第37卷第4期2020年12月25日
油田化学
Oilfield Chemistry
Vol.37No.425Dec，2020
文章编号：1000-4092（2020）04-609-07
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戴彩丽1，李无水硫铝酸钙
源1，徐效平2，赵明伟1，袁
斌1，徐
克3，高明伟1，吴一宁1
（1.中国石油大学（华东）石油工程学院油田化学山东省重点实验室，山东青岛266580；2.胜利油田东胜精攻石油开发集团股份有限公
司，山东东营257029；3.北京大学工学院，北京100871）
摘要：目前针对清洁压裂液破胶液渗吸机制的研究主要聚焦于岩心宏观润湿性、油水界面张力及岩心尺度采收率，缺乏对于渗吸过程微纳米孔隙中油水两相运移规律直观而有效的认识。以清洁压裂液破胶液为实验流体，利用2.5维高仿真微观孔喉阵列模型，模拟清洁压裂液破胶液在毛管力渗吸作用下的油水两相动态分布规律。结果表明，清洁压裂液渗吸过程中润湿相毛管力（驱动力）与界面扩张、贾敏效应及黏性力损耗（阻力）存在多次动态平衡过程，油水两相运移形成“吸水-排油-吸水”交替的分阶段过程。当油相动用效率分别达到10.98%、19.09%与37.27%时，吸水与排油交替进行，产生类似“憋压”的效果。微纳米孔隙中油水两相运移规律对认识清洁压裂液的渗吸作用机制具有重要参考意义。图30参12关键词：清洁压裂液；破胶液；渗吸；微观孔喉模型；油水两相运移中图分类号：TE357.46：TE39步进电机驱动器
文献标识码：A
DOI：10.19346/jki.1000-4092.2020.04.008
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收稿日期：2020-11-20；修回日期：2020-12-03。
基金项目：国家自然科学基金重点项目“致密油储层CO 2智能响应型压驱体系构筑及高效排驱机制研究”（项目编号51834010），国家自
然科学基金面上项目“基于蛛网仿生模型的纳米材料复合清洁压裂液新方法和机理研究”（项目编号51874337）。
作者简介：戴彩丽（1971-），女，教授，中国石油大学（华东）油气田开发工程专业工学博士（2006），研究方向为采油化学、提高采收率理
论与技术、非常规能源高效开发，通讯地址：266580山东省青岛市黄岛区长江西路66号中国石油大学（华东）石油工程学院油田化学山东省重点实验室，电话：0532-********，E-mail ：************* 。
清洁压裂液的渗吸规律研究关系到压裂后的增产效果与经济效益。传统室内岩心实验仅能得到有限的宏观数据［1-3］，如油水界面张力、润湿性、温度、渗透率等性质对渗吸采收率的影响［4］，无法通过认识孔喉结构内微观流动特性来揭示清洁压裂液渗吸过程中的油水两相运移机理。
2011年，Gunda ［5］首次提出芯片油藏的概念，之后利用微流控技术与二维孔喉模型研究两相或多相流动中的界面行为、多孔介质内的流动规律［6-9］。Ma 等［6］使用聚二甲基硅氧烷（PDMS ）
微通道模拟研究了非均质多孔介质中泡沫驱油机理，发现泡沫在高、低渗透区域会出现气液分离现象；Conn 等［7］则进一步证实了微通道两相渗流结果与宏观物模实验间有良好的吻合关系。这都为清洁压裂液渗吸过程中油水两相运移机理的研究提供了新的思路。尽管应用广泛，二维孔喉模型依然受困于其自
身的局限性，其形态特点是孔道与喉道的深度相等，毛管力仅仅作用于水平方向［8-9］。实际地层中的多孔介质具有非常复杂的三维几何结构，单纯的二维模型难以满足多相流对毛管力的要求［10-11］。受制造技术的分辨率及材料性能的限制，目前建立一个真正意义上的三维微模型非常的困难。因此，本文设计了2.5维高仿真微观孔喉矩阵模型，模拟清洁压裂液在储层基质中的渗吸行为，研究油水两相渗吸过程中的微观运移规律。
1
实验部分
1.1
材料与仪器
油酸酰胺丙基二甲胺（PKO ），上海楚星化工有
限公司；对甲苯磺酸钠（CHO ）、煤油，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；矿物油，上海麦克林生化科技有限公司；苏丹红油溶性染剂、亮兰水溶性染
开滦集团矿井事故
油田化学
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剂，天津市光夏精细化工研究所。
TC150六速黏度计，美国Brookfield 公司；高速显微镜，德国Zeiss 公司；高精度注射器，美国Hamil-ton 公司；微流量泵，美国Harvard 公司。1.2
实验方法
1.2.1微通道结构设计
使用玻璃作为2.5维微通道的制作材料。微通道深度由（HF ）刻蚀速度和时间决定，制作原理利用了HF 各向同性高频刻蚀所产生的梯形横截面，如果相邻两“孔”间距较小，则两孔之间的玻璃壁在高频刻蚀后会形成一个“通道”，借此制作出由喉道连接的相邻孔道，最后即可形成孔道与喉道深度不同的2.5维矩阵孔喉模型［12］。喉道深度（H t ）、最大垂直刻蚀深度（H p ）和两个孔边缘之间的最小水平距离（L ）的关系式（1）如下［12］
：
（1）
孔隙体由一个圆形主体和四个矩形边组成（见图1），相邻的孔隙体在设计上没有相连。这里的孔隙体是在紫外光照射下，首先接触到HF 的区域刻蚀后，相邻的孔体从顶部连接，而在底部平面仍然没有连接。所用2.5维孔喉模型中孔隙圆柱体的直径为180μm ，4个矩形体的宽度为20μm ，两个孔隙体间的距离为50μm ，刻蚀深度25μm ，矩形边长度30μm 。根据式（1），最后实物的尺寸为：孔道宽220μm ，深20μm ；喉道宽60μm ，深5μm 。2.5维矩阵微通道整体结构如图2所示。其中，①②为入口端，③为出口端，④为注入通道，⑤为2.5维基质模型，⑥为储油区；整个基质模型的尺寸为2.5cm ×1.5cm 。
1.2.2实验流体
微观实验中所用的水相为清洁压裂液体系bak
（0.7%PKO +0.7%CHO ）与煤油混合充分破胶后的下层均匀澄清溶液，破胶液在25℃下的表观黏度为2.2mPa ·s 。考虑到微观实验中对于微通道及流体透光性的要求，使用原油可能会对实验的观测带来不便影响，因此实验中所用的油相为65%矿物油+35%煤油，25℃下的表观黏度为8.37mPa ·s 。1.2.3微观实验步骤
（1）向油相中加入油溶性染剂，充分搅拌均
匀后由入口端②缓速（5mL/h ）注入，直至通道内充满模拟油且基质模型内无气泡残留；（2）将微通道置于Zeiss 显微摄像系统观察区域，拍摄区域参数7.5x ，物镜参数为1x ，调节对焦及灯光旋钮直至基质模型⑤成像清晰；（3）向水相中加入水溶性染剂，充分搅拌均匀后由入口端①注入，注入流速设定为0.01mL/h ；（4）待水相开始进入通道④时计时，每间隔一段时间进行一次拍摄，记录水相的渗吸位置及相应渗吸时间。
为了充分模拟破胶液在基质孔喉结构中的渗吸规律，减小注入压力对油水两相运移的影响，发挥毛管力占推动力主体地位的特性，注入通道④的宽度被设定为1mm ，远大于孔道与喉道的宽度，同时注入端口①的注入流量尽可能小（0.01mL/h ），仅用于保证基质模型外围的破胶液量供液充足。结构⑥作为含有大量模拟油的储存区主要有两个作
用。一是保证基质孔喉内的油相供液充足，二是维持稳定的边界压力条件，保证渗吸过程中的外部压
力相对恒定。
2
结果与讨论
2.1
油水两相运移规律与油相动用效率
通过上述实验方法，研究了破胶液在基质模型
图1
2.5维孔喉模型制作尺寸
图2 2.5维矩阵微通道结构图
2.5cm
1.5c m
人民解放战争是什么时间
③
④
①⑤
⑥
②
50μm
20μm
180μm
30μm
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中的油水两相微观运移规律。模拟油与破胶液两相在渗吸过程中的流动随时间的变化规律如图3所示。0s 代表破胶液与基质中模拟油即将第一次接触的时刻，此时孔喉结构内全部饱和红模拟油，封闭的基质部分为白；当渗吸进入3s 的时刻，观测到蓝的破胶液在毛管力驱动下由宽度远大于孔喉尺寸的注入通道内渗吸进入孔喉结构，表现为蓝流体占据了原红流体的空间；随着渗吸继续进行，破胶液在基质孔喉中的波及范围越来越大，未被动用的油相体积也在逐渐减小，宏观上即表现为油相在渗吸作用下被破胶液从孔喉中置换出，油相动用效率不断提高。
使用开源图像处理软件ImageJ 中的Threshold 模式对图像颜对比度设置阈值，以区分不同颜代表的油相、水相及基质。通过计算基质模型中蓝（破胶液）与红（模拟油）流体占据的面积，即可得到不同时刻的油相动用效率。油相动用效率与渗吸时间的关系如图4所示。在油相动用效率分别
达到10.98%、19.09%与37.27%时，吸水阶段结束，此时油相开始从基质中被驱替出。综合3个油水两相置换阶段，渗吸过程中的油水两相运移规律可以阐述为：破胶液（水相）首先在毛管力的作用下进入孔喉结构，但是油相没有随着水相的进入而被迅速排除，而是在水相进入了一定体积后、渗吸速度无限接近于零时，油相开始排出。这主要是由于破胶液作为润湿相会在毛管力的驱动下逐渐进入基质孔喉，但是随着油相的动用效率不断提高，油水两相界面扩大，由此产生的界面扩张、贾敏效应及流体黏性力损耗等阻力也在不断增加，当驱动力与流动阻力逐渐平衡后，油相得以从基质中被排出，因此产生了类似“憋压”的现象；之后流动阻力降低，毛管力驱动下一吸水阶段开始，即渗吸过程中的
油水两相运移是“吸水-排油-吸水”的多次动态平衡过程。
2.2微观油水两相运移动态平衡
2.2.1一阶段油水运移
一般认为，渗吸过程中破胶液与油的两相置换
过程是连续的，即破胶液进入孔喉与油从孔喉结构中被置换出是同步进行的，然而微观实验结果表明
渗吸中的油水两相置换是“吸水-排油-吸水”交替的分阶段过程。图5展示了模拟油与破胶液在渗吸的1min 38s 到14min 8s 中的一阶段油水两相运移规律。与图3主要展示水相（蓝）流动规律不同，图5说明了油相（红）是如何在渗吸作用下从孔喉中被排出的。在1min 38s 之前，破胶液在毛管力驱动下逐渐渗吸进入孔喉结构，油相被压缩，界面扩张、黏滞力损耗等阻力逐渐增大，在渗吸时间为1min
图3模拟油与破胶液在基质模型中的微观渗吸运移规律
（a ）0s
（b ）3s
北京地下直径线
（c ）22s （d ）15min 8s
（e ）48min 19s
（f ）1h 10min 6s
图4油相动用效率与渗吸时间的关系曲线
渗吸时间/s
2000
1000
030004000
403020100
油相动用效率/%吸
水
排油
吸水
排油
吸水
排油
戴彩丽，李源，徐效平等：清洁压裂液破胶液渗吸过程中油水两相的运移规律
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38s -7min 14s 期间（图5（a ）），油水两相分布未发生明显变化，吸水速度趋近于零，产生类似“憋压”现象；在图5（b ）7min 34s 时刻，第一次明确观测到油相的运移，白框圈内一个孔道内原有的蓝水相被驱替为红的油相，此时油相内压在“憋压”后增大至克服了流动阻力；图5（c ）的7min 55s 时刻，又一孔道内水相被油相驱替，并且油相也突破了油水两相在注入通道处的界面，即此刻开
始已有油相从基质中被渗吸而出；在图5（d ）、（e ）中的8min 27s 和9min 28s ，油水运移前缘从基质孔喉中转移到注入通道内，此时代表油相在持续被排出；这种行为一直持续到图5（f ）中的14min 8s 。在整个油相的运移过程中，没有任何一个孔喉结构中观测到明确的水相移动行为，因此可以认为这一阶段属于排油过程。
2.2.2二阶段油水运移
在一阶段排油过程结束后，破胶液在基质孔喉
中的渗吸行为继续进行。对比图6（a ）与图5（f ）可见，从14min 8s 到23min 26s ，基质中的破胶液波及范围继续扩大，而到了图6（b ）中24min 4s -28min 2s 时，观测到了和图5（a ）中相同的渗吸停止行
为，并如图6（c ）所示，在28min 18s 观测到了第2次油相驱替水相过程，进而发展到了33min 23s 开始的油相被排出并进入注入通道的行为，这一直持续到了38min 50s 。即在水相渗吸进入基质后发生了二阶段的油水两相置换行为。2.2.3三阶段油水运移
第二阶段油水两相置换行为结束后，如图7
（a ）、（b ）所示，蓝的水相前缘继续前移，水相渗吸行为持续进行，从图6的38min 50s 进行到图7的54min 22s 结束；在此之后，与前两个阶段类似，58min 47s 时刻油相开始突破注入通道中水相的封锁被排出，直至1h 10min 6s 时结束，此为第三阶段的油水两相置换行为。此后，再没有观测到油水两相的运移行为，破胶液的渗吸波及面积不再改变，即渗吸已经结束。
在图5
图7中，一阶段的破胶液渗吸行为持续了7min 14s ，油相运移时间6min 54s ；二阶段破胶液渗吸时间13min 54s ，油相运移时间10min 32s ；三阶段破胶液渗吸时间15min 32s ，油相运移时间15min 44s 。假定“吸水-排油”为一个油水运移周期，则每个周期时间都在不断增加，油水置换平均速度
图5基质中的一阶段油水两相置换行为
（a ）1min 38s -7min 14s
（b ）7min 34s
（c ）7min 55s
（d ）8min 27s
（e ）9min 28s
（f ）11min 19s -14min 8s
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也在逐渐降低。最终当驱动毛管力已无法再大于流动阻力时，周期时间趋近于无穷大，渗吸过程结束，此时的油相动用效率即为最大动用效率。
2.3渗吸终止后的油相分布规律
渗吸后的剩余油相分布有两种情况。一种是
在渗吸波及范围外，主要受上文渗吸驱动力与流动
阻力平衡的影响；另一种则在渗吸波及范围内，由于渗吸速度差异而被“水封”导致采出困难。储层的孔隙连通性对渗吸以及注水开发效果的影响巨大。当储层的孔隙连通性差时，易出现不连通的闭合盲端，盲端中的油相动用效率低且开采难度较大。如图8所示，基于设计上的考量，图中1、2、3孔上侧
没有再连通其他孔喉结构，可视为一端封闭的盲端结构，当水相占据了周围孔道后，其内油相难以被置换而出。与这种受结构影响而形成的盲端孔喉结构类似，渗吸过程中的油水两相运移也存在“水封”的情况。
传统意义上的孔隙盲端指由于一端物理封闭，
12
3
图8盲端孔隙剩余油分布
图6基质中的二阶段油水两相置换行为
（a ）23min 26s
（b ）24min 4s -28min 2s
（c ）28min 18s （d ）33min 23s
（e ）35min 19s
（f ）35min 19s -38min 50s
图7基质中的三阶段油水两相置换行为
（a ）52min 2s
（b ）54min 22s
（c ）58min 47s （d ）1h 10min 6s
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