致密砂巖孔隙尺度下氣-水界面動態(tài)演化可視化實驗研究1)

田 鍵 康毅力 游利軍 賈 鈉 王藝鈞 秦朝中 ,2)

* (重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制全國重點實驗室,重慶 400044)

? (西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程全國重點實驗室,成都 610500)

** (里賈納大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,加拿大 里賈納 S4S 0A2)

引言

以致密砂巖氣、頁巖氣以及煤層氣為代表的非常規(guī)天然氣開發(fā)是我國油氣增儲上產(chǎn)的重要組成.其中,致密砂巖氣在我國鄂爾多斯、四川、塔里木、松遼和渤海灣等盆地廣泛分布,預(yù)估資源量約2.185×1013m3,是當(dāng)前我國產(chǎn)氣量最大的非常規(guī)天然氣資源[1].然而,由于致密砂巖氣藏儲層巖石低孔低滲且普遍親水[2-3],導(dǎo)致在開采過程中容易出現(xiàn)水相圈閉損害,嚴(yán)重制約致密砂巖氣高效開發(fā)[4].水相圈閉損害本質(zhì)上屬于巖石內(nèi)部氣水兩相滲流問題,受到微納米級孔喉結(jié)構(gòu)的影響,致密砂巖孔隙尺度下氣水兩相流動過程中的界面效應(yīng)顯著,并對巖石內(nèi)部各種微觀滲流行為產(chǎn)生重要影響.國內(nèi)外眾多研究表明,孔隙尺度下氣-水界面演化將引起氣體卡斷、驅(qū)替指進和繞流等效應(yīng),是形成囚閉氣(本文將孔隙尺度下形成的水封氣稱為囚閉氣;巖心尺度以及儲層尺度形成的水封氣稱作圈閉氣)和束縛水的直接原因[5-6].目前,圍繞致密砂巖水相圈閉損害作用機制開展孔隙尺度下氣-水界面動態(tài)演化行為與氣水流動特性的研究還缺乏相關(guān)文獻報道.因此,開展孔隙尺度下氣-水界面演化行為研究能夠幫助理解并揭示致密砂巖內(nèi)部微觀水封氣的形成過程,對探明致密砂巖氣水兩相微觀滲流規(guī)律,揭示水相圈閉損害對致密砂巖氣體產(chǎn)出能力的影響有著重要意義.

以往致密砂巖氣水兩相滲流研究主要采用巖心驅(qū)替實驗進行,屬于“黑箱”研究方法[7],無法直接描述孔隙尺度下氣-水界面演化行為對氣水兩相流動狀態(tài)和氣體圈閉的影響.另一方面,借鑒可視化成像技術(shù)揭示孔隙尺度下流體界面效應(yīng)與微流動規(guī)律已成為多孔介質(zhì)滲流領(lǐng)域研究的一大熱點[8-10].其中,核磁共振和CT 掃描技術(shù)能夠分析兩相流動過程中孔隙尺度下飽和度的分布和界面驅(qū)替前緣演化特點,但受到高時空分辨率和成像技術(shù)的限制,不能實時描述水膜生長和氣體卡斷等界面演化行為和兩相流動物理過程[11-12].

微流控芯片技術(shù)的發(fā)展為直觀研究孔隙尺度下流體界面效應(yīng)和流動特性創(chuàng)造了條件[13-16].學(xué)者們基于微流控芯片技術(shù)開展了孔隙尺度下滲吸驅(qū)油與提高采收率機理的可視化研究,分析了油-水界面動態(tài)演化對殘余油和束縛水形成的微觀作用機制[17-21],此外,利用微流控技術(shù)研究CO2在地質(zhì)封存過程中的毛細(xì)封存機制也有著重要應(yīng)用[9].基于微流控芯片技術(shù),筆者前期初步研究了致密砂巖氣藏孔隙尺度下水相圈閉損害的動態(tài)形成過程,但有關(guān)孔隙尺度下水相返排機制、氣水流動通道分布,以及氣-水界面動態(tài)演化與巖心尺度氣水流動效應(yīng)之間的作用關(guān)系還需進一步討論[22].

本文基于前期研究工作,通過設(shè)計兩種結(jié)構(gòu)微流控模型,針對滲吸和返排兩個環(huán)節(jié)可視化研究孔隙尺度下氣-水界面的動態(tài)演化過程與描述氣水流動狀態(tài)變化.在此基礎(chǔ)上,結(jié)合巖心尺度驅(qū)替實驗,定性探討孔隙尺度氣-水界面演化與致密砂巖宏觀氣體流動效應(yīng)的關(guān)聯(lián)機制.通過研究,將有助于提高對致密砂巖氣水兩相流動機理和水相圈閉損害微觀作用機制的理論認(rèn)識;同時,也可為頁巖儲層和煤巖儲層氣水兩相微觀滲流機理研究提供借鑒.

1 實驗方法

1.1 孔隙尺度實驗

1.1.1 實驗設(shè)備

采用圖1 所示的實驗裝置開展孔隙尺度下氣-水界面動態(tài)演化和兩相流動行為可視化觀察.體視顯微鏡所用型號為Olympus SZX16,其最大工作距離為60 mm,擁有0.7～11.5 倍的變焦范圍.在搭配SC180 鏡頭后總光學(xué)放大倍率范圍為1.4～23 倍,數(shù)字總放大倍率為28～430 倍,圖片輸出幀率為30 fps,像素為4912×2762.在本文實驗過程中,采用10 倍變焦范圍進行可視化觀察.微注射泵選用Chemyx Fusion 200 注射泵,最小注入流量為0.0001 μL/min.

圖1 微流體實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the microfluidics experiment apparatus

1.1.2 模型設(shè)計

根據(jù)致密砂巖鑄體薄片結(jié)果,分別設(shè)計了一維單通道模型和二維孔隙網(wǎng)絡(luò)兩種模型.為了便于觀察氣-水界面演化過程,通過圖像處理提取致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)特征和孔喉比等參數(shù),并忽略孔喉壁面粗糙度的影響,設(shè)計如圖2 所示的簡化模型.其中,一維單通道微模型孔隙半徑為75 μm,3 個連續(xù)喉道半徑從大到小依次為25,15 和7.5 μm,換算孔喉比依次為3,5 和10,用以考察氣和水在孔喉比連續(xù)變化的單根毛細(xì)通道中的流動情形.孔隙網(wǎng)絡(luò)模型最小喉道半徑約2 μm,最大孔隙半徑為30 μm,有效配位數(shù)范圍在2～4 之間,測算平均迂曲度大于2,在一定程度上反映了致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的連通狀況,用以研究迂曲度和配位數(shù)對氣水兩相界面演化行為和流動過程的影響.采用濕刻法對德國肖特硼硅玻璃進行微流控芯片模型刻蝕,芯片刻蝕統(tǒng)一深度約為6 μm,芯片內(nèi)部刻蝕通道結(jié)構(gòu)平均接觸角小于30°,具有致密砂巖氣藏的親水特性.有關(guān)微流控芯片模型的具體刻蝕流程和制作工藝詳情可參考文獻[6].

1.1.3 實驗步驟

分別利用一維單通道模型和二維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型開展孔隙尺度下滲吸和返排過程氣-水界面動態(tài)演化可視化實驗,其中,兩種模型在滲吸過程中的實驗溫度均為恒溫19 °C,實驗壓力為大氣壓.具體實驗步驟如下:

(1)將玻璃芯片于馬弗爐中烘焙約半小時,溫度為420 °C,去除微通道管壁里面的雜質(zhì);

(2)待玻璃芯片冷卻至室溫后與夾具組裝到一起并連接到驅(qū)替裝置上;

(3)將組裝好的芯片放置到顯微鏡載物臺上,調(diào)整芯片位置和顯微鏡的工作距離與物鏡參數(shù)等,使芯片中的微通道結(jié)構(gòu)能夠被顯微鏡清晰捕捉;

(4)打開監(jiān)測軟件,設(shè)定錄制和觀察參數(shù),使得軟件監(jiān)測的實時畫面能夠準(zhǔn)確捕捉微通道結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié);

(5)設(shè)定注射泵的工作流量為0.0001 mL/min,啟動注射泵開始注入去離子水,通過實時畫面監(jiān)測滲吸過程中的氣-水界面演變過程;

(6)當(dāng)實時畫面監(jiān)測到模型微通道中氣-水界面不再明顯變化時,結(jié)束滲吸階段實驗過程觀察,隨后繼續(xù)注水確保模型內(nèi)部全部飽和水相用以開展氣驅(qū)水返排實驗,待模型內(nèi)部完全飽和水后,將管線連接到氣瓶,開始在由低到高的氮氣壓力下開展返排過程可視化觀察;

(7)當(dāng)監(jiān)測到微通道不再出現(xiàn)明顯的氣-水界面變化時,結(jié)束實驗,導(dǎo)出實驗結(jié)果并開展圖像處理分析.

在油氣藏儲層條件下,以毛管力控制為主的滲吸過程(微流動)的毛管數(shù)一般小于10-5[23].為了驗證流量0.0001 mL/min 下的注水過程是否滿足毛細(xì)流動范疇,需要計算該注入流量下所對應(yīng)的毛管數(shù)Ca和雷諾數(shù)Re范圍.其中,Ca和Re的計算公式為[24-25]

式中,Ca為毛管數(shù),無量綱,表征流體流動過程中黏滯力和毛管力的作用占比;η為驅(qū)替相的動力黏度,此處為水相的動力黏度,η=8.92×10-4Pa·s;υ為驅(qū)替相的流速,m/s;σ為界面張力,此處為氣-水界面張力,σ=0.072 N/m.Re為雷諾數(shù),無量綱,表征流體流動過程中慣性力和黏滯力的作用占比;ρ為驅(qū)替相的密度,此處為水相的密度,ρ=1.0×103kg/m3;d為特征長度,此處為微通道的直徑,為150 μm;η和υ分別為驅(qū)替相的動力黏度和速度,單位同上.

在計算過程中,首先獲取流量0.0001 mL/min下水相的實際流速υ.根據(jù)實驗圖像,利用IC Measure軟件和Stream Start 錄屏功能對該注入流量下微通道直管內(nèi)氣-水界面前緣推進直線距離和所用時間進行準(zhǔn)確測量和記錄,得到了表1 中的數(shù)據(jù)點,其中ΔL代表前進的直線距離,Δt代表前進相應(yīng)距離所經(jīng)歷的時間.根據(jù)表1 數(shù)據(jù),得到圖3 所示的關(guān)系曲線,表明該流量下,水相在微通道內(nèi)的前進距離和所用時間滿足良好的線性關(guān)系.通過對曲線進行線性擬合,得到其斜率,該斜率即為水相在微通道直管內(nèi)的實際前進速度.分析表明,在流量0.0001 mL/min下,微通道內(nèi)水相的實際流速υ為756.5 μm/s.

表1 流量0.0001 mL/min 下微通道直管內(nèi)水相前進距離/時間參數(shù)測試結(jié)果Table 1 Measured results of the interface advancing distance during imbibition under the flux of 0.0001 mL/min

圖3 流量0.0001 mL/min 下微通道直管內(nèi)水相前進距離和時間擬合結(jié)果Fig.3 Curve of the relationship between the interface advancing distance and time under the flux of 0.0001 mL/min

根據(jù)式(1) 和式(2),通過計算得到流量0.0001 mL/min 下對應(yīng)的毛管數(shù)和雷諾數(shù)結(jié)果見表2.根據(jù)計算結(jié)果,本文所設(shè)計的微模型注入流速下對應(yīng)的毛管數(shù)小于10-5,屬于低雷諾數(shù)流動范圍,說明在流量0.0001 mL/min 下能夠模擬儲層狀態(tài)下以毛管力占主導(dǎo)的水相滲吸侵入過程.

表2 孔隙尺度實驗過程中的毛管數(shù)和雷諾數(shù)計算結(jié)果Table 2 Calculated results of the Capillary number and Reynolds number for the pore-scale experiments

1.2 巖心尺度實驗

選取大牛地致密砂巖氣田4 塊致密砂巖分成2 組,分別開展水相滲吸與氣驅(qū)排水實驗,測試含水飽和度與氣相滲透率變化情況.實驗樣品基本信息見表3,實驗裝置見圖4.采用模擬地層水(礦化度約80000 mg/L)作為滲吸流體,采用氮氣作為滲透率測試介質(zhì),實驗溫度為室溫.具體實驗步驟如下:

(1) 將4 塊巖樣置于烘箱中烘干4 h,溫度為65 °C,隨后冷卻至室溫后,測試巖樣干重;

(2)首先采用毛管自吸法建立全部實驗樣品初始含水飽和度約為20%,并測試初始含水飽和度下的氣相滲透率作為基準(zhǔn)滲透率.實驗圍壓7 MPa,回壓1 MPa,壓力梯度為0.3 MPa/cm;

(3)選用H-1 和H-2 巖心相繼開展?jié)B吸與返排實驗.滲吸實驗采用電子天平實時監(jiān)測巖心質(zhì)量變化.當(dāng)滲吸結(jié)束后,采用步驟(2)相同的壓力開展氣驅(qū)返排實驗,并每間隔一定時間取出巖心稱重,記錄返排過程中的巖心質(zhì)量變化,并計算對應(yīng)含水飽和度值;

(4)選用S-1 和S-2 巖心開展氣相滲透率測試.實驗過程中,先測試初始狀態(tài)下的氣相滲透率,隨后在巖心出口端利用驅(qū)替泵以一定壓力將模擬地層水泵入巖心,泵入時間與步驟(3)中滲吸時間一致,該過程中保持入口端壓力不變持續(xù)監(jiān)測出口端氣相流量并記錄滲吸過程中的氣相滲透率.關(guān)閉驅(qū)替泵,進入氣驅(qū)返排階段,監(jiān)測出口端氣相恢復(fù)滲透率.當(dāng)滲透率穩(wěn)定時,結(jié)束驅(qū)替;

(5)結(jié)束全部實驗,開展實驗數(shù)據(jù)分析.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 孔隙尺度下滲吸階段氣-水界面演化過程

圖5 給出了一維單通道微模型中水相滲吸時的氣-水界面演化結(jié)果[26].以圖5(a)沿孔喉比升高方向滲吸為例,水作為潤濕相會在上下管壁形成兩層吸附水膜并沿管壁延伸.隨著滲吸過程不斷進行,上下水膜開始膨脹并率先在最細(xì)喉道處合攏引起氣體卡斷.可以發(fā)現(xiàn),水膜沿著管壁橫向鋪展和沿著管徑上下膨脹是毛細(xì)通道內(nèi)氣-水界面結(jié)構(gòu)形態(tài)演化和引起氣體卡斷的直接原因.氣體卡斷后變成非連續(xù)態(tài),同時在水相剪切力作用下依次通過喉道而持續(xù)發(fā)生卡斷,并在喉道下游端連續(xù)形成孤立氣泡.對比圖5 實時結(jié)果可知,兩種滲吸方向上首次發(fā)生氣體卡斷的位置都在最細(xì)喉道位置.此外,相同滲吸速度下,沿孔喉比升高方向滲吸過程中生成的孤立氣泡數(shù)量更多,說明喉道是控制氣體卡斷的關(guān)鍵因素,即喉道越細(xì),水膜越容易膨脹合攏誘發(fā)氣體卡斷.

圖5 單通道微模型中水相滲吸階段氣-水界面演化與流動過程可視化結(jié)果(修改自文獻[26])Fig.5 Results of evolution of gas-water interface during imbibition in the capillary micromodel (modified on Ref.[26])

圖6 描述了二維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型水相滲吸過程[22].結(jié)果表明,二維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型中水相滲吸初始階段同樣是在一些細(xì)小喉道發(fā)生氣體卡斷.當(dāng)模型中含水量逐漸升高后,繞流效應(yīng)變得顯著.其中,孔徑和迂曲度更小的通道水相滲吸速度更快、滲吸距離更短,成了水相優(yōu)先占據(jù)的通道.二維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)果顯示,通常氣體卡斷后形成的是孤立氣泡(trapped gas bubble),而繞流后一般形成的是孤立氣柱(trapped gas column),即圈閉的氣體體積更大,這與前人通過模擬得到的研究結(jié)論一致[27].由于受到孔喉大小、迂曲度以及孔喉幾何形態(tài)和連通性等結(jié)構(gòu)特征的影響,二維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型水相滲吸過程中的氣-水界面演化更劇烈,最終在卡斷和繞流綜合作用下,造成模型內(nèi)部形成大面積的水封氣現(xiàn)象.

圖6 孔隙網(wǎng)絡(luò)模型下滲吸過程中的氣-水界面演化過程(修改自文獻[22])Fig.6 Evolution of gas-water interface in the pore network micromodel during imbibition (modified on Ref.[22])

2.2 孔隙尺度下返排階段氣-水界面演化過程

首先,觀察了一維通道模型中的返排過程,結(jié)果見圖7.當(dāng)上游端施加的氣體壓力增加至2.79 MPa時,模型中觀察到明顯的氣驅(qū)排水過程(本文中氣體壓力是指能夠快速觀察到氣驅(qū)水過程的實時實驗壓力,并不是發(fā)生返排所需的臨界門檻壓力).圖7表明,返排過程中微通道內(nèi)形成的氣-水界面彎液面與氣體流動方向相反,說明毛管力變成氣驅(qū)排水阻力.當(dāng)氣體流動通道形成后,氣體作為非潤濕相在微通道中間流動,剩余水作為潤濕相在上下管壁兩側(cè)形成吸附水膜,并在氣流作用下不斷蒸發(fā),如圖7(d)所示.由此可知,親水性毛細(xì)管中氣驅(qū)排水可分為前期活塞式非混相驅(qū)替以及后期蒸發(fā)排水階段[28].由于本文中使用的模型管壁相對均質(zhì)光滑,且設(shè)計的尺寸為微米級,導(dǎo)致管壁對吸附水膜的束縛能力有限,剩余水膜在氣流攜帶下不斷蒸發(fā),最終通過顯微觀察后完全消失,如圖7(e)所示.在真實致密砂巖內(nèi)部,由微納米孔隙和喉道組成的毛細(xì)通道粗糙度變化明顯,加上充填各種親水性黏土礦物,因而對水膜的束縛能力更強,導(dǎo)致水膜很難流動.

圖7 單通道模型中的氣驅(qū)水相返排過程Fig.7 Results of gas displacement water in the capillary micromodel

圖8 展示了返排過程中觀察到的氣體卡斷現(xiàn)象.這是因為當(dāng)氣-水界面前緣通過喉道進入下游段孔隙過程中,隨著界面前緣曲率不斷減小,將引起一個從喉道指向下游段孔隙的毛管力壓降,在該毛管力壓降下,會引起下游處孔隙中的水相回流至喉道位置來抵消喉道的高毛管力,從而引起喉道位置的水膜膨脹并將氣體卡斷[29].返排過程中的氣體卡斷現(xiàn)象將導(dǎo)致毛細(xì)通道中出現(xiàn)大量孤立氣泡,增加了賈敏效應(yīng)發(fā)生的頻率和嚴(yán)重程度,對于返排極為不利[30].結(jié)合滲吸實驗結(jié)果,說明孔隙尺度下氣-水界面演化引起的卡斷效應(yīng)是發(fā)生在孔隙尺度的氣體流動性破壞和囚閉氣生成最重要的微觀機制[26,31-33].

圖8 孔隙尺度下氣驅(qū)水過程引起的喉道氣體卡斷現(xiàn)象Fig.8 Snap-off at the local throat of the micromodel during the drainage process

與一維單通道微模型相比,二維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型中氣驅(qū)排水需要更高的壓力(此時上游端氣體壓力值約3.47 MPa)且表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢通道效應(yīng)(圖9)[22].由于返排過程是克服毛管阻力的過程,當(dāng)返排壓力一定時,氣體優(yōu)先突破更粗的喉道,從而形成連通的排液路徑.隨著返排時間的延長,在該壓力作用下,模型內(nèi)逐漸形成新的排液通道.當(dāng)驅(qū)替穩(wěn)定后,絕大部分孔隙里面已經(jīng)形成了連通的氣體流動通道,導(dǎo)致壓力無法有效傳遞進入一些孔隙盲端和角隅結(jié)構(gòu),造成這部分孔隙仍存在不可動水.真實致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性強,可以推測優(yōu)勢通道將導(dǎo)致致密砂巖氣驅(qū)排水程度更加有限,造成大量的不可動水分布特征[34].

圖9 孔隙網(wǎng)絡(luò)模型下氣驅(qū)水過程與氣-水界面演化實時結(jié)果(修改自文獻[22])Fig.9 Real-time results of gas displacement water process in the pore network micromodel (modified on Ref.[23])

此外,在實驗過程中觀察到滲吸時氣泡流動路徑和返排時氣體排液路徑均幾乎一致,如圖10 所示.在滲吸時,卡斷后生成的孤立氣泡在水相流動剪切力作用下開始運移,并在喉道發(fā)生截留和封堵.由于氣泡在優(yōu)勢通道中形成分散堵塞,因此,氣泡封堵無論是對水相返排還是氣體流動能力恢復(fù)都會誘發(fā)賈敏效應(yīng)[35].當(dāng)氣泡封堵住優(yōu)勢通道后,只有水相依靠壁面水膜連續(xù)性保持流動,氣泡則因無法克服喉道賈敏效應(yīng)而難以流動.可見,本文微觀實驗觀察到的優(yōu)勢通道氣泡封堵現(xiàn)象,可以作為解釋某種特定狀態(tài)下氣藏宏觀尺度產(chǎn)水明顯但不見產(chǎn)氣的一個重要原因.

圖10 孔隙尺度下滲吸和返排時氣體流動路徑Fig.10 Flow path of gas during the imbibition and drainage at the pore-scale

2.3 氣-水界面演化類型與氣體連續(xù)性關(guān)系

親水毛細(xì)管內(nèi)的氣-水界面類型如圖11 所示,包括水膜水氣-水界面和毛管水氣-水界面[36].水膜水氣-水界面通常是在低含水飽和度狀態(tài)下形成的,該狀態(tài)下水相在潤濕作用下沿著巖石孔隙表面向外鋪展并形成吸附水膜層,氣相則占據(jù)孔隙中間保持其流動連續(xù)性.當(dāng)含水飽和度升高造成孔隙內(nèi)部被水完全占滿并將氣體卡斷時,則生成毛管水氣-水界面并破壞氣體流動的連續(xù)性.

圖11 毛細(xì)管中氣-水界面類型示意圖Fig.11 Two types of gas-water interface in a capillary

以本文模型為例(圖12),在滲吸過程中,由于剛開始時含水飽和度較低,在管壁潤濕性和界面作用下,侵入水相以吸附水膜的形式沿著上下管壁發(fā)生潤濕鋪展,形成如圖12(b)所示的水膜水氣-水界面.進入圖12(c)階段后,隨著水相不斷侵入,水膜開始膨脹并壓縮水膜水氣-水界面.當(dāng)水膜膨脹增厚至上下水膜聚并到一起時,氣體會優(yōu)先在喉道發(fā)生卡斷而失去其連續(xù)性,變成上下游兩段氣柱,并生成新的氣-水界面彎液面,即在喉道處生成了毛管水氣-水界面,如圖12(d)所示.由實驗結(jié)果可知,親水微通道內(nèi)部氣-水界面演化以水膜為載體,其中水膜水氣-水界面是氣-水界面結(jié)構(gòu)演化的初始條件;毛管水氣-水界面的出現(xiàn)則是氣體連續(xù)性遭到破壞的結(jié)果,是引起氣體流動能力下降的直接原因.

圖12 不同氣-水界面類型演變過程實驗結(jié)果Fig.12 Experimental results of different types of gas-water interface

相比單根微通道模型,孔隙網(wǎng)絡(luò)模型由于流動通道的選擇性,導(dǎo)致氣-水界面演化引起的氣體流動不連續(xù)性特征更加明顯.如圖13 所示,當(dāng)孔隙網(wǎng)絡(luò)模型中含水飽和度約為39.63%時,一些孔隙角隅和喉道位置幾乎全部被水充填,誘發(fā)氣體卡斷形成大量毛管水氣-水界面,造成大面積孔喉中間的氣體失去其連續(xù)性,孔隙內(nèi)部整體上呈現(xiàn)出“氣-水互封”的局面,氣和水的流動能力均顯著降低.

圖13 孔隙網(wǎng)絡(luò)模型“氣水互封”界面配置關(guān)系Fig.13 Pore-scale of the configuration of the gas-water distribution

2.4 微觀氣-水界面演化與宏觀氣體流動效應(yīng)

圖14 分析了巖心尺度下含水飽和度和氣相滲透率變化行為.當(dāng)水通過滲吸進入巖心內(nèi)部后,會在巖心內(nèi)部暫時建立起較高的含水飽和度,氣相滲透率則隨含水飽和度的增加迅速降低.圖14(a)結(jié)果顯示,盡管滲透率小的巖心其孔喉半徑相對更小,毛管力更高,但其滲吸時受到的黏性阻力也更強,因此,造成滲透率低的樣品只能保持一個較低的滲吸速率狀態(tài);而滲透率更大的樣品其滲吸越早進入后期平穩(wěn)階段,其滲吸速率更快.通過氣驅(qū)返排后,含水飽和度逐漸下降,但返排后含水飽和度仍然明顯高于初始含水飽和度,表明返排不能將增加后的含水狀態(tài)完全恢復(fù)到初始狀態(tài),其結(jié)果是引起氣相滲透率不能恢復(fù)到初始值,造成了滲透率的永久性損害.圖14(b)結(jié)果表明滲透率越小的致密砂巖,氣相滲透率隨含水飽和度的變化更加敏感,損害程度也越高.其原因在于滲透率越小的巖石其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)連通性相對更差,巖石孔喉尺寸相對更小,對水的返排能力更低,因而導(dǎo)致氣體滲透率受到水相滯留的影響更嚴(yán)重[37].

圖14 致密砂巖巖心驅(qū)替實驗結(jié)果Fig.14 Results of core displacement experiment in tight sandstone cores

基于巖心驅(qū)替實驗和孔隙尺度可視化分析,定性探討了孔隙尺度下氣-水界面演化對致密砂巖宏觀氣體滲透率的影響.如圖15 所示,在初始狀態(tài)下,孔隙尺度下氣相飽和度高并完全保持流動連續(xù)性,此時測得的氣相滲透率不受含水飽和度的影響,氣相流動能力最強.到了滲吸階段,隨著含水飽和度的升高,孔隙尺度下氣-水界面不斷演化破壞了氣體流動連續(xù)性,并且水相含量逐漸占據(jù)主導(dǎo),導(dǎo)致氣體流動阻力升高,因而表現(xiàn)在巖心尺度下測得氣相滲透率迅速下降.進入返排階段后,含水飽和度不斷降低,一些被水相占據(jù)的流動通道逐漸成為氣體流動通道,引起巖心尺度下宏觀氣體滲透能力開始恢復(fù).但由于受到孔隙尺度下賈敏效應(yīng)和優(yōu)勢通道等影響,部分孔喉里的水相不能完全返排,最終將導(dǎo)致氣體滲透率不能完全恢復(fù)至初始狀態(tài),造成氣體滲透能力出現(xiàn)永久性損害.由此可知,巖心尺度下氣體滲透率隨含水飽和度增加而降低,其微觀機理在于孔隙尺度下氣-水界面演化引起的非連續(xù)性氣體流動時附加阻力的升高.

圖15 致密砂巖氣水兩相流動跨尺度關(guān)聯(lián)機制Fig.15 Cross scale correlated mechanisms of gas-water flow in tight sandstone

本文設(shè)計的微模型是基于對致密砂巖氣水流動通道的簡化設(shè)計,目的是為了便于觀察和描述孔隙尺度下氣-水界面演化現(xiàn)象.針對壁面粗糙度、不同礦物潤濕性差異分布等特征對氣-水界面演化的影響將在今后工作中進行討論.需要說明的是,孔隙尺度下微觀氣-水界面動態(tài)演化引起氣體連續(xù)性遭到破壞和下降是一個迅速且劇烈的變化過程,而宏觀巖心柱塞尺度下氣體的流動特點則極其緩慢.因此,當(dāng)孔隙尺度下氣體連續(xù)性下降后,反映在巖心尺度下氣體的流動需要足夠的時間積攢能量來克服流動阻力進而恢復(fù)氣體的連續(xù)流動狀態(tài).一旦孔隙尺度下氣體流動不能克服因氣相不連續(xù)而產(chǎn)生的附加阻力效應(yīng),將表現(xiàn)為巖心尺度下出現(xiàn)不可逆的氣體滲透率損害.

3 結(jié)論

(1)致密砂巖孔隙尺度下氣-水界面演化主要以卡斷和繞流的方式引起界面失穩(wěn),從而破壞氣體流動連續(xù)性,是水相圈閉損害在孔隙尺度下形成囚閉氣的直接誘因.

(2)孔隙尺度下氣-水界面包括水膜水氣-水界面和毛管水氣-水界面兩種類型.氣-水界面演化以水膜潤濕和膨脹為初始條件.隨著水膜不斷膨脹至合攏,水膜水氣-水界面將演化成毛管水氣-水界面,毛細(xì)通道內(nèi)氣體將首次出現(xiàn)卡斷現(xiàn)象而失去其流動連續(xù)性.因此,毛管水氣-水界面的大量出現(xiàn)標(biāo)志孔隙空間氣體的連續(xù)性急劇下降.

(3)氣-水界面演化降低了孔隙空間氣體流動的連續(xù)性,引起氣體流動時賈敏效應(yīng)等附加阻力,容易出現(xiàn)“氣-水互封”現(xiàn)象,反映在巖心尺度上氣體流動能力隨含水飽和度的增加迅速降低,且導(dǎo)致水相難以完全返排并最終造成氣體流動能力的永久性損害.

(4)孔隙尺度下氣-水兩相流動時優(yōu)勢通道效應(yīng)顯著.優(yōu)勢通道一方面為返排提供快速產(chǎn)水路徑,另一方面也是氣泡運移和賈敏效應(yīng)的主要通道.因此,在優(yōu)勢通道雙重作用下,導(dǎo)致返排階段易出現(xiàn)“產(chǎn)水不產(chǎn)氣”的局面.