黏性指進物理模型的研究回顧和展望

楊兆中, 鄭 昕, 李小剛, 朱利勇

(西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室, 四川 成都 610500)

黏性指進是指在兩相不相溶流體驅替過程中,低黏度流體驅替高黏度流體時驅替前緣出現“指狀”推進的現象[1]。研究表明,在驅油過程中(如CO2驅或N2驅),發生指進現象會導致非活塞式驅油,降低波及系數,最終影響采收率[2-4]。在碳酸鹽巖儲層前置液酸壓或多級交替注入酸壓改造過程中,酸液在前置壓裂中的黏性指進現象會影響流體的流動、傳熱與傳質；一方面將導致酸液與巖石的接觸面積大幅降低,促進酸液對于裂縫壁面的非均勻刻蝕,增加導流能力,另一方面會降低酸巖反應速率,延長酸液有效作用距離,提高酸化改造效果[5-6]。因此,深入研究黏性指進現象對提高采收率、實現油田的增產穩產是很有意義的。

對于黏性指進的研究主要分為物理模擬和數值模擬,物理模擬比數值模擬更加直觀具體,流體流動狀態也更加貼近實際情況,而且數值結果還需通過物理模擬裝置來驗證,物理模擬是數值模擬的基礎。因此,本文總結了近5年在黏性指進物理模擬裝置、方法上的主要研究近況,并展望了黏性指進物理模擬未來的發展趨勢和方向。

1 黏性指進物理模型在結構上的發展近況

在研究黏性指進現象過程中,最為經典的模型當屬Hele-Shaw模型,它是指Henry于1898年在兩個平行玻璃板間進行的黏性流動模擬,根據平行板放置的位置和方向可以將其分為垂直徑向Hele-Shaw模型和水平徑向的Hele-Shaw模型,它雖然實現了驅替過程中的黏性指進現象,但是用它來模擬實際凹凸不平的地層環境就有失偏頗[7]。之后,很多人對Hele-Shaw模型進行了改進,主要包括以下3種情況：

(1) 在平行板間放置填充物,如玻璃珠、砂粒等。1991年Brock等[8]、Stokes等[9]在2個等大的平行板間填充細小的玻璃珠,以此來模擬在巖石孔隙結構中地層流體的指進過程。2012年,劉向斌[10]介紹了這種玻璃板中填充玻璃微珠的模型,具體做法是在有機玻璃板上涂上一層透明環氧樹脂,以此來黏住后續平鋪的玻璃微珠。此外,Blackwell等[11]、Habermann等[12]、Huang H等[13]選擇用砂粒進行填充,屈世顯等[14]、張建華等[15]在1997年也進行了類似的嘗試。填充模型可在高溫高壓下工作,制作成本較低,未來還可以選用不同直徑、不同潤濕性的珠子更進一步的模擬孔隙中非均質結構。

(2) 改變平行板壁面的粗糙度,如刻蝕平行板壁面。Chen等[16]提出的刻蝕玻璃模型,基本做法是通過非均勻刻蝕玻璃平板內側,以此來形成長短不一、深淺不同的溝槽,最終反映裂縫表面的粗糙度對指進現象的影響。2012年李登偉等[17]使用高精度激光刻蝕光學玻璃板,得到裂縫-孔隙結構進行注N2驅模擬,實驗時需使用體視顯微鏡觀察。2017年高源[18]使用光刻工藝制作出了微觀玻璃仿真模型,具體做法是先在玻璃基片上涂上底膜和正膠,再在紫外線下曝光,將設計好的孔隙結構顯影出來進行酸蝕,最后去膠完成制模。仿真刻蝕雖可以克服填充模型孔隙結構差的缺點,但是制作成本高,實驗時承壓能力也有限。

(3) 改用粗糙巖板或真實巖心代替。1998年朱玉雙等[19]采用真實巖心進行驅替實驗研究黏性指進現象,分析出了指進前緣的分形維數。此外,2002年曲志浩等[20]制作出了真實砂巖微觀孔隙模型,其具有更加理想的孔隙結構,模擬環境更加真實。真實巖心模型雖然具有其他模型無法比擬的孔隙優點,但是它大多需要采用CT掃描等穿透技術進行觀察,可視化困難,后面將做詳細說明。

2 黏性指進物理模型在觀察尺度上的發展近況

觀察尺度的發展近況從宏觀和微觀兩個角度說明。在注水注氣過程中,研究人員更加關心流體在孔喉之間的微觀滲流問題,而在酸壓增產開采時,人們更加關心是進行增產作業中宏觀的工作液流動、改變儲層物性等問題。因此,本節將從以上兩方面分別論述模型在觀察尺度上的發展狀況。

2.1 微觀角度觀察尺度的發展近況

在油藏注水注氣開發上,多采用精細刻蝕技術模擬出孔隙微觀結構。2002—2012年期間,周克明等[21]、李登偉等[22]采用激光刻蝕技術研發出了微觀孔隙模型用以研究氣水兩相滲流機理,該模型真實地模擬出地層孔隙結構,可以使用體視顯微鏡觀察到毫米級氣水兩相在多孔介質中的復雜流動過程。2016年吳頡衡等[23]通過在有機玻璃上使用內刻蝕的方法，研發出了裂縫長為0.2 m、寬為0.04 m的裂縫模型,該模型具有縫寬可調的特點,縫寬分為0.4、0.6、0.8 mm和1.0 mm 4個等級,該模型的觀察尺度雖然增大了,但模擬出的孔喉結構仿真性有所缺失。2017年高源[18]通過光刻技術制作出的微觀玻璃仿真模型尺寸為8 mm×8 mm,設計模擬的孔隙直徑范圍為15～60 μm,巖石顆粒大小為200～300 μm,可以很真實地模擬出地層非均質情況,模型具有較高可靠性,觀察尺度可達10 μm級別。

2.2 宏觀角度觀察尺度的發展近況

在酸壓增產方面,模擬裝置趨于大尺寸,且更加注重模擬現場實際施工中流體在縫內的流動和反應。2007年崔明月等[24-25]采用長為2 m、高為1 m的樹脂板研發出了酸壓流體黏性指進透明平行板裝置,并且使用人工刻劃樹脂板的方法模擬酸壓過程中的裂縫,觀察尺度可達米級。同年,為模擬酸巖反應,李小剛等[26-27]選用0.4 m×0.25 m的玻璃板和大理石板共同構建流動通道的方法,研制出了酸壓縫內酸液流動反應可視化物理模擬裝置,該裝置可以調節縫寬和裂縫傾角,但存在尺寸過小、工作壓力過低和無法加熱的缺點,觀察尺度也只有幾十厘米。2016年李小剛等[28-29]解決了先前裝置尺寸較小等問題,同時保留之前巖板和玻璃板結合的特點,研制出“酸壓裂縫內大尺寸可視化酸液指進物理模擬裝置”。該裝置的優點在于：(1)模擬裂縫單元可以自由旋轉,改變裂縫傾角,進而模擬出在不同裂縫傾角下酸液的指進現象；(2)裝置既可以實現可視化,又可以模擬存在濾失情況下的酸巖反應；(3)模擬裂縫單元長為1 m,高為0.3 m,尺寸較大,且裝置可耐75 ℃,但該裝置還是不能完全模擬出兩面巖石板間的酸巖反應,且也存在工作壓力過低(最大工作壓力1 MPa)等缺點。同年,王洋等[30]也使用相似的裝置進行了酸液實驗,其裝置規模尺寸略小一些。2017年,羅志鋒[31]等提出了復雜縫網酸液指進模擬裝置的想法,將箱體式酸液指進裝置應用在更為復雜的酸壓情況中,采用主縫模擬裝置和多級縫模擬裝置來模擬不同支縫角度條件下復雜縫網中的酸液指進現象,實現了多角度觀察。

3 存在的問題和解決思路

3.1 結構上存在的缺陷和不足

(1) 無法完全模擬地層高溫高壓環境。裝置所能承受壓力一般都較小,主要原因是基于Hele-Shaw模型的裝置大都采用透光率較高的樹脂板或玻璃板,這些板自身承壓有限,模擬中易發生脆性破壞[32],當實驗溫度較高時,會引起模型中部分零件變形,導致密封失效。

(2) 巖板屬性可靠性不足。即使有些裝置采用巖板實驗,但多數情況下都是選用物性相近的人造石板,很難獲取大尺寸地層巖板,由于兩種巖石成巖作用不同,潤濕性、反應速率常數等性質有所不同,故存在一定偏差。

(3) 注入方式上存在差異?，F場注入流體是從一個注入口注入,而室內實驗很難滿足,多是采用多個注入口,這會在一定程度上加強指進。

(4) 模型大都屬于幾何變態模型,即模型與原型并不是完全等比例的縮放,這種部分相似的可靠性有所欠缺,流體流動形態和動力相似難以保證。

3.2 觀察尺度和方法上的缺陷和不足

(1) 觀察尺度上微觀和宏觀區分明顯,但實際指進過程中存在多尺度問題,需要同時考慮微觀和宏觀兩種角度。

(2) 為了獲取圖像,實現可視化,一般采用透明平行板進行模擬,但這也造成了模擬真實性的有所缺失,微觀上平行板所能模擬的孔隙顆粒尺寸受到板面材料性質和刻蝕技術精度的限制,宏觀上裝置所能觀察到的尺寸也只是在5 m以內,這與實際裂縫相差甚遠。

(3) 分析方法還未明確,即使獲得了黏性指進圖像,但是對于圖像的分析方法也一直不盡如人意,目前大多數的研究僅僅停留在圖像描述層次,采用何種分析指標研究哪幾個考察因素并沒有規范,也未揭示分形參數與現場施工的相關關系,乃至于整個黏性指進對于大規模的油藏環境影響有多大定量的結論也未給出。

3.3 解決模擬問題的思路和方法

3.3.1 在裝置結構上的解決思路

(1) 相似準則。對于裝置尺寸設計和流體注入方式問題可依靠相似準則解決[33-34],包括以下3個方面：

① 幾何相似：模型與原型的對應長度尺寸成一定比例,對應夾角相等；

② 無量綱方程相同：運動相似和動力相似；

③ 相同的無量綱初始條件和邊界條件。

(2) 裝置的密封方式需要優化選擇。密封方式分為靜密封和動密封,對密封方式的抉擇根本要求是密封性能好,耐溫耐壓性高,壽命長,并應力圖構造簡單,制造維修成本低且方便；大多數密封件是易損件的,所以應保證可換性高。也可考慮將箱體式實驗裝置改為圓柱體式實驗裝置,以便減少應力集中,方便密封。

3.3.2 在觀察和分析方法上的解決思路

(1) 間接研究黑箱問題。裂縫中黏性指進問題屬于黑箱問題,研究黑箱問題,直接研究難度大,采用間接研究，找出現象與結果之間的聯系。針對黑箱問題的研究方法的出發點在于：自然界中沒有完全孤立的事物,任何事物間都存在著聯系,所以只需找出黑箱對于信息刺激作出的反應,發現它的輸入與輸出關系,就可對它開展研究。指進研究現階段重點之一在于確定兩種流體界面的位置,因此可以參考醫學界間接成像的方法[35],包括核磁共振成像(NMR)、磁共振成像(MRI)、X線成像、電子計算機斷層掃描(CT)、超聲成像等。但這些技術絕大多數都是根據兩種物質之間密度和厚度的差異來區分判別成像的,而所研究的黏性指進問題中有些流體之間的密度差很小,黏度差很大,如酸液與前置液,這種情況下若加入造影劑，增強影像觀察效果差不失為一種方法。目前常用的造影劑有硫酸鋇和碘制劑,碘的特點是不透X線,但加入碘可能會影響流體流動和酸巖反應,且造影劑一般不耐高溫,而核磁共振等方法又因造價昂貴不推薦。因此,如何加大密度差而又不影響流體流動或者找到合適的成像手段是底下研究的重點。

(2) 多學科分析結果。目前最常用的方法是采用分形幾何和歐氏幾何的方法來分析模擬圖像的特征[36],未來可采用分形論、流體力學、統計學等領域中的方法來共同分析結果,更全面地揭示指進現象的本質,研究出考慮黏性指進現象的產量和導流能力計算模型,為現場施工提供理論指導。

4 結語

(1) 目前黏性指進物理模型都是基于Hele-Shaw模型進行改進,如何既能獲取指進現象、實現指進現象的可視化,又能模擬真實地層環境下的流體流動,是目前研究的難點。

(2) 一般地,物理模型是因為無法直接研究原型而模擬方法進行的實驗研究,只有借助于相似準則，才能縮小原型與模型的差距,還需考慮多尺度問題。

(3) 對于指進界面捕捉的問題已經有學者開始關注間接成像技術在該領域的應用,關鍵在于如何將這些技術用到這樣的高溫高壓中去。

(4) 分析方法和指標需要明確,需體現出既有的分形幾何等方法對工程應用的指導作用。