可视化微观渗流模型制作

王 坤，潘 嘉，高莉霞，田园媛，郑 军

(1.成都理工大学 能源学院，成都 610059;2.中石化华东石油局井下作业公司 非常规作业项目部，江苏 泰州 225300)

过去对微观驱油机理的研究都是基于微观驱油模型，而模型的设计和制作大不相同。燕永利等对胶质液体泡沫的微观结构研究是采用冷冻蚀刻电子显微镜技术［1］;李雪松等对多孔介质中泡沫驱油微观机理研究是运用的孔隙介质玻璃片［2］;裴海华等对稠油泡沫驱和三元复合驱微观驱油机理对比研究是运用的微观仿真玻璃刻蚀模型［3］;赵玉武对低渗透油藏纳微米聚合物驱油实验和渗流机理研究是运用的微观填砂模型［4］。这些微观模型都只能放置单一实验介质(玻璃珠，石英砂)，在公开的文献资料中还未见到运用多种实验材料的微观模型。本文将介绍运用多种实验介质在可视化微观渗流模型的制作过程中进行研究。

1 研究思路

尽管过去对微观模型的研究取得了很多成果，但对于其中的微观驱油机理问题还没有完全解决，例如对于泡沫驱油的流变机理还存在较大争议。一个可靠的实验系统的设计有利于观测微观驱油现象，解决微观驱油机理问题，对于这一领域的研究有推动作用。本文的研究是在充分认识与利用其他学者的研究成果的基础上，总结设计思路，创新设计理念，最终形成了一套实验技术和方法。最终的制作研究技术路线图如图1所示。

图1 砂岩微观模型制作研究技术路线图

2 模型的制作过程

在本次研究的初期，结合模型最终要达到的目的和效果，我们对模型的设计和制作材料做了较为详细的调研。在调研过程中设计了一套较好的制作方案，同时筛选测试了制作材料;按照我们的设计方案，制作出了模型原型，经过反复测试和改进，最终制成了一套可以实现可视化微观渗流模型。

2.1 模型的设计

在设计的初期，对模型的功能进行了探讨，确定了模型的用途。在这基础上我们分部分对模型进行设计:1)对模型的内部进行设计，实现了密封、更改试验介质以及运用显微镜或者高分辨率摄像头观察试验工程等功能;最后，运用橡胶皮套来作为密封材料，把薄片卡在其中，放入外部模型中，进而实现可视化微观渗流模型。2)对外部进行设计时考虑的因素包括可微调、方便观测、有一定的硬度、能对内部施加一定的压力、外观协调等。据此我们设计出了外部模型。

结合既有的研究经验和实践论证反复设计修改，制作成模型设计图，如图2(a)所示。

图2 微观模型图

2.2 模型的制作

依据原型图的设计理念，进行模型的试制。在这过程中我们简化了设计图纸，加工了一个初步模型进行改进。改进之后的模型在选择密封介质时再进行反复试验之后我们选择了RTV－2制模硅橡胶，基本符合了实验的设计要求。模型实物图如图2(b)所示。

3 模型的驱油试验

3.1 实验材料、设备

材料:实验所用表面活性剂为 XHY－4(成都华阳兴华化工厂产);模拟油为煤油;实验用气为氮气;模拟地层水(矿化度为160 000 mg/L，CaCl2水型);泡沫体系:地层水+0.3XHY－4;玻璃珠;石英砂;岩心(磨成了厚度为0.20.3 mm);硅橡胶。

设备:微观仿真模型、高精度压力表、电子显微镜、微量注入泵、计算机一台、泡沫发生器、高分辨率摄像头一个、接头若干。

3.2 实验方法、步骤

利用电子显微镜和录像系统来记录泡沫驱替的整个过程，利用电子显微镜观测处流体在玻璃珠、石英砂、真实岩心中的流动情况，能较好地对比分析真实的岩心资料。而录像系统能够清楚地记录这一切，这为多人观察和日后研究做好充分准备。实验流程如图3所示。

图3 实验流程图

实验步骤:

1)填充介质置于有机玻璃片中，介质可以是玻璃珠、石英砂、真实岩心和玻璃珠。石英砂粒度在0.10.8 mm为宜，真实岩心0.20.3 mm为宜。

2)将填好的有机玻璃片置于模型中，注入硅橡胶密封。

3)将密封的模型静置，等硅橡胶凝固以后方可使用。

4)按实验流程图(图3)组装实验仪器。

5)连接好模型与泡沫发生器，打开计算机、光源以及摄像头。

6)打开平流泵，开通气阀调节压力。

7)注入原油(含油岩心可不注油)。

8)注入地层水(或泡沫或表面活性剂溶液)。

9)观察实验现象，并拍照、录像。

10)关闭实验系统，拆卸实验装置。

4 试验成果与认识

1)设计制作的微观模型能实现可视、密封和完成驱替等功能。

2)在此模型基础之上开展了基础实验研究，基本满足实验要求，例如以不同充填介质的水驱油实验、泡沫驱油实验、表面活性剂驱油实验。

图4 泡沫驱油试验

3)在水驱油实验中，观察到油滴由连续相变成不连续相，水滴由不连续相变成连续相这一相变过程，还观察到了“水路”的形成;在泡沫驱油实验中，观察到了泡沫的产生、破灭、再生等现象(如图4所示)。

5 结束语

可视化微观模型的制作与研究的优点如下:

微观驱油装置是近几年油田实验室研究较多的一项科研项目，通过进口高倍显微镜和可视模型，可直观地观察到油水在模型中的渗流情况和通过油驱水、水驱油、聚合物驱及其他化学驱后残余油在模型中岩心内分布情况。同时通过带有接口的显微镜实时地把驱油时流体每一步流动情况输入到微机中去，为研究驱油过程提供直观的数据。微观渗流的研究对研究地下流体的渗流规律、提高油气采收率具有重要的意义。

项目研究微观模型能实现模拟介质的多样性和介质厚度的可调性，为研究在微观状态下流体在真实砂岩(或者模拟真实砂岩)孔隙中的赋存和流动状态、研究微观液－液、液－固作用机理提供了实验模型条件，具有很高的学术价值。

［1］燕永利，张宁生，屈撑囤，等.胶质液体泡沫的微观结构研究［J］.化学学报，2005(21):1944－1951.

［2］李雪松，王军志，王曦.多孔介质中泡沫驱油微观机理研究［J］.石油钻探技术，2009(5):109－113.

［3］裴海华，葛际江，张贵才，等.稠油泡沫驱和三元复合驱微观驱油机理对比研究［J］.西安石油大学学报:自然科学版，2010(1):53－56.

［4］赵玉武，王国锋.纳微米级聚合物调驱技术优选及应用［J］.大庆石油学院学报，2009(6):77－86.

［5］黄磊，李华斌，凌革，等.玻璃微珠充填介质内泡沫的微观驱油机理［J］.石油化工应用，2013(1):37－39.