1. Пены и их свойства

Пены - это ячеистопленочные газожидкостные системы, образованные множеством пузырьков газа (воздуха), разделенных пленками жидкости.

Наибольшее техническое применение находят стабильные пены, т.е. способные сохраняться в течение длительного времени. Пенообразование зависит от многих физико-химических и физико-технических факторов.

Основными свойствами и характеристиками пенных систем являются плотность, вязкость, газосодержание или степень аэрации, стабильность (устойчивость), их реологические и теплофизические свойства.

Газосодержание (в зарубежной практике КП - качественный показатель Митчела) представляет собой отношение объема газа Vг к объему пены Vп , т.е. КП = Vг /Vп , определяемому для конкретных давлений и температур.

Степень аэрации жидкости - это отношение объемных расходов газа Qг и жидкости Qж при атмосферном давлении, т.е. a = Qг/Qж. В промысловой практике применение этого понятия является наиболее рациональным.

Стабильность (устойчивость) пены - ее способность сохранять общий объем, дисперсный состав и препятствовать истечению жидкости. В качестве меры стабильности пены используют время существования всего объема пены или его доли, отдельной пленки или пузырьков. Для определения стабильности и пенообразующей способности растворов пенообразователей может быть рекомендован прибор Росса-Майлса, принятый во многих странах в качестве стандартного (метод выливания).

/ см. 1) Сравнительная оценка свойств пенообразователей/ Э.М.Тасунов, Н.А.Полухина, Н.В.Кошелева и др. - в кн.:Вопросы крепления скважин. Краснодар, 1983 и 2) Тасунов Э.М., Полухина Н.А., Назаренко Е.И. Выбор оптимальной технологии промывки скважин.- Краснодар, 1981. /

Плотность пены зависит от соотношения жидкой и газовой фаз и может математически быть выражена через плотность жидкой _ж и газообразной _г фаз и истинное объемное газосодержание КП :

_п = ( 1 - КП) _ж при _г = p / gRTZ ,

где: p - давление; g - ускорение свободного падения; Z – коэффициент сверхсжимаемости газа; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура пены.

Плотность пены может варьироваться в широких пределах от 30 до 1000 кг/куб.м и более (при вводе твердой фазы).

Вязкость двухфазной пены зависит от концентрации ПАВ, температуры, от скорости сдвига. При больших скоростях она на порядок выше, чем вязкость пенообразующего раствора, а при малых скоростях может быть больше на 2-3 порядка. Высокая вязкость обеспечивает восходящему потоку пены повышенную способность выноса шлама и частиц во время промывки. При газосодержании больше 50-55% у пены начинают проявляться и усиливаются структурно-механические и вязко-пластичные свойства, что ведет к отсутствию проскальзывания газа, в отличие от простой аэрации воды. Благодаря этому достигается возможность освоения скважин глубиной 5-6 км с плавным снижением давления на забое при использовании компрессоров с рабочим давлением 8-10 МПа и подачей 7‑9 куб.м/мин.

Важными преимуществами использования пенных систем является возможность прокачки пены и создания депрессии в условиях большого поглощения. Пена, попадая в поглощающий интервал оказывает блокирующее действие за счет повышенной вязкости и наличия газовых пузырьков, которые в первую очередь внедряются в крупные поровые каналы и трещины, защемляются в них и тем самым снижается фазовая проницаемость по жидкости.

Путем изменения степени аэрации (газосодержания) средневзвешенная по высоте плотность пены может регулироваться от 0.15‑0.2 до 0.8‑0.9 г/куб.см, т.е. может обеспечиваться оптимальное забойное давление (уровень депрессии). Это позволяет предотвратить разрушение призабойной зоны, цементного кольца и проявление других отрицательных явлений.

На заданных режимах и уровнях депрессии можно работать достаточно длительное время и производить длительную откачку внедрившейся ранее в пласт воды, продуктов реакции при химобработках и т.п., а за счет перераспределения давления в призабойной зоне также появляется возможность увеличивать зону охвата депрессионным воздействием.

Одним из важных свойств пены является ее упругость. Вследствие сжатия газовой фазы, столб двухфазной пены обладает большим запасом упругой энергии, но для ее погашения устойчивость пены оказывается недостаточной. Поэтому, после прекращения закачки, пузырьки газа из нижней части столба поднимаются вверх и нарушают равновесие системы. Кроме того, равновесие нарушается из-за остановки движения и исчезновения гидравлического сопротивления, связанного с вязкостным трением. При закачке пены это сопротивление в среднем приводит к повышению давления в стволе и дополнительному сжатию газа наряду с гидростатическим. Высвобождение упругой энергии выражается в увеличении объема пузырьков газа и все это приводит к тому, что возникает явление самоизлива пены. Процесс идет с нарастанием и сопровождается значительным (до 30%) выносом жидкости из скважины. Этот процесс также частью связан с выделением газа растворенного в нефти. При снижении забойного давления ниже давления насыщения нефти газом, газ будет выделяться из нефти и оттеснять пену с забоя. При движении вверх, мелкие пузырьки будут расширяться, образовывать достаточно большие по объему пузырьки и вытеснять пену из скважины.

Примечательно здесь то, что плавное снижение забойного давления приводит к разгазированию нефти в призабойной зоне. Пузырьки газа, двигаясь по поровым каналам, могут способствовать выносу кольматирующего материала из коллектора и очистки призабойной зоны.

Выходящий из пласта растворенный в нефти газ будет смешаваться с водой и образовывать пену и способствовать вытеснению водовоздушной пены и воздуха из ствола и продувке газом, что практически исключает опасность наличия в стволе взрывоопасной газовоздушной смеси.

Вследствие загазованности, до окончания самоизлива пены какие-либо огневые работы вблизи скважины не допускаются.