縫洞型油藏物理實驗模型制作新方法

郭萬江，付帥師，李愛芬，于 淼

(中國石油大學石油工程學院，青島 266580)

縫洞型油藏是一種非均質性極強的非常規油藏，具有縫洞形態多樣，連通關系復雜的顯著特點[1]。這給縫洞油藏的工程開發和科學研究增加了很大的難度，尤其是儲層參數的不確定性導致縫洞油藏的數值模擬難以準確模擬實際儲層[2]。針對典型縫洞結構的縫洞型油藏物理實驗是研究該類油藏相對最有效的方法。

目前，傳統的縫洞型油藏物理實驗模型的制作方法有很多，按照模型種類可以分為大理石模型、有機玻璃模型、全直徑巖心模型、玻璃刻蝕模型、玻璃水槽模型、碳酸鈣巖板模型等。

專家學者利用不同的方法制作不同的縫洞型油藏物理實驗模型，并進行水驅、氣驅、泡沫驅等物理實驗模擬，在剩余油分布規律、形成機理以及動用機制等方面取得了豐碩的成果。比如，隋宏光等[3]利用大理石模型研究了不同溶洞密度、不同洞縫比等參數對縫洞型油藏水驅油采收率的影響；呂愛民等[4]利用有機玻璃板模型模擬了不同注入速度、不同注采井位對水驅后剩余油分布和生產動態的影響；Wang等[5]利用玻璃水槽模型研究了裂縫孔洞組合內充填介質對水驅油的影響，并分析了不同油水黏度比下的影響效果差異；彭松等[6]利用全直徑巖心模型模擬了多級注水替凝析油過程，并分析了產油量的影響因素；趙青等[7]利用碳酸鈣巖石板研究了不同氣驅方式下的產業特征和產業規律，并定性評價了剩余油形成機制；屈鳴等[8]利用玻璃刻蝕模型研究了復雜縫洞單元內底水驅油水界面特征變化。

但是這些學者在進行縫洞型油藏物理實驗模擬過程中，所用的物理實驗模型在制作成本、刻畫精度、可視化等方面存在明顯的問題。比如，大理石模型、有機玻璃模型以及玻璃水槽模型刻畫的裂縫和溶洞過于規則，無法準確模擬真實縫洞形態[3-5]；全直徑巖心模型的裂縫和溶洞刻畫具有明顯的隨機性，且不具可視性，無法觀察實驗過程中裂縫和溶洞內剩余油分布變化[6，9]；碳酸鈣巖板模型的縫洞刻畫過于粗糙，無法精確表征溶洞尺寸或裂縫開度等參數[7，10]；玻璃刻蝕模型制作成本過高，壁面物性與儲層差別較大，且難以對裂縫和溶洞進行充填[8，11]。

上述這些問題很大程度上限制了縫洞型油藏物理實驗模擬的準確性、普適性、真實性。所以，針對傳統方式制作的縫洞實驗模型的不足，提出一種縫洞油藏物理實驗模型制作的新方法。該方法利用覆膜樹脂砂和環氧樹脂膠膠結的石英砂為原料，可制作出符合真實縫洞油藏特征的物理實驗模型，且具有縫洞刻畫真實、制作精度高、大批量生產、成本相對較低的顯著優勢，為縫洞型油藏物理模擬實驗的成功進行奠定基礎，進一步指導礦場實踐的高效開發。

1 物理實驗模型制作原料

物理實驗模型制作分為兩個部分，即基質制作和充填介質制作。其中，基質的制作采用原料為覆膜樹脂砂，利用自動成型機進行選擇性激光燒結制成預設形態的模型基質；充填介質采用環氧樹脂膠膠結的石英砂制成。

1.1 覆膜樹脂砂

覆膜樹脂砂(圖1)是一種在砂粒表面粘附一層固體酚醛樹脂膜的石英砂，主要由原砂(石英砂)、酚醛樹脂、烏洛托品水溶液、硬脂酸鈣以及一些添加劑組成[11]，其成分配比如表1所示。

圖1 覆膜樹脂砂

表1 覆膜樹脂砂成分表

覆膜樹脂砂的精度在一定程度上影響模型的精度和硬度，一方面，盡可能小的粒徑能夠提高精度，但另一方面，過小的粒徑可能會影響覆膜砂的透氣性[12]。通過對比不同粒徑覆膜樹脂砂打印的巖心，在盡可能保證模型精度和硬度的原則下，一般選取100～120目的覆膜樹脂砂作為打印原料，經后處理后，能夠滿足實驗要求。

1.2 環氧樹脂膠結石英砂

由于縫洞型油藏中，大部分裂縫和溶洞都存在不同類型、不同程度的充填?？p洞內的充填介質一般都是被泥沙或化學沉積等物質固結，因此本研究也采用固結的多孔介質來模擬縫洞內的充填物，以滿足實際儲層的充填基質物性[13-14]。

分別利用常規的E51環氧樹脂膠和改性后的環氧樹脂膠對石英砂進行膠結[14]，可制備不同潤濕性的充填介質。其中，E51環氧樹脂膠是油性，可用其制備油濕性充填介質；改性后的環氧樹脂膠為水性，可用其制備水濕性充填介質。環氧樹脂膠膠結充填介質過程示意圖如圖2所示。

圖2 環氧樹脂膠膠結充填介質二維示意圖

由于不同縫洞充填介質的滲透率不同，為真實模擬實際儲層充填介質物性，通過不斷調整膠砂比(環氧樹脂膠與石英砂質量比)和石英砂目數制備不同滲透率的巖心，從而確定不同充填介質制作所需要的環氧樹脂膠和石英砂比例。

利用穩態法，對不同膠砂比和石英砂目數制作的親水巖心和親油巖心進行滲透率測試(上游壓力20 kPa，圍壓2.5 MPa)，結果如表2所示。

表2 不同膠砂比及石英砂目數制備巖心滲透率

從表2可以發現，在相同的膠砂比的條件下，利用不同類型環氧樹脂膠制得的巖心滲透率差異不大，其誤差屬允許范圍之內。可通過確定膠砂比和石英砂目數來確定滲透率，從而制得符合儲層滲透率特征的縫洞油藏充填介質。一般而言，縫洞型油藏充填介質的滲透率為100～1 000 mD，所以，本文采用的石英砂目數為160～180目，膠砂比為15∶100。

2 基于選擇性激光燒結的3D打印模型基質制作

2.1 縫洞數字模型構建

縫洞數字模型的構建是3D打印制作縫洞物理實驗模型基質部分的基礎。由于縫洞油藏復雜的縫洞結構，通常要求縫洞物理實驗模型盡量能夠盡量貼合礦場實際，所以縫洞數字模型的構建是以縫洞型油藏地質剖面或地質模型為依據。

2.1.1 二維縫洞數字模型構建

以某油田TK730～TK734連井地質剖面為例，介紹二維縫洞數字模型的構建方法。

首先，將TK730～TK734連井剖面作為背景圖，在計算機輔助設計(computer aided design, CAD)軟件中，以“點連線，線構面”的方式在平面上描繪出溶洞及裂縫輪廓，并在同一平面上繪制一個包裹裂縫和溶洞形態的矩形。然后，分別將矩形和縫洞輪廓沿垂向同方向按同大小拉伸成實體，分別形成一個長方數字實體和一個縫洞數字實體。最后，利用布爾差集運算，在長方體中剪掉縫洞體，即完成二維縫洞數字模型構建。TK730～TK734連井剖面及縫洞數字模型分別如圖3、圖4所示。

圖3 TK730～TK734連井剖面

(長寬厚為30 cm×18 cm×1 cm)

2.1.2 三維縫洞數字模型構建

以某油田T615單元地下河地質模型為例，介紹三維縫洞數字模型的構建方法。

三維縫洞數字模型的構建方法分為直接法和間接法兩種。其中，直接法是通過觀察地質模型形態，根據三視圖(前視圖、俯視圖、側視圖)在CAD軟件中直接構建數字模型，間接法，即逆向建模法，是根據地質模型坐標點數據通過逆向工程方法建立三維縫洞數字模型。

通過直接法的構造過程過于煩瑣，且誤差較大，不適合復雜三維縫洞數字模型的構建。逆向建模法可以將地質模型按一定比例縮小，完美復刻，自動化程度高，可有效降低人為誤差。

逆向建模法構建三維縫洞數字模型的過程可分為如下四個步驟[15]。

(1)獲取地質模型溶洞的網格中心的坐標，該過程可直接在地質建模軟件petrol中完成，地下河溶洞地質模型如圖5所示。

圖5 地下河溶洞地質模型

(2)提取溶洞表面坐標，即在上一步的基礎上，通過判斷每個數據點周圍的數據點個數來判定每個數據點是否為表面坐標點，將內部坐標點(非表面坐標點)剔除。如某一數據點周圍數據點個數為小于6，則該數據點為表面坐標點，否則，為內部坐標點。

(3)逆向工程法建立溶洞數字實體(圖6)，該過程可在三維建模軟件(如Solidworks軟件)中進行，其處理過程包括噪聲數據剔除、平滑處理、生成曲面、生成實體等。

圖6 地下河溶洞數字實體

(4)布爾差集運算構建基質數字實體，即構建一個長方體數字實體，并將其完全包裹縫洞數字實體，對兩者進行布爾差集運算，在長方體中剪掉縫洞數字實體，完成三維縫洞數字模型構建。

縫洞數字模型構建完成后，利用magics軟件進行縮放、修補、切片處理及軌跡掃描后即可導入3D打印設備進行打印。

2.2 3D打印設備及原理過程

采用的3D打印設備為隆源AFS-360型自動成型機，設備共分為四個部分，分別為控制器、成型機、制冷裝置以及通風裝置，如圖7所示。

圖7 3D打印設備(自動成型機)

設備的核心部分為成型機，其主要包括激光二維掃描頭、鋪粉滾筒、激光窗、成型缸(內有成型活塞)以及料缸(內有供粉活塞)等，成型機內部示意圖如圖8所示。

圖8 3D成型機內部示意圖

打印前，將足夠量的覆膜樹脂砂(打印原料)裝入成型缸，并用鋪粉輥筒將成型缸和料缸內的樹脂砂粉末鋪平。打印過程中，在計算機控制下通過 激光掃描頭對成型缸內的覆膜樹脂砂進行一層一層的選擇性燒結。當燒結一層后，供粉活塞上升0.2 mm，相應的成型活塞下降0.2 mm，通過鋪粉輥筒將料缸上部的覆膜樹脂砂推進成型缸，進而進行第二層的燒結，層層燒結完畢后即可初步完成縫洞油藏物理實驗模型基質部分的打印制作[15]。

2.3 硬化處理

為防止模型基質周圍覆膜樹脂砂的固結，打印過程中激光溫度不宜太高，這也導致了打印后的模型基質硬度明顯不足[16-17]。于是，待模型基質打印結束后需要采用高溫燒結的方式進行硬化處理。硬化處理的過程分為三步，可概括為除砂、過火、烘烤，操作過程如圖9所示。

圖9 硬化處理過程圖

除砂，即用軟毛刷或氣槍將模型基質周圍附著的未燒結的覆膜樹脂砂清除，防止過火和烘烤過程中將其固結在模型基質表面，從而增加精度。

過火和烘烤分別是為了硬化模型基質表面和內部。過火是利用火焰噴槍來回對燒烤直至顏色明顯變深；燒結是將模型基質放入恒溫箱里以190 ℃的溫度加熱5 h。

經過硬化處理的模型基質，可明顯提高硬度，可耐壓5 MPa左右，滿足縫洞油藏物理模擬實驗要求。

部分3D打印并硬化處理后的縫洞模型基質如圖10所示。

圖10 3D打印的縫洞模型基質

3 模型基質孔滲測試及降孔降滲處理

由于模型基質的不規則性及尺寸較大的問題，采用3D打印巖心進行滲透性測試，并研究實驗要求的降滲方法，最終將其運用到物理實驗模型基質的處理過程中。

3.1 3D打印巖心孔滲測試

參照中華人民共和國石油天然氣行業標準SY/T 5336—1996《巖心常規分析方法》，采用氮氣注入法測試3D打印巖心孔隙度，采用氮氣進行氣測滲透率測試(圍壓為1.2 MPa，上游壓力為15 kPa)，測試結果如表3所示。

3D打印巖心尺高3 cm左右，直徑約為2.5 cm，如圖11所示。

圖11 3D打印巖心

從表3發現，利用覆膜樹脂砂進行3D打印制得的巖心孔隙度約為40%，氣測滲透率約為2 000 mD。而實際縫洞型油藏基質的滲透率大多為1%～5%，滲透率為0.1～1 mD。3D打印巖心孔滲參數與礦場實際嚴重不符，需要對其進行降孔降滲處理，才能滿足物理實驗模擬需要。

表3 3D打印巖心孔滲參數

3.2 3D打印巖心降孔降滲處理

經過大量調研和實驗，優選出濃度為30%(質量分數)的硅溶膠水溶液(mSiO2·nH2O)作為降孔降滲處理媒介，它是一種無臭、無毒，可在水中均勻擴散的半透明膠體溶液(圖12)，在72～83 ℃的溫度下會發生固化。

圖12 硅溶膠水溶液

首先，通過抽真空飽和硅溶膠的方式，將硅溶膠滲入巖心中，并使其吸附在巖心孔隙，然后在75 ℃的高溫下進行烘干，使水分蒸發，硅溶膠固化，最后取出巖心再一次進行孔滲測試。

采用與3.1中相同的方式與條件，對處理后巖心的孔隙度和滲透率進行測試，結果如表4所示。

通過上表發現，降孔降滲處理后的3D打印巖心滲透率約為0.2 mD，滲透率約為4%，與實際縫洞型油藏基質滲透率相符。故采用飽和硅溶膠的方式處理3D打印模型基質可達到物理模擬實驗要求。

4 模型充填及封裝打井

待模型基質打印并處理結束后，通過對其填充充填介質并封裝打井，方可完成縫洞油藏物理實驗模型的制作。

對于二維縫洞模型的制作，首先，利用環氧樹脂膠膠結的石英砂對溶洞和裂縫進行充填，充填程度及充填介質潤濕性根據分析地質特征后的實驗需要而定；然后利用涂抹環氧樹脂膠的有機玻璃板對模型四周進行封裝，并完全密封模型；最后利用電鉆鉆取注入口和采出口，并粘結出入口管線。

對于三維縫洞模型而言，其充填及打井封裝過程與二維縫洞模型類似，但是為便于充填，需要在打印過程中分段打印，待充填結束后，再依次拼接，最后封裝打井。

部分二維可視化及三維縫洞油藏物理實驗模型展示如圖13所示。其中二維模型尺寸為30 cm×18 cm×1 cm(長×高×厚)，三維模型尺寸為15 cm×15 cm×15 cm(長×寬×高)。

利用該方法制作的縫洞油藏物理實驗模型具備精度高(最小誤差為0.1 mm)、縫洞刻畫真實、能夠批量生產且原料成本低等顯著特點。尤其是在三維模型的制作方面，利用逆向工程方法將地質模型等比例縮放，可真實還原實際縫洞形態。利用該類模型可更精確地在室內實驗條件上研究縫洞型油藏剩余油分布規律及提高采收率措施，為礦場實踐提供依據。

5 結論

(1)采用覆膜樹脂砂制作縫洞型油藏物理實驗模型基質部分，采用環氧樹脂膠膠結石英砂為原料制作裂縫和溶洞內的充填介質。

(2)該方法可以以實際地質剖面為依據制作復雜二維縫洞物理實驗模型，以實際地質模型為依據制作真實三維縫洞物理實驗模型。

(3)過火、烘烤的方式可有效提高模型基質部分的硬度，利用飽和硅溶膠的方式可有效降低模型基質部分的孔隙度和滲透率，使其達到物性特征更接近儲層實際，達到實驗要求。

(4)基于3D打印的縫洞油藏物理實驗模型的方法包括數字模型構建、切片處理、軌跡掃描、選擇性激光燒結(3D打印)、硬化處理、降孔降滲處理、充填封裝及打井。