孟小海 陳琳 劉浩瀚 李?yuàn)^

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

特高含水期油膜變形機(jī)理及微觀物模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

孟小海1陳琳2劉浩瀚3李?yuàn)^1

1.中國(guó)石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院；2.西南石油大學(xué)理學(xué)院；3.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shè)油膜是被逐層驅(qū)替的條件下，采用微元法對(duì)油膜變形進(jìn)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(guò)程，在理論上推導(dǎo)出油膜變形啟動(dòng)水驅(qū)速度及油膜變形達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)油膜的表面積與體積的比值，并用微觀物理模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了假設(shè)的合理性。研究表明，油膜是被逐層驅(qū)替的，隨著水驅(qū)進(jìn)行上層油膜逐漸脫離主體使油膜逐漸變??；可以通過(guò)改變水的黏度和油膜的界面張力來(lái)達(dá)到油膜變形乃至破裂的目的進(jìn)而增加采收率。

特高含水期；剩余油；親水毛細(xì)管；剩余油膜；變形機(jī)理

國(guó)內(nèi)一些注水開發(fā)油田已進(jìn)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(duì)于油田開發(fā)初期發(fā)生了較大的變化，需要對(duì)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(dòng)特征及運(yùn)移規(guī)律的研究對(duì)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(chǎng)液滴破裂特性，給出了油滴在水洗場(chǎng)中變形與破裂的變化過(guò)程；修麗群等［7］運(yùn)用軟件模擬方法對(duì)水驅(qū)油藏油滴變形流動(dòng)機(jī)理進(jìn)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(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了膠凝原油顆粒在復(fù)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(dòng)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(chǎng)中復(fù)雜液滴的變形運(yùn)動(dòng)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(yùn)移機(jī)理；倪玲英等［12］研究了物性對(duì)油滴剪切變形影響的模擬分析，但以上學(xué)者均未對(duì)特高含水期微觀剩余油膜變形的機(jī)理進(jìn)行研究。筆者在以上研究基礎(chǔ)上，提出了油膜逐層驅(qū)替假設(shè)，分析了親水油膜的受力狀態(tài)方程，理論上推導(dǎo)了油膜變形的啟動(dòng)水驅(qū)速度及油膜變形達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)油膜的表面積與體積的比值，進(jìn)而為油田開發(fā)提高采收率提供參考。

1 油膜變形過(guò)程分析

Analysis on the oil film deformation process

假設(shè)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(guò)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(dá)到原接觸面積的二分之一時(shí)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(duì)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(guò)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(rùn)濕角非常小，所以由于潤(rùn)濕角產(chǎn)生的作用力可以忽略；油膜豎直方向上的運(yùn)動(dòng)幅度微小，所以豎直方向上的運(yùn)動(dòng)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(duì)油膜的黏滯剪切應(yīng)力、油膜上下相鄰層之間的黏滯切應(yīng)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(zhǎng)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(duì)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(xué)黏性流體知識(shí)可知，油膜上下層間相對(duì)運(yùn)動(dòng)則產(chǎn)生黏滯力，黏滯力較小時(shí)不能帶動(dòng)下層運(yùn)動(dòng)，當(dāng)黏滯力較大時(shí)則可以帶動(dòng)下層運(yùn)動(dòng)，當(dāng)相鄰兩層之間的接觸面積減少到一定值時(shí)，上層就會(huì)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(jī)理

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

假設(shè)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(duì)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(dòng)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(duì)油膜的黏滯剪切力及油膜下層對(duì)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(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)，在水與毛管壁相對(duì)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(shí)油膜為軸對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)則會(huì)產(chǎn)生黏滯剪切力，隨著水驅(qū)速度的增加作用力會(huì)隨之增加。前文假設(shè)油膜是分層被水剪切的，上層的油膜一旦發(fā)生運(yùn)動(dòng)，就會(huì)與相鄰的下層發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(guān)系可以構(gòu)建關(guān)于頂層油膜半徑相關(guān)的勾股函數(shù)

水與油之間接觸面積Sw為

由黏滯切應(yīng)力公式可得水對(duì)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(duì)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(duì)頂層油膜的作用力Fo與第2層油膜對(duì)頂層油膜的作用力Fw相等，得

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

2.2 油膜變形過(guò)程

Deformation process of oil film

水驅(qū)速度在vmin的基礎(chǔ)上發(fā)生較小的變化，增加到vi，理論上油膜第1層就會(huì)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(lái)維持油膜表面原形狀的力，所以表面張力的變化會(huì)阻礙油膜表面的變形。隨著水驅(qū)速度的增加，水對(duì)油膜的黏滯剪切力會(huì)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(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)，層之間的接觸面積將會(huì)減小為Foi。當(dāng)速度vi保持不變，在以上3個(gè)力的作用下油膜將達(dá)到新的平衡狀態(tài)，即3個(gè)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(chǔ)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(huì)阻礙油膜表面的變形。隨著水驅(qū)速度的增加，水對(duì)油膜的黏滯剪切力增加為Fwm。油膜下層對(duì)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(huì)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(shí)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(dāng)水驅(qū)速度為vi時(shí)，水剪切單層油膜的最大厚度為dmi，對(duì)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(shè)每層油膜厚度為di，則油膜可被分為n層

由圖2中幾何關(guān)系可以建立關(guān)于中層油膜半徑的勾股函數(shù)

油膜變形極限時(shí)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(dāng)表面積增加到某值時(shí)油膜開始破裂，此時(shí)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(guān)，如果在實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得不同賦存狀態(tài)下的油膜破裂時(shí)的C值，便可得到不同賦存狀態(tài)下油膜破裂所對(duì)應(yīng)的速度v，進(jìn)而可以指導(dǎo)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(shí)驗(yàn)

Microscopic physical simulation experiment

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

Experimental method

選取親水型微觀物理模型，首先飽和實(shí)驗(yàn)油靜置15 min使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后用水進(jìn)行驅(qū)替，水驅(qū)速度按照實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠尚〉酱蠓蛛A段逐漸增加，同時(shí)運(yùn)用高清攝相機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄水驅(qū)油的變化過(guò)程，通過(guò)水驅(qū)油的變化過(guò)程現(xiàn)象來(lái)判斷水驅(qū)油過(guò)程中間的一些受力狀況。

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

表1 微觀物模實(shí)驗(yàn)過(guò)程Table 1 Process of microscopic physical simulation experiment

3.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

Analysis on the experimental phenomena

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

圖3 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)入特高含水期的水驅(qū)油過(guò)程，起點(diǎn)為高含水期，終點(diǎn)進(jìn)入特高含水期，該階段驅(qū)油過(guò)程中，某些位置已經(jīng)進(jìn)入了特高含水期。因在第4階段特高含水期油膜變化實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(xì)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(shí)驗(yàn)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(shè)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(shí)驗(yàn)一共進(jìn)行了5個(gè)階段，每個(gè)階段的驅(qū)替速度都不相同，在每個(gè)階段一定水驅(qū)速度作用下，當(dāng)驅(qū)替時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)模型中的剩余油都會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，驗(yàn)證了文中油膜變形過(guò)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(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了油膜是被逐層驅(qū)替的，隨著水驅(qū)進(jìn)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(duì)油膜黏滯力的增加而變化，作用力越大油膜上層形變?cè)酱?，可以通過(guò)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(lái)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?yuàn)^. 特高含水期油膜變形機(jī)理及微觀物模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(guó)家科技重大專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目“勝利油田特高含水期提高采收率技術(shù)”（二期）（編號(hào)：2016ZX05011）；中國(guó)石化股份勝利油田分公司項(xiàng)目“特高含水期微觀剩余油動(dòng)用機(jī)制研究”（編號(hào)：YKY1501）；四川省教育廳一般項(xiàng)目（編號(hào)：15ZB0447）。

孟小海（1974 -），1996年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）采油工程專業(yè)，長(zhǎng)期從事油氣藏滲流機(jī)理、油氣層保護(hù)實(shí)驗(yàn)研究工作和微觀剩余油定量描述研究，高級(jí)工程師。通訊地址：（257015）山東省東營(yíng)市勝利油田分公司勘探開發(fā)研究西實(shí)驗(yàn)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(xué)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.