.

Limitación de la presión capilar de la espuma frente a la concentración de surfactante en tres muestras de roca.

Los hallazgos anteriores tienen una implicación significativa cuando se comparan las propiedades de la espuma medidas por un grupo diferente de investigadores o medidas usando diferentes procedimientos experimentales. Los analizadores estáticos de espuma tienen un disco poroso en su base con distribuciones variables de permeabilidad o tamaño de poro. Por ejemplo, la distribución del tamaño de poro del disco poroso en el analizador de espuma estática utilizado en este estudio es de 40 a 100 µm. Si otro grupo de investigadores que trabaja en otro lugar con un analizador de espuma (con un tamaño de poro promedio de, digamos, 4 µm) realiza un experimento similar con el mismo tipo y concentración de surfactante, es posible que no pueda replicar los resultados. Esto se debe a que ambos grupos de investigación utilizan analizadores estáticos de espuma con diferentes discos porosos de base, cuyos tamaños de poro individuales caen en dos extremos diferentes de los valores umbral de tamaño de poro/permeabilidad informados en las Figs. 8 y 10. Hay una variedad de especificaciones de analizadores estáticos de espuma disponibles, con tamaños de poro del disco poroso base (filtro) que van desde 0,5 a 100 µm11,12,16,23, lo que hace que las condiciones experimentales difieran, especialmente las presión capilar. Algunos otros analizadores de espuma no usan un disco poroso para generar espuma, sino simplemente mezclando gas y solución de surfactante a velocidades definidas como en una licuadora9,24. Dado que la textura de la espuma o el tamaño de la burbuja dependen del tamaño de los poros de los discos porosos25 o de la velocidad de mezcla, la tasa de descomposición de la espuma, la vida media y otras propiedades de la espuma pueden diferir entre los analizadores de espuma para la misma formulación de espuma. Por lo tanto, es una buena práctica que los investigadores proporcionen más información sobre el analizador estático de espuma utilizado en las pruebas informadas, como el tamaño promedio de poro del disco poroso base, el procedimiento para generar espuma en la columna de espuma (método de rociado de gas o mezclador), la tasa de burbujeo de gas a través del disco (para el analizador de espuma con rociado de gas), la tasa de agitación (para un analizador de espuma de tipo mezclador). También existe la preocupación de si las pruebas estáticas de espuma miden solo la estabilidad de la espuma o si dan una indicación de la resistencia de la espuma26. Por lo tanto, para una comparación justa entre espuma estática y espuma dinámica, el disco poroso o filtro en el analizador de espuma estática debe tener una geometría de poro similar a la de las muestras de roca utilizadas en los experimentos de inundación de núcleos.

En este estudio, investigamos y comparamos las propiedades de la espuma a granel y la espuma en medios porosos para diferentes soluciones de espuma. Para ello, se realizó un análisis de espuma estática utilizando un analizador de espuma estática convencional. Se midieron el volumen/altura de la espuma, la vida media/estabilidad y la textura microscópica a lo largo del tiempo. También se realizaron experimentos de inundación del núcleo para obtener varias propiedades de la espuma en medios porosos. En base a los resultados de este estudio y bajo las condiciones experimentales, se extraen las siguientes conclusiones principales:

El desempeño de la espuma a granel está totalmente de acuerdo con el desempeño de la espuma en medios porosos cuando se comparan los índices de desempeño apropiados.

El aumento de la concentración de tensioactivo aumentó la vida media de la espuma a granel y la textura de la espuma hasta una concentración óptima de tensioactivo por encima de la cual el aumento de la concentración no produjo un cambio significativo en las propiedades de la espuma. De manera similar, el aumento de la concentración de tensioactivo aumentó el atrapamiento, la viscosidad aparente y limitó la presión capilar de la espuma en medios porosos hasta una concentración óptima de tensioactivo. Un aumento adicional en la concentración no mostró un cambio significativo en las propiedades de la espuma. La concentración óptima de tensioactivo en la prueba estática fue del 2,5 % en peso. mientras que el de la prueba dinámica fue del 2,5 % en peso para una de las muestras del núcleo y del 1 % en peso. para las otras dos muestras.

A una concentración de tensioactivo superior al 0,025 % en peso, la espuma atrapada y la viscosidad aparente de la espuma aumentaron en medios porosos con mayor tamaño de poro/permeabilidad hasta superar un cierto valor umbral en el que la espuma atrapada y la viscosidad aparente disminuyeron. La tendencia inversa no se produjo a una concentración de tensioactivo de 0,025% en peso y para la presión capilar limitante de la espuma. La razón de esto no está clara y requiere más estudios.

Cuando se deba hacer una comparación entre la prueba estática y la prueba dinámica, se debe proporcionar información adecuada sobre las especificaciones del analizador estático de espuma utilizado y el procedimiento para generar espuma en él. Para tener una coincidencia entre los dos métodos, el tamaño de poro del analizador estático de espuma debe coincidir con el de la muestra de inundación central. El caudal de gas utilizado en ambos experimentos también debe coincidir. Por lo tanto, los investigadores deben proporcionar más información sobre cada método, como el tamaño medio de los poros del disco poroso base, el procedimiento para generar espuma en la columna de espuma (método de rociado de gas o mezclador), tasa de burbujeo de gas a través del disco (para el analizador de espuma de rociado de gas) , la velocidad de agitación (para un analizador de espuma de tipo mezclador). También se recomienda que las pruebas de inundación del núcleo con fines de detección se realicen en el mismo tipo de roca.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Los autores agradecen a la facultad de ingeniería petrolera y geociencias por la financiación de la investigación.

Centro de Investigación Integrativa del Petróleo, Universidad King Fahd de Petróleo y Minerales, Dhahran, Arabia Saudita

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

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AR proporcionó conceptualización, analizó los resultados y escribió el manuscrito. SB y SS llevaron a cabo experimentos y curación de datos. MR y RB analizaron los datos y editaron el manuscrito.

Correspondencia a Abdulrauf R. Adebayo.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Adebayo, AR, Badmus, SO, Sakthivel, S. et al. Una investigación sistemática de la relación entre las propiedades de la espuma a granel y la espuma en medios porosos. Informe científico 13, 8058 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35278-2

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Recibido: 01 Marzo 2023

Aceptado: 16 mayo 2023

Publicado: 17 mayo 2023

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

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