Un'indagine sistematica della relazione tra le proprietà della schiuma sfusa e della schiuma nei mezzi porosi

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8058 (2023) Citare questo articolo

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L'analisi della schiuma in massa (test statico) è semplice e veloce, il che la rende un metodo conveniente per selezionare e classificare centinaia di tensioattivi presi in considerazione per le applicazioni con schiuma. Possono essere utilizzati anche i test Coreflood (test dinamico), ma sono piuttosto laboriosi e costosi. Tuttavia, i rapporti precedenti mostrano che la classificazione basata su test statici a volte differisce dalla classificazione basata su test dinamici. Ad oggi, il motivo di tale discrepanza non è ben compreso. Alcuni ritengono che ciò possa essere dovuto a una progettazione sperimentale errata, mentre altri ritengono che non vi sia alcuna discrepanza se vengono utilizzati gli indici di prestazione della schiuma corretti per descrivere e confrontare i risultati di entrambi i metodi. Per la prima volta, questo studio riporta una serie sistematica di test statici condotti su diverse soluzioni schiumogene (con concentrazione di tensioattivo compresa tra 0,025 e 5% in peso) e duplicati in test dinamici utilizzando lo stesso campione principale per tutte le soluzioni di tensioattivo. Il test dinamico è stato ripetuto anche su tre diverse rocce con un ampio intervallo di permeabilità (26–5000 mD) per ciascuna delle soluzioni tensioattive. A differenza degli studi precedenti, in questo caso sono stati misurati molteplici indici dinamici della schiuma (pressione capillare limite, viscosità apparente, schiuma intrappolata e rapporto schiuma intrappolata/schiuma mobile) e confrontati con gli indici di prestazione misurati dai test statici (struttura della schiuma ed emivita della schiuma). I test dinamici erano in totale accordo con i test statici per tutte le formulazioni della schiuma. Tuttavia, è stato osservato che la dimensione dei pori del disco del filtro di base utilizzato nell'analizzatore statico di schiuma può essere una potenziale fonte di risultati contrastanti se confrontati con il test dinamico. Questo perché esiste una dimensione soglia dei pori al di sopra della quale alcune proprietà della schiuma (viscosità apparente e schiuma intrappolata) diminuiscono significativamente rispetto alle proprietà prima di tale soglia. La limitazione della pressione capillare della schiuma è l'unica proprietà della schiuma che non mostra tale tendenza. Sembra inoltre che tale soglia si verifichi al di sopra di una certa concentrazione di tensioattivo (0,025% in peso). Apparentemente diventa imperativo che la dimensione dei pori del disco filtrante utilizzato nel test statico e del mezzo poroso utilizzato nei test dinamici si trovi sullo stesso lato del punto di soglia, altrimenti potrebbero esserci disparità nei risultati. Dovrebbe essere determinata anche la concentrazione soglia del tensioattivo. Il ruolo di questi due fattori (dimensione dei pori e concentrazione del tensioattivo) richiede ulteriori indagini.

La schiuma ha molte applicazioni industriali tra cui alimentare, farmaceutica, industria petrolifera e del gas, ecc. Nelle applicazioni di ingegneria petrolifera, la schiuma acquosa viene utilizzata principalmente per ridurre la mobilità del gas durante i progetti di iniezione del gas e quindi migliorare il recupero del petrolio. Inoltre, la schiuma viene utilizzata nelle applicazioni di geosequestro della CO2 grazie alla sua elevata capacità di ridurre la permeabilità relativa del gas e l'intrappolamento del gas1. La schiuma acquosa si forma disperdendo il gas in una soluzione continua di tensioattivo. L'interfaccia gas-liquido viene stabilizzata durante la generazione della schiuma grazie all'aggregazione del tensioattivo sull'interfaccia. Alla scala dei pori, la schiuma generata è costituita da gas fluente e gas intrappolato. Il primo occupa pori grandi che presentano una bassa resistenza allo scorrimento, mentre il secondo occupa spazi porosi da piccoli a medi2. Le bolle di schiuma sono separate da un film liquido continuo chiamato lamelle, che provoca un aumento della forza viscosa durante il flusso creando un'elevata resistenza al flusso del gas3.

La schiuma generata deve essere forte e stabile per ottenere i risultati desiderati. Diversi tipi di tensioattivo e nanoparticelle possono conferire diversi gradi di resistenza e stabilità alla schiuma. Per questo motivo, molti tensioattivi commerciali e/o soluzioni di nanoparticelle devono essere selezionati e classificati in base alla loro idoneità all'applicazione in specifici mezzi porosi e condizioni ambientali. Tale screening su larga scala può essere effettuato su schiuma sfusa (analisi statica della schiuma) o microschiuma che scorre in mezzi porosi (analisi coreflood o dinamica della schiuma). Coreflood è laborioso e costoso. D'altro canto, l'analisi della schiuma in massa è semplice e veloce, il che la rende un metodo economicamente vantaggioso per lo screening di decine o centinaia di tensioattivi presi in considerazione per le applicazioni con schiuma. Tuttavia, sono stati riportati alcuni rapporti sulla mancanza di relazione tra l'analisi della schiuma statica e quella dinamica4. Il rapporto tra schiuma statica e schiuma dinamica può essere di due tipi. Il primo consiste nel confrontare la classifica delle formulazioni di schiuma (sulla base di alcuni indici definiti) dai test statici con la classifica dai test dinamici. Il secondo è un confronto diretto delle prestazioni della schiuma (resistenza e stabilità) di una determinata formulazione di schiuma misurate da un test statico rispetto alla misurazione nei test dinamici. In entrambi i casi, ci dovrebbe essere una somiglianza nei risultati se la metodologia utilizzata è corretta e vengono confrontati gli indici giusti. Nel caso della classificazione delle formulazioni di tensioattivi, Mannhardt et al.5 hanno utilizzato diversi metodi sperimentali (coreflood, schiuma sfusa, osservazioni di micromodelli e parametri interfacciali) per valutare e classificare le prestazioni di sei diverse formulazioni di schiuma. Hanno scoperto che ciascun metodo sperimentale forniva una diversa classificazione delle prestazioni per le sei formulazioni di schiuma testate, rendendo difficile lo screening o la scelta della formulazione di schiuma appropriata. Una disparità simile è stata riportata anche da Jones et al.6. Questi ricercatori hanno quindi concluso che la valutazione delle schiume per le applicazioni sul campo deve essere effettuata utilizzando esperimenti Core Flood in condizioni di giacimento. Per un confronto diretto, alcuni ricercatori hanno riferito che non vi era alcuna correlazione tra i test di stabilità della schiuma condotti in test statico e quelli condotti in test dinamici7,8. D'altra parte, alcuni altri ricercatori hanno riportato una buona correlazione tra i due9,10,11,12,13,14. La causa di tale disparità non è chiara. Alcuni autori lo attribuiscono semplicemente al fatto che il comportamento della schiuma nei mezzi porosi è diverso dal comportamento della schiuma nella sua forma sfusa. Certamente, il flusso di schiuma nei mezzi porosi è soggetto a molti fattori che influenzano il comportamento della schiuma nei mezzi porosi. Questi includono la concentrazione del tensioattivo, la velocità di iniezione, la frazione di gas (qualità della schiuma), la temperatura, la salinità, la presenza di impurità (ad esempio, petrolio greggio), taglio meccanico e stiramento mentre passano attraverso pori e gole, adsorbimento sulle superfici rocciose e quindi di ovviamente le proprietà dei mezzi porosi. Diversi tensioattivi risponderanno in modo diverso a causa di questi fattori. Il tensioattivo desiderato deve avere la minima tendenza all'adsorbimento sulla superficie della roccia e deve anche essere in grado di generare una schiuma forte e stabile. Pertanto, adsorbimento, resistenza e stabilità sono i criteri principali per lo screening e la selezione del tensioattivo per qualsiasi progetto di schiuma. L'analisi della schiuma sfusa può fornire esplicitamente un'indicazione della stabilità della schiuma attraverso la misurazione del "tempo di dimezzamento", mentre la resistenza della schiuma può essere valutata in base alla struttura delle bolle osservata attraverso immagini microscopiche della schiuma sfusa. I test di adsorbimento possono quindi essere condotti su campioni di roccia prelevati dalla roccia serbatoio di interesse. Per equità nella classificazione tra molti tensioattivi, l'analisi della schiuma in massa viene eseguita su tutti i tensioattivi alle stesse condizioni sperimentali e di fluido (temperatura, salinità della salamoia, concentrazione di tensioattivo). Il test Coreflood può anche fornire un'indicazione della resistenza e della stabilità della schiuma, desumibili dalla pressione capillare limite, dalla viscosità apparente e dal fattore di resistenza. Allo stesso modo, per equità nella classifica, i test coreflood devono essere condotti nello stesso tipo di roccia per tutti i tensioattivi e alle stesse condizioni sperimentali e fluide (salinità della salamoia, concentrazione del tensioattivo, temperatura, pressione, qualità della schiuma, velocità di iniezione, ecc.). Se successivamente si verifica una disparità nella classifica, allora l'attenzione potrebbe essere attirata da errori sperimentali o nella definizione tecnica di ciò che rappresentano gli indici di prestazione utilizzati in entrambi i metodi. Esiste quindi la necessità di effettuare uno studio ben progettato e sistematico per indagare se i risultati dei test statici sulla schiuma e dei test dinamici sono correlati. Per quanto a conoscenza degli autori, questo studio riporta per la prima volta un confronto uno a uno tra più test statici (da un singolo analizzatore di schiuma statica) e più test dinamici (dallo stesso campione principale) per un ampia gamma di formulazioni/resistenza della schiuma e un'ampia gamma di proprietà del nucleo. Molti indici di prestazione sono stati ottenuti anche dai test dinamici e confrontati con gli indici di prestazione dei test di massa, vale a dire emivita, volume della schiuma e struttura delle bolle. Inoltre, invece di studiare diversi tipi di tensioattivi, qui viene utilizzato lo stesso tensioattivo ma con concentrazione variabile, poiché diverse concentrazioni di tensioattivo generano schiuma di diversa resistenza, consistenza e stabilità15.