Разработка новой экспериментальной методики измерения толщины остаточного пристеночного слоя в воде.

Oct 11, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 4530 (2023) Цитировать эту статью

555 доступов

Подробности о метриках

Эффективное удаление и вытеснение жидкостей важно во многих промышленных и экологических приложениях, таких как эксплуатация и очистка технологического оборудования, закачка жидкости в пористую среду для добычи нефти или восстановления водоносных горизонтов или для достижения изоляции подземных зон в новых или заброшенных скважинах. Точное измерение остаточной пристеночной пленки жидкости, оставшейся после вытеснения очищающей жидкостью, является давней проблемой, особенно для очень тонких пленок жидкости, толщина которых может достигать порядка микрометра. Мы концентрируемся на определении характеристик масляных пленок, остающихся на стенках горизонтальной трубы после того, как труба была вытеснена водой, и разрабатываем новый, неинтрузивный аналитический метод, который позволяет использовать соответствующие материалы труб. Нефть, первоначально заполняющая трубу, окрашивается гидрофобным красителем Нильский красный, а для сбора остаточного объема нефти, оставшегося после вытеснения трубы известным объемом воды, используется промежуточный органический растворитель. Наконец, ультрафиолетово-видимая спектроскопия используется для измерения концентрации нильского красного в собранной жидкости, которая пропорциональна остаточному объему нефти в трубе. Мы демонстрируем методологию, проводя эксперименты, в которых вытесняющая жидкость впрыскивается с двумя разными заданными скоростями и где объем закачиваемой жидкости варьируется. Как и ожидалось, мы обнаруживаем постепенное истончение масляной пленки с увеличением объема закачиваемой жидкости. Мы сравниваем измеренную толщину пленки с моделью смещения, основанной на устойчивом профиле скорости в трубе, и обнаруживаем, что эксперименты постоянно дают меньшую толщину пленки. Этот разработанный метод позволяет количественно оценить механизмы смещения и очистки, участвующие в несмешивающихся смещениях в ламинарном, переходном и турбулентном режимах, для различных пар неньютоновских жидкостей, а также для различных реалистичных материалов труб и шероховатости поверхности.

Двухфазные потоки и потоки вытеснения жидкости с участием несмешивающихся жидкостей широко распространены как в промышленных, так и в биологических приложениях1, таких как одновременный поток нефти и газа в трубопроводах2, вытеснение нефти из пористых пород-коллекторов закачкой воды3,4 или поток воздуха. через дыхательные пути легких, выстланные вязкой жидкостью5,6. В зависимости от применения и условий течения несмешивающиеся двухфазные потоки могут иметь различное расположение жидкости, причем соответствующими примерами, встречающимися в трубопроводах, являются стратифицированный поток, кольцевой поток или пузырьковый поток2. Наше внимание здесь сосредоточено на вытеснении несмешивающейся жидкости из труб, где вода закачивается для вытеснения присутствующей нефти, которая изначально занимает трубу. Исследование частично мотивировано аналогичными процессами вытеснения, происходящими на предприятиях по строительству скважин для добычи нефти или геологической секвестрации углекислого газа. Такие скважины требуют размещения компетентных цементных барьеров для изоляции пластов7. Качество барьера связано с полным вытеснением находящегося в скважине бурового раствора и эффективной гидравлической очисткой твердых ограничивающих поверхностей по длине барьера8,9.

Исследования вытеснения жидкости, связанные с цементированием и размещением барьеров, в основном были сосредоточены на парах смешивающихся жидкостей и учитывали влияние геометрии (наклон, кольцевой зазор и эксцентриситет), условий размещения (скорость потока, объем нагнетания) и свойств жидкости (контраст плотности и вязкости). ) на эволюцию границы раздела жидкость-жидкость и эффективность вытеснения7. Недавно смещения с участием несмешивающихся жидкостей (воды и масла) были изучены экспериментально для наклонных труб10,11 и теоретически для наклонных каналов12, выявив новые нестабильности и модели потока по сравнению со смешивающимися смещениями10. Большинство текущих исследований по изучению вытеснения основано на визуальном наблюдении границ раздела жидкость-жидкость во время вытеснения в прозрачных трубах и кольцевых пространствах. Таким образом, исследование удаления тонкостенных пленок в значительной степени ограничивается оптическим разрешением приборов и преломлением света через изогнутые поверхности стенок. В этой работе мы представляем новый и простой аналитический метод оценки объема остаточной нефти, остающейся в трубе после закачки известного объема вытесняющей воды. Метод позволяет неинтрузивными методами измерять объемы остаточного масла, соответствующие эквивалентной микронной толщине пленки. Метод основан на окрашивании нефтяной фазы гидрофобным красителем и использовании органического растворителя для сбора остатков нефти после вытеснения трубы путем закачки известного объема воды. Мы используем нильский красный в качестве гидрофобного красителя и тетрагидрофуран (ТГФ) в качестве органического растворителя. Гидрофобные свойства нильского красного ранее использовались для селективного окрашивания и обнаружения капель липидов13, для определения характеристик белков14 и для измерения эффективности инъекционных водных фильтров для подповерхностного разделения жидкостей неводной фазы15. Наконец, ультрафиолетово-видимая (УФ-видимая) спектрофотометрия впоследствии используется для измерения концентрации красителя в растворе ТГФ, которая, в свою очередь, пропорциональна объему остаточного масла.