特高含水期油膜變形機理及微觀物模實驗驗證

孟小海 陳琳 劉浩瀚 李奮

1.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院；2.西南石油大學理學院；3.四川建筑職業(yè)技術學院信息工程系

特高含水期油膜變形機理及微觀物模實驗驗證

孟小海1陳琳2劉浩瀚3李奮1

1.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院；2.西南石油大學理學院；3.四川建筑職業(yè)技術學院信息工程系

為了研究特高含水期微觀剩余油膜的變形情況，假設油膜是被逐層驅(qū)替的條件下，采用微元法對油膜變形進行了研究，確定了影響油膜變形的主要因素，分析了剩余油膜由靜止到臨界破裂的變化過程，在理論上推導出油膜變形啟動水驅(qū)速度及油膜變形達到臨界狀態(tài)時油膜的表面積與體積的比值，并用微觀物理模擬實驗驗證了假設的合理性。研究表明，油膜是被逐層驅(qū)替的，隨著水驅(qū)進行上層油膜逐漸脫離主體使油膜逐漸變薄；可以通過改變水的黏度和油膜的界面張力來達到油膜變形乃至破裂的目的進而增加采收率。

特高含水期；剩余油；親水毛細管；剩余油膜；變形機理

國內(nèi)一些注水開發(fā)油田已進入特高含水期［1］，剩余油分布［2］及剩余油的受力狀態(tài)［3］相對于油田開發(fā)初期發(fā)生了較大的變化，需要對特高含水期的開發(fā)措施做出必要的調(diào)整［4-5］。剩余油流動特征及運移規(guī)律的研究對于提高特高含水期水驅(qū)油藏采收率具有重要意義。鄧志安等［6］研究了宏觀水洗流場液滴破裂特性，給出了油滴在水洗場中變形與破裂的變化過程；修麗群等［7］運用軟件模擬方法對水驅(qū)油藏油滴變形流動機理進行了研究，給出了一定條件下油滴的變形情況；劉曉燕等［8］運用數(shù)值模擬方法研究了膠凝原油顆粒在復雜作用力下的變形情況；陳薄等［9］研究了軸承中油氣兩相流動狀態(tài)下的油膜分布及油滴的變形；白博峰等［10］研究了流場中復雜液滴的變形運動與吸附情況；谷建偉等［11］研究了親水多孔介質(zhì)殘余油滴的微觀運移機理；倪玲英等［12］研究了物性對油滴剪切變形影響的模擬分析，但以上學者均未對特高含水期微觀剩余油膜變形的機理進行研究。筆者在以上研究基礎上，提出了油膜逐層驅(qū)替假設，分析了親水油膜的受力狀態(tài)方程，理論上推導了油膜變形的啟動水驅(qū)速度及油膜變形達到臨界狀態(tài)時油膜的表面積與體積的比值，進而為油田開發(fā)提高采收率提供參考。

1 油膜變形過程分析

Analysis on the oil film deformation process

假設條件：油膜是一層層被水剪切的，油膜底面為圓形，油膜變形過程不破裂，毛管與水平方向的夾角為0、油膜各層之間接觸達到原接觸面積的二分之一時即發(fā)生破裂。

毛管壁為親水型，毛管壁與油膜之間存在分子力與摩擦力且相對較大，以至于油膜不可能被水一次性沖走，所以在研究油膜的形變過程只需考慮油膜上部分的受力狀況。由于油膜的厚度較小，油膜的潤濕角非常小，所以由于潤濕角產(chǎn)生的作用力可以忽略；油膜豎直方向上的運動幅度微小，所以豎直方向上的運動可以忽略。在水平方向上油膜上部所受的力主要有界面張力、水對油膜的黏滯剪切應力、油膜上下相鄰層之間的黏滯切應力。圖1表示的是油膜的剖面圖，油膜被微分為若干層，為了便于觀察與理解只給出了3層油膜。d0代表油膜的厚度（長度為AB），r為油膜的曲率半徑，dr為油膜的單層厚度。

毛管壁為親水型，特高含水期剩余油膜對毛管壁的吸附力較小, 所以在一定水驅(qū)作用下可以被驅(qū)離毛管壁。根據(jù)工程流體力學黏性流體知識可知，油膜上下層間相對運動則產(chǎn)生黏滯力，黏滯力較小時不能帶動下層運動，當黏滯力較大時則可以帶動下層運動，當相鄰兩層之間的接觸面積減少到一定值時，上層就會與下層分離，即油膜發(fā)生破裂。

圖1 油膜結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic structure of oil film

2 特高含水期剩余油膜變形機理

Deformation mechanism of remaining oil film in the stage of ultra-high water cut

假設油膜的初始主視曲線為規(guī)則的圓弧，曲率半徑為r，油膜厚度為d0，分為n層 ，每層的厚度為dr，油膜各層之間的黏度系數(shù)為μo，水對油膜作用的黏度系數(shù)為μw，油膜表面的初始界面張力為σ0，油膜與毛管壁之間的作用力為N，油膜與毛管壁之間的作用系數(shù)為u。油膜最上一層與下面相鄰的一層之間的接觸面積為So，水與油膜最頂層之間的接觸面積為Sw，由于dr較小，所以油膜的最頂層近似平面，可將油膜頂層與上下相鄰層之間的接觸面積看作近似相等，即So=Sw。

2.1 油膜變形啟動條件

Startup condition for the deformation of oil film

油膜的上表面主要受界面張力、水對油膜的黏滯剪切力及油膜下層對上層之間的黏滯剪切力作用。特高含水期停止水驅(qū)，油膜將會達到平衡狀態(tài)，在水與毛管壁相對靜止情況下，可以近似將油膜看成球形頂部的切片，曲率半徑為r，此時油膜為軸對稱圖形，界面張力是維持原始形狀的力，初始條件下界面張力在水平方向上的合外力為0。水與油都具有一定的黏度，兩者發(fā)生相對運動則會產(chǎn)生黏滯剪切力，隨著水驅(qū)速度的增加作用力會隨之增加。前文假設油膜是分層被水剪切的，上層的油膜一旦發(fā)生運動，就會與相鄰的下層發(fā)生相對運動，使油膜相鄰層之間產(chǎn)生黏滯剪切力。

圖1中由上至下第1 層與第2層接觸橫截面半徑為r12，由圖形幾何關系可以構(gòu)建關于頂層油膜半徑相關的勾股函數(shù)

水與油之間接觸面積Sw為

由黏滯切應力公式可得水對頂層油膜的剪切力Fw為

第1層與第2層油膜之間的接觸面So=Sw，第2層對頂層油膜單位速度梯度下的作用力Fo為

式中，r12為油膜第1層與第2層接觸面的半徑；μw為水的黏度系數(shù)；dv/dr為速度梯度；μo為油的黏度系數(shù)。

令水對頂層油膜的作用力Fo與第2層油膜對頂層油膜的作用力Fw相等，得

當水對頂層油膜剪切力與第2層油膜對上層之間剪切力平衡時，水的速度一旦增加則水對頂層油膜的黏滯剪切力也會隨之增加，原來的平衡就會被打破，油膜開始發(fā)生變形，此時的水驅(qū)速度為油膜變形的啟動速度vmin。

2.2 油膜變形過程

Deformation process of oil film

水驅(qū)速度在vmin的基礎上發(fā)生較小的變化，增加到vi，理論上油膜第1層就會發(fā)生形變，其表面張力就隨之變化為σi，由于表面張力是用來維持油膜表面原形狀的力，所以表面張力的變化會阻礙油膜表面的變形。隨著水驅(qū)速度的增加，水對油膜的黏滯剪切力會隨之增加為Fwi，在其作用下油膜表面發(fā)生形變，油膜第2層對第1層的黏滯剪切力表現(xiàn)為阻力，但是油膜層之間發(fā)生相對運動，層之間的接觸面積將會減小為Foi。當速度vi保持不變，在以上3個力的作用下油膜將達到新的平衡狀態(tài)，即3個力的矢量和為0。Foi+Fwi+σi=0 （6）

2.3 油膜變形界限

Deformation boundary of oil film

水驅(qū)速度在vi的基礎上發(fā)生較大的變化，增加為vm，油膜表面發(fā)生較大的形變，表面張力隨之變化為σm，表面張力的變化依然會阻礙油膜表面的變形。隨著水驅(qū)速度的增加，水對油膜的黏滯剪切力增加為Fwm。油膜下層對相鄰上層之間的黏滯剪切力表現(xiàn)為阻力，層之間的接觸面積會繼續(xù)減小，作用力為Fom。如果速度vm繼續(xù)增加油膜將很容易發(fā)生破裂，此時的速度vm為特高含水期親水型毛管壁剩余油膜變形的極限速度。

圖2 油膜變形極限圖Fig. 2 Ultimate deformation of oil film

當水驅(qū)速度為vi時，水剪切單層油膜的最大厚度為dmi，對于某固定的水驅(qū)油藏油膜單層剪切的最大厚度為Ki，由式（5）得

假設每層油膜厚度為di，則油膜可被分為n層

由圖2中幾何關系可以建立關于中層油膜半徑的勾股函數(shù)

油膜變形極限時的表面積Sm為

油膜每層的截面半徑為ri，則油膜的總體積V為

由于特高含水期剩余油膜較薄，上下各相鄰層間的橫截面半徑相差較小，所以ri可近似等于r12，油膜變形后的表面積與體積之比C為

綜合式（1）、（7）、（10）、（11）可得油膜變形極限表面積與油膜體積之比C為

油膜在一定水驅(qū)作用下表面積逐漸增加，當表面積增加到某值時油膜開始破裂，此時油膜的表面積與體積之比為C，由公式（13）可知C與水驅(qū)速度相關，如果在實驗條件下測得不同賦存狀態(tài)下的油膜破裂時的C值，便可得到不同賦存狀態(tài)下油膜破裂所對應的速度v，進而可以指導特高含水期油田剩余油膜的有效開發(fā)。

3 微觀物理模擬實驗

Microscopic physical simulation experiment

3.1 實驗方法

Experimental method

選取親水型微觀物理模型，首先飽和實驗油靜置15 min使其達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后用水進行驅(qū)替，水驅(qū)速度按照實驗目的由小到大分階段逐漸增加，同時運用高清攝相機進行實時監(jiān)測，記錄水驅(qū)油的變化過程，通過水驅(qū)油的變化過程現(xiàn)象來判斷水驅(qū)油過程中間的一些受力狀況。

微觀物理模擬實驗的實驗條件：滲透率為高滲，孔喉比為1∶0.04，實驗毛管性質(zhì)為親水型，實驗溫度為25 ℃，平均孔喉半徑為80 μm。表1為微觀物理模擬實驗的驅(qū)替變化過程。

表1 微觀物模實驗過程Table 1 Process of microscopic physical simulation experiment

3.2 實驗現(xiàn)象分析

Analysis on the experimental phenomena

微觀物理模擬實驗分5個階段進行，第1階段代表油田開發(fā)初期（驅(qū)替式開發(fā)），第2個階段代表油田開采的中低含水期，第3個階段代表油田開采的高含水期，第4個階段代表油田開采的特高含水期，第5個階段代表油田開發(fā)的末期（油田開發(fā)結(jié)束），圖3為實驗2、3、4階段初期的視頻截圖。

圖3 實驗2、3、4階段的視頻截圖Fig. 3 Video screenshot of stages 2, 3 and 4 of the experiment

圖4為微觀物理模擬實驗第3階段視頻的整體截圖，該階段為模擬油田開發(fā)由高含水期進入特高含水期的水驅(qū)油過程，起點為高含水期，終點進入特高含水期，該階段驅(qū)油過程中，某些位置已經(jīng)進入了特高含水期。因在第4階段特高含水期油膜變化實驗現(xiàn)象不明顯，故選取第3階段與特高含水期相似的部位進行觀察。圖5為圖4中紅色矩形部分每間隔20 s截取的6張連續(xù)圖片，可以看出，微觀物理模型毛細管中的油膜在水驅(qū)的作用下不是一次性被水完全驅(qū)替走的，而是由厚變薄逐漸變化的。

圖4 第3階段初期視頻整體截圖Fig. 4 Overall screenshot of the video in the early period of stage3

圖5 第3階段每間隔20 s的局部視頻連續(xù)截圖Fig. 5 Continuous screenshot of local video in stage 3 at the interval of 20 s

微觀物理模擬實驗現(xiàn)象表明：（1）文中特高含水期微觀剩余油膜驅(qū)替是逐層被驅(qū)替的假設是正確、合理的；（2）毛管壁與油膜之間的作用力比油膜層間的黏滯作用力大，不容易被水一次性整體驅(qū)替出；（3）微觀物理模擬實驗一共進行了5個階段，每個階段的驅(qū)替速度都不相同，在每個階段一定水驅(qū)速度作用下，當驅(qū)替時間足夠長時模型中的剩余油都會達到一個穩(wěn)定狀態(tài)，驗證了文中油膜變形過程分析的合理性。

4 結(jié)論

Conclusions

（1）特高含水期親水型毛管壁油膜變形的主要因素為水對油膜的黏滯力、油膜的表面張力及油膜上下層之間的黏滯力，物理模擬實驗結(jié)果證明了油膜是被逐層驅(qū)替的，隨著水驅(qū)進行上層油膜逐漸脫離主體使油膜逐漸變薄。

（2）特高含水期親水型毛管壁油膜的變形隨著水對油膜黏滯力的增加而變化，作用力越大油膜上層形變越大，可以通過增加水的黏度、減小油膜的界面張力及降低油膜黏度等措施來提高采收率。

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（修改稿收到日期 2017-08-26）

〔編輯 朱 偉〕

Oil film deformation mechanism in the stage of ultra-high water cut and its microscopic physical experiment veri fi cation

MENG Xiaohai1, CHEN Lin2, LIU Haohan3, LI Fen1

1. Exploration and Development Research Institute,SINOPEC Shengli Oil field Company,Dongying257017,Shandong,China;
2. School of Sciences,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,Sichuan,China;
3. Information Engineering Department,Sichuan College of Architectural Technology,Deyang618000,Sichuan,China

To research the deformation situations of remaining oil film in the stage of ultra-high water cut, the deformation of oil film was investigated by means of the in fi nitesimal method based on the assumption that the oil film is displaced layer by layer. Accordingly, the main factors affecting the deformation of oil film were determined. Then, the change process of remaining oil film from the quiescent state to the critical fracturing was analyzed. Finally, the startup water flood velocity of oil film deformation and the surface area/volume ratio of oil film while its deformation reaches the critical state were theoretically derived, and the rationality of the assumption was verified by means of microscopic physical simulation experiment. It is indicated that the oil film is displaced layer by layer. As the water flood goes, the upper oil film is separated gradually from the main body, so the oil film gets thinner gradually. It is demonstrated that the oil film can be deformed and even fractured by altering the viscosity of water and the interfacial tension of oil film, so as to improve the recovery factor.

ultra-high water cut stage; remaining oil; hydrophilic capillary; remaining oil film; deformation mechanism

∶

孟小海，陳琳，劉浩瀚，李奮. 特高含水期油膜變形機理及微觀物模實驗驗證［J］.石油鉆采工藝，2017，39（5）：547-551.

TE312

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0547 – 05 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.003

國家科技重大專項重點項目“勝利油田特高含水期提高采收率技術”（二期）（編號：2016ZX05011）；中國石化股份勝利油田分公司項目“特高含水期微觀剩余油動用機制研究”（編號：YKY1501）；四川省教育廳一般項目（編號：15ZB0447）。

孟小海（1974 -），1996年畢業(yè)于中國石油大學（華東）采油工程專業(yè)，長期從事油氣藏滲流機理、油氣層保護實驗研究工作和微觀剩余油定量描述研究，高級工程師。通訊地址：（257015）山東省東營市勝利油田分公司勘探開發(fā)研究西實驗樓301室。E-mail：13001563260@163.com

陳琳（1989-），博士，從事石油工程模擬理論與方法研究。通訊地址：（610500）四川省成都市新都區(qū)西南石油大學明理樓A513。E-mail：chenlin8976@163.com

: MENG Xiaohai, CHEN Lin, LIU Haohan, LI Fen. Oil film deformation mechanism in the stage of ultra-high water cut and its microscopic physical experiment veri fi cation［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 547-551.