致密砂岩孔隙尺度下气-水界面动态演化可视化实验研究1)

田 键 康毅力 游利军 贾 钠 王艺钧 秦朝中 ,2)

* (重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室,重庆 400044)

† (西南石油大学油气藏地质及开发工程全国重点实验室,成都 610500)

** (里贾纳大学工程与应用科学学院,加拿大 里贾纳 S4S 0A2)

引言

以致密砂岩气、页岩气以及煤层气为代表的非常规天然气开发是我国油气增储上产的重要组成.其中,致密砂岩气在我国鄂尔多斯、四川、塔里木、松辽和渤海湾等盆地广泛分布,预估资源量约2.185×1013m3,是当前我国产气量最大的非常规天然气资源[1].然而,由于致密砂岩气藏储层岩石低孔低渗且普遍亲水[2-3],导致在开采过程中容易出现水相圈闭损害,严重制约致密砂岩气高效开发[4].水相圈闭损害本质上属于岩石内部气水两相渗流问题,受到微纳米级孔喉结构的影响,致密砂岩孔隙尺度下气水两相流动过程中的界面效应显著,并对岩石内部各种微观渗流行为产生重要影响.国内外众多研究表明,孔隙尺度下气-水界面演化将引起气体卡断、驱替指进和绕流等效应,是形成囚闭气(本文将孔隙尺度下形成的水封气称为囚闭气;岩心尺度以及储层尺度形成的水封气称作圈闭气)和束缚水的直接原因[5-6].目前,围绕致密砂岩水相圈闭损害作用机制开展孔隙尺度下气-水界面动态演化行为与气水流动特性的研究还缺乏相关文献报道.因此,开展孔隙尺度下气-水界面演化行为研究能够帮助理解并揭示致密砂岩内部微观水封气的形成过程,对探明致密砂岩气水两相微观渗流规律,揭示水相圈闭损害对致密砂岩气体产出能力的影响有着重要意义.

以往致密砂岩气水两相渗流研究主要采用岩心驱替实验进行,属于“黑箱”研究方法[7],无法直接描述孔隙尺度下气-水界面演化行为对气水两相流动状态和气体圈闭的影响.另一方面,借鉴可视化成像技术揭示孔隙尺度下流体界面效应与微流动规律已成为多孔介质渗流领域研究的一大热点[8-10].其中,核磁共振和CT 扫描技术能够分析两相流动过程中孔隙尺度下饱和度的分布和界面驱替前缘演化特点,但受到高时空分辨率和成像技术的限制,不能实时描述水膜生长和气体卡断等界面演化行为和两相流动物理过程[11-12].

微流控芯片技术的发展为直观研究孔隙尺度下流体界面效应和流动特性创造了条件[13-16].学者们基于微流控芯片技术开展了孔隙尺度下渗吸驱油与提高采收率机理的可视化研究,分析了油-水界面动态演化对残余油和束缚水形成的微观作用机制[17-21],此外,利用微流控技术研究CO2在地质封存过程中的毛细封存机制也有着重要应用[9].基于微流控芯片技术,笔者前期初步研究了致密砂岩气藏孔隙尺度下水相圈闭损害的动态形成过程,但有关孔隙尺度下水相返排机制、气水流动通道分布,以及气-水界面动态演化与岩心尺度气水流动效应之间的作用关系还需进一步讨论[22].

本文基于前期研究工作,通过设计两种结构微流控模型,针对渗吸和返排两个环节可视化研究孔隙尺度下气-水界面的动态演化过程与描述气水流动状态变化.在此基础上,结合岩心尺度驱替实验,定性探讨孔隙尺度气-水界面演化与致密砂岩宏观气体流动效应的关联机制.通过研究,将有助于提高对致密砂岩气水两相流动机理和水相圈闭损害微观作用机制的理论认识;同时,也可为页岩储层和煤岩储层气水两相微观渗流机理研究提供借鉴.

1 实验方法

1.1 孔隙尺度实验

1.1.1 实验设备

采用图1 所示的实验装置开展孔隙尺度下气-水界面动态演化和两相流动行为可视化观察.体视显微镜所用型号为Olympus SZX16,其最大工作距离为60 mm,拥有0.7～11.5 倍的变焦范围.在搭配SC180 镜头后总光学放大倍率范围为1.4～23 倍,数字总放大倍率为28～430 倍,图片输出帧率为30 fps,像素为4912×2762.在本文实验过程中,采用10 倍变焦范围进行可视化观察.微注射泵选用Chemyx Fusion 200 注射泵,最小注入流量为0.0001 μL/min.

图1 微流体实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the microfluidics experiment apparatus

1.1.2 模型设计

根据致密砂岩铸体薄片结果,分别设计了一维单通道模型和二维孔隙网络两种模型.为了便于观察气-水界面演化过程,通过图像处理提取致密砂岩孔隙结构特征和孔喉比等参数,并忽略孔喉壁面粗糙度的影响,设计如图2 所示的简化模型.其中,一维单通道微模型孔隙半径为75 μm,3 个连续喉道半径从大到小依次为25,15 和7.5 μm,换算孔喉比依次为3,5 和10,用以考察气和水在孔喉比连续变化的单根毛细通道中的流动情形.孔隙网络模型最小喉道半径约2 μm,最大孔隙半径为30 μm,有效配位数范围在2～4 之间,测算平均迂曲度大于2,在一定程度上反映了致密砂岩孔隙结构的连通状况,用以研究迂曲度和配位数对气水两相界面演化行为和流动过程的影响.采用湿刻法对德国肖特硼硅玻璃进行微流控芯片模型刻蚀,芯片刻蚀统一深度约为6 μm,芯片内部刻蚀通道结构平均接触角小于30°,具有致密砂岩气藏的亲水特性.有关微流控芯片模型的具体刻蚀流程和制作工艺详情可参考文献[6].

1.1.3 实验步骤

分别利用一维单通道模型和二维孔隙网络模型开展孔隙尺度下渗吸和返排过程气-水界面动态演化可视化实验,其中,两种模型在渗吸过程中的实验温度均为恒温19 °C,实验压力为大气压.具体实验步骤如下:

(1)将玻璃芯片于马弗炉中烘焙约半小时,温度为420 °C,去除微通道管壁里面的杂质;

(2)待玻璃芯片冷却至室温后与夹具组装到一起并连接到驱替装置上;

(3)将组装好的芯片放置到显微镜载物台上,调整芯片位置和显微镜的工作距离与物镜参数等,使芯片中的微通道结构能够被显微镜清晰捕捉;

(4)打开监测软件,设定录制和观察参数,使得软件监测的实时画面能够准确捕捉微通道结构细节;

(5)设定注射泵的工作流量为0.0001 mL/min,启动注射泵开始注入去离子水,通过实时画面监测渗吸过程中的气-水界面演变过程;

(6)当实时画面监测到模型微通道中气-水界面不再明显变化时,结束渗吸阶段实验过程观察,随后继续注水确保模型内部全部饱和水相用以开展气驱水返排实验,待模型内部完全饱和水后,将管线连接到气瓶,开始在由低到高的氮气压力下开展返排过程可视化观察;

(7)当监测到微通道不再出现明显的气-水界面变化时,结束实验,导出实验结果并开展图像处理分析.

在油气藏储层条件下,以毛管力控制为主的渗吸过程(微流动)的毛管数一般小于10-5[23].为了验证流量0.0001 mL/min 下的注水过程是否满足毛细流动范畴,需要计算该注入流量下所对应的毛管数Ca和雷诺数Re范围.其中,Ca和Re的计算公式为[24-25]

式中,Ca为毛管数,无量纲,表征流体流动过程中黏滞力和毛管力的作用占比;η为驱替相的动力黏度,此处为水相的动力黏度,η=8.92×10-4Pa·s;υ为驱替相的流速,m/s;σ为界面张力,此处为气-水界面张力,σ=0.072 N/m.Re为雷诺数,无量纲,表征流体流动过程中惯性力和黏滞力的作用占比;ρ为驱替相的密度,此处为水相的密度,ρ=1.0×103kg/m3;d为特征长度,此处为微通道的直径,为150 μm;η和υ分别为驱替相的动力黏度和速度,单位同上.

在计算过程中,首先获取流量0.0001 mL/min下水相的实际流速υ.根据实验图像,利用IC Measure软件和Stream Start 录屏功能对该注入流量下微通道直管内气-水界面前缘推进直线距离和所用时间进行准确测量和记录,得到了表1 中的数据点,其中ΔL代表前进的直线距离,Δt代表前进相应距离所经历的时间.根据表1 数据,得到图3 所示的关系曲线,表明该流量下,水相在微通道内的前进距离和所用时间满足良好的线性关系.通过对曲线进行线性拟合,得到其斜率,该斜率即为水相在微通道直管内的实际前进速度.分析表明,在流量0.0001 mL/min下,微通道内水相的实际流速υ为756.5 μm/s.

表1 流量0.0001 mL/min 下微通道直管内水相前进距离/时间参数测试结果Table 1 Measured results of the interface advancing distance during imbibition under the flux of 0.0001 mL/min

图3 流量0.0001 mL/min 下微通道直管内水相前进距离和时间拟合结果Fig.3 Curve of the relationship between the interface advancing distance and time under the flux of 0.0001 mL/min

根据式(1) 和式(2),通过计算得到流量0.0001 mL/min 下对应的毛管数和雷诺数结果见表2.根据计算结果,本文所设计的微模型注入流速下对应的毛管数小于10-5,属于低雷诺数流动范围,说明在流量0.0001 mL/min 下能够模拟储层状态下以毛管力占主导的水相渗吸侵入过程.

表2 孔隙尺度实验过程中的毛管数和雷诺数计算结果Table 2 Calculated results of the Capillary number and Reynolds number for the pore-scale experiments

1.2 岩心尺度实验

选取大牛地致密砂岩气田4 块致密砂岩分成2 组,分别开展水相渗吸与气驱排水实验,测试含水饱和度与气相渗透率变化情况.实验样品基本信息见表3,实验装置见图4.采用模拟地层水(矿化度约80000 mg/L)作为渗吸流体,采用氮气作为渗透率测试介质,实验温度为室温.具体实验步骤如下:

(1) 将4 块岩样置于烘箱中烘干4 h,温度为65 °C,随后冷却至室温后,测试岩样干重;

(2)首先采用毛管自吸法建立全部实验样品初始含水饱和度约为20%,并测试初始含水饱和度下的气相渗透率作为基准渗透率.实验围压7 MPa,回压1 MPa,压力梯度为0.3 MPa/cm;

(3)选用H-1 和H-2 岩心相继开展渗吸与返排实验.渗吸实验采用电子天平实时监测岩心质量变化.当渗吸结束后,采用步骤(2)相同的压力开展气驱返排实验,并每间隔一定时间取出岩心称重,记录返排过程中的岩心质量变化,并计算对应含水饱和度值;

(4)选用S-1 和S-2 岩心开展气相渗透率测试.实验过程中,先测试初始状态下的气相渗透率,随后在岩心出口端利用驱替泵以一定压力将模拟地层水泵入岩心,泵入时间与步骤(3)中渗吸时间一致,该过程中保持入口端压力不变持续监测出口端气相流量并记录渗吸过程中的气相渗透率.关闭驱替泵,进入气驱返排阶段,监测出口端气相恢复渗透率.当渗透率稳定时,结束驱替;

(5)结束全部实验,开展实验数据分析.

2 实验结果与讨论

2.1 孔隙尺度下渗吸阶段气-水界面演化过程

图5 给出了一维单通道微模型中水相渗吸时的气-水界面演化结果[26].以图5(a)沿孔喉比升高方向渗吸为例,水作为润湿相会在上下管壁形成两层吸附水膜并沿管壁延伸.随着渗吸过程不断进行,上下水膜开始膨胀并率先在最细喉道处合拢引起气体卡断.可以发现,水膜沿着管壁横向铺展和沿着管径上下膨胀是毛细通道内气-水界面结构形态演化和引起气体卡断的直接原因.气体卡断后变成非连续态,同时在水相剪切力作用下依次通过喉道而持续发生卡断,并在喉道下游端连续形成孤立气泡.对比图5 实时结果可知,两种渗吸方向上首次发生气体卡断的位置都在最细喉道位置.此外,相同渗吸速度下,沿孔喉比升高方向渗吸过程中生成的孤立气泡数量更多,说明喉道是控制气体卡断的关键因素,即喉道越细,水膜越容易膨胀合拢诱发气体卡断.

图5 单通道微模型中水相渗吸阶段气-水界面演化与流动过程可视化结果(修改自文献[26])Fig.5 Results of evolution of gas-water interface during imbibition in the capillary micromodel (modified on Ref.[26])

图6 描述了二维孔隙网络模型水相渗吸过程[22].结果表明,二维孔隙网络模型中水相渗吸初始阶段同样是在一些细小喉道发生气体卡断.当模型中含水量逐渐升高后,绕流效应变得显著.其中,孔径和迂曲度更小的通道水相渗吸速度更快、渗吸距离更短,成了水相优先占据的通道.二维孔隙网络模型结果显示,通常气体卡断后形成的是孤立气泡(trapped gas bubble),而绕流后一般形成的是孤立气柱(trapped gas column),即圈闭的气体体积更大,这与前人通过模拟得到的研究结论一致[27].由于受到孔喉大小、迂曲度以及孔喉几何形态和连通性等结构特征的影响,二维孔隙网络模型水相渗吸过程中的气-水界面演化更剧烈,最终在卡断和绕流综合作用下,造成模型内部形成大面积的水封气现象.

图6 孔隙网络模型下渗吸过程中的气-水界面演化过程(修改自文献[22])Fig.6 Evolution of gas-water interface in the pore network micromodel during imbibition (modified on Ref.[22])

2.2 孔隙尺度下返排阶段气-水界面演化过程

首先,观察了一维通道模型中的返排过程,结果见图7.当上游端施加的气体压力增加至2.79 MPa时,模型中观察到明显的气驱排水过程(本文中气体压力是指能够快速观察到气驱水过程的实时实验压力,并不是发生返排所需的临界门槛压力).图7表明,返排过程中微通道内形成的气-水界面弯液面与气体流动方向相反,说明毛管力变成气驱排水阻力.当气体流动通道形成后,气体作为非润湿相在微通道中间流动,剩余水作为润湿相在上下管壁两侧形成吸附水膜,并在气流作用下不断蒸发,如图7(d)所示.由此可知,亲水性毛细管中气驱排水可分为前期活塞式非混相驱替以及后期蒸发排水阶段[28].由于本文中使用的模型管壁相对均质光滑,且设计的尺寸为微米级,导致管壁对吸附水膜的束缚能力有限,剩余水膜在气流携带下不断蒸发,最终通过显微观察后完全消失,如图7(e)所示.在真实致密砂岩内部,由微纳米孔隙和喉道组成的毛细通道粗糙度变化明显,加上充填各种亲水性黏土矿物,因而对水膜的束缚能力更强,导致水膜很难流动.

图7 单通道模型中的气驱水相返排过程Fig.7 Results of gas displacement water in the capillary micromodel

图8 展示了返排过程中观察到的气体卡断现象.这是因为当气-水界面前缘通过喉道进入下游段孔隙过程中,随着界面前缘曲率不断减小,将引起一个从喉道指向下游段孔隙的毛管力压降,在该毛管力压降下,会引起下游处孔隙中的水相回流至喉道位置来抵消喉道的高毛管力,从而引起喉道位置的水膜膨胀并将气体卡断[29].返排过程中的气体卡断现象将导致毛细通道中出现大量孤立气泡,增加了贾敏效应发生的频率和严重程度,对于返排极为不利[30].结合渗吸实验结果,说明孔隙尺度下气-水界面演化引起的卡断效应是发生在孔隙尺度的气体流动性破坏和囚闭气生成最重要的微观机制[26,31-33].

图8 孔隙尺度下气驱水过程引起的喉道气体卡断现象Fig.8 Snap-off at the local throat of the micromodel during the drainage process

与一维单通道微模型相比,二维孔隙网络模型中气驱排水需要更高的压力(此时上游端气体压力值约3.47 MPa)且表现出明显的优势通道效应(图9)[22].由于返排过程是克服毛管阻力的过程,当返排压力一定时,气体优先突破更粗的喉道,从而形成连通的排液路径.随着返排时间的延长,在该压力作用下,模型内逐渐形成新的排液通道.当驱替稳定后,绝大部分孔隙里面已经形成了连通的气体流动通道,导致压力无法有效传递进入一些孔隙盲端和角隅结构,造成这部分孔隙仍存在不可动水.真实致密砂岩孔隙结构非均质性强,可以推测优势通道将导致致密砂岩气驱排水程度更加有限,造成大量的不可动水分布特征[34].

图9 孔隙网络模型下气驱水过程与气-水界面演化实时结果(修改自文献[22])Fig.9 Real-time results of gas displacement water process in the pore network micromodel (modified on Ref.[23])

此外,在实验过程中观察到渗吸时气泡流动路径和返排时气体排液路径均几乎一致,如图10 所示.在渗吸时,卡断后生成的孤立气泡在水相流动剪切力作用下开始运移,并在喉道发生截留和封堵.由于气泡在优势通道中形成分散堵塞,因此,气泡封堵无论是对水相返排还是气体流动能力恢复都会诱发贾敏效应[35].当气泡封堵住优势通道后,只有水相依靠壁面水膜连续性保持流动,气泡则因无法克服喉道贾敏效应而难以流动.可见,本文微观实验观察到的优势通道气泡封堵现象,可以作为解释某种特定状态下气藏宏观尺度产水明显但不见产气的一个重要原因.

图10 孔隙尺度下渗吸和返排时气体流动路径Fig.10 Flow path of gas during the imbibition and drainage at the pore-scale

2.3 气-水界面演化类型与气体连续性关系

亲水毛细管内的气-水界面类型如图11 所示,包括水膜水气-水界面和毛管水气-水界面[36].水膜水气-水界面通常是在低含水饱和度状态下形成的,该状态下水相在润湿作用下沿着岩石孔隙表面向外铺展并形成吸附水膜层,气相则占据孔隙中间保持其流动连续性.当含水饱和度升高造成孔隙内部被水完全占满并将气体卡断时,则生成毛管水气-水界面并破坏气体流动的连续性.

图11 毛细管中气-水界面类型示意图Fig.11 Two types of gas-water interface in a capillary

以本文模型为例(图12),在渗吸过程中,由于刚开始时含水饱和度较低,在管壁润湿性和界面作用下,侵入水相以吸附水膜的形式沿着上下管壁发生润湿铺展,形成如图12(b)所示的水膜水气-水界面.进入图12(c)阶段后,随着水相不断侵入,水膜开始膨胀并压缩水膜水气-水界面.当水膜膨胀增厚至上下水膜聚并到一起时,气体会优先在喉道发生卡断而失去其连续性,变成上下游两段气柱,并生成新的气-水界面弯液面,即在喉道处生成了毛管水气-水界面,如图12(d)所示.由实验结果可知,亲水微通道内部气-水界面演化以水膜为载体,其中水膜水气-水界面是气-水界面结构演化的初始条件;毛管水气-水界面的出现则是气体连续性遭到破坏的结果,是引起气体流动能力下降的直接原因.

图12 不同气-水界面类型演变过程实验结果Fig.12 Experimental results of different types of gas-water interface

相比单根微通道模型,孔隙网络模型由于流动通道的选择性,导致气-水界面演化引起的气体流动不连续性特征更加明显.如图13 所示,当孔隙网络模型中含水饱和度约为39.63%时,一些孔隙角隅和喉道位置几乎全部被水充填,诱发气体卡断形成大量毛管水气-水界面,造成大面积孔喉中间的气体失去其连续性,孔隙内部整体上呈现出“气-水互封”的局面,气和水的流动能力均显著降低.

图13 孔隙网络模型“气水互封”界面配置关系Fig.13 Pore-scale of the configuration of the gas-water distribution

2.4 微观气-水界面演化与宏观气体流动效应

图14 分析了岩心尺度下含水饱和度和气相渗透率变化行为.当水通过渗吸进入岩心内部后,会在岩心内部暂时建立起较高的含水饱和度,气相渗透率则随含水饱和度的增加迅速降低.图14(a)结果显示,尽管渗透率小的岩心其孔喉半径相对更小,毛管力更高,但其渗吸时受到的黏性阻力也更强,因此,造成渗透率低的样品只能保持一个较低的渗吸速率状态;而渗透率更大的样品其渗吸越早进入后期平稳阶段,其渗吸速率更快.通过气驱返排后,含水饱和度逐渐下降,但返排后含水饱和度仍然明显高于初始含水饱和度,表明返排不能将增加后的含水状态完全恢复到初始状态,其结果是引起气相渗透率不能恢复到初始值,造成了渗透率的永久性损害.图14(b)结果表明渗透率越小的致密砂岩,气相渗透率随含水饱和度的变化更加敏感,损害程度也越高.其原因在于渗透率越小的岩石其内部孔隙结构连通性相对更差,岩石孔喉尺寸相对更小,对水的返排能力更低,因而导致气体渗透率受到水相滞留的影响更严重[37].

图14 致密砂岩岩心驱替实验结果Fig.14 Results of core displacement experiment in tight sandstone cores

基于岩心驱替实验和孔隙尺度可视化分析,定性探讨了孔隙尺度下气-水界面演化对致密砂岩宏观气体渗透率的影响.如图15 所示,在初始状态下,孔隙尺度下气相饱和度高并完全保持流动连续性,此时测得的气相渗透率不受含水饱和度的影响,气相流动能力最强.到了渗吸阶段,随着含水饱和度的升高,孔隙尺度下气-水界面不断演化破坏了气体流动连续性,并且水相含量逐渐占据主导,导致气体流动阻力升高,因而表现在岩心尺度下测得气相渗透率迅速下降.进入返排阶段后,含水饱和度不断降低,一些被水相占据的流动通道逐渐成为气体流动通道,引起岩心尺度下宏观气体渗透能力开始恢复.但由于受到孔隙尺度下贾敏效应和优势通道等影响,部分孔喉里的水相不能完全返排,最终将导致气体渗透率不能完全恢复至初始状态,造成气体渗透能力出现永久性损害.由此可知,岩心尺度下气体渗透率随含水饱和度增加而降低,其微观机理在于孔隙尺度下气-水界面演化引起的非连续性气体流动时附加阻力的升高.

图15 致密砂岩气水两相流动跨尺度关联机制Fig.15 Cross scale correlated mechanisms of gas-water flow in tight sandstone

本文设计的微模型是基于对致密砂岩气水流动通道的简化设计,目的是为了便于观察和描述孔隙尺度下气-水界面演化现象.针对壁面粗糙度、不同矿物润湿性差异分布等特征对气-水界面演化的影响将在今后工作中进行讨论.需要说明的是,孔隙尺度下微观气-水界面动态演化引起气体连续性遭到破坏和下降是一个迅速且剧烈的变化过程,而宏观岩心柱塞尺度下气体的流动特点则极其缓慢.因此,当孔隙尺度下气体连续性下降后,反映在岩心尺度下气体的流动需要足够的时间积攒能量来克服流动阻力进而恢复气体的连续流动状态.一旦孔隙尺度下气体流动不能克服因气相不连续而产生的附加阻力效应,将表现为岩心尺度下出现不可逆的气体渗透率损害.

3 结论

(1)致密砂岩孔隙尺度下气-水界面演化主要以卡断和绕流的方式引起界面失稳,从而破坏气体流动连续性,是水相圈闭损害在孔隙尺度下形成囚闭气的直接诱因.

(2)孔隙尺度下气-水界面包括水膜水气-水界面和毛管水气-水界面两种类型.气-水界面演化以水膜润湿和膨胀为初始条件.随着水膜不断膨胀至合拢,水膜水气-水界面将演化成毛管水气-水界面,毛细通道内气体将首次出现卡断现象而失去其流动连续性.因此,毛管水气-水界面的大量出现标志孔隙空间气体的连续性急剧下降.

(3)气-水界面演化降低了孔隙空间气体流动的连续性,引起气体流动时贾敏效应等附加阻力,容易出现“气-水互封”现象,反映在岩心尺度上气体流动能力随含水饱和度的增加迅速降低,且导致水相难以完全返排并最终造成气体流动能力的永久性损害.

(4)孔隙尺度下气-水两相流动时优势通道效应显著.优势通道一方面为返排提供快速产水路径,另一方面也是气泡运移和贾敏效应的主要通道.因此,在优势通道双重作用下,导致返排阶段易出现“产水不产气”的局面.