戴彩麗，李 源，徐效平，趙明偉，袁 斌，徐 克，高明偉，吳一寧

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院油田化學(xué)山東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580；2.勝利油田東勝精攻石油開發(fā)集團(tuán)股份有限公司，山東東營 257029；3.北京大學(xué)工學(xué)院，北京 100871）

清潔壓裂液的滲吸規(guī)律研究關(guān)系到壓裂后的增產(chǎn)效果與經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)僅能得到有限的宏觀數(shù)據(jù)［1-3］，如油水界面張力、潤濕性、溫度、滲透率等性質(zhì)對滲吸采收率的影響［4］，無法通過認(rèn)識孔喉結(jié)構(gòu)內(nèi)微觀流動特性來揭示清潔壓裂液滲吸過程中的油水兩相運(yùn)移機(jī)理。

2011 年，Gunda［5］首次提出芯片油藏的概念，之后利用微流控技術(shù)與二維孔喉模型研究兩相或多相流動中的界面行為、多孔介質(zhì)內(nèi)的流動規(guī)律［6-9］。Ma等［6］使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道模擬研究了非均質(zhì)多孔介質(zhì)中泡沫驅(qū)油機(jī)理，發(fā)現(xiàn)泡沫在高、低滲透區(qū)域會出現(xiàn)氣液分離現(xiàn)象；Conn 等［7］則進(jìn)一步證實(shí)了微通道兩相滲流結(jié)果與宏觀物模實(shí)驗(yàn)間有良好的吻合關(guān)系。這都為清潔壓裂液滲吸過程中油水兩相運(yùn)移機(jī)理的研究提供了新的思路。盡管應(yīng)用廣泛，二維孔喉模型依然受困于其自身的局限性，其形態(tài)特點(diǎn)是孔道與喉道的深度相等，毛管力僅僅作用于水平方向［8-9］。實(shí)際地層中的多孔介質(zhì)具有非常復(fù)雜的三維幾何結(jié)構(gòu)，單純的二維模型難以滿足多相流對毛管力的要求［10-11］。受制造技術(shù)的分辨率及材料性能的限制，目前建立一個真正意義上的三維微模型非常的困難。因此，本文設(shè)計了2.5 維高仿真微觀孔喉矩陣模型，模擬清潔壓裂液在儲層基質(zhì)中的滲吸行為，研究油水兩相滲吸過程中的微觀運(yùn)移規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

油酸酰胺丙基二甲胺（PKO），上海楚星化工有限公司；對甲苯磺酸鈉（CHO）、煤油，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；礦物油，上海麥克林生化科技有限公司；蘇丹紅油溶性染色劑、亮蘭水溶性染色劑，天津市光夏精細(xì)化工研究所。

TC150 六速黏度計，美國Brookfield 公司；高速顯微鏡，德國Zeiss公司；高精度注射器，美國Hamilton公司；微流量泵，美國Harvard公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計

使用玻璃作為2.5維微通道的制作材料。微通道深度由氫氟酸（HF）刻蝕速度和時間決定，制作原理利用了HF各向同性高頻刻蝕所產(chǎn)生的梯形橫截面，如果相鄰兩“孔”間距較小，則兩孔之間的玻璃壁在高頻刻蝕后會形成一個“通道”，借此制作出由喉道連接的相鄰孔道，最后即可形成孔道與喉道深度不同的2.5維矩陣孔喉模型［12］。喉道深度（Ht）、最大垂直刻蝕深度（Hp）和兩個孔邊緣之間的最小水平距離（L）的關(guān)系式（1）如下［12］:

孔隙體由一個圓形主體和四個矩形邊組成（見圖1），相鄰的孔隙體在設(shè)計上沒有相連。這里的孔隙體是在紫外光照射下，首先接觸到HF 的區(qū)域刻蝕后，相鄰的孔體從頂部連接，而在底部平面仍然沒有連接。所用2.5維孔喉模型中孔隙圓柱體的直徑為180 μm，4個矩形體的寬度為20 μm，兩個孔隙體間的距離為50 μm，刻蝕深度25 μm，矩形邊長度30 μm。根據(jù)式（1），最后實(shí)物的尺寸為:孔道寬220 μm，深20 μm；喉道寬60 μm，深5 μm。2.5維矩陣微通道整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，①②為入口端，③為出口端，④為注入通道，⑤為2.5 維基質(zhì)模型，⑥為儲油區(qū)；整個基質(zhì)模型的尺寸為2.5 cm×1.5 cm。

圖1 2.5維孔喉模型制作尺寸

圖2 2.5維矩陣微通道結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 實(shí)驗(yàn)流體

微觀實(shí)驗(yàn)中所用的水相為清潔壓裂液體系（0.7%PKO+0.7%CHO）與煤油混合充分破膠后的下層均勻澄清溶液，破膠液在25℃下的表觀黏度為2.2 mPa·s。考慮到微觀實(shí)驗(yàn)中對于微通道及流體透光性的要求，使用原油可能會對實(shí)驗(yàn)的觀測帶來不便影響，因此實(shí)驗(yàn)中所用的油相為65%礦物油+35%煤油，25℃下的表觀黏度為8.37 mPa·s。

1.2.3 微觀實(shí)驗(yàn)步驟

（1）向油相中加入油溶性染色劑，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笥扇肟诙刷诰徦伲? mL/h）注入，直至通道內(nèi)充滿模擬油且基質(zhì)模型內(nèi)無氣泡殘留；（2）將微通道置于Zeiss 顯微攝像系統(tǒng)觀察區(qū)域，拍攝區(qū)域參數(shù)7.5x，物鏡參數(shù)為1x，調(diào)節(jié)對焦及燈光旋鈕直至基質(zhì)模型⑤成像清晰；（3）向水相中加入水溶性染色劑，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笥扇肟诙刷僮⑷耄⑷肓魉僭O(shè)定為0.01 mL/h；（4）待水相開始進(jìn)入通道④時計時，每間隔一段時間進(jìn)行一次拍攝，記錄水相的滲吸位置及相應(yīng)滲吸時間。

為了充分模擬破膠液在基質(zhì)孔喉結(jié)構(gòu)中的滲吸規(guī)律，減小注入壓力對油水兩相運(yùn)移的影響，發(fā)揮毛管力占推動力主體地位的特性，注入通道④的寬度被設(shè)定為1 mm，遠(yuǎn)大于孔道與喉道的寬度，同時注入端口①的注入流量盡可能?。?.01 mL/h），僅用于保證基質(zhì)模型外圍的破膠液量供液充足。結(jié)構(gòu)⑥作為含有大量模擬油的儲存區(qū)主要有兩個作用。一是保證基質(zhì)孔喉內(nèi)的油相供液充足，二是維持穩(wěn)定的邊界壓力條件，保證滲吸過程中的外部壓力相對恒定。

2 結(jié)果與討論

2.1 油水兩相運(yùn)移規(guī)律與油相動用效率

通過上述實(shí)驗(yàn)方法，研究了破膠液在基質(zhì)模型中的油水兩相微觀運(yùn)移規(guī)律。模擬油與破膠液兩相在滲吸過程中的流動隨時間的變化規(guī)律如圖3所示。0 s 代表破膠液與基質(zhì)中模擬油即將第一次接觸的時刻，此時孔喉結(jié)構(gòu)內(nèi)全部飽和紅色模擬油，封閉的基質(zhì)部分為白色；當(dāng)滲吸進(jìn)入3 s 的時刻，觀測到藍(lán)色的破膠液在毛管力驅(qū)動下由寬度遠(yuǎn)大于孔喉尺寸的注入通道內(nèi)滲吸進(jìn)入孔喉結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為藍(lán)色流體占據(jù)了原紅色流體的空間；隨著滲吸繼續(xù)進(jìn)行，破膠液在基質(zhì)孔喉中的波及范圍越來越大，未被動用的油相體積也在逐漸減小，宏觀上即表現(xiàn)為油相在滲吸作用下被破膠液從孔喉中置換出，油相動用效率不斷提高。

圖3 模擬油與破膠液在基質(zhì)模型中的微觀滲吸運(yùn)移規(guī)律

使用開源圖像處理軟件ImageJ 中的Threshold模式對圖像顏色對比度設(shè)置閾值，以區(qū)分不同顏色代表的油相、水相及基質(zhì)。通過計算基質(zhì)模型中藍(lán)色（破膠液）與紅色（模擬油）流體占據(jù)的面積，即可得到不同時刻的油相動用效率。油相動用效率與滲吸時間的關(guān)系如圖4所示。在油相動用效率分別達(dá)到10.98%、19.09%與37.27%時，吸水階段結(jié)束，此時油相開始從基質(zhì)中被驅(qū)替出。綜合3個油水兩相置換階段，滲吸過程中的油水兩相運(yùn)移規(guī)律可以闡述為:破膠液（水相）首先在毛管力的作用下進(jìn)入孔喉結(jié)構(gòu)，但是油相沒有隨著水相的進(jìn)入而被迅速排除，而是在水相進(jìn)入了一定體積后、滲吸速度無限接近于零時，油相開始排出。這主要是由于破膠液作為潤濕相會在毛管力的驅(qū)動下逐漸進(jìn)入基質(zhì)孔喉，但是隨著油相的動用效率不斷提高，油水兩相界面擴(kuò)大，由此產(chǎn)生的界面擴(kuò)張、賈敏效應(yīng)及流體黏性力損耗等阻力也在不斷增加，當(dāng)驅(qū)動力與流動阻力逐漸平衡后，油相得以從基質(zhì)中被排出，因此產(chǎn)生了類似“憋壓”的現(xiàn)象；之后流動阻力降低，毛管力驅(qū)動下一吸水階段開始，即滲吸過程中的油水兩相運(yùn)移是“吸水-排油-吸水”的多次動態(tài)平衡過程。

圖4 油相動用效率與滲吸時間的關(guān)系曲線

2.2 微觀油水兩相運(yùn)移動態(tài)平衡

2.2.1 一階段油水運(yùn)移

一般認(rèn)為，滲吸過程中破膠液與油的兩相置換過程是連續(xù)的，即破膠液進(jìn)入孔喉與油從孔喉結(jié)構(gòu)中被置換出是同步進(jìn)行的，然而微觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明滲吸中的油水兩相置換是“吸水-排油-吸水”交替的分階段過程。圖5展示了模擬油與破膠液在滲吸的1 min 38 s到14 min 8 s中的一階段油水兩相運(yùn)移規(guī)律。與圖3主要展示水相（藍(lán)色）流動規(guī)律不同，圖5說明了油相（紅色）是如何在滲吸作用下從孔喉中被排出的。在1 min 38 s之前，破膠液在毛管力驅(qū)動下逐漸滲吸進(jìn)入孔喉結(jié)構(gòu)，油相被壓縮，界面擴(kuò)張、黏滯力損耗等阻力逐漸增大，在滲吸時間為1 min 38 s-7 min 14 s 期間（圖5（a）），油水兩相分布未發(fā)生明顯變化，吸水速度趨近于零，產(chǎn)生類似“憋壓”現(xiàn)象；在圖5（b）7 min 34 s時刻，第一次明確觀測到油相的運(yùn)移，白色框圈內(nèi)一個孔道內(nèi)原有的藍(lán)色水相被驅(qū)替為紅色的油相，此時油相內(nèi)壓在“憋壓”后增大至克服了流動阻力；圖5（c）的7 min 55 s時刻，又一孔道內(nèi)水相被油相驅(qū)替，并且油相也突破了油水兩相在注入通道處的界面，即此刻開始已有油相從基質(zhì)中被滲吸而出；在圖5（d）、（e）中的8 min 27 s和9 min 28 s，油水運(yùn)移前緣從基質(zhì)孔喉中轉(zhuǎn)移到注入通道內(nèi)，此時代表油相在持續(xù)被排出；這種行為一直持續(xù)到圖5（f）中的14 min 8 s。在整個油相的運(yùn)移過程中，沒有任何一個孔喉結(jié)構(gòu)中觀測到明確的水相移動行為，因此可以認(rèn)為這一階段屬于排油過程。

2.2.2 二階段油水運(yùn)移

在一階段排油過程結(jié)束后，破膠液在基質(zhì)孔喉中的滲吸行為繼續(xù)進(jìn)行。對比圖6（a）與圖5（f）可見，從14 min 8 s 到23 min 26 s，基質(zhì)中的破膠液波及范圍繼續(xù)擴(kuò)大，而到了圖6（b）中24 min 4 s-28 min 2 s時，觀測到了和圖5（a）中相同的滲吸停止行為，并如圖6（c）所示，在28 min 18 s觀測到了第2次油相驅(qū)替水相過程，進(jìn)而發(fā)展到了33 min 23 s 開始的油相被排出并進(jìn)入注入通道的行為，這一直持續(xù)到了38 min 50 s。即在水相滲吸進(jìn)入基質(zhì)后發(fā)生了二階段的油水兩相置換行為。

2.2.3 三階段油水運(yùn)移

第二階段油水兩相置換行為結(jié)束后，如圖7（a）、（b）所示，藍(lán)色的水相前緣繼續(xù)前移，水相滲吸行為持續(xù)進(jìn)行，從圖6 的38 min 50 s 進(jìn)行到圖7 的54 min 22 s 結(jié)束；在此之后，與前兩個階段類似，58 min 47 s時刻油相開始突破注入通道中水相的封鎖被排出，直至1 h 10 min 6 s時結(jié)束，此為第三階段的油水兩相置換行為。此后，再沒有觀測到油水兩相的運(yùn)移行為，破膠液的滲吸波及面積不再改變，即滲吸已經(jīng)結(jié)束。

在圖5數(shù)圖7 中，一階段的破膠液滲吸行為持續(xù)了7 min 14 s，油相運(yùn)移時間6 min 54 s；二階段破膠液滲吸時間13 min 54 s，油相運(yùn)移時間10 min 32 s；三階段破膠液滲吸時間15 min 32 s，油相運(yùn)移時間15 min 44 s。假定“吸水-排油”為一個油水運(yùn)移周期，則每個周期時間都在不斷增加，油水置換平均速度也在逐漸降低。最終當(dāng)驅(qū)動毛管力已無法再大于流動阻力時，周期時間趨近于無窮大，滲吸過程結(jié)束，此時的油相動用效率即為最大動用效率。

圖5 基質(zhì)中的一階段油水兩相置換行為

圖6 基質(zhì)中的二階段油水兩相置換行為

2.3 滲吸終止后的油相分布規(guī)律

滲吸后的剩余油相分布有兩種情況。一種是在滲吸波及范圍外，主要受上文滲吸驅(qū)動力與流動阻力平衡的影響；另一種則在滲吸波及范圍內(nèi)，由于滲吸速度差異而被“水封”導(dǎo)致采出困難。儲層的孔隙連通性對滲吸以及注水開發(fā)效果的影響巨大。當(dāng)儲層的孔隙連通性差時，易出現(xiàn)不連通的閉合盲端，盲端中的油相動用效率低且開采難度較大。如圖8所示，基于設(shè)計上的考量，圖中1、2、3孔上側(cè)沒有再連通其他孔喉結(jié)構(gòu)，可視為一端封閉的盲端結(jié)構(gòu)，當(dāng)水相占據(jù)了周圍孔道后，其內(nèi)油相難以被置換而出。與這種受結(jié)構(gòu)影響而形成的盲端孔喉結(jié)構(gòu)類似，滲吸過程中的油水兩相運(yùn)移也存在“水封”的情況。

傳統(tǒng)意義上的孔隙盲端指由于一端物理封閉，另一端被潤濕相封閉的孔喉結(jié)構(gòu)。在受到毛管力和潤濕相的影響下，這部分的非潤濕相往往需要克服巨大的界面張力才能被置換而出。與其類似，當(dāng)若干個孔喉內(nèi)的連續(xù)油相（或非潤濕相）被水相（或潤濕相）所包圍，無法與其他的油相（或非潤濕相）相連，即形成了“水封”的油相結(jié)構(gòu)。這種“水封”結(jié)構(gòu)中的油相很難被置換出，如圖3 中凡是被“水封”圈住了的油相直至滲吸結(jié)束后也未有明顯的位移?！八狻苯Y(jié)構(gòu)可能是單個（圖9（b））、多個（圖9（c））或大面積（圖9（d））的孔喉結(jié)構(gòu)，甚至孔喉內(nèi)不足單孔的“水封”結(jié)構(gòu)（圖9（a））。

圖8 盲端孔隙剩余油分布

圖9 滲吸過程中的水封現(xiàn)象

即使在均質(zhì)的基質(zhì)孔喉模型中，也會存在一些相對滲流阻力較小、滲吸速度相對較快的區(qū)域。首先，在相對滲吸較快的區(qū)域內(nèi)部，更傾向于出現(xiàn)單個、若干個或者不足單個孔喉內(nèi)的“水封”現(xiàn)象。這是由于在高速滲吸區(qū)域內(nèi)的滲吸驅(qū)動力相對較大，相鄰孔喉間的滲吸速度比較接近，油水前緣推動較平均，只形成了面積較小的“水封”結(jié)構(gòu)；其次，對于與高速滲吸區(qū)相鄰的慢速滲吸區(qū)域，因滲吸速度慢，難以在將油相置換出來之前形成“水封”，水相更傾向于緩慢的將孔喉內(nèi)的油相置換出來；但隨著滲吸前緣的不斷推進(jìn)，兩個快速滲吸區(qū)域逐漸靠近并最終相連，包圍內(nèi)的慢速滲吸區(qū)會被連續(xù)的水相包裹住，并由于油相內(nèi)部壓力與滲吸驅(qū)動力逐漸平衡而導(dǎo)致滲吸速度歸零，出現(xiàn)大面積的“水封”結(jié)構(gòu)。

綜上所述，由于水封現(xiàn)象會降低波及效率，滲吸速度較快、非均質(zhì)性嚴(yán)重的區(qū)域會因?yàn)橐仔纬纱竺娣e的“水封”結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致油相動用效率降低，而相對滲吸速度快的區(qū)域之間則易存在剩余油富集區(qū)。

3 結(jié)論

使用2.5維高仿真微觀孔喉結(jié)構(gòu)模型可以有效模擬滲吸過程中的油水兩相二次分布規(guī)律。在儲層對破膠液的滲吸作用下，隨著毛管力（驅(qū)動力）與流動阻力的不斷變化，油水兩相運(yùn)移處于多次動態(tài)平衡狀態(tài)中。當(dāng)油相動用效率達(dá)到10.98%、19.09%與37.27%時，吸水與排油過程交替進(jìn)行，當(dāng)流動阻力大于毛管力后，滲吸達(dá)到最大油相動用效率。滲吸過程中油水兩相運(yùn)移出現(xiàn)的“水封”現(xiàn)象會降低油相動用效率，滲吸速度越快、非均質(zhì)性越嚴(yán)重的儲層更易出現(xiàn)大面積的“水封”結(jié)構(gòu)。