Sviluppo di una nuova tecnica sperimentale per la misurazione dello spessore residuo della parete nell'acqua

Oct 11, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4530 (2023) Citare questo articolo

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La rimozione e lo spostamento efficaci dei fluidi sono importanti in molte applicazioni industriali e ambientali, ad esempio per il funzionamento e la pulizia delle apparecchiature di processo, l'iniezione di fluidi in mezzi porosi per il recupero del petrolio o la bonifica delle falde acquifere o per ottenere l'isolamento zonale del sottosuolo in pozzi nuovi o abbandonati. La misurazione accurata della pellicola residua della parete fluida lasciata dopo lo spostamento da parte di un fluido detergente è una sfida di lunga data, in particolare per pellicole fluide molto sottili dove lo spessore può essere dell'ordine del micrometro. Ci concentriamo sulla caratterizzazione dei film d'olio lasciati sulla parete di un tubo orizzontale dopo che il tubo è stato spostato dall'acqua e sviluppiamo una tecnica analitica innovativa e non invasiva che consente l'uso dei materiali dei tubi pertinenti. L'olio che originariamente occupa il tubo viene colorato con un colorante idrofobico rosso Nilo e un solvente organico intermedio viene utilizzato per raccogliere il volume di olio residuo che rimane dopo aver spostato il tubo con un volume noto di acqua. Infine, la spettroscopia ultravioletto-visibile viene utilizzata per misurare la concentrazione di rosso Nilo nel fluido raccolto, che è proporzionale al volume residuo di olio nel tubo. Dimostriamo la metodologia conducendo esperimenti in cui il fluido di spostamento viene iniettato a due diverse velocità imposte e in cui viene variato il volume del fluido iniettato. Come previsto, riscontriamo un graduale assottigliamento del film d'olio all'aumentare del volume del fluido iniettato. Confrontiamo gli spessori del film misurati con un modello di spostamento basato sul profilo di velocità costante in un tubo e scopriamo che gli esperimenti producono costantemente spessori del film più piccoli. Questa tecnica sviluppata consente la quantificazione dei meccanismi di spostamento e pulizia coinvolti negli spostamenti immiscibili a regimi laminari, transitori e turbolenti, per diverse coppie di fluidi non newtoniani e per diversi materiali realistici dei tubi e rugosità superficiali.

I flussi bifase e di spostamento di fluidi che coinvolgono fluidi immiscibili sono diffusi sia nelle applicazioni industriali che biologiche1, come il flusso simultaneo di petrolio e gas nelle condutture2, lo spostamento di petrolio da rocce serbatoio porose mediante iniezione di acqua3,4 o il flusso di aria attraverso le vie aeree polmonari rivestite da un fluido viscoso5,6. A seconda dell'applicazione e delle condizioni di flusso, i flussi bifase immiscibili possono presentare diverse disposizioni del fluido, con flusso stratificato, flusso nucleo-anulare o flusso a bolle che sono esempi rilevanti incontrati nelle tubazioni2. Il nostro focus qui è sullo spostamento di liquidi immiscibili dai tubi, dove l'acqua viene iniettata per spostare un olio residente che inizialmente occupa il tubo. Lo studio è in parte motivato da processi di spostamento simili coinvolti nell’impresa di costruzione di pozzi per la produzione di petrolio o di sequestro geologico dell’anidride carbonica. Tali pozzi richiedono il posizionamento di barriere cementizie competenti per l'isolamento zonale7. La qualità della barriera è legata al completo spostamento del fluido di perforazione residente nel pozzo e all'efficace pulizia idraulica delle superfici solide di delimitazione lungo la lunghezza della barriera8,9.

Gli studi sullo spostamento dei fluidi legati alla cementazione e al posizionamento della barriera si sono concentrati principalmente su coppie di fluidi miscibili e hanno considerato gli effetti della geometria (inclinazione, gioco anulare ed eccentricità), delle condizioni di posizionamento (portata, volume di iniezione) e delle proprietà del fluido (densità e viscosità contrastano ) sull'evoluzione dell'interfaccia fluido-fluido e sull'efficienza dello spostamento7. Recentemente, gli spostamenti che coinvolgono liquidi immiscibili (acqua e olio) sono stati studiati sperimentalmente per tubi inclinati10,11 e teoricamente per condotti inclinati12, rivelando nuove instabilità e schemi di flusso rispetto agli spostamenti miscibili10. La maggior parte della ricerca attuale sugli studi sugli spostamenti si è basata sull'osservazione visiva delle interfacce fluido-fluido durante lo spostamento in tubi e anelli trasparenti. Pertanto, lo studio sulla rimozione delle pellicole a pareti sottili è stato in gran parte limitato dalla risoluzione ottica della strumentazione e dalla rifrazione della luce attraverso le superfici curve delle pareti. In questo lavoro presentiamo un metodo analitico nuovo e semplice per stimare il volume residuo di olio lasciato in un tubo dopo aver iniettato un volume noto di acqua spostata. Il metodo consente di misurare i volumi di olio residuo che corrispondono a spessori di film equivalenti di dimensioni micrometriche utilizzando metodi non intrusivi. Il metodo si basa sulla colorazione della fase oleosa con un colorante idrofobo e sull'utilizzo di un solvente organico per raccogliere l'olio rimanente dopo lo spostamento del tubo iniettando un volume noto di acqua. Usiamo il rosso Nilo come colorante idrofobo e il tetraidrofurano (THF) come solvente organico. La proprietà idrofobica del rosso Nilo è stata precedentemente utilizzata per la colorazione selettiva e il rilevamento di goccioline lipidiche13, per la caratterizzazione delle proteine14 e per misurare l'efficacia dei filtri acquosi iniettabili per la separazione sotterranea di liquidi in fase non acquosa15. Infine, la spettrofotometria ultravioletta-visibile (UV-Vis) viene successivamente utilizzata per misurare la concentrazione del colorante nella soluzione THF, che a sua volta è proporzionale al volume di olio residuo.