Simulation of Nanoparticle-Stabilized CO2-Foam in Sandstone

本论文中的数值研究是卑尔根大学物理与技术系储层物理小组领导的持续进行的CO₂泡沫项目的一部分。论文的研究目标是利用经过实验结果历史匹配验证的组分模拟器，调查在基线（CO₂-盐水）和CO₂-纳米流体共注过程中泡沫的行为。由计算机建模集团（CMG）提供的组分模拟器GEM用于执行历史匹配和敏感性分析，以研究不同泡沫模型参数（包括参考流动度降低因子（FMMOB）、最大干涸参数（Sfdry）、干涸斜率（Sfbet）、绝对渗透率和注入速度）对有无纳米颗粒存在时CO₂共注期间泡沫强度的影响。
本论文重点研究CO₂泡沫的数值模拟，涉及纳米颗粒与CO₂的质量扫描以生成用于控制流动性的泡沫，并研究基于纳米颗粒的泡沫强度。数值模拟结果与可用的出露层Bentheimer砂岩岩心驱替实验数据进行了比较。该岩心完全饱和盐水（不含油），并在不同的注入速率和气体分数下将气体与盐水和/或纳米流体共注，以原位生成泡沫。
采用包含在组分状态方程CMG-GEM模拟器中的经验泡沫模型。该模型包括相对渗透率和泡沫模型参数，如参考流动度降低因子（FMMOB）、最大干涸参数（Sfdry）和干涸斜率（Sfbet）。在实验工作中，在最佳气体分数（fg=0.7）下获得了最高表观粘度7.8 cP，而基线泡沫质量扫描（无纳米颗粒）在同一气体分数下的表观粘度几乎低3倍，所有注入速度均如此。这表明了泡沫的生成以及纳米颗粒能够稳定CO₂泡沫。该模型能够重现实验数据，尤其强调最佳气体分数处的情况，表观粘度在所有注入速度的最佳气体分数处增加到最大值（7.7 cP）。实验数据和数值模拟中均观察到CO₂泡沫的近牛顿行为；在泡沫扫描过程中未观察到剪切增稠行为（流体粘度随注入速率增加而增加）或剪切变稀行为（流体粘度随注入速率增加而降低）。模型饱和曲线显示，由CO₂-NP生成的泡沫比基线情况排出了更多的水。
综上所述，本工作为估算纳米颗粒稳定CO₂泡沫模拟中相对渗透率和泡沫模型参数提供了一种方法。这些发现对于理解有无纳米颗粒存在时泡沫扫描过程中纳米颗粒稳定CO₂泡沫的行为将是有用的。模拟结果表明，在纳米颗粒存在的情况下，泡沫质量扫描过程中的泡沫表观粘度相比仅使用盐水的泡沫质量扫描有所增加。观察到泡沫模型参数影响水饱和度、压差和表观粘度。最后，模拟结果显示模拟结果与实验数据吻合良好，且纳米颗粒稳定的CO₂泡沫有望成为一种有前景的CO₂流动性控制方法。