黏性指进物理模型的研究回顾和展望

杨兆中, 郑 昕, 李小刚, 朱利勇

(西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室, 四川 成都 610500)

黏性指进是指在两相不相溶流体驱替过程中,低黏度流体驱替高黏度流体时驱替前缘出现“指状”推进的现象[1]。研究表明,在驱油过程中(如CO2驱或N2驱),发生指进现象会导致非活塞式驱油,降低波及系数,最终影响采收率[2-4]。在碳酸盐岩储层前置液酸压或多级交替注入酸压改造过程中,酸液在前置压裂中的黏性指进现象会影响流体的流动、传热与传质；一方面将导致酸液与岩石的接触面积大幅降低,促进酸液对于裂缝壁面的非均匀刻蚀,增加导流能力,另一方面会降低酸岩反应速率,延长酸液有效作用距离,提高酸化改造效果[5-6]。因此,深入研究黏性指进现象对提高采收率、实现油田的增产稳产是很有意义的。

对于黏性指进的研究主要分为物理模拟和数值模拟,物理模拟比数值模拟更加直观具体,流体流动状态也更加贴近实际情况,而且数值结果还需通过物理模拟装置来验证,物理模拟是数值模拟的基础。因此,本文总结了近5年在黏性指进物理模拟装置、方法上的主要研究近况,并展望了黏性指进物理模拟未来的发展趋势和方向。

1 黏性指进物理模型在结构上的发展近况

在研究黏性指进现象过程中,最为经典的模型当属Hele-Shaw模型,它是指Henry于1898年在两个平行玻璃板间进行的黏性流动模拟,根据平行板放置的位置和方向可以将其分为垂直径向Hele-Shaw模型和水平径向的Hele-Shaw模型,它虽然实现了驱替过程中的黏性指进现象,但是用它来模拟实际凹凸不平的地层环境就有失偏颇[7]。之后,很多人对Hele-Shaw模型进行了改进,主要包括以下3种情况：

(1) 在平行板间放置填充物,如玻璃珠、砂粒等。1991年Brock等[8]、Stokes等[9]在2个等大的平行板间填充细小的玻璃珠,以此来模拟在岩石孔隙结构中地层流体的指进过程。2012年,刘向斌[10]介绍了这种玻璃板中填充玻璃微珠的模型,具体做法是在有机玻璃板上涂上一层透明环氧树脂,以此来黏住后续平铺的玻璃微珠。此外,Blackwell等[11]、Habermann等[12]、Huang H等[13]选择用砂粒进行填充,屈世显等[14]、张建华等[15]在1997年也进行了类似的尝试。填充模型可在高温高压下工作,制作成本较低,未来还可以选用不同直径、不同润湿性的珠子更进一步的模拟孔隙中非均质结构。

(2) 改变平行板壁面的粗糙度,如刻蚀平行板壁面。Chen等[16]提出的刻蚀玻璃模型,基本做法是通过非均匀刻蚀玻璃平板内侧,以此来形成长短不一、深浅不同的沟槽,最终反映裂缝表面的粗糙度对指进现象的影响。2012年李登伟等[17]使用高精度激光刻蚀光学玻璃板,得到裂缝-孔隙结构进行注N2驱模拟,实验时需使用体视显微镜观察。2017年高源[18]使用光刻工艺制作出了微观玻璃仿真模型,具体做法是先在玻璃基片上涂上底膜和正胶,再在紫外线下曝光,将设计好的孔隙结构显影出来进行酸蚀,最后去胶完成制模。仿真刻蚀虽可以克服填充模型孔隙结构差的缺点,但是制作成本高,实验时承压能力也有限。

(3) 改用粗糙岩板或真实岩心代替。1998年朱玉双等[19]采用真实岩心进行驱替实验研究黏性指进现象,分析出了指进前缘的分形维数。此外,2002年曲志浩等[20]制作出了真实砂岩微观孔隙模型,其具有更加理想的孔隙结构,模拟环境更加真实。真实岩心模型虽然具有其他模型无法比拟的孔隙优点,但是它大多需要采用CT扫描等穿透技术进行观察,可视化困难,后面将做详细说明。

2 黏性指进物理模型在观察尺度上的发展近况

观察尺度的发展近况从宏观和微观两个角度说明。在注水注气过程中,研究人员更加关心流体在孔喉之间的微观渗流问题,而在酸压增产开采时,人们更加关心是进行增产作业中宏观的工作液流动、改变储层物性等问题。因此,本节将从以上两方面分别论述模型在观察尺度上的发展状况。

2.1 微观角度观察尺度的发展近况

在油藏注水注气开发上,多采用精细刻蚀技术模拟出孔隙微观结构。2002—2012年期间,周克明等[21]、李登伟等[22]采用激光刻蚀技术研发出了微观孔隙模型用以研究气水两相渗流机理,该模型真实地模拟出地层孔隙结构,可以使用体视显微镜观察到毫米级气水两相在多孔介质中的复杂流动过程。2016年吴颉衡等[23]通过在有机玻璃上使用内刻蚀的方法，研发出了裂缝长为0.2 m、宽为0.04 m的裂缝模型,该模型具有缝宽可调的特点,缝宽分为0.4、0.6、0.8 mm和1.0 mm 4个等级,该模型的观察尺度虽然增大了,但模拟出的孔喉结构仿真性有所缺失。2017年高源[18]通过光刻技术制作出的微观玻璃仿真模型尺寸为8 mm×8 mm,设计模拟的孔隙直径范围为15～60 μm,岩石颗粒大小为200～300 μm,可以很真实地模拟出地层非均质情况,模型具有较高可靠性,观察尺度可达10 μm级别。

2.2 宏观角度观察尺度的发展近况

在酸压增产方面,模拟装置趋于大尺寸,且更加注重模拟现场实际施工中流体在缝内的流动和反应。2007年崔明月等[24-25]采用长为2 m、高为1 m的树脂板研发出了酸压流体黏性指进透明平行板装置,并且使用人工刻划树脂板的方法模拟酸压过程中的裂缝,观察尺度可达米级。同年,为模拟酸岩反应,李小刚等[26-27]选用0.4 m×0.25 m的玻璃板和大理石板共同构建流动通道的方法,研制出了酸压缝内酸液流动反应可视化物理模拟装置,该装置可以调节缝宽和裂缝倾角,但存在尺寸过小、工作压力过低和无法加热的缺点,观察尺度也只有几十厘米。2016年李小刚等[28-29]解决了先前装置尺寸较小等问题,同时保留之前岩板和玻璃板结合的特点,研制出“酸压裂缝内大尺寸可视化酸液指进物理模拟装置”。该装置的优点在于：(1)模拟裂缝单元可以自由旋转,改变裂缝倾角,进而模拟出在不同裂缝倾角下酸液的指进现象；(2)装置既可以实现可视化,又可以模拟存在滤失情况下的酸岩反应；(3)模拟裂缝单元长为1 m,高为0.3 m,尺寸较大,且装置可耐75 ℃,但该装置还是不能完全模拟出两面岩石板间的酸岩反应,且也存在工作压力过低(最大工作压力1 MPa)等缺点。同年,王洋等[30]也使用相似的装置进行了酸液实验,其装置规模尺寸略小一些。2017年,罗志锋[31]等提出了复杂缝网酸液指进模拟装置的想法,将箱体式酸液指进装置应用在更为复杂的酸压情况中,采用主缝模拟装置和多级缝模拟装置来模拟不同支缝角度条件下复杂缝网中的酸液指进现象,实现了多角度观察。

3 存在的问题和解决思路

3.1 结构上存在的缺陷和不足

(1) 无法完全模拟地层高温高压环境。装置所能承受压力一般都较小,主要原因是基于Hele-Shaw模型的装置大都采用透光率较高的树脂板或玻璃板,这些板自身承压有限,模拟中易发生脆性破坏[32],当实验温度较高时,会引起模型中部分零件变形,导致密封失效。

(2) 岩板属性可靠性不足。即使有些装置采用岩板实验,但多数情况下都是选用物性相近的人造石板,很难获取大尺寸地层岩板,由于两种岩石成岩作用不同,润湿性、反应速率常数等性质有所不同,故存在一定偏差。

(3) 注入方式上存在差异。现场注入流体是从一个注入口注入,而室内实验很难满足,多是采用多个注入口,这会在一定程度上加强指进。

(4) 模型大都属于几何变态模型,即模型与原型并不是完全等比例的缩放,这种部分相似的可靠性有所欠缺,流体流动形态和动力相似难以保证。

3.2 观察尺度和方法上的缺陷和不足

(1) 观察尺度上微观和宏观区分明显,但实际指进过程中存在多尺度问题,需要同时考虑微观和宏观两种角度。

(2) 为了获取图像,实现可视化,一般采用透明平行板进行模拟,但这也造成了模拟真实性的有所缺失,微观上平行板所能模拟的孔隙颗粒尺寸受到板面材料性质和刻蚀技术精度的限制,宏观上装置所能观察到的尺寸也只是在5 m以内,这与实际裂缝相差甚远。

(3) 分析方法还未明确,即使获得了黏性指进图像,但是对于图像的分析方法也一直不尽如人意,目前大多数的研究仅仅停留在图像描述层次,采用何种分析指标研究哪几个考察因素并没有规范,也未揭示分形参数与现场施工的相关关系,乃至于整个黏性指进对于大规模的油藏环境影响有多大定量的结论也未给出。

3.3 解决模拟问题的思路和方法

3.3.1 在装置结构上的解决思路

(1) 相似准则。对于装置尺寸设计和流体注入方式问题可依靠相似准则解决[33-34],包括以下3个方面：

① 几何相似：模型与原型的对应长度尺寸成一定比例,对应夹角相等；

② 无量纲方程相同：运动相似和动力相似；

③ 相同的无量纲初始条件和边界条件。

(2) 装置的密封方式需要优化选择。密封方式分为静密封和动密封,对密封方式的抉择根本要求是密封性能好,耐温耐压性高,寿命长,并应力图构造简单,制造维修成本低且方便；大多数密封件是易损件的,所以应保证可换性高。也可考虑将箱体式实验装置改为圆柱体式实验装置,以便减少应力集中,方便密封。

3.3.2 在观察和分析方法上的解决思路

(1) 间接研究黑箱问题。裂缝中黏性指进问题属于黑箱问题,研究黑箱问题,直接研究难度大,采用间接研究，找出现象与结果之间的联系。针对黑箱问题的研究方法的出发点在于：自然界中没有完全孤立的事物,任何事物间都存在着联系,所以只需找出黑箱对于信息刺激作出的反应,发现它的输入与输出关系,就可对它开展研究。指进研究现阶段重点之一在于确定两种流体界面的位置,因此可以参考医学界间接成像的方法[35],包括核磁共振成像(NMR)、磁共振成像(MRI)、X线成像、电子计算机断层扫描(CT)、超声成像等。但这些技术绝大多数都是根据两种物质之间密度和厚度的差异来区分判别成像的,而所研究的黏性指进问题中有些流体之间的密度差很小,黏度差很大,如酸液与前置液,这种情况下若加入造影剂，增强影像观察效果差不失为一种方法。目前常用的造影剂有硫酸钡和碘制剂,碘的特点是不透X线,但加入碘可能会影响流体流动和酸岩反应,且造影剂一般不耐高温,而核磁共振等方法又因造价昂贵不推荐。因此,如何加大密度差而又不影响流体流动或者找到合适的成像手段是底下研究的重点。

(2) 多学科分析结果。目前最常用的方法是采用分形几何和欧氏几何的方法来分析模拟图像的特征[36],未来可采用分形论、流体力学、统计学等领域中的方法来共同分析结果,更全面地揭示指进现象的本质,研究出考虑黏性指进现象的产量和导流能力计算模型,为现场施工提供理论指导。

4 结语

(1) 目前黏性指进物理模型都是基于Hele-Shaw模型进行改进,如何既能获取指进现象、实现指进现象的可视化,又能模拟真实地层环境下的流体流动,是目前研究的难点。

(2) 一般地,物理模型是因为无法直接研究原型而模拟方法进行的实验研究,只有借助于相似准则，才能缩小原型与模型的差距,还需考虑多尺度问题。

(3) 对于指进界面捕捉的问题已经有学者开始关注间接成像技术在该领域的应用,关键在于如何将这些技术用到这样的高温高压中去。

(4) 分析方法和指标需要明确,需体现出既有的分形几何等方法对工程应用的指导作用。