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泡沫油的粘度行为：
实验研究和建模
摘要：重油冷采面临泡沫油现象：开采时，重质原油消耗殆尽，这会导致形成分散的气泡并使其呈泡沫状。这种情况导致仍在争论的溶气油流动特性发生变化： 相关性预测随着气体体积分数的增加，气泡分散油的粘度会降低或增加。我们试图通过流变学测量来提高对泡沫油现象的理解。在受控应力流变仪的压力室内耗尽了溶气油。检查气泡的出现并用X射线扫描实验将其可视化。使用振荡和连续测试来连续测量粘度。这种特殊的实验方法使我们能够成功地研究泡沫油的流变行为与两个主要参数的关系，这两个主要参数是原油的组成和粘度。建立了描述泡沫油粘度的理论模型。它同时考虑了油中气泡的出现和释放的一级动力学以及基本的悬浮模型。该模型的结果与从不同重质原油获得的实验数据一致。
关键词：气泡状液体，泡沫油，动力学模型，流变学，X射线扫描
介绍
常规石油储量的贫乏促使石油公司改善重油等非常规石油的采收率。由于它们的高粘度，重油的生产很困难，但却是未来的关键挑战。例如， 在委内瑞拉和加拿大，石油公司使用冷油生产，即直接从油藏中抽油。使用此过程，石油采收率要比预期的要好得多（Smith，1988年），并 且产生的油可以泡沫形式出现。随着石油的枯竭，石油中最轻的元素（例如甲烷）会释放出来，并释放出气泡。这种泡沫不平衡：应该将泡沫聚结成连续的气相。这通常在常规油中观察到。在重油中，它们不会形成这种连续相，并保持自由流动。气体保持分散在油中并在油相中流动。对这种泡沫油行为的理解引起了人们的兴趣，并且是解释高一级采油率的关键问题。看来这些气泡改变了储层中的油可压缩性，这导致了储层中压力的良好维持和更高的采收率。第二个关键因素是通过形成称为蠕虫孔的通道增加排水量。Renard等人对这些现象进行了很好的描述。（2000）。但是，泡沫油的流动特性也可以有助于提高采收率。
因此，本文重点关注气泡对油的流动特性的影响，目前尚不清楚。一些作者预测粘度会随着气泡的形成而增加（Bora， 1998； Albartamani，2000），而另一些作者则发现粘度会降低（Smith，1988； Claridge andPrats，1995）。Smith（1988）首先假设泡沫油的行为会降低油的粘度，从而导致初级生产的高采收率。Claridge and Prats（1995）提出了一种低粘度模型：他们指出，某些重质油组分（例如沥 青质）会迁移到气泡表面。已知沥青质是重油高粘度的原因（Heacute;naut等， 2001； Pierre等，2004）。结果，低粘度模型预测了剩余油粘度的降低，这解释了高一级采收率。但是，对泡沫油进行的一些研究试图测量 此类材料的粘度（Bora，1998； Albartamani，2000）。他们报告说， 随着气泡的形成，油的粘度增加。然而，很少有研究与散装泡沫油的流 变行为及其动力学有关。
这项工作的目的是通过流变学测量来研究泡沫油的行为。第一部分 介绍了我们的材料和方法。第二部分介绍的结果可以更好地理解泡沫油 的动力学和粘度。在第三部分中，给出了泡沫油粘度的简单动力学模型。它提供了有趣的调节参数来表征泡沫油的行为。
实验性的
我们使用了控制应力流变仪： 格拉茨市安东帕（Anton Paar）的Physica MCR 501。它装有压力传感器（从102到1.5 104kPa）。实验示意图如图1所示。在流变仪电机和几何结构之间使用了磁传输。通过气体（氮气）对样品施加压力，并通过调压阀进行控制。压力传感器上使用的几何形状是搅拌器。我们使用这种几何形状来避免打滑效果，并在气体溶解时促进油的混合。
实验分两个步骤进行。我们首先使用了无气油（脱气）。因此，第一 步包括在溶解气体中富集油相。在流变仪中将100秒-1剪切速率应用于 样品以混合油。将气体（氮气）加压至9,000kPa。当它与油样接触时， 氮气逐渐溶解在油中，直到达到平衡为止。在此阶段，测量样品的粘度。观察到随着气体溶解在油中，油粘度降低。我们认为，当粘度达到稳定 值时，油就处于饱和状态，即热力学处于平衡状态。
在第二阶段中，我们立即从9,000kPa耗尽活性油至室温。使用振荡测量（频率为5Hz，应变为2％）测量油的粘度。我们使用这种测量方法，以免因混合而干扰气泡的产生。电池由对X射线透明的铝合金制 成；因此，使用X射线成像对贫化的活油进行了表征。
为了更好地理解油的粘度和组成对泡沫油性能的影响，使用了三种不同粘度的重质原油（HO1，HO2和HO3）和两种矿物油（MO2和MO3）。选择MO2和MO3为粘性的，分别为HO2和HO3。
结果和讨论
图2给出了在从9,000 kPa到室温的瞬时消耗下，与无气油相比，溶气油粘度的变化。
该测试是在40ıC的重油（HO1）上进行的。以分钟（a）和小时（b）为 单位，对无气油和溶气油的粘度作图。可以注意到，由于油中溶解的气体的量，所以溶气油粘度远低于无气油粘度。首先，让我们检查无气油粘度。曲线随压力下降而瞬时下降，但很快达到平衡。为了使图更易于阅读，我们用虚线扩展了图。该粘度下降是流体的特征，并且是由于压力下降。粘度的这种压电依赖性将在后面定义。
溶气油粘度可以分为三个阶段：
1.由于压力下降，粘度迅速下降。没有气泡形成，粘度下降仅是由于 压降。它与无气油是一样的演变。
2.粘度相对较快地增加。
3.在第三部分中，曲线显示上升趋势，直到达到平衡为止，这相当于 相同条件下无气油的粘度。消耗约60小时后达到平衡（图2b）。
因此，观察到随着气泡的形成粘度增加。两种同时发生的现象可以解释这种上升。
首先，如果我们考虑悬浮液的经典流变模型，例如爱因斯坦的硬球 模型，则气泡的形成会增加油的粘度。但是，对其他含气泡牛顿粘性材 料（如岩浆（Rust和Manga，2002； Llewellin等，2002； Lejeune等，1999）或熔融聚合物（Tuladhar和Mackley，2005））进行的不同研究 报道了这种下降。在某些条件下粘度随气体体积分数变化。Rust and Ma（2002）指出，对于在高剪切速率下变形的气泡，由于随着气泡 变形而耗散了能量，泡沫粘度随气体体积分数而降低。受剪切速率yP影 响的气泡变形是毛细数Ca的函数：
其中，r是未变形气泡的半径，液相的粘度和气泡界面张力。毛细管数 是趋于使气泡变形的粘性力与表面张力（恢复其球形度）之比。如果Ca 大（Cagt;gt; 1），则恢复力远小于变形力，气泡高度变形，并且泡沫粘度随着气泡的形成而降低。相反，如果气泡保持球形，则粘度随气体体积分数而增加。这与经典的悬架流变模型（例如爱因斯坦的“硬球模 型”）一致。
我们使用振荡测试对样品施加最小的剪切速率，并在测量过程中让气泡在样品室中自由释放。实际上，剪切速率是如此之低，以至于毛细管数远小于1。气泡不会变形，因此气泡的存在可能会增加泡沫油的粘 度。
图2中观察到的上升也可以归因于溶解气体中油相的贫化。溶解气 体对油的作用与稀释剂相同并降低其粘度。结果，随着气体的释放，剩余油的粘度增加。
为了检查是否使用我们的过程产生了气泡，我们使用了X射线成像技术来观察压力下降后单元中的溶气油。图3中显示的照片是在单元的底 部拍摄的，流变仪的几何形状不会干扰X射线扫描过程。在该测试中， 在20ıC的重油HO1上进行了消耗。在油相中可以看到很多气泡。这些气泡很多，并在压力下降后的最初几分钟内增长。它们的最大直径为4毫米。在tD20分钟时，最大的气泡从油相中释放出来，但是最小的（直径1mm）似乎在油中被困了好几分钟。压力下降后超过2小时，在油中仍然可以看到许多小气泡。必须注意，该扫描仪的分辨率为1mm：该设备无法看到最小的气泡。
该可视化显示成核似乎是均匀且渐进的。在几个小时内，不同的气 泡似乎在电池底部成核。为了解释最大的气泡是从油中迅速释放出来的， 让我们参考斯托克斯定律，该定律预测了液体中单个气泡的上升速度V：
其中r是气泡半径（m），g是重力加速度，pL和pG分别是液体和气体的密度（kgbull;m-3）和ryL液体的粘度（Pabull;s）。让我们考虑两个直径分别为1mm和4mm的气泡。使用（pL-pG）=980kgbull;m-3，nL=350 Pabull;s（在20ıC时的HO1粘度），g=9.81mbull;sec-2，以及一个约35毫米高的单元，这些气泡离开油的时间分别约为6.4小时和24分钟。这对应于X射线扫描的可视化。最大的气泡会在几分钟内离开机油，几个小时内会剩下1毫米的气泡。
为了表征泡沫油在重油上的行为，我们对低粘度矿物油MO3进行了 相同的处理。由于粘度低，我们不能使用振荡测试。在剪切速率（25秒-1）下进行测量，但计算出的毛细管数远低于1。图3描绘了在耗尽状态下的溶气油和无气油（MO3）的粘度。活性油粘度随时间的变化与重油行为 完全不同。粘度迅速升高至较高水平（高于无气油粘度），然后缓慢降低， 在5分钟内达到无气油粘度。这种上升超过无气油粘度的现象表明，在对泡沫油粘度进行建模时必须考虑气泡的存在。溶解气体的释放不足以解释 粘度的显着增加。因此，气泡导致泡沫油粘度增加，这与我们对毛细管 数的计算相一致。
重油和矿物油之间的差异可以推算为粘度或两个样品的化学组成不同。为了了解这两个参数的影响，我们将重油与矿物油进行了比较。选择的矿物油与重油一样粘稠。结果显示在图5中。在这些图表上，我们展示了直到粘度达到平衡（即无气油粘度） 之前的溶气油现象。
对于高粘度油（图5），我们比较了在相同温度（28ıC）下的硅油（MO2）和原油（HO2）。两者都在9,000 kPa处饱和，并在与之前定义的相同的条件下施加压力下降。当气体在压力下溶解在油中时，我们注意到两种油的粘度下降非常相似。
我们还对溶解前后的压力容器进行了称重，并观察到两个样品中溶解的 气体量相同。压降后，两种粘度都表现出与图2相同的趋势，尽管它们的化学组成完全不同。两个最终值之间的差异是由它们对压力的不同反 应来解释的。这两种油在90bar的压力下具有相同的粘度，但在室温下存在微小差异。这些油之间的化学成分差异很大，似乎对气泡的形核和 动力学没有影响。图6描绘了在37ıC下略粘的重质原油的反应。如图4所 示，即使重油包含天然的表面活性成分，也可以观察到轻微粘稠的矿物 油的相同趋势。因此，粘度似乎是控制泡沫油行为的主要参数。Claridge和Prats（1995）提出的沥青质迁移似乎未在我们的系统中发 生。Bauget（2002）表明，气泡表面沥青质的这种吸附很长。通过测量 沥青质溶液和气体之间的表面张力，他观察到需要几个小时才能达到平 衡。在我们的系统中，使用我们的过程，我们认为气泡的主要部分没有 时间被沥青质固结。因此，剩余油的粘度不会随着沥青质的迁移而降低， 而只会随着脱气而增加。但是，我们认为，与距离我们的单元格相比， 距离较长且消耗速度较慢的井中应考虑沥青质的吸附。
泡沫油粘度的初步模型
为了更好地理解泡沫油现象，我们提出了一个简单的粘度模型。它考虑了控制泡沫油粘度的不同主要参数。这些主要参数是压力，溶解气体含量和气泡的存在。因此，该模型基于与
溶解气体
气泡中的气体，以及
脱离的气体
以及它们对活性油粘度的不同影响。我们设计了nO油相中的气体量，nB 气泡中的气体量以及从油中释放的nG气体。
压力的影响
基于Eyring理论的粘度的基础表明， 粘度对压力的依赖性是指数的（Agassant等，1986）。压电相关常数K定义如下：
其中n是粘度，p是压力。我们进行了测试，以测量本研究中使用的油的该常数。结果列于表1。
溶解气体含量的影响
为了考虑溶解的气体含量对油的粘度的影响，我们使用了通常用于稀释的模型：
其中nO是油相的粘度（Pabull;s），ry做是无气油的粘度（Pabull;s），n（mol） 是油中的溶解气体含量相。我们通过称重气体溶解之前和之后的压力容器来量化此气体量。即使由于溶解气体的量非常少而无法获得非常精确的测量结果，我们也指出该值与方程式一致。并且我们的测量是 可重复的。此外，对于我们不同的样本，这些值是完全相同的。它的体积大约相当于电池中油的10倍。当我们在气体溶解过程中测量油的粘度时，然后选择K以适应我们在实验的第一步中粘度的变化。
气泡的影响
为了量化气泡的存在对泡沫粘度的作用，我们使用了经典的硬球模型， 考虑到气泡不会变形。该模型仅取决于气体体积分数，而不取决于气泡的尺寸分布。该模型的使用受到气体体积分数低的限制。我们认为，实验就是这种情况。我们通过使用以下模型检查了这一假设： 气体体积分数不超过32％。使用该模型，粘度由下式给出：
其中 是气体体积分数，并且取决于nB，而nlo是活油的粘度。
气体逸出动力学
正如我们在实验中观察到的，成核似乎是渐进的，我们认为动力学模型是一阶定律。我们选择将过程分为两个步骤：气泡的成核和气泡与油的分离。下面给出nO，nB和nG的演变：
我们使用了两个调整参数：rB对应于形成气泡的特征时间，rG对应于从 油相释放气泡的特征时间。
结果
我们将计算出的粘度与我们的实验数据进行了比较。图7和图8表明，该模型适用于我们研究的两个粘度范围。为了适应我们的实验数据，我们调整了rB和rG。结果列于表1。
现在让我们检查一下该表。首先，该模型表明使用硬球体模型来拟合泡沫油的流变行为似乎是足够的。因此，正如波拉（Bora，1998）和阿尔巴塔玛尼（Albartamani，2000）所述，气泡是导致粘度升高的原因。
然后，通过比较不同的时间常数，可以看出泡沫油的性能主要受粘度控制。同样重要的是要注意，粘度变化一个数量级意味着时间常数（HO1和HO2）增加两个数量级。这表明粘度对泡沫油行为的影响比化学成分更重要
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