Uma investigação sistemática da relação entre as propriedades da espuma a granel e da espuma em meios porosos

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8058 (2023) Citar este artigo

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A análise de espuma a granel (teste estático) é simples e rápida, o que a torna um método econômico para triagem e classificação de centenas de surfactantes sendo considerados para aplicações de espuma. Testes de Coreflood (teste dinâmico) também podem ser usados, mas são bastante trabalhosos e caros. No entanto, relatórios anteriores mostram que a classificação baseada em testes estáticos às vezes difere da classificação baseada em testes dinâmicos. Até o momento, a razão para tal discrepância não é bem compreendida. Alguns acreditam que pode ser devido a um projeto experimental defeituoso, enquanto outros acreditam que não há discrepância se os índices de desempenho de espuma corretos forem usados ​​para descrever e comparar os resultados de ambos os métodos. Pela primeira vez, este estudo relata uma série sistemática de testes estáticos conduzidos em diferentes soluções espumantes (com concentração de surfactante variando de 0,025 a 5% em peso) e duplicados em testes dinâmicos usando a mesma amostra de núcleo para todas as soluções de surfactantes. O teste dinâmico também foi repetido em três rochas diferentes de uma ampla faixa de permeabilidade (26-5000 mD) para cada uma das soluções de surfactante. Ao contrário de estudos anteriores, aqui múltiplos índices dinâmicos de espuma (pressão capilar limitante, viscosidade aparente, espuma aprisionada e relação entre espuma aprisionada e espuma móvel) foram medidos e comparados com os índices de desempenho medidos nos testes estáticos (textura da espuma e meia-vida da espuma). Os testes dinâmicos estiveram em total concordância com os testes estáticos para todas as formulações de espuma. No entanto, observou-se que o tamanho dos poros do disco do filtro de base usado no analisador de espuma estático pode ser uma fonte potencial de resultados conflitantes quando comparado com o teste dinâmico. Isso ocorre porque existe um tamanho de poro limite acima do qual algumas propriedades da espuma (viscosidade aparente e espuma retida) diminuíram significativamente em comparação com as propriedades antes desse limite. A pressão capilar limitante da espuma é a única propriedade da espuma que não mostra tal tendência. Parece também que tal limite ocorre acima de uma certa concentração de surfactante (0,025% em peso). Aparentemente, torna-se imprescindível que o tamanho dos poros do disco filtrante utilizado no ensaio estático e do meio poroso utilizado nos ensaios dinâmicos estejam do mesmo lado do ponto limiar, caso contrário pode haver disparidade em seus resultados. A concentração limiar de surfactante também deve ser determinada. O papel desses dois fatores (tamanho dos poros e concentração de surfactante) requer uma investigação mais aprofundada.

A espuma tem muitas aplicações industriais, incluindo alimentos, produtos farmacêuticos, indústria de petróleo e gás, etc. Em aplicações de engenharia de petróleo, a espuma aquosa é usada principalmente para reduzir a mobilidade do gás durante projetos de injeção de gás e, portanto, melhorar a recuperação de petróleo. Além disso, a espuma é usada em aplicações de geossequestro de CO2 devido à sua alta capacidade de reduzir a permeabilidade relativa e o aprisionamento de gás1. A espuma aquosa é formada pela dispersão de gás em uma solução contínua de surfactante. A interface gás-líquido é estabilizada durante a geração de espuma devido à agregação do surfactante na interface. Na escala dos poros, a espuma gerada consiste em fluxo de gás e gás aprisionado. O primeiro ocupa poros grandes e com baixa resistência ao escoamento, enquanto o segundo ocupa espaços porosos pequenos a médios2. As bolhas de espuma são separadas por um filme líquido contínuo chamado lamelas, que provoca um aumento da força viscosa durante o escoamento criando uma alta resistência ao escoamento do gás3.

A espuma gerada deve ser forte e estável para alcançar os resultados pretendidos. Diferentes tipos de surfactantes e nanopartículas podem dar diferentes graus de resistência e estabilidade à espuma. Por esta razão, muitos surfactantes comerciais e/ou soluções de nanopartículas devem ser selecionados e classificados quanto à sua adequação para aplicação em meios porosos específicos e condições ambientais. Essa triagem em larga escala pode ser feita em espuma a granel (análise de espuma estática) ou microespuma fluindo em meios porosos (inundação do núcleo ou análise de espuma dinâmica). Coreflood é trabalhoso e caro. Por outro lado, a análise de espuma a granel é simples e rápida, o que a torna um método econômico para a triagem de dezenas ou centenas de surfactantes considerados para aplicações em espuma. No entanto, houve alguns relatos sobre a falta de relação entre espuma estática e análise de espuma dinâmica4. A relação entre espuma estática e espuma dinâmica pode ser de dois tipos. A primeira é comparar a classificação de formulações de espuma (com base em alguns índices definidos) de testes estáticos com a classificação de testes dinâmicos. A segunda é uma comparação direta do desempenho da espuma (resistência e estabilidade) de uma determinada formulação de espuma medida a partir de um teste estático em comparação com a medição em testes dinâmicos. Para ambos os casos, deve haver semelhança nos resultados se a metodologia utilizada estiver correta e os índices corretos forem comparados. Para o caso de formulações de surfactantes de classificação, Mannhardt et al.5 usaram diferentes métodos experimentais (inundação de núcleo, espuma a granel, observações de micromodelo e parâmetros interfaciais) para avaliar e classificar o desempenho de seis diferentes formulações de espuma. Eles descobriram que cada método experimental deu uma classificação de desempenho diferente para as seis formulações de espuma testadas, dificultando a triagem ou a escolha da formulação de espuma apropriada. Disparidade semelhante também foi relatada por Jones et al.6. Esses pesquisadores concluíram então que a avaliação de espumas para aplicações de campo deve ser feita usando experimentos de inundação do núcleo em condições de reservatório. Para comparação direta, alguns pesquisadores relataram que não houve correlação entre o teste de estabilidade de espuma realizado em teste estático e aqueles realizados em testes dinâmicos7,8. Por outro lado, alguns outros pesquisadores relataram uma boa correlação entre os dois9,10,11,12,13,14. A causa de tal disparidade não é clara. Alguns autores simplesmente atribuem isso ao fato de que o comportamento da espuma em meios porosos é diferente do comportamento da espuma em sua forma bruta. Certamente, o fluxo de espuma em meios porosos sofre muitos fatores de influência que afetam o comportamento da espuma em meios porosos. Isso inclui concentração de surfactante, taxa de injeção, fração de gás (qualidade da espuma), temperatura, salinidade, presença de impurezas (por exemplo, petróleo bruto), cisalhamento mecânico e alongamento à medida que passam por poros e gargantas, adsorção em superfícies rochosas e, em seguida, de naturalmente as propriedades dos meios porosos. Diferentes surfactantes responderão de maneira diferente devido a esses fatores. O surfactante desejado deve ter a menor tendência de adsorção na superfície da rocha e também deve ser capaz de gerar espuma forte e estável. Portanto, adsorção, resistência e estabilidade são os principais critérios para triagem e seleção de surfactante para qualquer projeto de espuma. A análise da espuma a granel pode fornecer explicitamente uma indicação da estabilidade da espuma por meio da medição da 'meia-vida', enquanto a resistência da espuma pode ser avaliada com base na textura da bolha observada por meio de imagens microscópicas da espuma a granel. Testes de adsorção podem então ser conduzidos em amostras de rocha da rocha reservatório de interesse. Para justiça na classificação entre muitos surfactantes, a análise de espuma em massa é feita em todos os surfactantes nas mesmas condições de fluido e experimentais (temperatura, salinidade da salmoura, concentração de surfactante). O teste Coreflood também pode dar uma indicação da resistência e estabilidade da espuma, que são inferidas a partir de sua pressão capilar limitante, viscosidade aparente e fator de resistência. Da mesma forma, para justiça na classificação, os testes de núcleo devem ser conduzidos no mesmo tipo de rocha para todos os surfactantes e nas mesmas condições experimentais e de fluido (salinidade da salmoura, concentração do surfactante, temperatura, pressão, qualidade da espuma, taxa de injeção, etc.). Se após isso ocorrer disparidade no ranking, então pode-se chamar a atenção para erros experimentais ou na definição técnica do que representam os índices de desempenho utilizados em ambos os métodos. Existe, portanto, a necessidade de realizar um estudo sistemático e bem planejado para investigar se os resultados dos testes de espuma estáticos e dinâmicos se correlacionam. De acordo com o conhecimento dos autores, este estudo relata pela primeira vez uma comparação individual entre vários testes estáticos (de um único analisador de espuma estática) e vários testes dinâmicos (da mesma amostra central) para um ampla gama de formulações/força de espuma e uma ampla gama de propriedades de núcleo. Muitos índices de desempenho também foram obtidos a partir dos testes dinâmicos e comparados com os índices de desempenho do teste em massa, ou seja, meia-vida, volume de espuma e textura de bolha. Além disso, em vez de investigar diferentes tipos de surfactantes, aqui o mesmo surfactante é usado, mas com concentração variável, uma vez que diferentes concentrações de surfactantes geram espuma de diferentes resistência, textura e estabilidade15.