Une étude systématique de la relation entre les propriétés de la mousse en vrac et de la mousse en milieu poreux

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8058 (2023) Citer cet article

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L'analyse de la mousse en vrac (test statique) est simple et rapide, ce qui en fait une méthode rentable pour sélectionner et classer des centaines de tensioactifs envisagés pour les applications de mousse. Des tests Coreflood (test dynamique) peuvent également être utilisés, mais ils sont assez laborieux et coûteux. Cependant, des rapports antérieurs montrent que le classement basé sur des tests statiques diffère parfois du classement basé sur des tests dynamiques. À ce jour, la raison d'un tel écart n'est pas bien comprise. Certains pensent que cela peut être dû à une conception expérimentale défectueuse, tandis que d'autres pensent qu'il n'y a pas de divergence si les bons indices de performance de la mousse sont utilisés pour décrire et comparer les résultats des deux méthodes. Pour la première fois, cette étude rapporte une série systématique d'essais statiques menés sur différentes solutions moussantes (avec une concentration en tensioactif allant de 0,025 à 5 % en poids) et dupliquées en essais dynamiques en utilisant la même carotte pour toutes les solutions de tensioactifs. Le test dynamique a également été répété sur trois roches différentes d'une large gamme de perméabilité (26–5000 mD) pour chacune des solutions de surfactant. Contrairement aux études précédentes, ici plusieurs indices dynamiques de mousse (limitation de la pression capillaire, viscosité apparente, mousse piégée et rapport mousse piégée/mousse mobile) ont été mesurés et comparés aux indices de performance mesurés à partir des tests statiques (texture de la mousse et demi-vie de la mousse). Les tests dynamiques étaient en accord total avec les tests statiques pour toutes les formulations de mousse. Cependant, il a été observé que la taille des pores du disque de filtre de base utilisé dans l'analyseur de mousse statique peut être une source potentielle de résultats contradictoires lors de la comparaison avec le test dynamique. En effet, il existe une taille seuil de pores au-dessus de laquelle certaines propriétés de la mousse (viscosité apparente et mousse piégée) diminuent significativement par rapport aux propriétés avant ce seuil. La mousse limitant la pression capillaire est la seule propriété de la mousse qui ne montre pas une telle tendance. Il apparaît également qu'un tel seuil se produit au-dessus d'une certaine concentration de tensioactif (0,025 % en poids). Apparemment, il devient impératif que la taille des pores du disque filtrant utilisé dans le test statique et le milieu poreux utilisé dans les tests dynamiques soient du même côté du point de seuil, sinon il peut y avoir une disparité dans leurs résultats. La concentration seuil de surfactant doit également être déterminée. Le rôle de ces deux facteurs (taille des pores et concentration en tensioactif) nécessite une étude plus approfondie.

La mousse a de nombreuses applications industrielles, notamment l'alimentation, les produits pharmaceutiques, l'industrie pétrolière et gazière, etc. Dans les applications d'ingénierie pétrolière, la mousse aqueuse est principalement utilisée pour réduire la mobilité du gaz lors des projets d'injection de gaz, et donc améliorer la récupération du pétrole. De plus, la mousse est utilisée dans les applications de géo-séquestration du CO2 en raison de ses capacités élevées à réduire la perméabilité relative aux gaz et le piégeage des gaz1. La mousse aqueuse est formée en dispersant du gaz dans une solution continue de tensioactif. L'interface gaz-liquide est stabilisée pendant la génération de mousse en raison de l'agrégation de surfactant à l'interface. A l'échelle des pores, la mousse générée est constituée de gaz en circulation et de gaz piégé. Le premier occupe de grands pores qui ont une faible résistance à l'écoulement, tandis que le second occupe des espaces poreux petits à moyens2. Les bulles de mousse sont séparées par un film liquide continu appelé lamelles, qui provoque une augmentation de la force visqueuse lors de l'écoulement en créant une forte résistance au flux de gaz3.

La mousse générée doit être solide et stable pour obtenir les résultats escomptés. Différents types de tensioactifs et de nanoparticules peuvent donner différents degrés de résistance et de stabilité à la mousse. Pour cette raison, de nombreuses solutions commerciales de tensioactifs et/ou de nanoparticules doivent être examinées et classées en fonction de leur aptitude à être appliquées dans des milieux poreux et des conditions environnementales spécifiques. Un tel criblage à grande échelle peut être effectué sur de la mousse en vrac (analyse de mousse statique) ou de la micro-mousse s'écoulant dans des milieux poreux (noyau ou analyse de mousse dynamique). Coreflood est laborieux et coûteux. D'autre part, l'analyse de la mousse en vrac est simple et rapide, ce qui en fait une méthode rentable pour cribler des dizaines ou des centaines de tensioactifs envisagés pour les applications de mousse. Cependant, il y a eu quelques rapports sur l'absence de relation entre la mousse statique et l'analyse dynamique de la mousse4. La relation entre la mousse statique et la mousse dynamique peut être de deux types. La première consiste à comparer le classement des formulations de mousse (sur la base de certains indices définis) à partir d'essais statiques avec le classement à partir d'essais dynamiques. La seconde est une comparaison directe des performances de la mousse (résistance et stabilité) d'une formulation de mousse donnée telle que mesurée à partir d'un test statique par rapport à la mesure dans des tests dynamiques. Dans les deux cas, il devrait y avoir une similitude dans les résultats si la méthodologie utilisée est correcte et si les bons indices sont comparés. Dans le cas du classement des formulations de surfactants, Mannhardt et al.5 ont utilisé différentes méthodes expérimentales (noyau, mousse en vrac, observations de micromodèles et paramètres d'interface) pour évaluer et classer les performances de six formulations de mousse différentes. Ils ont découvert que chaque méthode expérimentale donnait un classement de performance différent pour les six formulations de mousse testées, ce qui rendait difficile le criblage ou le choix de la formulation de mousse appropriée. Une disparité similaire a également été signalée par Jones et al.6. Ces chercheurs ont ensuite conclu que l'évaluation des mousses pour les applications sur le terrain devait être effectuée à l'aide d'expériences d'inondation de carottes dans des conditions de réservoir. Pour une comparaison directe, certains chercheurs ont rapporté qu'il n'y avait pas de corrélation entre le test de stabilité de la mousse réalisé en test statique et ceux réalisés en test dynamique7,8. D'autre part, d'autres chercheurs ont rapporté une bonne corrélation entre les deux9,10,11,12,13,14. La cause d'une telle disparité n'est pas claire. Certains auteurs l'attribuent simplement au fait que le comportement de la mousse dans les milieux poreux est différent du comportement de la mousse dans sa forme en vrac. Certes, l'écoulement de la mousse dans les milieux poreux subit de nombreux facteurs d'influence qui affectent le comportement de la mousse dans les milieux poreux. Ceux-ci incluent la concentration de surfactant, le taux d'injection, la fraction de gaz (qualité de la mousse), la température, la salinité, la présence d'impuretés (par exemple, le pétrole brut), le cisaillement mécanique et l'étirement lors de leur passage à travers les pores et les gorges, l'adsorption sur les surfaces rocheuses, puis de bien entendu les propriétés du milieu poreux. Différents tensioactifs réagiront différemment en raison de ces facteurs. Le tensioactif recherché doit avoir la moindre tendance à l'adsorption sur la surface de la roche et doit également être capable de générer une mousse solide et stable. Par conséquent, l'adsorption, la résistance et la stabilité sont les principaux critères de sélection et de sélection des tensioactifs pour tout projet de mousse. L'analyse de la mousse en vrac peut explicitement donner une indication de la stabilité de la mousse grâce à la mesure de la «demi-vie», tandis que la résistance de la mousse peut être évaluée en fonction de la texture de la bulle observée à travers des images microscopiques de la mousse en vrac. Des tests d'adsorption peuvent ensuite être effectués sur des échantillons de roche provenant de la roche réservoir d'intérêt. Pour un classement équitable parmi de nombreux tensioactifs, l'analyse de la mousse en vrac est effectuée sur tous les tensioactifs dans les mêmes fluides et conditions expérimentales (température, salinité de la saumure, concentration en tensioactif). Le test Coreflood peut également donner une indication de la résistance et de la stabilité de la mousse qui sont déduites de sa pression capillaire limite, de sa viscosité apparente et de son facteur de résistance. De même, pour un classement équitable, les essais d'inondation doivent être menés dans le même type de roche pour tous les tensioactifs et dans les mêmes conditions expérimentales et fluides (salinité de la saumure, concentration en tensioactif, température, pression, qualité de la mousse, débit d'injection, etc.). Si, après cela, une disparité apparaît dans le classement, l'attention peut être attirée sur des erreurs expérimentales ou dans la définition technique de ce que représentent les indices de performance utilisés dans les deux méthodes. Il est donc nécessaire de mener une étude bien conçue et systématique pour déterminer si les résultats des tests de mousse statique et des tests dynamiques sont corrélés. Au meilleur de la connaissance des auteurs, cette étude rapporte pour la première fois une comparaison biunivoque entre plusieurs tests statiques (provenant d'un seul analyseur de mousse statique) et plusieurs tests dynamiques (provenant de la même carotte) pour une large gamme de formulations/résistances de mousse et une large gamme de propriétés de noyau. De nombreux indices de performance ont également été obtenus à partir des tests dynamiques et comparés aux indices de performance des tests en masse, à savoir la demi-vie, le volume de mousse et la texture des bulles. De plus, plutôt que d'étudier différents types de tensioactifs, ici le même tensioactif est utilisé mais avec une concentration variable, car différentes concentrations de tensioactifs génèrent une mousse de résistance, de texture et de stabilité différentes15.

La section méthodologie est divisée en analyse de mousse en vrac, caractérisation de la roche et inondation du noyau.

Un analyseur de mousse statique conventionnel a été utilisé pour mesurer la hauteur de mousse et la demi-vie de la mousse en fonction du temps dans des conditions ambiantes (23 ° C). L'analyseur de mousse statique se compose d'une colonne verticale en verre transparent (hauteur 25 cm et diamètre intérieur 4 cm) et d'un disque filtrant dont la taille des pores varie de 40 à 100 µm à la base. Un volume de 50 cc du fluide en vrac (différentes concentrations de solutions de tensioactifs dans l'eau de mer) a été placé dans la colonne de verre. La mousse en vrac a ensuite été générée en faisant barboter de l'azote gazeux à travers le disque de filtre monté sous le fluide en vrac à un débit de gaz de 0,3 L par minute pendant une durée de 12 s. Le volume/hauteur de la mousse, la demi-vie/stabilité et les images microscopiques/texture ont ensuite été mesurés au fil du temps. La tension superficielle des solutions tensioactives a également été mesurée à l'aide d'un tensiomètre à angle de contact dynamique. Les détails de l'appareillage et de la procédure de mesure sont fournis dans une étude précédente16.

Trois échantillons de roche d'affleurement couvrant à la fois du grès et du carbonate avec une large gamme de perméabilité ont été acquis et découpés en bouchons cylindriques dont les dimensions et les propriétés pétrophysiques sont répertoriées dans le tableau 1. La structure poreuse des échantillons de roche a été analysée à l'aide d'un micro-CT scanner à haute résolution. sur les embouts extraits du bord des échantillons de roche. Les détails de la procédure et de l'appareil expérimental sont fournis dans un article précédent17,18. Une modélisation du réseau de pores effectuée sur les images micro-CT a généré des informations sur la taille moyenne des pores et la taille moyenne de la gorge des pores des échantillons de roche.

Des mesures de relaxation par résonance magnétique nucléaire ont également été effectuées sur les échantillons lorsqu'ils étaient saturés à 100 % de saumure, à l'aide d'un appareil de RMN de paillasse à champ faible (2 MHz). De telles mesures renseignent sur la distribution de la taille des pores des roches en termes de taux de relaxation des noyaux d'hydrogène du fluide dans les différents pores.

Des mesures de plaques poreuses ont été effectuées sur les échantillons de roche pour obtenir la distribution de la pression capillaire pour les différents échantillons de roche. De telles courbes de pression capillaire sont nécessaires pour identifier la pression capillaire limite à laquelle la mousse commence à fusionner ou à se rompre.

Une saumure synthétique avec une concentration en sel de 67 479 ppm a été préparée au laboratoire (tableau 2). Différentes concentrations d'un tensioactif non ionique (Triton X-100) ont ensuite été dissoutes dans la saumure pour former les solutions de tensioactif. Un tensioactif non ionique a été utilisé car notre précédente étude avait montré qu'il surpassait les autres types de tensioactifs11. De l'azote gazeux avec une pureté de 99,9 % a été utilisé comme phase gazeuse dans toutes les expériences. De la saumure avec différentes concentrations de tensioactif a été préparée par lots, à savoir : 0,025 % en poids ; 0,05% en poids ; 0,1% en poids ; 0,5 % en poids ; 1 % en poids/volume ; 2,5% en poids ; et 5 % en poids.

Pour un lot donné de solution de surfactant, les échantillons de roche ont été initialement saturés avec la solution par une méthode de saturation sous vide. Les expériences Coreflood ont été menées à une température atmosphérique de 23 °C, une pression de confinement de 2200 psi et une contre-pression de 1450 psi. Avant l'injection de gaz, l'échantillon de roche a encore été injecté avec environ 2 volumes de pores de la solution de surfactant à un débit d'injection de 0,5 cm3/min pour assurer une saturation complète en surfactant et réduire l'impact des pertes de surfactant par adsorption à la surface de la roche. Des transducteurs de pression différentielle ont été installés sur l'appareil Coreflood pour mesurer et enregistrer les données de pression sur la station informatique à un intervalle de 5 s. Des ports de résistivité électrique ont également été installés sur le support de noyau pour surveiller la résistivité électrique de l'échantillon de roche et enregistré sur l'ordinateur. La procédure de coreflood adoptée pour l'injection de mousse a été décrite dans nos articles précédents et a permis de surveiller en continu la saturation de la mousse piégée et mobile17,19,20. Dans cette méthode, environ 0,1 pv de gaz a été injecté dans l'échantillon de roche initialement saturé de solution de surfactant à un débit de 0,5 cm3/min et suivi d'une injection continue de saumure (contenant du surfactant) jusqu'à ce qu'un état d'équilibre soit atteint. Le gaz piégé à cet état stable est ensuite mesuré par mesure de résistivité. Ceci est ensuite suivi d'un deuxième cycle, où un volume de gaz poreux plus élevé (par exemple, 0,2 pv) est injecté et suivi d'une injection continue de saumure jusqu'à ce qu'un autre état stable et la nouvelle saturation en gaz piégé et la mousse mobile soient mesurés. L'expérience a été arrêtée lorsqu'il n'y a pas eu de changements significatifs dans la mesure de la résistance et de la chute de pression avec une augmentation de la PV du gaz injecté dans l'échantillon de roche. Ici, la stabilité globale du gaz piégé a été atteinte.

La figure 1 montre l'analyse de la texture de la mousse à différentes concentrations de solutions de surfactant et aux différents temps écoulés après leur génération dans l'analyseur de mousse statique. En se déplaçant de gauche à droite pour chaque concentration de tensioactif sur la figure 1, les bulles de mousse s'effondrent avec le temps écoulé en raison de la maturation d'Ostwald ou de la coalescence des bulles. Cela se traduit par des tailles de bulles plus grandes et une densité de bulles plus petite (nombre) à mesure que la mousse vieillit et que sa hauteur diminue. Cependant, une augmentation de la concentration de tensioactif (se déplaçant de haut en bas sur la figure 1) à chaque temps écoulé, se traduit par une meilleure texture de mousse. L'effet de la concentration en tensioactif semble être optimal à une concentration de 2,5 % en poids. Par conséquent, il n'y a pas eu d'amélioration substantielle de la texture de la mousse au-delà de cette concentration.

La texture de la mousse en vrac à différentes étapes de temps après la génération de la mousse en vrac (0–3600 s). La texture est représentée pour différentes concentrations de tensioactif allant de 0,02 à 10 % en poids.

En termes de stabilité de la mousse, comme le montre la figure 2, la demi-vie de la mousse augmente avec une augmentation des concentrations de tensioactif. Cependant, à une concentration supérieure à 2,5 % en poids, l'augmentation de la demi-vie n'est pas aussi significative. De même, sur la figure 3, la mesure de la tension superficielle était très abrupte jusqu'à 2, 5 à 5% en poids, après quoi la réduction s'est avérée progressive. Il ressort clairement des Figs. 2 et 3 qu'une asymptote n'a pas été atteinte, ce qui indique que de légers changements dans les propriétés de la mousse se produisent lorsque la concentration en tensioactif est augmentée. Néanmoins, une valeur optimale de concentration en tensioactif est requise, qui est la concentration au-delà de laquelle les propriétés de la mousse ne changent pas de manière significative pour justifier le coût associé à l'augmentation de la concentration. D'après l'analyse de la mousse en vrac dans cette étude, 2,5 % en poids semble être la concentration optimale. Les résultats de l'étude de la concentration optimale de surfactant pour les performances de la mousse dans les milieux poreux sont présentés dans la section suivante.

Demi-vie de la mousse par rapport aux concentrations de surfactant.

Tension superficielle de la solution de surfactant à diverses concentrations.

Tout d'abord, les caractéristiques des pores des échantillons de roche sont présentées en termes de courbes de pression capillaire (Fig. 4) et de distribution de relaxation RMN T2 (Fig. 5). Le tableau 2 résume également d'autres données sur la structure des pores basées sur des modèles de réseau de pores basés sur des images micro-CT et une analyse XRD. Il ressort de ces figures que les trois échantillons de roche sont significativement distincts les uns des autres en termes de porosité, de perméabilité, de pressions capillaires et de distribution de la taille des pores. Cela ouvre la voie à une étude plus holistique de l'impact d'un large éventail de structures de pores de roche sur les propriétés de la mousse. L'échantillon IDG a un régime de pression capillaire faible en raison de la grande taille des pores (comme illustré par la longue relaxation T2 sur la figure 5), tandis que l'échantillon AC a la pression capillaire la plus élevée car il a la taille de pore la plus faible (relaxation T2 courte). L'échantillon B se situe entre les deux extrêmes dans toutes les définitions des caractères des pores, comme indiqué dans le tableau 3.

Courbes de pression capillaire.

Courbes de relaxation RMN T2.

La saturation en mousse piégée et mobile des échantillons de roche a été estimée à partir des valeurs de résistivité mesurées en utilisant l'équation d'Archie (Eq. 1).

où \({S}_{w}\) est la saturation en eau in situ dans l'échantillon de roche (en fraction), \({R}_{0}\) (ohm-m) est la résistivité électrique du roche lorsqu'elle est saturée à 100 % de saumure (avec tensioactif dissous), \({R}_{t}\) (ohm-m) est la résistivité de la roche à saturation partielle en eau, et 'n' est l'exposant de la saturation , un paramètre dérivé lors d'une expérience d'indice de résistivité sur plaque poreuse. Étant donné que seules deux phases traversaient le milieu poreux, c'est-à-dire le liquide et le gaz, le gaz ou la saturation en gaz expansé (\({S}_{g}\)) à tout moment est estimée avec l'Eq. (2).

Les figures 6, 7, 8, 9, 10 et 11 montrent différentes propriétés de la mousse (mousse piégée, viscosité apparente, pression capillaire limite, rapport mousse mobile/mousse piégée) en fonction de la concentration de surfactant dans les trois échantillons de roche. Ces propriétés de mousse ont changé à mesure que la concentration de tensioactif augmentait à différents degrés.

Effet de la concentration de surfactant sur (A) la mousse piégée (B) Viscosité apparente de la mousse, pour différentes perméabilités.

Effet de la concentration de surfactant sur (A) la pression capillaire limitante de la mousse (B) le rapport mousse mobile/mousse piégée, pour différentes perméabilités.

Effet de la concentration de surfactant sur (A) mousse piégée (B) rapport mousse mobile/mousse piégée pour différentes tailles de pores.

Effet de la concentration de surfactant sur (A) la pression capillaire limitante de la mousse (B) le rapport mousse mobile/mousse piégée, pour différentes tailles de pores.

Effet de la concentration de surfactant sur la viscosité apparente (A) de la mousse piégée (B), pour différents T2LM.

Effet de la concentration de surfactant sur (A) la pression capillaire limitante de la mousse (B) le rapport mousse mobile/mousse piégée, pour différents T2LM.

En ce qui concerne l'effet de la concentration de surfactant sur les propriétés de mousse données, un bon accord a été observé entre toutes les propriétés de mousse en vrac mesurées et les propriétés de mousse dans les échantillons de roche. Toutes les propriétés statiques et dynamiques de la mousse ont été améliorées avec une augmentation de la concentration en tensioactif (résistance de la mousse). Cependant, une disparité se produit lorsque l'effet des propriétés des pores a été pris en compte dans la comparaison, ce qui suggère que la comparaison des propriétés de la mousse dans différentes roches doit être effectuée avec prudence.

Les figures 6, 7, 8, 9, 10 et 11 montrent comment la concentration de surfactant affecte la mousse piégée, la viscosité apparente et la pression capillaire limitante dans une variété de roches avec une large gamme de caractères de pores : gamme de perméabilité de 26 à 5 000 mD ; taille moyenne des pores de 4 à 9 µm ; taille moyenne de la gorge de 2,7 à 6 µm. La saturation de la mousse piégée et par conséquent la viscosité apparente de la mousse augmentent pour chaque augmentation de la concentration en tensioactif (par extension pour chaque augmentation de la résistance de la mousse) et avec chaque caractère de pore de roche, représenté par un point de données sur les figures. Cependant, le caractère des pores au-dessus d'une valeur seuil a un effet inverse sur les propriétés de la mousse, comme le montre la figure 6. Sur la base de ces chiffres, il semble qu'une valeur de perméabilité optimale existe quelque part entre 278 et 5000 mD à laquelle les propriétés de la mousse s'inversent. sa tendance par rapport à la tendance initiale. Fait intéressant, l'inversion (ou la chute) de la saturation de la mousse piégée et de la viscosité apparente ne se produit que lorsque la concentration en tensioactif est supérieure à 0,025 % en poids. Lorsque la concentration de tensioactif augmente, la sévérité de l'inversion augmente (c'est-à-dire que la courbe devient plus concave). La raison exacte de cela nécessite une étude plus approfondie. Il y a un chevauchement presque complet entre la concentration en tensioactif de 2,5 % en poids et 5 % en poids, pour le piégeage de la mousse (Fig. 6) et la limitation de la pression capillaire (Fig. 7).

La similitude entre le comportement du piégeage de la mousse et la viscosité apparente de la mousse montre que la saturation de la mousse piégée est principalement régie par la viscosité apparente de la mousse.

Les pressions capillaires limites de la mousse augmentent également lorsque la concentration en tensioactif augmente (Fig. 7A). Cependant, en ce qui concerne les changements de perméabilité, la pression capillaire limite de la mousse diffère des autres propriétés de la mousse (c'est-à-dire la saturation de la mousse piégée et sa viscosité apparente). La pression capillaire limite diminue à mesure que la perméabilité augmente. Ceci est attendu parce que les régimes de pression capillaire dans les roches à haute perméabilité ne sont pas aussi élevés que dans les roches à faible perméabilité. Par conséquent, puisque la pression capillaire limitant la mousse est la mesure la plus directe de la résistance de la mousse12, la mousse est plus forte dans la roche à faible perméabilité que dans la roche à haute perméabilité, et avec une augmentation de la concentration en tensioactif, elle augmente encore la résistance de la mousse générée (Fig. 7A). Il n'y a pas non plus d'inversion de la tendance de la pression capillaire limite comme cela a été observé dans le cas de la saturation de la mousse piégée et de la viscosité apparente sur la Fig. 6.

Étant donné que l'augmentation de la concentration en tensioactif a augmenté la saturation de la mousse piégée (figure 6A), on s'attend alors à ce que la saturation de la mousse mobile diminue à mesure que la concentration en tensioactif augmente, comme le montre la figure 7B. De même, pour la même raison, la mousse mobile à piégée diminue avec une augmentation de la perméabilité, avec une inversion similaire à la même valeur de perméabilité seuil sur la figure 6A.

Sur la base des résultats des Fig. 6 et 7, on peut suggérer que la saturation de la mousse piégée affecte directement la viscosité apparente et le rapport mousse mobile/mousse piégée. Par conséquent, la saturation de la mousse piégée ou l'une de ses variables dépendantes peut être utilisée pour comparer les performances de la mousse dans les roches du même caractère poreux. Cependant, on ne peut pas dire que la résistance de la mousse augmente avec un piégeage accru lors de la comparaison de deux géométries de pores de roche différentes, car le piégeage et la limitation de la pression capillaire ont une corrélation différente avec le changement de la géométrie des pores.

Il a été montré précédemment que la mousse avec de grosses bulles correspond à une mousse faible basée sur l'analyse de la mousse en vrac à la Fig. la structure des pores où ils sont générés. La tendance de la mousse faible (grossière) à s'écouler est également plus faible en raison de la faible pression différentielle et de la faible vitesse d'écoulement à travers la roche à haute perméabilité19,21,22. Par conséquent, ils restent piégés en raison de la perte de charge insuffisante présente dans les roches à haute perméabilité. En conséquence, la saturation de la mousse piégée devrait augmenter avec une perméabilité accrue et vice versa. La pression capillaire limite de la mousse diminue également avec une augmentation de la perméabilité (Fig. 7), une confirmation que les roches à haute perméabilité génèrent une mousse plus faible que les roches à faible perméabilité. Il devient donc difficile de juger si une saturation de mousse piégée plus élevée dans un échantillon de roche par rapport à un autre est une indication d'une mousse plus forte ou d'une mousse plus faible.

Les propriétés de la mousse susmentionnées ont été tracées avec d'autres caractères des pores de la roche (taille moyenne des pores, taille moyenne de la gorge et moyenne logarithmique de la relaxation T2). Ces propriétés de mousse ont des réponses similaires à la variation de ces caractères de pores, comme le montre la figure 8 (mousse piégée et viscosité apparente en fonction de la taille des pores) ; Fig. 9 (pression capillaire limite et rapport mousse mobile/mousse piégée en fonction de la taille des pores) ; Fig. 10 (mousse piégée et viscosité apparente versus RMN T2) ; et Fig. 11 (pression capillaire limite et rapport mousse mobile/mousse piégée versus RMN T2). La taille moyenne des pores peut également être représentée en termes de moyenne logarithmique de la relaxation RMN T2 puisque la relaxation T2 a une relation biunivoque avec la taille des pores. Plus la taille des pores est grande, plus le temps de relaxation T2 est long.

Pour déterminer la concentration optimale de surfactant pour la mousse dans un milieu poreux, chacune des propriétés de la mousse a été tracée en fonction de la concentration de surfactant pour les trois échantillons de roche testés (Figs. 12, 13, 14 et 15). D'après les résultats, on peut conclure que la concentration optimale de surfactant pour le piégeage de la mousse, la viscosité apparente, le rapport mousse mobile/mousse piégée et la pression capillaire limitante semble être de 1 % en poids, dans l'échantillon B et l'IDG, tandis que pour l'échantillon AC semble être de 2,5 % en poids. Cette valeur optimale est similaire pour la mousse en vrac, qui est de 2,5 % en poids.

Saturation de la mousse piégée par rapport à la concentration de surfactant pour trois échantillons.

Viscosité apparente de la mousse en fonction de la concentration de surfactant pour trois échantillons de roche.

Rapport moyen de mousse mobile sur mousse piégée par rapport à la concentration de surfactant dans trois échantillons de roche.

Limitation de la pression capillaire de la mousse en fonction de la concentration de surfactant dans trois échantillons de roche.

Les résultats ci-dessus ont une implication significative lors de la comparaison des propriétés de la mousse mesurées par un groupe différent de chercheurs ou mesurées à l'aide de différentes procédures expérimentales. Les analyseurs de mousse statiques ont un disque poreux à leur base avec des distributions de perméabilité ou de taille de pores variables. Par exemple, la distribution de la taille des pores du disque poreux dans l'analyseur de mousse statique utilisé dans cette étude est de 40 à 100 µm. Si un autre groupe de chercheurs travaillant ailleurs avec un analyseur de mousse (avec une taille moyenne des pores de 4 µm par exemple) mène une expérience similaire avec le même type et la même concentration de surfactant, ils ne seront peut-être pas en mesure de reproduire les résultats. En effet, les deux groupes de recherche utilisent des analyseurs de mousse statiques avec des disques poreux de base différents, dont les tailles de pores individuelles se situent sur deux extrêmes différents des valeurs seuils de taille de pore/perméabilité indiquées dans les Fig. 8 et 10. Il existe une variété de spécifications d'analyseurs de mousse statique disponibles, avec des tailles de pores du disque poreux de base (filtre) allant de 0,5 à 100 µm11,12,16,23, ce qui rend les conditions expérimentales différentes, en particulier la pression capillaire. Certains autres analyseurs de mousse n'utilisent pas de disque poreux pour générer de la mousse, mais en mélangeant simplement le gaz et la solution de tensioactif à des vitesses définies comme dans un mélangeur9,24. Étant donné que la texture de la mousse ou la taille des bulles dépendent de la taille des pores des disques poreux25 ou de la vitesse de mélange, le taux de décomposition de la mousse, la demi-vie et d'autres propriétés de la mousse peuvent différer entre les analyseurs de mousse pour la même formulation de mousse. C'est donc une bonne pratique pour les chercheurs de rapporter plus d'informations sur l'analyseur de mousse statique utilisé dans les tests rapportés tels que la taille moyenne des pores du disque poreux de base, la procédure de génération de mousse dans la colonne de mousse (méthode de barbotage de gaz ou de mélangeur), le taux de barbotage de gaz à travers le disque (pour un analyseur de mousse à injection de gaz), le taux d'agitation (pour un analyseur de mousse de type mélangeur). On se demande également si les tests de mousse statique mesurent uniquement la stabilité de la mousse ou s'ils donnent une indication de la résistance de la mousse26. Par conséquent, pour une comparaison équitable entre la mousse statique et la mousse dynamique, le disque poreux ou le filtre de l'analyseur de mousse statique doit avoir une géométrie de pores similaire à celle des échantillons de roche utilisés dans les expériences d'inondation de carottes.

Dans cette étude, nous avons étudié et comparé les propriétés de la mousse en vrac et de la mousse en milieu poreux pour différentes solutions de mousse. Pour ce faire, une analyse de mousse statique a été effectuée à l'aide d'un analyseur de mousse statique conventionnel. Le volume/hauteur de la mousse, la demi-vie/stabilité et la texture microscopique ont été mesurés au fil du temps. Des expériences d'engorgement du cœur ont également été menées pour obtenir diverses propriétés de mousse en milieu poreux. Sur la base des résultats de cette étude et dans les conditions expérimentales, les principales conclusions suivantes sont tirées :

Les performances de la mousse en vrac sont en accord total avec les performances de la mousse dans les milieux poreux lorsque les indices de performance appropriés sont comparés.

L'augmentation de la concentration de tensioactif a augmenté la demi-vie de la mousse en vrac et la texture de la mousse jusqu'à une concentration optimale de tensioactif au-dessus de laquelle l'augmentation de la concentration n'a pas produit de changement significatif dans les propriétés de la mousse. De même, l'augmentation de la concentration en tensioactif a augmenté le piégeage, la viscosité apparente et la limitation de la pression capillaire de la mousse dans les milieux poreux jusqu'à une concentration optimale en tensioactif. Une augmentation supplémentaire de la concentration n'a pas montré de changement significatif dans les propriétés de la mousse. La concentration optimale de tensioactif dans le test statique était de 2,5 % en poids. tandis que celui du test dynamique était de 2,5 % en poids pour l'un des échantillons de base et de 1 % en poids. pour les deux autres échantillons.

À une concentration de tensioactif supérieure à 0,025 % en poids, la mousse piégée et la viscosité apparente de la mousse ont augmenté dans les milieux poreux avec une taille/perméabilité des pores plus grande jusqu'au-dessus d'une certaine valeur seuil où le piégeage de la mousse et la viscosité apparente ont diminué. La tendance inverse ne s'est pas produite à une concentration de tensioactif de 0,025 % en poids et pour la mousse limitant la pression capillaire. La raison n'est pas claire et nécessite des études complémentaires.

Lorsqu'une comparaison doit être effectuée entre un essai statique et un essai dynamique, des informations adéquates doivent être fournies sur les spécifications de l'analyseur de mousse statique utilisé et sur la procédure de génération de mousse dans celui-ci. Pour avoir une correspondance entre les deux méthodes, la taille des pores de l'analyseur de mousse statique doit correspondre à celle de l'échantillon coreflood. Le débit de gaz utilisé dans les deux expériences doit également correspondre. Les chercheurs doivent donc rapporter plus d'informations sur chaque méthode, telles que la taille moyenne des pores du disque poreux de base, la procédure de génération de mousse dans la colonne de mousse (méthode de barbotage de gaz ou de mélangeur), le taux de barbotage de gaz à travers le disque (pour l'analyseur de mousse de barbotage de gaz) , la vitesse d'agitation (pour un analyseur de mousse de type mélangeur). Il est également recommandé d'effectuer des tests d'injection de carottes à des fins de criblage sur le même type de roche.

Les ensembles de données générés et analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Føyen, T., Brattekås, B., Fernø, MA, Barrabino, A. & Holt, T. Augmentation de la capacité de stockage de CO2 à l'aide de mousse de CO2. Int. J. Greenh. Contrôle du gaz 96, 103016. https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2020.103016 (2020).

Article CAS Google Scholar

Kovscek, AR, Patzek, T.W002E & Radke, CJ Simulation du transport de mousse en milieu poreux. 115–163. https://doi.org/10.2118/26402-ms (1993).

Kahrobaei, S. & Farajzadeh, R. Aperçu des effets de la concentration de surfactant sur le comportement de la mousse dans les milieux poreux. Combustibles énergétiques 33, 822–829. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b03576 (2019).

Article CAS Google Scholar

Zhang, ZF, Freedman, VL & Zhong, L. Foam Transport in Porous Media - A Review (Elsevier, 2009).

Réserver Google Scholar

Mannhardt, K., Novosad, JJ & Schramm, LL Évaluation comparative de la stabilité de la mousse à l'huile. SPE Réserv. Éval. Ing. 3, 23–34. https://doi.org/10.2118/60686-PA (2000).

Article CAS Google Scholar

Jones, SA, Laskaris, G., Vincent-Bonnieu, S., Farajzadeh, R. & Rossen, WR Effet de la concentration de surfactant sur la mousse : des expériences de coreflood aux paramètres de modèle de mousse à texture implicite. Ing. J. Ind. Chim. 37, 268-276. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2016.03.041 (2016).

Article CAS Google Scholar

Osei-Bonsu, K., Grassia, P. & Shokri, N. Relation entre la stabilité de la mousse en vrac, la formulation du surfactant et l'efficacité du déplacement de l'huile dans les milieux poreux. Carburant 203, 403–410. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.04.114 (2017).

Article CAS Google Scholar

Dalland, M., Hanssen, JE & Kristiansen, TS Interaction de l'huile avec des mousses dans des conditions statiques et fluides dans des milieux poreux. Colloïdes Surf. A 82, 129–140. https://doi.org/10.1016/0927-7757(93)02628-R (1994).

Article CAS Google Scholar

Suleymani, M., Ghotbi, C., Ashoori, S., Moghadasi, J. & Kharrat, R. Étude théorique et expérimentale du mécanisme de stabilité de la mousse par les nanoparticules : comportement des milieux interfaciaux, en vrac et poreux. J. Mol. Liquide. 304, 112739. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.112739 (2020).

Article CAS Google Scholar

Hanamertani, AS & Ahmed, S. Sonder le rôle du polymère associatif sur la résistance de la mousse scCO2 et l'amélioration de la rhéologie dans les milieux en vrac et poreux pour améliorer l'efficacité du déplacement de l'huile. Énergie 228, 120531. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.120531 (2021).

Article Google Scholar

Rezaee, M., Hosseini-Nasab, SM, Fahimpour, J. & Sharifi, M. Nouvel aperçu sur l'amélioration de la stabilité de la mousse et l'injection de mousse à l'aide de cendres volantes en présence de pétrole brut. J.Pet. Sci. Ing. 214, 110534. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2022.110534 (2022).

Article CAS Google Scholar

Wei, P., Zhai, K., Guo, K., Xie, Y. & Huang, X. Mousse liquide très visqueuse pour le déplacement d'huile : amélioration du comportement de surface et de phase. J.Pet. Sci. Ing. 212, 110274. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2022.110274 (2022).

Article CAS Google Scholar

Yu, Y., Hanamertani, AS, Korsah, PK, Jiao, Z. & McLaughlin, JF Faisabilité du criblage en vrac de CO2-mousse pour les évaluations du stockage du carbone dans les conditions du réservoir. dans les actes de la réunion régionale de l'Ouest de SPE. https://doi.org/10.2118/209315-MS (2022).

Vikingstad, AK & Aarra, MG Comparaison des propriétés de mousse statiques et dynamiques d'un tensioactif fluoré et d'un sulfonate d'oléfine alpha. J. Essence. Sci. Ing. 65, 105–111. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2008.12.027 (2009).

Article CAS Google Scholar

Li, B., Li, H., Cao, A. et Wang, F. Effet de la concentration de surfactant sur la texture de la mousse et les caractéristiques d'écoulement dans les milieux poreux. Colloïdes Surf. A 560, 189–197. https://doi.org/10.1016/J.COLSURFA.2018.10.027 (2019).

Article CAS Google Scholar

Sakthivel, S., Adebayo, A. & Kanj, MY Évaluation expérimentale de la mousse stabilisée par points de carbone pour une meilleure récupération de l'huile. Combustibles énergétiques 33, 9629–9643. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b02235 (2019).

Article CAS Google Scholar

Adebayo, AR Une technique d'interprétation graphique pour évaluer la résistance et la stabilité de la mousse dans les milieux poreux en fonction du rapport mousse mobile-piégée. Transp. Médias poreux 139, 327–355. https://doi.org/10.1007/s11242-021-01668-1 (2021).

Article MathSciNetGoogle Scholar

Adebayo, AR Écoulement de mousse dans différents systèmes de pores - partie 1 : Les rôles des attributs des pores et leur variation sur le piégeage et la viscosité apparente de la mousse. SPE J. 26, 3908–3925. https://doi.org/10.2118/206719-pa (2021).

Article CAS Google Scholar

Adebayo, AR Écoulement de mousse dans différents systèmes de pores - partie 2 : Les rôles des attributs des pores sur la pression capillaire limite. Trapp. Coeff. Rel. Perméab. Gaz moussé SPE J. 26, 3926–3948. https://doi.org/10.2118/205523-pa (2021).

Article CAS Google Scholar

Adebayo, AR Mesures de la pression capillaire et des courbes de perméabilité relative pour le transport de mousse dans les milieux poreux - Une approche par faisceau capillaire. J. Essence. Sci. Ing. 172, 1048–1056. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2018.09.012 (2019).

Article CAS Google Scholar

Cohen, D., Patzek, TW et Radke, CJ Début de la mobilisation et fraction de mousse piégée dans les milieux poreux. Transp. Médias poreux 28, 253–284. https://doi.org/10.1023/A:1006552320036 (1997).

Article CAS Google Scholar

Gauglitz, PA, Friedmann, F., Kam, SI & Rossen, WR Génération de mousse en milieu poreux. dans Actes - Symposium SPE sur la récupération améliorée du pétrole 508–522 (2002).

Khristov, K., Exerowa, D., Christov, L., Makievski, AV & Miller, R. Analyseur de mousse : Un instrument basé sur la technique de chute de pression de mousse. Rev. Sci. Instrument. 75, 4797–4803. https://doi.org/10.1063/1.1809294 (2004).

Article ADS CAS Google Scholar

Vikingstad, AK, Skauge, A., Høiland, H. & Aarra, M. Interactions mousse-huile analysées par des tests de mousse statique. Colloïdes Surf. A 260, 189–198. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2005.02.034 (2005).

Article CAS Google Scholar

Wang, Y., Yue, X., Liu, K., Bo, Z. et Qing, L. Effet de la perméabilité sur la mobilité de la mousse et la distribution de la résistance à l'écoulement - une étude expérimentale. Colloïdes Surf. Un Physicochem. Ing. Aspects. 582, 123769. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2019.123769 (2019).

Article CAS Google Scholar

Ibrahim, KZ, Adebayo, AR, Isah, A. & Muhammed, NS Une revue de la littérature sur la résistance et la stabilité de la mousse et leur relation avec la perméabilité absolue des milieux poreux. J.Pet. Sci. Ing. 211, 110195. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2022.110195 (2022).

Article CAS Google Scholar

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Les auteurs remercient le collège d'ingénierie pétrolière et de géosciences pour le financement de la recherche.

Centre de recherche intégrative sur le pétrole, Université King Fahd du pétrole et des minéraux, Dhahran, Arabie saoudite

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

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AR a fourni la conceptualisation, analysé les résultats et rédigé le manuscrit. SB et SS ont réalisé des expériences et la conservation des données. MR et RB ont analysé les données et édité le manuscrit.

Correspondance à Abdulrauf R. Adebayo.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Adebayo, AR, Badmus, SO, Sakthivel, S. et al. Une étude systématique de la relation entre les propriétés de la mousse en vrac et de la mousse en milieu poreux. Sci Rep 13, 8058 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35278-2

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Reçu : 01 mars 2023

Accepté : 16 mai 2023

Publié: 17 mai 2023

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

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