致密砂巖孔隙中氣水分布規(guī)律可視化實(shí)驗(yàn)

呂金龍，盧祥國，王 威，謝 坤，胡 勇

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318；2.提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引 言

20世紀(jì)80年代微流控技術(shù)開始在石油化工研究領(lǐng)域應(yīng)用。微流控芯片具有試劑消耗量小、成本低和可批量制造等優(yōu)點(diǎn)，可將采樣、分離、檢測和分析等功能集成到幾厘米芯片上，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生物化學(xué)分析、醫(yī)學(xué)、即時診斷和高通量篩選等諸多研究領(lǐng)域[1-2]。微流控技術(shù)是專門用于研究微納米范圍流體間相互作用的技術(shù)，在石油領(lǐng)域則主要是研究微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)復(fù)雜流體(油氣水)滲流規(guī)律，流控芯片良好的透光性能使?jié)B流過程易于實(shí)現(xiàn)可視化。因此，石油科技工作者開始嘗試用微流控芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)巖心進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，尤其是驅(qū)油機(jī)理方面的研究[3-4]。目前，研究儲層多孔介質(zhì)中氣水兩相滲流規(guī)律的數(shù)學(xué)模型主要包括毛細(xì)管束模型、統(tǒng)計(jì)模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃途W(wǎng)絡(luò)模型等[5-11]，這4種數(shù)學(xué)模型賦予了多種假設(shè)條件，不能客觀真實(shí)地描述氣水兩相滲流規(guī)律[12-15]。因此，針對致密氣藏開發(fā)過程中亟待解決的問題，以儲層巖石孔喉結(jié)構(gòu)為模擬對象，采用3D打印技術(shù)[16-18]和玻璃刻蝕技術(shù)[19-20]，運(yùn)用人造微觀可視化巖心模型[21-23]，開展了氣水兩相滲流在儲層巖石孔隙中形成封閉氣和殘余水的機(jī)理研究。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用3D打印技術(shù)和玻璃刻蝕技術(shù)制作了2種具有氣藏巖石孔喉結(jié)構(gòu)特征的孔隙型微流控芯片(a和b)和1種裂縫-孔隙型玻璃刻蝕模型，孔隙內(nèi)表面潤濕性均為親水，微流控芯片a和b外觀尺寸：高×長×寬=0.2 cm×0.8 cm×0.6 cm。制作人造填砂可視化巖心。實(shí)驗(yàn)驅(qū)替用水為經(jīng)次甲基藍(lán)染色的蒸餾水。當(dāng)微流控芯片飽和水后進(jìn)行氣驅(qū)水時，由于孔隙親水性，水會在孔壁表面吸附形成水膜，水膜與藍(lán)色水對比差異不明顯。為了提高氣驅(qū)水過程中水氣分布狀況的觀察效果，對氣體顏色進(jìn)行減淡處理。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟主要包括：①將微量泵與微流控芯片連接為一個驅(qū)替系統(tǒng)；②在不同驅(qū)替速度條件下進(jìn)行水驅(qū)氣，觀察和錄制驅(qū)替過程中孔隙中的氣水分布；③在不同驅(qū)替速度條件下進(jìn)行氣驅(qū)水，觀察和錄制驅(qū)替過程中孔隙中的氣水分布。

2 結(jié)果分析

2.1 水驅(qū)氣

2.1.1 驅(qū)替速度對氣水分布規(guī)律的影響

在不同驅(qū)替速度條件下，水驅(qū)氣結(jié)束后氣水分布狀況見圖1。由圖1可知，驅(qū)替速度對水驅(qū)氣結(jié)束后氣水分布狀況存在影響。機(jī)理分析表明，水驅(qū)氣時氣水流動主要受毛細(xì)管力和慣性力控制。由于微流控芯片孔隙具有親水性，當(dāng)驅(qū)替速度較小時毛細(xì)管力占據(jù)主要地位，它是氣水流動的主要動力。當(dāng)水進(jìn)入2條或多條孔徑不同孔道時，由于小孔道毛細(xì)管力較大，水會沿較小孔道表面以較快速度進(jìn)入小孔道。與小孔隙相比較，大孔道毛細(xì)管力較小，水依靠毛細(xì)管力作用去占據(jù)一個大孔道，并將其中的氣體排出， 需要耗費(fèi)較多能量和時間。因此，大孔隙中氣體易被小孔道封閉，成為封閉氣(圖1a中a處)。當(dāng)驅(qū)替速度較大時，慣性力占據(jù)主導(dǎo)地位，水依靠慣性會優(yōu)先進(jìn)入滲流阻力較小的大孔道，此時小孔隙內(nèi)的氣體容易形成封閉氣，且驅(qū)替速度越大，該現(xiàn)象越明顯(圖1b中b處和圖1c中c處)。當(dāng)采用較低速度驅(qū)替至模型出口見水后立即改用較高速度繼續(xù)驅(qū)替時，提高驅(qū)替速度也難以啟動封閉氣。由此可見，氣藏開發(fā)過程中一旦形成水侵，就會造成部分氣體儲量損失，進(jìn)而導(dǎo)致氣井產(chǎn)氣量降低。

2.1.2 卡斷作用對氣水分布規(guī)律的影響

卡斷也是氣藏形成封閉氣的一個主要原因。當(dāng)氣水兩相流經(jīng)狹窄喉道時，由于賈敏效應(yīng)產(chǎn)生較大附加阻力，氣體以氣泡形式滯留在喉道處。在水驅(qū)氣實(shí)驗(yàn)中，微流控芯片a卡斷現(xiàn)象并不明顯，僅觀測到一處卡斷(圖1b中d處)。

2.1.3 孔隙盲端和角隅對氣水分布規(guī)律的影響

孔隙盲端和角隅也是形成封閉氣的場所之一。盡管微流控芯片孔隙具有親水性，但滯留在致密儲層死孔隙中的氣體也難以采出，尤其是在水驅(qū)氣主流線上，因驅(qū)替壓力較高致使死孔隙中氣體處于壓縮狀態(tài)，氣體損失量較大。實(shí)驗(yàn)觀測表明，對于部分孔徑較大、盲端朝向與水流方向成銳角時，則盲端氣可被部分采出(圖1b中e處)。機(jī)理分析認(rèn)為，水驅(qū)過程中因?yàn)槊?xì)管力和慣性力作用水會進(jìn)入盲端，使部分氣體逸出，但當(dāng)盲端朝向與水流方向成直角或鈍角時，慣性作用減弱，盲端中滯留氣難以被采出，即便是提高驅(qū)替速度，即增加驅(qū)替壓差也很難將其采出。因?yàn)樘岣唑?qū)替壓差意味著死孔隙或盲端中滯留氣體受到壓縮作用增強(qiáng)，氣體會被推向孔隙和盲端深處，從而受到壓縮。因此，要采出該類盲端孔隙中封閉氣，只能通過降低驅(qū)替壓差使氣體先發(fā)生膨脹再部分逸出盲端。

圖1 水驅(qū)氣過程中氣水分布(微流控芯片a)

2.1.4 繞流作用對氣水分布的影響

微流控芯片b材料為綠色光感樹脂，為了提高水驅(qū)氣過程中氣水分布觀察效果，將觀測圖片基質(zhì)部分顏色進(jìn)行了加深處理，氣體顏色進(jìn)行了淡化處理。圖2為水驅(qū)氣過程中氣水分布情況。由圖2可知，在水驅(qū)氣過程中，水進(jìn)入不同孔徑孔隙后會因孔徑變小而產(chǎn)生液阻效應(yīng)，附加滲流阻力增大(圖2中a處)。此外，微流控芯片孔隙表面親水性，會在孔喉表面形成水膜，減小孔隙過流斷面，致使?jié)B流阻力進(jìn)一步增大，最終導(dǎo)致水流轉(zhuǎn)向(繞流)進(jìn)入較大孔隙。一旦進(jìn)入大孔道中水流發(fā)生突破，其周邊小孔隙中滯留氣會被水封閉，這是繞流作用形成封閉氣的主要機(jī)理。

2.1.5 裂縫-孔隙模型及其對氣水分布規(guī)律的影響

在玻璃刻蝕裂縫-孔隙模型中，由于玻璃材料親水且裂縫中滲流阻力遠(yuǎn)小于孔隙，即使在較小驅(qū)替速度下水也會優(yōu)先進(jìn)入裂縫，以較快速度推進(jìn)，致使水驅(qū)氣過程中模型內(nèi)氣水分布特征與孔隙模型內(nèi)存在較大差異(圖3)。觀測結(jié)果表明，由于模型中存在裂縫型孔道，導(dǎo)致水驅(qū)氣過程中水流速度加快，模型出口見水時許多孔隙和微裂縫中滯留氣體未被波及，形成大量封閉氣。其中，“十型”孔道較易形成封閉氣(圖3中a處)，其主要原因在于，當(dāng)2條不同孔徑的孔道相交時，水流會優(yōu)先進(jìn)入滲流阻力較小的大孔道，而小孔道中水流至中間某位置時，孔道另一端被竄流水封閉，進(jìn)而形成封閉氣。

對于人造填砂可視化裂縫-孔隙型巖心和人造填砂可視化均質(zhì)孔隙型巖心，由繞流、卡斷和孔隙盲端等因素導(dǎo)致的封閉氣現(xiàn)象均有體現(xiàn)，另外“H型”孔道是形成封閉氣的主要原因(圖4中a、b處)。水驅(qū)氣過程中水會優(yōu)先突破孔徑較大、滲流阻力較小的兩翼部位，將架橋內(nèi)氣體封閉。由于巖心孔隙的親水性，借助毛細(xì)管力水依然會在架橋的孔隙內(nèi)表面吸附鋪展，將架橋上的氣體壓縮成泡狀，形成水包氣。

圖2 水驅(qū)氣過程中氣水分布(微流控芯片b)

圖3 水驅(qū)氣過程中氣水分布(玻璃刻蝕模型)

圖4 水驅(qū)氣結(jié)束后氣水分布

2.2 氣驅(qū)水

2.2.1 驅(qū)替速度對氣水分布規(guī)律的影響

在不同驅(qū)替速度下，氣驅(qū)水結(jié)束后氣水分布情況見圖5。由圖5可知，氣驅(qū)水結(jié)束后，孔隙內(nèi)殘余水主要為殘留于孔道壁面的“水膜”、死孔隙中的“盲端水”和氣體繞流形成的“封閉水”。

由圖1、5對比可知，氣驅(qū)水與水驅(qū)氣后水氣分布規(guī)律相反。由于孔隙內(nèi)壁親水，氣相是非潤濕相，氣驅(qū)水時毛細(xì)管力是一種阻力，且氣體在孔道中央流動，水沿孔壁表面流動，導(dǎo)致氣體過流斷面減小，尤其在孔徑較小孔道內(nèi)流動時滲流阻力較大。由動能公式可知，當(dāng)驅(qū)替速度較小時，氣體聚集能量速度較慢，大孔道內(nèi)水體質(zhì)量較大，突破大孔道所需動能也較大，氣體短時間內(nèi)積累的能量不足以克服小孔道中水體滲流阻力，氣體只能進(jìn)入過流斷面更大、毛細(xì)管力更小的大孔道(圖5a)。當(dāng)驅(qū)替速度較大時，啟動壓力明顯升高，孔道內(nèi)氣體提供能量呈平方指數(shù)增大，遠(yuǎn)大于在小孔道內(nèi)水體流動時所需各種能量之和，此時氣體會沿小孔道快速突破(圖5b)。在較低驅(qū)替速度下，氣驅(qū)水時氣體優(yōu)先流入大孔道，呈現(xiàn)出“走大不走小”的滲流特征。在較高驅(qū)替速度下，氣驅(qū)水時氣體優(yōu)先流入小孔道，呈現(xiàn)出“走小不走大”的滲流特征。

圖5 氣驅(qū)水過程中氣水分布(微流控芯片a)

2.2.2 卡斷作用對氣水分布規(guī)律的影響

由于微流控芯片中氣相為非潤濕相，氣驅(qū)水時氣相在孔道中間流動，水相以水膜形式沿孔壁表面流動。當(dāng)水膜流至狹窄喉道處時，過流斷面減小，滲流阻力增大，水膜會發(fā)生積聚，水膜厚度增加，過流斷面進(jìn)一步減小，氣驅(qū)水滲流阻力進(jìn)一步增大，最終造成水膜堵塞喉道，氣相會選擇其他通道流動，在喉道處形成卡斷型殘余水(圖5b中b處)。

2.2.3 繞流對氣水分布規(guī)律的影響

在氣驅(qū)水過程中，當(dāng)氣體面對2條及2條以上通道時，會選擇阻力較小孔道流動，并將其他小孔道中的水包圍，形成封閉水即殘余水。一旦氣體在模型出口發(fā)生突破后，孔隙中剩余水很難被采出。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，“A型”孔道是形成殘余水的重要原因。當(dāng)驅(qū)替速度較小時，氣體優(yōu)先突破孔徑較大、滲流阻力較小的兩翼部位，將橋內(nèi)水封閉。當(dāng)驅(qū)替速度較大時，氣體積聚能量速度較快，極易在架橋處形成殘余水。由此可見，無論驅(qū)替速度如何變化，“A型”孔道架橋處均易形成殘余水(圖5a中a處)。

3 實(shí)踐指導(dǎo)

研究多孔介質(zhì)中氣水流動的微觀滲流機(jī)理有助于了解氣藏成藏機(jī)理及水驅(qū)氣時氣藏開發(fā)特性，可直觀地觀察流體在孔喉介質(zhì)中發(fā)生的復(fù)雜運(yùn)移過程，從中發(fā)現(xiàn)有利于提高致密氣藏驅(qū)替效率的因素和條件，從而確定影響氣體采收率的因素。另外，進(jìn)行氣水兩相驅(qū)替可視化實(shí)驗(yàn)的目的還在于可為定量分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料，進(jìn)而分析兩相滲流規(guī)律，為類似氣藏的高效開發(fā)提供理論依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1) 水驅(qū)氣和氣驅(qū)水過程中氣水在孔喉中分布規(guī)律相反。在較低驅(qū)替速度下，水驅(qū)氣“走小不走大”，氣驅(qū)水“走大不走小”；在較高驅(qū)替速度下，情況相反。

(2) 在水侵過程中，因卡斷和繞流作用會形成封閉氣，盲端、角隅和不連通孔隙等處也會形成封閉氣。當(dāng)盲端朝向與水流方向夾角為銳角時，盲端中滯留氣可被部分采出。

(3) 在裂縫-孔隙模型中，裂縫、“十型”和“H型”孔道是水驅(qū)過程中形成封閉氣的主要原因。

(4) 氣驅(qū)水過程中，卡斷、繞流和“A型”孔道是形成殘余水的主要原因。

(5) 進(jìn)行氣水兩相驅(qū)替可視化實(shí)驗(yàn)有助于了解氣藏成藏機(jī)理及水驅(qū)氣時氣藏開發(fā)特性，為定量分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供更為準(zhǔn)確的圖像及數(shù)據(jù)支持。