滲吸研究中的典型問題與研究方法概述

王敉邦，楊勝來，吳潤桐，蔣林宏，包建銀

（中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京102249）

?

·專論與綜述·

滲吸研究中的典型問題與研究方法概述

王敉邦，楊勝來，吳潤桐，蔣林宏，包建銀

（中國石油大學（北京）石油工程教育部重點實驗室，北京102249）

在滲吸實驗中，掛壁現象、門檻跳躍、馬蘭戈尼效應等典型問題嚴重影響以質量法和體積法為代表的傳統實驗方法的測量精度。同時傳統實驗方法無法對因巖心非均質性造成的液體在巖心內部分布的差異性、滲吸驅動力問題、滲吸前緣的變化規(guī)律等熱點問題做出更加深入的研究與解釋。因此在結合以CT技術、分子模擬技術等現代科學技術的基礎上，逐漸形成了滲吸研究一體化研究方法，主要包括傳統實驗方法和現代科技手段一體化、微觀與宏觀一體化、多學科綜合研究的一體化。該一體化方法理念在巖心尺度下引入了分子尺度和油藏尺度，從定性和定量兩個方面研究了滲吸理論和滲吸規(guī)律，加強實驗和現場應用的結合，體現當前多學科協同發(fā)展的理念和潮流，同時對滲吸研究工作的開展具有指導和借鑒意義。

滲吸；典型問題；研究方法；一體化概念；指導與借鑒

滲吸，是描述把毛管力作為主要動力使?jié)櫇裣嘁后w在多孔介質中置換另一種非潤濕相液體的過程［1］。隨著低滲、特低滲、致密和頁巖油藏的開發(fā)，滲吸對鉆井施工和油氣藏開發(fā)的影響開始凸顯。分析和總結滲吸過程中的現象與規(guī)律，對實現油田周期注水/注氣達到滲吸法驅油，提高油藏采收率具有重要意義；對因滲吸作用造成的鉆井液和壓裂液在地層中的滯留和對地層的污染，減少經濟損失具有指導作用。

1　研究過程中的典型問題

巖心實驗是研究滲吸規(guī)律的重要手段，實驗過程中出現的典型現象是滲吸規(guī)律現實化的展現。掛壁現象、門檻跳躍、馬蘭戈尼效應、滲吸驅動力等典型現象和問題一直是滲吸研究的熱點。

1.1掛壁現象

掛壁現象在巖心滲吸實驗中經常出現，并影響測量的精度。在滲吸作用下非潤濕相被潤濕相液體驅替出來并由于界面張力作用黏附在巖心表面，隨著滲吸量的增加，小的液珠或氣泡會慢慢聚集在一起，重力分異作用逐漸克服界面張力，液珠或氣泡就會脫離巖心表面。而在致密油滲吸實驗中，由于滲透率低、孔喉細小，滲吸速率慢，掛壁現象持續(xù)時間長，對采用傳統方法特別是體積法初期測量滲吸量和計算滲吸速率會造成較大誤差。

1.2門檻跳躍［2］

在液體和干巖樣接觸時，由于液體表面能和毛管作用對巖心產生一種拉力造成質量的突然增加，這就是門檻跳躍效應，這在水濕巖心滲吸實驗中特別明顯。王銳［3］、魏發(fā)林［4］、Chahardowli等［5］的實驗研究表明油濕巖心滲吸采收率趨于0，因此對于油濕致密巖心，通過注入表面活性劑改變巖石潤濕性是提高滲吸采收率的重要方法。但隨著巖心潤濕性的改變，門檻跳躍現象也就隨之出現。

1.3馬蘭戈尼效應［6］

由兩種表面張力不同的液體介面之間存在張力的梯度而使質量移動的現象，稱為馬蘭戈尼效應［7］。在使用陽離子表面活性劑的油濕低滲透率巖心（＜10 mD）實驗中，研究認為逆向滲吸的機理除了毛管力的作用外，還有馬蘭戈尼效應的影響，因為水的表面張力大于油的表面張力。馬蘭戈尼效應創(chuàng)造了一個水動力性質的橫向剪切應力在油水界面上，幫助油相朝著向水相滲吸的相反方向移動。而陽離子表面活性劑增產主要是能夠改變巖心表面潤濕性，增大水相的接觸角，最終增大毛管力，增加逆向潤濕性。

1.4滲吸驅動力問題

毛管力是否是滲吸的動力一直是學術界爭論的熱點。學術界目前較為認可的是，滲吸的主要驅動力來自于毛管力，但在滲透率較大、孔喉較好的長巖心滲吸實驗中需要考慮重力分異作用的影響，而在短巖心以及低滲和致密巖石基質中，可以忽略重力驅動流動。國內絕大多數實驗對象是低滲透巖心，并通過DuPery［8］公式判定毛管力與重力的主導地位。當大時，毛管力支配流動，當接近0時，重力支配作用，滲透率越低，毛管尺寸越小，重力分異作用對滲吸的影響越弱。

目前對滲吸理論的研究是割裂了裂縫和基質把兩者分別作為獨立的系統進行分析，還沒有一套較好的方法將兩者進行耦合。如致密油藏壓裂形成的裂縫中，相對于基質具有更大孔隙度和滲透率的裂縫系統，重力作用對裂縫中壓裂液滯留和滲吸量的影響很大，另外裂縫的開度與走向也影響著裂縫與基質之間液體交換量（見圖1）［9］。

圖1　人工裂縫延伸方向影響示意圖

2　滲吸實驗傳統研究方法

滲吸的傳統實驗方法主要包括體積法和質量法，其主要特點（見表1）［10］。對于致密油藏，儲集層巖心還具有巖心偏油濕、非穩(wěn)態(tài)法氣測滲透率低（一般在0.000 2mD～0.01 mD），儲層應力敏感性強等特點。采用體積法和質量法對滲吸規(guī)律進行研究，測量精度低，很難對“掛壁現象”、“門檻跳躍”等為代表的滲吸典型問題進行深入研究。

表1　傳統滲吸實驗方法特點

3　滲吸研究的一體化方法

隨著滲吸問題研究的深入，在結合以CT技術、分子模擬技術等現代科學技術的基礎上，逐漸形成了滲吸研究的一體化研究方法。細化可分為三大一體化：傳統實驗方法和現代科技手段的一體化、宏觀和微觀的一體化、多學科（石油、地質、化學、物理、材料等等）綜合應用的一體化。

3.1傳統實驗方法和現代科技手段一體化

該一體化是在傳統實驗方法定量分析的基礎上加強定性分析，補充低滲、特低滲等巖心傳統實驗的不足，實現實驗過程的自動化、可視化和實驗結果的精確化。

CT掃描法是現代研究常用手段。采用CT掃描技術可以對巖心內部滲吸前緣變化和移動距離、毛管力與重力主導關系的相關轉化、非均質性對滲吸的影響等問題和現象具有更加直觀化的描述，對滲吸機理的研究更進一步。采用CT掃描技術實驗應用（見圖2、圖3），研究了由于巖心非均質性、擴散作用以及高速通道的存在對滲吸前緣的變化規(guī)律。

圖2　砂巖含油飽和度CT掃描圖［11］

圖3　采用CT掃描法研究滲吸前緣變化規(guī)律的成果示意圖［12，13］

3.2宏觀與微觀一體化

該一體化的特點是把實驗對象從巖心尺度的局限下擴展到油藏尺度和分子尺度下，研究和分析三個尺度下滲吸規(guī)律不同的外在特征，深化對滲吸規(guī)律的認識并解決研究和實際生產中的難題。對于油藏尺度，油藏數值模擬是常采用手段，而分子模擬研究近年來也逐漸興起。

圖4　采用分子模擬軟件研究滲吸中毛管力作用規(guī)律成果示意圖

分子模擬技術應用范圍廣，在石油領域中，可以用來解釋和預測包括共混現象、擴散、內聚與潤濕以及表面粘接等重要現象。利用分子模擬技術，對單一毛管內部在滲吸作用下水分子、水分子在通道內以及管壁上的分布特征，從微觀層面上提高對滲吸規(guī)律的認識（見圖4）。

3.3多學科綜合研究一體化

該一體化概念主要特點是綜合性以及前瞻性。在研究分析中聯合地質、鉆井、油藏工程、完井和地球物理等多學科人才，從多層次、多角度、多方位對滲吸規(guī)律在室內實驗和現場施工中的應用進行研究和分析。像表面活性劑配方的選擇和優(yōu)化，納米技術在滲吸實驗中的應用，人工裂縫設計以及數值模擬軟件的編寫都需要各學科人才的參加與合作。

4　討論

（1）掛壁現象、門檻跳躍、馬蘭戈尼效應、滲吸驅動力等典型現象和問題是滲吸研究的熱點，在低滲、特低滲和致密油藏的開發(fā)中對開發(fā)效果影響很大。

（2）以體積法和質量法為代表的傳統實驗方法無法滿足目前高精度、自動化、可視化具有油濕或低滲特征的巖心滲吸實驗的要求。

（3）以傳統實驗方法和現代科技手段的一體化、宏觀和微觀的一體化、多學科綜合應用的一體化為核心的現代滲吸實驗方法對滲吸規(guī)律的進一步研究和應用具有指導和借鑒作用。

［1］周鳳軍，陳文明.低滲透巖心滲吸實驗研究［J］.復雜油氣藏，2009，2（1）：54-56.

［2］Olafuyi，O.A.，Cinar，Y.，Knackstedt，M.A.，et al.Spontaneous Imbibition in Small Cores［J］.Society of Petroleum Engineers，2007，09724-MS.

［3］王銳，呂成遠，岳湘安，等.碳酸水對巖石潤濕性及滲吸采收率的影響實驗［J］.西安石油大學學報，2010，25（2）：48-50.

［4］魏發(fā)林，岳湘安，張繼紅.表面活性劑對低滲油濕灰?guī)r表面性質及滲吸行為的影響［J］.油田化學，2004，21（1）：52-55.

［5］Chahardowli，M.，Zholdybayeva，A.，Farajzadeh，R.，et al.Solvent-enhanced Spontaneous Imbibition in Fractured Reservoirs［J］.Society of Petroleum Engineers，2013，164908-MS.

［6］Chen，H.L.，Lucas，L.R.，Nogaret，L.A.D.，et al.Laboratory Monitoring of Surfactant Imbibition Using Computerized Tomography［J］.Society of Petroleum Engineers，2000，59006-MS.

［7］Scriven L.E.，Sternling C.V.Themarangonieffect［J］.Nature，1960，（7）：186-188.

［8］Du Prey，E.L..Gravity and Capillarity Effects on Imbibition in Porous Media［J］.Society of Petroleum Engineers，1978，6192-PA.

［9］Makhanov，K.，Dehghanpour，H.，Kuru，E..An Experimental Study of Spontaneous Imbibition in Horn River Shales［J］. Society of Petroleum Engineers，2012，162650-MS.

［10］王敉邦，蔣林宏，包建銀，等.滲吸實驗描述與方法適用性評價［J］.石油化工應用，2015，34（12）：102-105.

［11］Dutta，R.，Lee，C.-H.，et al.Experimental Investigation of Fracturing-Fluid Migration Caused by Spontaneous Imbibition in Fractured Low-Permeability Sands［J］.Society of Petroleum Engineers，2014，154939-PA.

［12］Zhou，D.，Jia，L.，Kamath，J..An Investigation of Counter-Current Imbibition Processes in Diatomite［J］.Society of Petroleum Engineers，2001，68837-M.

［13］張星.低滲透砂巖油藏滲吸規(guī)律研究［M］.北京：中國石化出版社，2013.

Typical problem s and research methods in the study of imbibition

WANG Mibang，YANG Shenglai，WU Runtong，JIANG Linhong，BAO Jianyin
（Key Laboratory of Petroleum Engineering of Ministry of Education，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

In the imbibition experiment，the typical problems such as the phenomenon of the hanging wall，meniscus jump and Marangoni effect，severely restricts the precision of traditional experiments like quality or volumemethods.At the same time，the traditional experimentalmethod can make neither a deep research nor a detailed explanation on the difference of liquid distribution caused by core heterogeneity，the imbibition force，and the change of the imbibition front shape.In combination on the basis of CT technology，molecular simulation technology and modern science and technology，gradually formed the imbibition on the integration of researchmethods，including the integration of the traditionalmethods and mod－ern technology integration，micro and macro integration，multi-disciplinary comprehensive study.The integrated methods introducesmolecular scale and reservoir scale to the core experiment，which can be used to study the theory of imbibition from both the respects of quality and quantity，to strengthen the combination of experimental and field application.It is of guidance and reference for the development of imbibition study.

imbibition；typical problems；research methods；integration concept；guidance and reference

TE311

A

1673-5285（2016）07-0001-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.07.001

2016－05-24

973項目“陸相致密油高效開發(fā)基礎研究”，項目編號：2015CB250900。

王敉邦，男（1991-），河南南陽人，中國石油大學（北京）碩士生，現從事油藏滲流機理和油氣田開發(fā)理論與系統工程方面的研究工作。