致密砂巖孔隙中氣水分布規律可視化實驗

呂金龍，盧祥國，王 威，謝 坤，胡 勇

(1.東北石油大學，黑龍江 大慶 163318；2.提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；3.中國石油勘探開發研究院，北京 100083)

0 引 言

20世紀80年代微流控技術開始在石油化工研究領域應用。微流控芯片具有試劑消耗量小、成本低和可批量制造等優點，可將采樣、分離、檢測和分析等功能集成到幾厘米芯片上，現已廣泛應用于現代生物化學分析、醫學、即時診斷和高通量篩選等諸多研究領域[1-2]。微流控技術是專門用于研究微納米范圍流體間相互作用的技術，在石油領域則主要是研究微觀結構內復雜流體(油氣水)滲流規律，流控芯片良好的透光性能使滲流過程易于實現可視化。因此，石油科技工作者開始嘗試用微流控芯片代替傳統巖心進行驅替實驗，尤其是驅油機理方面的研究[3-4]。目前，研究儲層多孔介質中氣水兩相滲流規律的數學模型主要包括毛細管束模型、統計模型、經驗模型和網絡模型等[5-11]，這4種數學模型賦予了多種假設條件，不能客觀真實地描述氣水兩相滲流規律[12-15]。因此，針對致密氣藏開發過程中亟待解決的問題，以儲層巖石孔喉結構為模擬對象，采用3D打印技術[16-18]和玻璃刻蝕技術[19-20]，運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理研究。

1 實驗條件

1.1 實驗材料

采用3D打印技術和玻璃刻蝕技術制作了2種具有氣藏巖石孔喉結構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。實驗驅替用水為經次甲基藍染色的蒸餾水。當微流控芯片飽和水后進行氣驅水時，由于孔隙親水性，水會在孔壁表面吸附形成水膜，水膜與藍色水對比差異不明顯。為了提高氣驅水過程中水氣分布狀況的觀察效果，對氣體顏色進行減淡處理。

1.2 實驗步驟

實驗步驟主要包括：①將微量泵與微流控芯片連接為一個驅替系統；②在不同驅替速度條件下進行水驅氣，觀察和錄制驅替過程中孔隙中的氣水分布；③在不同驅替速度條件下進行氣驅水，觀察和錄制驅替過程中孔隙中的氣水分布。

2 結果分析

2.1 水驅氣

2.1.1 驅替速度對氣水分布規律的影響

在不同驅替速度條件下，水驅氣結束后氣水分布狀況見圖1。由圖1可知，驅替速度對水驅氣結束后氣水分布狀況存在影響。機理分析表明，水驅氣時氣水流動主要受毛細管力和慣性力控制。由于微流控芯片孔隙具有親水性，當驅替速度較小時毛細管力占據主要地位，它是氣水流動的主要動力。當水進入2條或多條孔徑不同孔道時，由于小孔道毛細管力較大，水會沿較小孔道表面以較快速度進入小孔道。與小孔隙相比較，大孔道毛細管力較小，水依靠毛細管力作用去占據一個大孔道，并將其中的氣體排出， 需要耗費較多能量和時間。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)。當驅替速度較大時，慣性力占據主導地位，水依靠慣性會優先進入滲流阻力較小的大孔道，此時小孔隙內的氣體容易形成封閉氣，且驅替速度越大，該現象越明顯(圖1b中b處和圖1c中c處)。當采用較低速度驅替至模型出口見水后立即改用較高速度繼續驅替時，提高驅替速度也難以啟動封閉氣。由此可見，氣藏開發過程中一旦形成水侵，就會造成部分氣體儲量損失，進而導致氣井產氣量降低。

2.1.2 卡斷作用對氣水分布規律的影響

卡斷也是氣藏形成封閉氣的一個主要原因。當氣水兩相流經狹窄喉道時，由于賈敏效應產生較大附加阻力，氣體以氣泡形式滯留在喉道處。在水驅氣實驗中，微流控芯片a卡斷現象并不明顯，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，尤其是在水驅氣主流線上，因驅替壓力較高致使死孔隙中氣體處于壓縮狀態，氣體損失量較大。實驗觀測表明，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)。機理分析認為，水驅過程中因為毛細管力和慣性力作用水會進入盲端，使部分氣體逸出，但當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，即便是提高驅替速度，即增加驅替壓差也很難將其采出。因為提高驅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，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，只能通過降低驅替壓差使氣體先發生膨脹再部分逸出盲端。

圖1 水驅氣過程中氣水分布(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，為了提高水驅氣過程中氣水分布觀察效果，將觀測圖片基質部分顏色進行了加深處理，氣體顏色進行了淡化處理。圖2為水驅氣過程中氣水分布情況。由圖2可知，在水驅氣過程中，水進入不同孔徑孔隙后會因孔徑變小而產生液阻效應，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，致使滲流阻力進一步增大，最終導致水流轉向(繞流)進入較大孔隙。一旦進入大孔道中水流發生突破，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理。

2.1.5 裂縫-孔隙模型及其對氣水分布規律的影響

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小于孔隙，即使在較小驅替速度下水也會優先進入裂縫，以較快速度推進，致使水驅氣過程中模型內氣水分布特征與孔隙模型內存在較大差異(圖3)。觀測結果表明，由于模型中存在裂縫型孔道，導致水驅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2條不同孔徑的孔道相交時，水流會優先進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孔隙型巖心，由繞流、卡斷和孔隙盲端等因素導致的封閉氣現象均有體現，另外“H型”孔道是形成封閉氣的主要原因(圖4中a、b處)。水驅氣過程中水會優先突破孔徑較大、滲流阻力較小的兩翼部位，將架橋內氣體封閉。由于巖心孔隙的親水性，借助毛細管力水依然會在架橋的孔隙內表面吸附鋪展，將架橋上的氣體壓縮成泡狀，形成水包氣。

圖2 水驅氣過程中氣水分布(微流控芯片b)

圖3 水驅氣過程中氣水分布(玻璃刻蝕模型)

圖4 水驅氣結束后氣水分布

2.2 氣驅水

2.2.1 驅替速度對氣水分布規律的影響

在不同驅替速度下，氣驅水結束后氣水分布情況見圖5。由圖5可知，氣驅水結束后，孔隙內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，氣驅水與水驅氣后水氣分布規律相反。由于孔隙內壁親水，氣相是非潤濕相，氣驅水時毛細管力是一種阻力，且氣體在孔道中央流動，水沿孔壁表面流動，導致氣體過流斷面減小，尤其在孔徑較小孔道內流動時滲流阻力較大。由動能公式可知，當驅替速度較小時，氣體聚集能量速度較慢，大孔道內水體質量較大，突破大孔道所需動能也較大，氣體短時間內積累的能量不足以克服小孔道中水體滲流阻力，氣體只能進入過流斷面更大、毛細管力更小的大孔道(圖5a)。當驅替速度較大時，啟動壓力明顯升高，孔道內氣體提供能量呈平方指數增大，遠大于在小孔道內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)。在較低驅替速度下，氣驅水時氣體優先流入大孔道，呈現出“走大不走小”的滲流特征。在較高驅替速度下，氣驅水時氣體優先流入小孔道，呈現出“走小不走大”的滲流特征。

圖5 氣驅水過程中氣水分布(微流控芯片a)

2.2.2 卡斷作用對氣水分布規律的影響

由于微流控芯片中氣相為非潤濕相，氣驅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，水膜會發生積聚，水膜厚度增加，過流斷面進一步減小，氣驅水滲流阻力進一步增大，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 繞流對氣水分布規律的影響

在氣驅水過程中，當氣體面對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生突破后，孔隙中剩余水很難被采出。進一步分析發現，“A型”孔道是形成殘余水的重要原因。當驅替速度較小時，氣體優先突破孔徑較大、滲流阻力較小的兩翼部位，將橋內水封閉。當驅替速度較大時，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 實踐指導

研究多孔介質中氣水流動的微觀滲流機理有助于了解氣藏成藏機理及水驅氣時氣藏開發特性，可直觀地觀察流體在孔喉介質中發生的復雜運移過程，從中發現有利于提高致密氣藏驅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，進行氣水兩相驅替可視化實驗的目的還在于可為定量分析實驗現象提供更為準確的數據資料，進而分析兩相滲流規律，為類似氣藏的高效開發提供理論依據。

4 結 論

(1) 水驅氣和氣驅水過程中氣水在孔喉中分布規律相反。在較低驅替速度下，水驅氣“走小不走大”，氣驅水“走大不走小”；在較高驅替速度下，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”孔道是水驅過程中形成封閉氣的主要原因。

(4) 氣驅水過程中，卡斷、繞流和“A型”孔道是形成殘余水的主要原因。

(5) 進行氣水兩相驅替可視化實驗有助于了解氣藏成藏機理及水驅氣時氣藏開發特性，為定量分析實驗現象提供更為準確的圖像及數據支持。