벌크폼과 다공성 매질의 폼 특성 간의 관계에 대한 체계적 조사

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8058(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

벌크 폼 분석(정적 테스트)은 간단하고 빠르므로 폼 적용을 위해 고려되는 수백 가지 계면활성제를 선별하고 순위를 매기는 비용 효율적인 방법입니다. Coreflood 테스트(동적 테스트)도 사용할 수 있지만 상당히 힘들고 비용이 많이 듭니다. 그러나 이전 보고서에서는 정적 테스트를 기반으로 한 순위가 동적 테스트를 기반으로 한 순위와 때때로 다른 것으로 나타났습니다. 현재까지 그러한 불일치의 이유는 잘 알려져 있지 않습니다. 어떤 사람들은 잘못된 실험 설계 때문일 수 있다고 생각하는 반면 다른 사람들은 올바른 폼 성능 지수를 사용하여 두 방법의 결과를 설명하고 비교하면 불일치가 없다고 믿습니다. 처음으로 이 연구에서는 다양한 발포 용액(0.025~5wt% 범위의 계면활성제 농도)에서 수행된 체계적인 일련의 정적 테스트를 보고하고 모든 계면활성제 솔루션에 대해 동일한 코어 샘플을 사용하여 동적 테스트를 반복했습니다. 또한 각 계면활성제 용액에 대해 넓은 투과성 범위(26-5000mD)의 세 가지 다른 암석에 대해 동적 테스트를 반복했습니다. 이전 연구와 달리 여기에서는 여러 동적 폼 지수(모세관 압력 제한, 겉보기 점도, 트랩된 폼 및 이동성 폼 비율에 트랩됨)를 측정하고 정적 테스트에서 측정된 성능 인덱스(폼 질감 및 폼 반감기)와 비교했습니다. 동적 테스트는 모든 폼 제형에 대한 정적 테스트와 완전히 일치했습니다. 그러나 정적 거품 분석기에 사용된 기본 필터 디스크의 기공 크기는 동적 테스트와 비교할 때 상충되는 결과의 잠재적 원인이 될 수 있음이 관찰되었습니다. 이는 임계값 이전의 특성에 비해 일부 폼 특성(겉보기 점도 및 포획된 폼)이 크게 감소하는 임계값 기공 크기가 존재하기 때문입니다. 모세관 압력을 제한하는 폼은 이러한 경향을 나타내지 않는 유일한 폼 특성입니다. 또한 이러한 임계값은 특정 계면활성제 농도(0.025wt%) 이상에서 발생하는 것으로 보입니다. 분명히 정적 테스트에 사용된 필터 디스크의 기공 크기와 동적 테스트에 사용된 다공성 매체는 임계점의 동일한 쪽에 있어야 합니다. 그렇지 않으면 결과에 차이가 있을 수 있습니다. 임계 계면활성제 농도도 결정해야 합니다. 이 두 가지 요소(기공 크기 및 계면활성제 농도)의 역할에 대해서는 추가 조사가 필요합니다.

폼은 식품, 의약품, 석유 및 가스 산업 등을 포함한 다양한 산업 응용 분야에 사용됩니다. 석유 엔지니어링 응용 분야에서 수성 폼은 주로 가스 주입 프로젝트 중 가스 이동성을 줄여 오일 회수를 향상시키는 데 사용됩니다. 또한 폼은 가스 상대 투과성과 가스 포집을 줄이는 높은 기능으로 인해 CO2 지리적 격리 응용 분야에 사용됩니다1. 수성 거품은 가스를 연속적인 계면활성제 용액에 분산시켜 형성됩니다. 기액 계면은 계면에서의 계면활성제 응집으로 인해 거품 생성 중에 안정화됩니다. 기공 규모에서 생성된 거품은 흐르는 가스와 갇혀 있는 가스로 구성됩니다. 전자는 흐름에 대한 저항이 낮은 큰 기공을 차지하는 반면, 후자는 중소 규모의 기공 공간을 차지합니다2. 거품 기포는 라멜라라고 불리는 연속 액체 필름에 의해 분리되며, 이는 가스 흐름에 대한 높은 저항을 생성하여 흐름 중 점성력을 증가시킵니다3.

의도한 결과를 얻으려면 생성된 거품이 강하고 안정적이어야 합니다. 다양한 유형의 계면활성제와 나노입자는 다양한 수준의 거품 강도와 안정성을 제공할 수 있습니다. 이러한 이유로 많은 상업용 계면활성제 및/또는 나노입자 용액은 특정 다공성 매질 및 환경 조건에 적용하기에 적합한지 선별하고 순위를 매겨야 합니다. 이러한 대규모 스크리닝은 벌크 폼(정적 폼 분석) 또는 다공성 매체에 흐르는 미세 폼(심부 홍수 또는 동적 폼 분석)에서 수행될 수 있습니다. Coreflood는 힘들고 비용이 많이 듭니다. 반면, 벌크 폼 분석은 간단하고 빠르기 때문에 폼 응용 분야에서 고려되는 수십 또는 수백 가지의 계면활성제를 스크리닝하는 비용 효율적인 방법입니다. 그러나 정적 거품과 동적 거품 분석 사이의 관계가 부족하다는 일부 보고가 있었습니다4. 정적 폼과 동적 폼의 관계는 두 가지 유형이 될 수 있습니다. 첫 번째는 정적 테스트의 폼 제형 순위(일부 정의된 지수 기준)를 동적 테스트의 순위와 비교하는 것입니다. 두 번째는 동적 테스트의 측정과 정적 테스트에서 측정한 특정 폼 제제의 폼 성능(강도 및 안정성)을 직접 비교한 ​​것입니다. 두 경우 모두 사용된 방법론이 정확하고 올바른 지수를 비교하면 결과에 유사성이 있어야 합니다. 계면활성제 제제의 순위를 매기는 경우, Mannhardt et al.5는 다양한 실험 방법(코어플러드, 벌크 폼, 마이크로모델 관찰 및 계면 매개변수)을 사용하여 6가지 다른 폼 제제의 성능을 평가하고 순위를 매겼습니다. 그들은 각 실험 방법이 테스트된 6가지 폼 제형에 대해 서로 다른 성능 순위를 부여하여 적절한 폼 제형을 선별하거나 선택하기가 어렵다는 것을 발견했습니다. 유사한 불균형이 Jones et al.6에서도 보고되었습니다. 그런 다음 연구자들은 현장 적용을 위한 폼 평가는 저수지 조건에서 코어 홍수 실험을 사용하여 수행되어야 한다고 결론지었습니다. 직접적인 비교를 위해 일부 연구자들은 정적 테스트에서 수행된 거품 안정성 테스트와 동적 테스트에서 수행된 거품 안정성 테스트 사이에 상관관계가 없다고 보고했습니다7,8. 반면에 일부 다른 연구자들은 둘 사이에 좋은 상관관계가 있다고 보고했습니다9,10,11,12,13,14. 그러한 격차의 원인은 명확하지 않습니다. 일부 저자는 단순히 다공성 매체의 거품 거동이 벌크 형태의 거품 거동과 다르다는 사실에 기인한다고 생각합니다. 확실히 다공성 매체의 거품 흐름은 다공성 매체의 거품 거동에 영향을 미치는 많은 영향 요인을 경험합니다. 여기에는 계면활성제 농도, 주입 속도, 가스 비율(거품 품질), 온도, 염도, 불순물(예: 원유)의 존재, 기공과 목구멍을 통과할 때의 기계적 전단 및 신장, 암석 표면의 흡착, 물론 다공성 매체의 특성. 다양한 계면활성제는 이러한 요인으로 인해 다르게 반응합니다. 원하는 계면활성제는 암석 표면에 대한 흡착 경향이 가장 적어야 하며 강하고 안정적인 거품을 생성할 수 있어야 합니다. 따라서 흡착, 강도 및 안정성은 모든 폼 프로젝트에 대한 계면활성제를 선별하고 선택하는 주요 기준입니다. 벌크 폼 분석은 '반감기' 측정을 통해 폼 안정성을 명시적으로 나타낼 수 있으며, 폼 강도는 벌크 폼의 현미경 이미지를 통해 관찰된 거품 질감을 기반으로 평가할 수 있습니다. 그런 다음 관심 저장소 암석의 암석 샘플에 대해 흡착 테스트를 수행할 수 있습니다. 많은 계면활성제 중에서 순위를 정하는 공정성을 위해 동일한 유체 및 실험 조건(온도, 소금물 염도, 계면활성제 농도)에서 모든 계면활성제에 대해 벌크 폼 분석이 수행됩니다. Coreflood 테스트는 또한 제한 모세관 압력, 겉보기 점도 및 저항 계수로부터 추론되는 거품 강도와 안정성에 대한 지표를 제공할 수 있습니다. 마찬가지로, 순위의 공정성을 위해 코어홍수 테스트는 모든 계면활성제에 대해 동일한 암석 유형과 동일한 실험 및 유체 조건(염수 염도, 계면활성제 농도, 온도, 압력, 거품 품질, 주입 속도 등)에서 수행되어야 합니다. 그 후에 순위에 차이가 발생하면 두 방법 모두에 사용된 성과 지표가 무엇을 나타내는지 기술적으로 정의하거나 실험적 오류에 주의를 기울일 수 있습니다. 따라서 정적 폼 테스트와 동적 테스트의 결과가 서로 연관되어 있는지 조사하기 위해 잘 설계되고 체계적인 연구를 수행할 필요가 있습니다. 저자가 아는 한, 이 연구는 처음으로 여러 정적 테스트(단일 정적 폼 분석기에서)와 여러 동적 테스트(동일한 코어 샘플에서) 간의 일대일 비교를 보고합니다. 광범위한 폼 제형/강도 및 광범위한 핵심 특성. 동적 테스트를 통해 많은 성능 지표를 얻었으며 반감기, 거품 부피 및 거품 질감과 같은 대량 테스트 성능 지표와 비교되었습니다. 또한, 서로 다른 유형의 계면활성제를 조사하는 대신, 여기서는 동일한 계면활성제를 사용하지만 농도는 다양합니다. 왜냐하면 서로 다른 계면활성제 농도가 서로 다른 강도, 질감 및 안정성의 거품을 생성하기 때문입니다15.