清潔壓裂液破膠液滲吸過程中油水兩相的運移規律*

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（華東）石油工程學院油田化學山東省重點實驗室，山東青島 266580；2.勝利油田東勝精攻石油開發集團股份有限公司，山東東營 257029；3.北京大學工學院，北京 100871）

清潔壓裂液的滲吸規律研究關系到壓裂后的增產效果與經濟效益。傳統室內巖心實驗僅能得到有限的宏觀數據［1-3］，如油水界面張力、潤濕性、溫度、滲透率等性質對滲吸采收率的影響［4］，無法通過認識孔喉結構內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移機理。

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、多孔介質內的流動規律［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多孔介質中泡沫驅油機理，發現泡沫在高、低滲透區域會出現氣液分離現象；Conn 等［7］則進一步證實了微通道兩相滲流結果與宏觀物模實驗間有良好的吻合關系。這都為清潔壓裂液滲吸過程中油水兩相運移機理的研究提供了新的思路。盡管應用廣泛，二維孔喉模型依然受困于其自身的局限性，其形態特點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］。實際地層中的多孔介質具有非常復雜的三維幾何結構，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中的滲吸行為，研究油水兩相滲吸過程中的微觀運移規律。

1 實驗部分

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 實驗方法

1.2.1 微通道結構設計

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。根據式（1），最后實物的尺寸為: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構如圖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 維基質模型，⑥為儲油區；整個基質模型的尺寸為2.5 cm×1.5 cm。

圖1 2.5維孔喉模型制作尺寸

圖2 2.5維矩陣微通道結構圖

1.2.2 實驗流體

微觀實驗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。考慮到微觀實驗中對于微通道及流體透光性的要求，使用原油可能會對實驗的觀測帶來不便影響，因此實驗中所用的油相為65%礦物油+35%煤油，25℃下的表觀黏度為8.37 mPa·s。

1.2.3 微觀實驗步驟

（1）向油相中加入油溶性染色劑，充分攪拌均勻后由入口端②緩速（5 mL/h）注入，直至通道內充滿模擬油且基質模型內無氣泡殘留；（2）將微通道置于Zeiss 顯微攝像系統觀察區域，拍攝區域參數7.5x，物鏡參數為1x，調節對焦及燈光旋鈕直至基質模型⑤成像清晰；（3）向水相中加入水溶性染色劑，充分攪拌均勻后由入口端①注入，注入流速設定為0.01 mL/h；（4）待水相開始進入通道④時計時，每間隔一段時間進行一次拍攝，記錄水相的滲吸位置及相應滲吸時間。

為了充分模擬破膠液在基質孔喉結構中的滲吸規律，減小注入壓力對油水兩相運移的影響，發揮毛管力占推動力主體地位的特性，注入通道④的寬度被設定為1 mm，遠大于孔道與喉道的寬度，同時注入端口①的注入流量盡可能小（0.01 mL/h），僅用于保證基質模型外圍的破膠液量供液充足。結構⑥作為含有大量模擬油的儲存區主要有兩個作用。一是保證基質孔喉內的油相供液充足，二是維持穩定的邊界壓力條件，保證滲吸過程中的外部壓力相對恒定。

2 結果與討論

2.1 油水兩相運移規律與油相動用效率

通過上述實驗方法，研究了破膠液在基質模型中的油水兩相微觀運移規律。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律如圖3所示。0 s 代表破膠液與基質中模擬油即將第一次接觸的時刻，此時孔喉結構內全部飽和紅色模擬油，封閉的基質部分為白色；當滲吸進入3 s 的時刻，觀測到藍色的破膠液在毛管力驅動下由寬度遠大于孔喉尺寸的注入通道內滲吸進入孔喉結構，表現為藍色流體占據了原紅色流體的空間；隨著滲吸繼續進行，破膠液在基質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模型中的微觀滲吸運移規律

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置閾值，以區分不同顏色代表的油相、水相及基質。通過計算基質模型中藍色（破膠液）與紅色（模擬油）流體占據的面積，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系如圖4所示。在油相動用效率分別達到10.98%、19.09%與37.27%時，吸水階段結束，此時油相開始從基質中被驅替出。綜合3個油水兩相置換階段，滲吸過程中的油水兩相運移規律可以闡述為:破膠液（水相）首先在毛管力的作用下進入孔喉結構，但是油相沒有隨著水相的進入而被迅速排除，而是在水相進入了一定體積后、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動下逐漸進入基質孔喉，但是隨著油相的動用效率不斷提高，油水兩相界面擴大，由此產生的界面擴張、賈敏效應及流體黏性力損耗等阻力也在不斷增加，當驅動力與流動阻力逐漸平衡后，油相得以從基質中被排出，因此產生了類似“憋壓”的現象；之后流動阻力降低，毛管力驅動下一吸水階段開始，即滲吸過程中的油水兩相運移是“吸水-排油-吸水”的多次動態平衡過程。

圖4 油相動用效率與滲吸時間的關系曲線

2.2 微觀油水兩相運移動態平衡

2.2.1 一階段油水運移

一般認為，滲吸過程中破膠液與油的兩相置換過程是連續的，即破膠液進入孔喉與油從孔喉結構中被置換出是同步進行的，然而微觀實驗結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移規律。與圖3主要展示水相（藍色）流動規律不同，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，破膠液在毛管力驅動下逐漸滲吸進入孔喉結構，油相被壓縮，界面擴張、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）），油水兩相分布未發生明顯變化，吸水速度趨近于零，產生類似“憋壓”現象；在圖5（b）7 min 34 s時刻，第一次明確觀測到油相的運移，白色框圈內一個孔道內原有的藍色水相被驅替為紅色的油相，此時油相內壓在“憋壓”后增大至克服了流動阻力；圖5（c）的7 min 55 s時刻，又一孔道內水相被油相驅替，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，油水運移前緣從基質孔喉中轉移到注入通道內，此時代表油相在持續被排出；這種行為一直持續到圖5（f）中的14 min 8 s。在整個油相的運移過程中，沒有任何一個孔喉結構中觀測到明確的水相移動行為，因此可以認為這一階段屬于排油過程。

2.2.2 二階段油水運移

在一階段排油過程結束后，破膠液在基質孔喉中的滲吸行為繼續進行。對比圖6（a）與圖5（f）可見，從14 min 8 s 到23 min 26 s，基質中的破膠液波及范圍繼續擴大，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次油相驅替水相過程，進而發展到了33 min 23 s 開始的油相被排出并進入注入通道的行為，這一直持續到了38 min 50 s。即在水相滲吸進入基質后發生了二階段的油水兩相置換行為。

2.2.3 三階段油水運移

第二階段油水兩相置換行為結束后，如圖7（a）、（b）所示，藍色的水相前緣繼續前移，水相滲吸行為持續進行，從圖6 的38 min 50 s 進行到圖7 的54 min 22 s 結束；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移行為，破膠液的滲吸波及面積不再改變，即滲吸已經結束。

在圖5數圖7 中，一階段的破膠液滲吸行為持續了7 min 14 s，油相運移時間6 min 54 s；二階段破膠液滲吸時間13 min 54 s，油相運移時間10 min 32 s；三階段破膠液滲吸時間15 min 32 s，油相運移時間15 min 44 s。假定“吸水-排油”為一個油水運移周期，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。最終當驅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，滲吸過程結束，此時的油相動用效率即為最大動用效率。

圖5 基質中的一階段油水兩相置換行為

圖6 基質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，主要受上文滲吸驅動力與流動阻力平衡的影響；另一種則在滲吸波及范圍內，由于滲吸速度差異而被“水封”導致采出困難。儲層的孔隙連通性對滲吸以及注水開發效果的影響巨大。當儲層的孔隙連通性差時，易出現不連通的閉合盲端，盲端中的油相動用效率低且開采難度較大。如圖8所示，基于設計上的考量，圖中1、2、3孔上側沒有再連通其他孔喉結構，可視為一端封閉的盲端結構，當水相占據了周圍孔道后，其內油相難以被置換而出。與這種受結構影響而形成的盲端孔喉結構類似，滲吸過程中的油水兩相運移也存在“水封”的情況。

傳統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構。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，當若干個孔喉內的連續油相（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”的油相結構。這種“水封”結構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束后也未有明顯的位移。“水封”結構可能是單個（圖9（b））、多個（圖9（c））或大面積（圖9（d））的孔喉結構，甚至孔喉內不足單孔的“水封”結構（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象

即使在均質的基質孔喉模型中，也會存在一些相對滲流阻力較小、滲吸速度相對較快的區域。首先，在相對滲吸較快的區域內部，更傾向于出現單個、若干個或者不足單個孔喉內的“水封”現象。這是由于在高速滲吸區域內的滲吸驅動力相對較大，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”結構；其次，對于與高速滲吸區相鄰的慢速滲吸區域，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的油相置換出來；但隨著滲吸前緣的不斷推進，兩個快速滲吸區域逐漸靠近并最終相連，包圍內的慢速滲吸區會被連續的水相包裹住，并由于油相內部壓力與滲吸驅動力逐漸平衡而導致滲吸速度歸零，出現大面積的“水封”結構。

綜上所述，由于水封現象會降低波及效率，滲吸速度較快、非均質性嚴重的區域會因為易形成大面積的“水封”結構而導致油相動用效率降低，而相對滲吸速度快的區域之間則易存在剩余油富集區。

3 結論

使用2.5維高仿真微觀孔喉結構模型可以有效模擬滲吸過程中的油水兩相二次分布規律。在儲層對破膠液的滲吸作用下，隨著毛管力（驅動力）與流動阻力的不斷變化，油水兩相運移處于多次動態平衡狀態中。當油相動用效率達到10.98%、19.09%與37.27%時，吸水與排油過程交替進行，當流動阻力大于毛管力后，滲吸達到最大油相動用效率。滲吸過程中油水兩相運移出現的“水封”現象會降低油相動用效率，滲吸速度越快、非均質性越嚴重的儲層更易出現大面積的“水封”結構。