水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)微觀剩余油實(shí)驗(yàn)與機(jī)理分析

吳飛鵬，李娜，楊維，陳佳豪，丁步杰，夏雷，劉靜，王聰，汪廬山

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東青島 266000；2. 延長(zhǎng)油田股份有限公司勘探開發(fā)技術(shù)研究中心，陜西延安 716000；3. 中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院有限公司，山東東營(yíng) 257000；4. 中國(guó)石油化工股份有限公司勝利油田分公司，山東東營(yíng) 257000）

0 引言

目前中國(guó)大多數(shù)油田已進(jìn)入高含水期，儲(chǔ)集層內(nèi)已形成主流通道，剩余油富集在主流通道兩側(cè)的巖石壁面上或是無(wú)法波及到的小孔隙中。通過(guò)增加過(guò)水倍數(shù)或利用表面活性劑可將孔隙壁面上殘存的部分油膜驅(qū)替出來(lái)。儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性和水驅(qū)優(yōu)勢(shì)通道等因素使得表面活性劑無(wú)法廣泛波及而形成低效循環(huán)，且化學(xué)驅(qū)過(guò)程中多孔介質(zhì)內(nèi)流體為穩(wěn)定達(dá)西滲流，表面活性劑與原油在微觀孔隙內(nèi)接觸后，主要依靠表面活性劑在界面上聚集、油相內(nèi)的擴(kuò)散等物理過(guò)程發(fā)揮效能，相互溶合作用較低，不能充分發(fā)揮作用[1-4]。同時(shí)，長(zhǎng)期的注水開發(fā)使剩余油富集區(qū)內(nèi)形成一種油水界面平衡，這種平衡雖非常脆弱，但在擬穩(wěn)態(tài)水驅(qū)滲流過(guò)程中，驅(qū)替流體通道已趨于固化、穩(wěn)定，微平衡的油水界面會(huì)長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)。激發(fā)一種微小外力擾動(dòng)就能夠打破這種平衡狀態(tài)，可把水或化學(xué)劑引入剩余油富集區(qū)內(nèi)，提高孔隙內(nèi)波及系數(shù)，將剩余油驅(qū)出。水力脈動(dòng)技術(shù)將注入流體由恒速注入變?yōu)槊}動(dòng)式注入，直接作用于儲(chǔ)集層孔隙，激發(fā)巖石孔隙、原油、水三者界面的慣性擾動(dòng)，從而打破微觀界面平衡，破壞剩余油聚集狀態(tài)，促進(jìn)表面活性劑分散，從而大幅提高水驅(qū)采收率[5]。

水力脈動(dòng)技術(shù)多用于循環(huán)激勵(lì)煤巖層理、裂隙，形成漸進(jìn)式疲勞破裂[6-9]。注水過(guò)程中多以高頻水力振蕩、水力噴射及水力脈沖為主，用于近井地帶的物理解堵或物理-化學(xué)復(fù)合酸化等[10]。將水力脈動(dòng)作為提高水驅(qū)采收率的開發(fā)技術(shù)，最早成功應(yīng)用在加拿大油砂冷采作業(yè)中[11]，作用距離可達(dá)80 m左右。德國(guó)呂勒穆爾油田弱固結(jié)砂巖儲(chǔ)集層實(shí)施脈動(dòng)作業(yè)，作用井距400 m，措施實(shí)施周期15個(gè)月，注入能力平均增加了30%，提高原油采收率25個(gè)百分點(diǎn)[12-13]。在美國(guó)紐約州托納萬(wàn)達(dá)煤焦油廠開展了非均質(zhì)條件下的脈動(dòng)測(cè)試，結(jié)果表明脈動(dòng)注入可使更多水流通過(guò)低滲透區(qū)域，有效減緩儲(chǔ)集層非均質(zhì)性帶來(lái)的不利影響[13]。上述成功的礦場(chǎng)試驗(yàn)表明，孔隙膨脹波可沿水驅(qū)優(yōu)勢(shì)通道深部傳導(dǎo)，大幅降低含水率、延長(zhǎng)生命周期、提高最終采收率，但是目前對(duì)其作用機(jī)理的研究?jī)H停留在激發(fā)界面運(yùn)移的定性分析，因此該技術(shù)未能得到廣泛推廣。

水動(dòng)力學(xué)強(qiáng)化開采技術(shù)在改善滲透率、激發(fā)顆粒運(yùn)移、提高注入井吸水能力等方面的機(jī)理研究已較成熟，但在改善水驅(qū)效果的作用機(jī)理方面尚處于研究初級(jí)階段。通過(guò)填砂管、平板玻璃填砂模型等裝置，從宏觀角度研究水力脈動(dòng)波驅(qū)油過(guò)程中流體運(yùn)移狀態(tài)及采收率變化規(guī)律，認(rèn)為水力脈動(dòng)波可使流體與巖石骨架發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，清除邊界層，并對(duì)巖石骨架產(chǎn)生持續(xù)沖擊，造成巖石彈性變形，使孔道毛管壓力周期性變化，從而減小流體流動(dòng)阻力，激勵(lì)剩余油從孔道排出[14-18]。這些研究充分證實(shí)了水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)可大幅提高水驅(qū)波及系數(shù)和水驅(qū)采收率，但在激勵(lì)微觀孔隙內(nèi)油水賦存狀態(tài)變化及動(dòng)態(tài)運(yùn)移規(guī)律方面尚不能精準(zhǔn)表征，難以明晰脈動(dòng)頻率、振幅值等相關(guān)參數(shù)對(duì)水力脈動(dòng)波強(qiáng)化驅(qū)油的動(dòng)力機(jī)理，這已成為該技術(shù)礦場(chǎng)實(shí)踐工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵瓶頸。

基于此，本文利用可視化玻璃刻蝕模型及微觀圖像采集裝置，設(shè)計(jì)開展水力脈動(dòng)波驅(qū)油微觀可視化實(shí)驗(yàn)，研究水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)剩余油時(shí)油水賦存狀態(tài)及其運(yùn)移規(guī)律，明確驅(qū)動(dòng)剩余油的微觀機(jī)理，評(píng)價(jià)脈動(dòng)頻率、脈動(dòng)振幅值、續(xù)流壓力及持壓端壓力、溫度等因素對(duì)驅(qū)動(dòng)不同微觀賦存狀態(tài)剩余油的敏感性，為礦場(chǎng)實(shí)踐參數(shù)優(yōu)化給出合理建議。

1 水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)剩余油微觀可視化實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

微觀可視化實(shí)驗(yàn)裝置包括供液、微觀驅(qū)替、圖像采集、脈動(dòng)控制等4個(gè)部分（見圖1）。供液部分由不銹鋼輸液架和儲(chǔ)液桶組成，通過(guò)調(diào)節(jié)不銹鋼輸液架的高度來(lái)調(diào)整脈動(dòng)振幅值大小。微觀驅(qū)替部分包括玻璃刻蝕模型和LED光源。脈動(dòng)控制部分由脈動(dòng)開關(guān)、電磁閥和塑膠管組成，通過(guò)電磁閥控制頻率。圖像采集部分包括928D型顯微鏡和顯示器，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中油水變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

圖1 水力脈動(dòng)微觀可視化驅(qū)替裝置示意圖

具體實(shí)驗(yàn)流程為：①按照?qǐng)D 1連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備，檢查實(shí)驗(yàn)設(shè)備有無(wú)漏水、漏氣等情況；②對(duì)微觀玻璃刻蝕模型進(jìn)行抽真空處理以減少氣體干擾，然后使用LSP01-2A型注射泵飽和油至模型內(nèi)部油量不再增加，拍攝飽和油狀態(tài)下的靜態(tài)圖像；③通過(guò)調(diào)節(jié)脈動(dòng)輸入端的高度設(shè)置注入壓力進(jìn)行水驅(qū)實(shí)驗(yàn)，使用顯微鏡進(jìn)行實(shí)時(shí)攝像，直至出口端不再出油（即高含水時(shí)），驅(qū)替結(jié)束，拍攝水驅(qū)結(jié)束后的靜態(tài)圖像；④設(shè)定相關(guān)脈動(dòng)參數(shù)，調(diào)節(jié)脈動(dòng)閥門改變脈動(dòng)頻率，調(diào)節(jié)脈動(dòng)輸入端高度改變脈動(dòng)振幅值，進(jìn)行水力脈動(dòng)波驅(qū)油實(shí)驗(yàn)直至出口端不再出油，驅(qū)替結(jié)束，同樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程攝像并拍攝驅(qū)替結(jié)束后的靜態(tài)圖像；⑤基于飽和油、水驅(qū)結(jié)束、水力脈動(dòng)波驅(qū)油結(jié)束時(shí)的圖像測(cè)定原油像素，進(jìn)而計(jì)算得到原始含油飽和度、水驅(qū)后采收率以及水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)后采收率等參數(shù)；⑥清洗微觀玻璃刻蝕模型，改變脈動(dòng)參數(shù)等設(shè)置，重復(fù)步驟①—⑤。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用微觀玻璃刻蝕模型的外表尺寸為76 mm×76 mm，有效尺寸為40 mm×40 mm，厚度為5 mm。均質(zhì)、水濕模型孔隙直徑為30～200 μm，平均為150 μm，大孔道可為小孔道提供滲流通道，便于飽和油。模擬地層水由去離子水、6 032 mg/L氯化鈉、521 mg/L氯化鈣、202 mg/L氯化鎂組成。模擬油是將脫水稠油油樣用煤油稀釋而成，25 ℃下黏度為234 mPa·s。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

從玻璃刻蝕模型的左上角注入、右下角采出。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)脈動(dòng)輸入端的高度來(lái)改變?nèi)肟诙嗣}動(dòng)振幅值，通過(guò)開、關(guān)電磁閥實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)注入。續(xù)流端的高度代表入口端恒定壓力。持壓端連接出口端，可施加回壓以代表不同孔隙壓力。通過(guò)脈動(dòng)發(fā)生部分的電磁閥調(diào)節(jié)頻率。

表 1為單純改變頻率或振幅值的脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，不加續(xù)流壓力及持壓端壓力，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中續(xù)流端和持壓端的閥門始終關(guān)閉。

表1 單純改變頻率或振幅的脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

續(xù)流及持壓脈動(dòng)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表2，頻率設(shè)定為1 Hz，脈動(dòng)振幅值為24.5 kPa。續(xù)流脈動(dòng)驅(qū)動(dòng)是在單純水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)上，在續(xù)流端施加穩(wěn)定注入壓力，在無(wú)脈動(dòng)時(shí)仍有流體穩(wěn)定注入。持壓脈動(dòng)驅(qū)動(dòng)是在單純水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)上，在持壓端施加相應(yīng)回壓模擬地層壓力。續(xù)流+持壓脈動(dòng)驅(qū)動(dòng)是在單純水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)上，同時(shí)施加續(xù)流壓力及持壓端壓力。實(shí)驗(yàn)設(shè)置脈動(dòng)注入端的液面高度大于等于穩(wěn)定注入端的液面高度。

表2 續(xù)流及持壓脈動(dòng)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

在脈動(dòng)頻率為1 Hz、脈動(dòng)振幅值為19.6 kPa、無(wú)續(xù)流壓力及持壓端壓力的條件下，對(duì)水驅(qū)后的玻璃刻蝕模型進(jìn)行不同溫度的水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

2 水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)剩余油微觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 微觀模型整體波及程度

跟蹤拍攝每組實(shí)驗(yàn)全過(guò)程，采用像素測(cè)量軟件Image-Pro Plus測(cè)量玻璃刻蝕模型不同位置處的原油像素含量，再對(duì)像素分布進(jìn)行插值，即可定量表征不同時(shí)期原油整體驅(qū)替效果、波及區(qū)域的分布情況。當(dāng)脈動(dòng)振幅值為24.5 kPa、脈動(dòng)頻率為1 Hz、續(xù)流壓力及持壓端壓力均為4.9 kPa時(shí)，對(duì)飽和油后、水驅(qū)結(jié)束后、水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)結(jié)束后的圖像進(jìn)行分析，將所記錄的玻璃刻蝕模型圖像按8×8均分成64份，使用像素測(cè)量軟件測(cè)量每個(gè)小塊的原油像素含量，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)（見圖2）。利用程序語(yǔ)言對(duì)原油像素分布進(jìn)行插值，繪制含油飽和度圖并進(jìn)行分析（見圖3）。圖3a顯示穩(wěn)定水驅(qū)時(shí)出現(xiàn)水竄區(qū)域，未波及區(qū)內(nèi)部形成動(dòng)態(tài)平衡，過(guò)流倍數(shù)繼續(xù)增加，剩余油難以啟動(dòng)，主流通道部分剩余油含量較少，邊角處剩余油含量較多。水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)后所有區(qū)域的剩余油都有效動(dòng)用，其中邊角處動(dòng)用程度最大（見圖 3b—圖 3c）。弱波及區(qū)挖潛的油一部分沿著主流通道直接排出，另一部分再次被捕捉、卡塞，致使局部含油飽和度升高，一定程度上起到增加主流通道阻力、平衡流線的作用。

圖2 玻璃刻蝕模型劃分（從玻璃刻蝕模型的左上角注入、右下角采出）

圖3 水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)前后含油飽和度分布圖（從玻璃刻蝕模型的左上角注入、右下角采出）

2.2 水力脈動(dòng)波對(duì)不同微觀賦存狀態(tài)剩余油驅(qū)動(dòng)效果

分別針對(duì)簇狀、柱狀、膜狀、盲端 4種賦存狀態(tài)的剩余油[19-23]進(jìn)行驅(qū)動(dòng)效果分析。剩余油至少占據(jù)一個(gè)孔隙及兩個(gè)以上喉道定義為簇狀剩余油；剩余油僅占據(jù)單個(gè)孔隙喉道且完全充滿定義為柱狀剩余油；剩余油并未完全充滿孔喉，分布于一側(cè)壁面上定義為膜狀剩余油；由于玻璃刻蝕模型內(nèi)部孔道均相互連通，因此本文盲端剩余油指玻璃刻蝕模型四周單個(gè)孔喉寬度內(nèi)的剩余油（見圖4）。

圖4 水驅(qū)后4種剩余油微觀賦存狀態(tài)

通過(guò)微觀模型照片像素分析研究水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)參數(shù)對(duì)不同類型剩余油的驅(qū)動(dòng)效果。水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)后，4種類型剩余油含量均有不同程度的下降，其中簇狀剩余油和盲端剩余油含量的下降程度較大，均在20%左右，柱狀剩余油和膜狀剩余油的動(dòng)用程度較小。水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)后，簇狀和盲端剩余油的相對(duì)含量下降，柱狀和膜狀剩余油相對(duì)含量上升，原因是由于水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)對(duì)不同類型剩余油動(dòng)用程度不同，且在驅(qū)替過(guò)程中，簇狀、盲端剩余油被打散而驅(qū)出，堵塞在小孔隙中形成的柱狀或膜狀剩余油無(wú)法排出（見表3）。因此，水力脈動(dòng)波對(duì)微觀孔隙中賦存的簇狀剩余油及盲端剩余油的驅(qū)動(dòng)效果較好。

表3 水驅(qū)和水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)后不同類型剩余油分布情況

3 水力脈動(dòng)波相關(guān)參數(shù)對(duì)剩余油驅(qū)動(dòng)影響機(jī)理

3.1 脈動(dòng)頻率對(duì)剩余油驅(qū)動(dòng)影響機(jī)理

在脈動(dòng)振幅值為19.6 kPa、無(wú)續(xù)流壓力及持壓端壓力的條件下，對(duì)水驅(qū)后的玻璃刻蝕模型進(jìn)行不同脈動(dòng)頻率的水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)采收率在脈動(dòng)頻率為1～5 Hz呈逐漸增加的趨勢(shì)，采收率增幅在脈動(dòng)頻率為0～1 Hz呈大幅增加的趨勢(shì)，在1 Hz達(dá)到最大值10.26個(gè)百分點(diǎn)（見圖5）。因此，脈動(dòng)頻率為1 Hz時(shí)水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)提高采收率效果最好。

圖5 脈動(dòng)頻率對(duì)采收率及采收率增幅的影響

脈動(dòng)頻率主要影響脈動(dòng)能量補(bǔ)充的時(shí)機(jī)，從而影響油水界面慣性振動(dòng)的累加效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)這種效果的前提是接觸并擾動(dòng)剩余油。對(duì)于簇狀和盲端這類分布區(qū)域和賦存孔隙尺度較大的剩余油，脈動(dòng)頻率的改變可對(duì)其產(chǎn)生較大影響；而對(duì)于柱狀和膜狀這類孔喉尺度小且遠(yuǎn)離主流通道的剩余油，脈動(dòng)頻率的影響不明顯。

簇狀剩余油的驅(qū)動(dòng)機(jī)理是脈動(dòng)壓力波的疊加克服穩(wěn)定水驅(qū)時(shí)造成的賈敏效應(yīng)，使油滴通過(guò)孔喉的同時(shí)儲(chǔ)存彈性能量，通過(guò)孔喉后恢復(fù)變形，促進(jìn)運(yùn)移，持續(xù)的脈動(dòng)作用可推動(dòng)油滴蠕動(dòng)前進(jìn)[24-26]。不同脈動(dòng)頻率下水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)效果不同，脈動(dòng)頻率為 0.05 Hz時(shí)，單個(gè)脈沖產(chǎn)生的界面變形所維持的時(shí)間小于脈動(dòng)的半個(gè)周期，還未進(jìn)行能量補(bǔ)充時(shí)該變形的效果已經(jīng)消失，未能形成能量疊加效應(yīng)，注入水難以突破油水界面，只在附近產(chǎn)生周期振蕩（見圖 6a—圖 6e）；脈動(dòng)頻率為1 Hz時(shí)，脈動(dòng)的往復(fù)振動(dòng)作用累加，打破了簇狀剩余油內(nèi)部的受力平衡，界面不斷運(yùn)移，每個(gè)周期內(nèi)前進(jìn)的位移大于回縮的位移，從而將剩余油驅(qū)替出來(lái)（見圖 6f—圖 6j）；脈動(dòng)頻率為 5 Hz時(shí)，由于頻率較高，脈動(dòng)產(chǎn)生的變形還未完全形成，下個(gè)周期的脈動(dòng)波接續(xù)補(bǔ)充，脈動(dòng)產(chǎn)生的效果未完全發(fā)揮，水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)接近于穩(wěn)定水驅(qū)，注入水絕大部分仍沿主流通道流動(dòng)，對(duì)剩余油的動(dòng)用程度不高（見圖6k—圖6o）。因此，脈動(dòng)頻率為1 Hz時(shí)的驅(qū)動(dòng)效果最好。

圖6 不同脈動(dòng)頻率下簇狀剩余油的驅(qū)動(dòng)過(guò)程

盲端剩余油的驅(qū)動(dòng)機(jī)理是脈動(dòng)波可以使注入水首先侵入盲端附近較大的孔隙喉道內(nèi)，將這部分油驅(qū)出后，在孔隙內(nèi)部形成新的平衡。脈動(dòng)產(chǎn)生的能量在大孔隙中具有存儲(chǔ)-釋放的作用，在主流通道造成水流擾動(dòng)，從而使盲端附近高壓與負(fù)壓交替出現(xiàn)[27]，盲端內(nèi)的剩余油被水?dāng)y帶進(jìn)入主流通道。脈動(dòng)頻率為0.05 Hz時(shí)，注入水已侵入盲端附近的孔喉并將剩余油向前推動(dòng)，但能量補(bǔ)充不及時(shí)，已驅(qū)動(dòng)的剩余油會(huì)發(fā)生回縮，甚至堵塞（見圖7a—圖7e）；脈動(dòng)頻率為1 Hz時(shí)，注入水可有效擾動(dòng)盲端內(nèi)的大部分剩余油，并通過(guò)界面變形的有效疊加將剩余油驅(qū)出（見圖7f—圖7j）；脈動(dòng)頻率為5 Hz時(shí)，注入水狀態(tài)接近穩(wěn)定水驅(qū)，無(wú)法對(duì)盲端內(nèi)剩余油進(jìn)行有效擾動(dòng)（見圖 7k—圖 7o）。因此，脈動(dòng)頻率為1 Hz時(shí)的驅(qū)動(dòng)效果最好。

3.2 脈動(dòng)振幅值對(duì)剩余油驅(qū)動(dòng)影響機(jī)理

在脈動(dòng)頻率為1 Hz、無(wú)續(xù)流壓力及持壓端壓力的條件下，對(duì)水驅(qū)后的玻璃刻蝕模型進(jìn)行不同振幅值的水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。由于飽和油后玻璃刻蝕模型原油含量不完全相同，水驅(qū)后實(shí)際提高采收率的結(jié)果略有差異，因此分析過(guò)程中只對(duì)比水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)相對(duì)于水驅(qū)的采收率增幅。采收率增幅隨著脈動(dòng)振幅值的增加而增大，振幅值為24.5 kPa時(shí)采收率增幅達(dá)到最大值13.11個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明振幅值越高越有利于水驅(qū)后剩余油的動(dòng)用（見圖8）。

圖8 脈動(dòng)振幅值對(duì)采收率及采收率增幅的影響

脈動(dòng)振幅值對(duì)剩余油的影響主要體現(xiàn)在單個(gè)脈沖周期內(nèi)界面的變形程度上。低振幅作用下油水界面產(chǎn)生界面微擾動(dòng)，但無(wú)法突破孔喉毛管壓力。高振幅作用下界面由微擾動(dòng)變成劇烈振蕩，界面變形程度較大，可打破油水界面平衡，促進(jìn)油水混合，從而將剩余油攜帶驅(qū)出。簇狀和盲端剩余油均以聚并形式存在，驅(qū)動(dòng)阻力較大，振幅值改變對(duì)其動(dòng)用影響較小。柱狀和膜狀剩余油的聚集程度和驅(qū)動(dòng)阻力較小，振幅值改變對(duì)其動(dòng)用影響較大。

膜狀剩余油在穩(wěn)定水驅(qū)時(shí)油膜鋪展在壁面上，作用力較強(qiáng)，且可吸附其他油滴，脈動(dòng)作用產(chǎn)生的壓力波遇到障礙物所產(chǎn)生的橫向波傳遞到壁面，對(duì)壁面形成“錘擊效應(yīng)”，油膜與巖石的密度差異導(dǎo)致各質(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的振動(dòng)幅度不同，從而在接觸界面處形成形變差異，減小了油膜與壁面的接觸面積，形成軸向接觸面積更大的油滴狀，通過(guò)水流的剪切作用將油滴剝離帶走[28-30]。

脈動(dòng)振幅值較低時(shí)，附著在壁面上的油膜發(fā)生變形，多個(gè)脈動(dòng)周期產(chǎn)生的變形效應(yīng)不斷累加使兩側(cè)壁面的油相接觸充滿孔道。隨著驅(qū)動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，油膜容易被拉出細(xì)長(zhǎng)的油絲，當(dāng)拉力大于油水界面張力后油絲發(fā)生斷裂分散成較小的油滴被驅(qū)出，如此油膜被慢慢剝離。但對(duì)于厚度較小的油膜，變形程度較小，剩余油無(wú)法聚并，效果與水驅(qū)類似（見圖 9a—圖 9e）。脈動(dòng)振幅值較高時(shí)，對(duì)于厚度比較小的油膜，除了具有界面變形效應(yīng)外，較高的脈動(dòng)能量使注入水與剩余油充分混合，注入水會(huì)逐步穿透到油膜內(nèi)部，形成小的水泡，慢慢增多、聚并、驅(qū)離（見圖9f—圖9j）。因此，脈動(dòng)振幅值越高驅(qū)動(dòng)效果越好。

圖9 不同脈動(dòng)振幅值下膜狀剩余油的驅(qū)動(dòng)過(guò)程

柱狀剩余油驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵在于克服孔隙毛管壓力。水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，油水界面向前推動(dòng)的同時(shí)會(huì)發(fā)生回縮現(xiàn)象，界面變形過(guò)程中毛管壓力逐漸增大。脈動(dòng)振幅值較低時(shí)，由于能量較低，推動(dòng)界面移動(dòng)程度較小，下一個(gè)脈動(dòng)發(fā)生前油柱幾乎恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，無(wú)法將油柱驅(qū)出（見圖 10a—圖 10e）。脈動(dòng)振幅值較高時(shí)，油水界面振蕩加劇，單個(gè)脈動(dòng)波作用使界面移動(dòng)程度較大，油柱未完全回縮，下一個(gè)脈動(dòng)的能量又會(huì)繼續(xù)作用，可以產(chǎn)生能量的累加效應(yīng)，且高脈動(dòng)振幅值可促進(jìn)油水混合降低黏度，可得到較好的驅(qū)油效果（見圖10f—圖10j）。因此，脈動(dòng)振幅值越高驅(qū)動(dòng)效果越好。

圖10 不同脈動(dòng)振幅值下柱狀剩余油的驅(qū)動(dòng)過(guò)程

3.3 續(xù)流及持壓脈動(dòng)對(duì)剩余油驅(qū)動(dòng)影響機(jī)理

固定脈動(dòng)頻率1 Hz及振幅值24.5 kPa，在水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)上研究續(xù)流壓力或持壓端壓力變化對(duì)提高采收率的影響。續(xù)流脈動(dòng)水驅(qū)采收率增幅隨著壓力不斷增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)續(xù)流壓力大于14.2 kPa后，采收率增幅低于單純水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)。持壓脈動(dòng)水驅(qū)采收率增幅隨著壓力不斷增加同樣呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，但采收率增幅小于續(xù)流脈動(dòng)水驅(qū)，當(dāng)持壓端壓力大于11.3 kPa后，采收率增幅低于單純水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)。續(xù)流壓力和持壓端壓力為4.9 kPa時(shí)采收率增幅均達(dá)到最大值，壓力過(guò)大會(huì)抑制單純水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)帶來(lái)的有利效果（見圖11）。

圖11 續(xù)流及持壓脈動(dòng)驅(qū)動(dòng)對(duì)采收率增幅的影響

從剩余油的微觀驅(qū)動(dòng)過(guò)程來(lái)看，在有連續(xù)流動(dòng)的基礎(chǔ)上脈動(dòng)，脈動(dòng)過(guò)程中始終有穩(wěn)定的能量補(bǔ)充，有效減緩了脈動(dòng)過(guò)程中的“回縮”現(xiàn)象。持壓端壓力可促進(jìn)脈動(dòng)能量集中，實(shí)現(xiàn)注入水在更小孔喉內(nèi)較短時(shí)間的突破。而連續(xù)流動(dòng)與所施加的回壓都是通過(guò)主流通道傳遞的，因此作用對(duì)象主要是主流通道附近聚集的簇狀剩余油。與單純水力脈動(dòng)驅(qū)動(dòng)相比（見圖 12a—圖12e），存在續(xù)流壓力及持壓端壓力脈動(dòng)的界面變形程度更大，注入水可進(jìn)入多個(gè)含油孔隙，驅(qū)替效率更高（見圖12f—圖12j）。當(dāng)存在續(xù)流壓力時(shí)，單個(gè)脈沖產(chǎn)生的界面變形會(huì)被有效維持，回縮較小，使剩余油更高效驅(qū)出。持壓端存在回壓時(shí)，模型內(nèi)部壓力集中，有利于分散的剩余油聚集，增大了剩余油與水的接觸面積，使脈動(dòng)能量集中作用在剩余油上，再通過(guò)界面擾動(dòng)等作用將這些油重新分散到主流通道或其他大孔道里驅(qū)出。但續(xù)流壓力過(guò)大會(huì)削弱脈動(dòng)的周期振蕩效果，驅(qū)動(dòng)過(guò)程變成“類水驅(qū)”，反而不利于驅(qū)油。持壓端壓力過(guò)大，注入水所受阻力較大，會(huì)使注入水沿主流通道行進(jìn)。因此，續(xù)流壓力和持壓端壓力并不是越大越好。

圖12 單純水力脈動(dòng)與存在續(xù)流壓力和持壓端壓力脈動(dòng)條件下簇狀剩余油的驅(qū)動(dòng)過(guò)程

3.4 溫度對(duì)剩余油驅(qū)動(dòng)影響機(jī)理

溫度敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著溫度升高，原油黏度下降、流動(dòng)性增強(qiáng)，水驅(qū)采收率和水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)采收率均逐漸增加，但水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)的采收率增幅更高（見圖13）。因此升高溫度對(duì)水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)有著較好的促進(jìn)作用，有利于剩余油驅(qū)動(dòng)。

圖13 溫度對(duì)采收率增幅的影響

溫度較低時(shí)，原油黏度大、流動(dòng)困難，水驅(qū)后剩余油大多以膜狀、柱狀形式存在，較為分散；隨著溫度升高，原油黏度降低、流動(dòng)性增強(qiáng)，賦存形式多為簇狀剩余油（見圖 14a—圖 14d）。溫度較低時(shí)，針對(duì)分散的柱狀、膜狀剩余油，水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)結(jié)束后仍然有部分油以較厚的油膜形式黏附在孔喉壁面上，難以完全驅(qū)出；隨著溫度升高，原油黏度降低、孔喉毛管壓力減小，水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)結(jié)束后孔喉壁面上幾乎沒有以油膜形式存在的剩余油，形成新的主流通道，便于附近的剩余油匯入，由注入水?dāng)y帶驅(qū)出（見圖14e—圖14h）。因此，溫度升高對(duì)脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)有促進(jìn)作用。

圖14 不同溫度下水驅(qū)及水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)后剩余油狀態(tài)對(duì)比

4 結(jié)論

水驅(qū)后剩余油的微觀賦存狀態(tài)有簇狀、柱狀、膜狀、盲端等類型。水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)通過(guò)擾動(dòng)油水界面來(lái)打破微平衡，造成變形疊加效應(yīng)驅(qū)動(dòng)剩余油，其對(duì)簇狀和盲端剩余油動(dòng)用程度較大，對(duì)柱狀及膜狀剩余油動(dòng)用程度較小。

脈動(dòng)頻率主要影響簇狀、盲端剩余油，頻率為1 Hz時(shí)的脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)剩余油效果較好。脈動(dòng)振幅值主要影響膜狀和柱狀剩余油，振幅值越大，水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)剩余油效果越好。較低強(qiáng)度的續(xù)流壓力和持壓端壓力可以大幅提高簇狀剩余油的動(dòng)用效果。溫度升高可促進(jìn)水力脈動(dòng)波的驅(qū)油作用。因此在礦場(chǎng)進(jìn)行水力脈動(dòng)波驅(qū)動(dòng)時(shí)，脈動(dòng)參數(shù)要選擇低頻、高振幅范圍，作業(yè)時(shí)要有持續(xù)的低于振幅值的穩(wěn)定能量補(bǔ)充，此外，這項(xiàng)技術(shù)如果結(jié)合熱采將會(huì)有更好的效果。