수중 잔존벽층 두께 측정을 위한 새로운 실험 기법 개발

Oct 11, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4530(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

유체의 효과적인 제거 및 대체는 공정 장비의 작동 및 청소, 오일 회수 또는 대수층 복원을 위한 다공성 매질의 유체 주입, 신규 또는 버려진 유정에서 지하 영역 격리 달성과 같은 많은 산업 및 환경 응용 분야에서 중요합니다. 세척액에 의해 변위된 후 남겨진 잔류 유체 벽 필름을 정확하게 측정하는 것은 오랜 과제였으며, 특히 두께가 마이크로미터 정도일 수 있는 매우 얇은 유체 필름의 경우 더욱 그렇습니다. 우리는 파이프가 물로 대체된 후 수평 파이프 벽에 남아 있는 유막의 특성화에 중점을 두고 관련 파이프 재료를 사용할 수 있는 새롭고 비침해적인 분석 기술을 개발합니다. 원래 파이프를 차지하고 있던 오일은 소수성 염료인 나일 레드(Nile red)로 염색되며, 중간 유기 용매를 사용하여 파이프를 알려진 양의 물로 대체한 후 남아 있는 잔여 오일 양을 수집합니다. 마지막으로, 자외선-가시광선 분광법을 사용하여 수집된 유체의 나일 레드 농도를 측정합니다. 이는 파이프 내 잔류 오일 양에 비례합니다. 우리는 변위 유체가 두 가지 서로 다른 부과 속도로 주입되고 주입된 유체량이 변화하는 실험을 수행하여 방법론을 보여줍니다. 예상한 대로, 주입된 유체량이 증가함에 따라 유막이 점차적으로 얇아지는 것을 발견했습니다. 우리는 측정된 필름 두께를 파이프의 정상 속도 프로파일을 기반으로 한 변위 모델과 비교하고 실험에서 지속적으로 더 작은 필름 두께가 생성된다는 것을 발견했습니다. 이 개발된 기술을 사용하면 다양한 비뉴턴 유체 쌍과 다양한 실제 파이프 재료 및 표면 거칠기에 대해 층류, 천이 및 난류 영역에서 혼합되지 않는 변위에 관련된 변위 및 청소 메커니즘을 정량화할 수 있습니다.

비혼화성 유체를 포함하는 2상 및 유체 변위 흐름은 파이프라인의 오일과 가스의 동시 흐름2, 물 주입에 의한 다공성 저장소 암석에서 오일의 변위3,4 또는 공기 흐름과 같은 산업 및 생물학적 응용 분야1에서 널리 퍼져 있습니다. 점성 유체가 늘어선 폐 기도를 통해5,6. 응용 분야 및 흐름 조건에 따라 비혼화성 2상 흐름은 다양한 유체 배열을 나타낼 수 있으며, 성층 흐름, 코어-환형 흐름 또는 기포 흐름은 파이프라인에서 발생하는 관련 사례입니다2. 여기서 우리의 초점은 처음에 파이프를 점유하고 있던 상주 오일을 대체하기 위해 물을 주입하는 파이프로부터의 비혼화성 액체 변위에 있습니다. 이 연구는 부분적으로 석유 생산을 위한 유정 건설이나 이산화탄소의 지질학적 격리와 관련된 유사한 이동 과정에 의해 동기가 부여되었습니다. 이러한 우물에는 구역 격리를 위한 유능한 시멘트 장벽 배치가 필요합니다7. 장벽 품질은 유정 내 상주 굴착 유체의 완전한 변위 및 장벽 길이를 따라 고체 경계 표면의 효과적인 수력학적 청소와 연결됩니다8,9.

접합 및 장벽 배치와 관련된 유체 변위에 대한 연구는 주로 혼화성 유체 쌍에 초점을 맞추고 기하학적 효과(경사, 환형 틈새 및 편심), 배치 조건(유량, 주입량) 및 유체 특성(밀도 및 점도 대비)의 영향을 고려했습니다. ) 유체-유체 인터페이스의 진화와 변위 효율7에 대해 설명합니다. 최근에는 혼합되지 않는 액체(물과 기름)와 관련된 변위가 경사 파이프10,11 및 이론적으로 경사 덕트12에 대해 실험적으로 연구되었으며, 이는 혼합 가능한 변위10에 비해 새로운 불안정성과 흐름 패턴을 나타냅니다. 변위 연구에 대한 현재 연구의 대부분은 투명한 파이프와 고리의 변위 중 유체-유체 경계면의 시각적 관찰을 기반으로 했습니다. 따라서 얇은 벽 필름 제거에 대한 연구는 기기의 광학적 해상도와 곡면 벽 표면을 통한 빛의 굴절에 의해 크게 제한되어 왔습니다. 본 연구에서는 알려진 양의 변위수를 주입한 후 파이프에 남겨진 잔류 오일 양을 추정하기 위한 새롭고 간단한 분석 방법을 제시합니다. 이 방법을 사용하면 비간섭적인 방법을 사용하여 동등한 마이크로미터 크기의 필름 두께에 해당하는 잔여 오일량을 측정할 수 있습니다. 이 방법은 유상을 소수성 염료로 염색하고 유기용매를 사용하여 알려진 양의 물을 주입하여 파이프를 변위시킨 후 남은 오일을 수집하는 방법을 기반으로 합니다. 소수성 염료로는 나일레드(Nile red)를, 유기용매로는 테트라히드로푸란(THF)을 사용합니다. 나일 레드의 소수성 특성은 이전에 지질 방울의 선택적 염색 및 검출, 단백질 특성화14 및 비수성상 액체의 표면 아래 분리를 위한 주사용 수성 필터의 효과를 측정하는 데 활용되었습니다. 마지막으로, 자외선-가시광선(UV-Vis) 분광광도법을 사용하여 THF 용액의 염료 농도를 측정하며, 이는 잔여 오일 부피에 비례합니다.