微观物理模拟水驱油实验及残余油分布分形特征研究.pdf

收稿日期 2005 08 27 基金项目 国家 973 重点基础研究发展规划项目 G1999022509 作者简介 李中锋 1976 男 汉族 河南遂平人 博士研究生 从事油气田开发及油气藏工程研究 文章编号 167325005 2006 0320067205 微观物理模拟水驱油实验及残余油分布分形特征研究 李中锋1 何顺利1 杨文新2 门成全1 1 中国石油大学 石油天然气工程学院 北京102249 2 中国石化 江汉油田分公司 湖北 潜江433000 摘要 研究制作了能真实反映岩石孔隙结构的微观仿真孔隙模型 应用微观渗流物理实验模拟技术和图像分析技 术 开展了微观模型水驱油物理模拟实验 对水驱油过程及微观物理模型中残余油的形成和分布进行了观察 模拟 了不同驱替速度 孔隙结构 粘度比等条件下的水驱过程 应用分形几何学的基本理论 给出了数盒子法和R S分 析法定量研究微观残余油分形特征的关系式 结合水驱油残余油分布图像 建立了用分形维数定量表征残余油及空 间分布的测定方法 研究结果表明 随驱替速度增大 形成的残余油量减少 随原油粘度增大 形成的残余油量增 多 容量维数表征了残余油的多少 它与残余油饱和度 孔隙结构有关 分形维数则表征了残余油空间分布的非均 质性 分形维数越大 残余油空间分布的非均质性越强 关键词 微观孔隙模型 水驱油 残余油 驱替速度 分形特征 容量维数 分形维数 中图分类号 TE 319 TE 112 文献标识码 A Physical simulation experiment of water driving by micro2model and fractal features of residual oil distribution LI Zhong2feng1 HE Shun2li1 YANG Wen2xin2 MEN Cheng2quan1 1 Faculty of Petroleum Engineering in China University of Petroleum Beijing102249 China 2 Jianghan Oilf ield China Petrochemical Corporation Qianjiang433000 Hubei Province China Abstract By manufacturing an emulation porous micro2model and applying the simulation technology of micro2flow physical experiment and image analysis technology the physical simulation experiment of water driving micro2flow was developed The processof water driving as well as the form and distribution of residual oil in thephysical micro2model was investigated and water driving processes under different displacement rate porous structure and viscosity ratio were simulated With the help of the basic theory of fractal geometry the box algorithm andR Sanalysis relationship formula were deduced which are used to quantitatively study residual oil microscopic fractal characteristics Combined with the figures of water driving residual oil distribution the quantitatively measuring method of figuring the size and spatial distribution of the residual oil saturation was established The results show that the residual oil decreases with the enhancement of dis placement rate and the residual oil increases with the increase of viscosity of crude oil The volume dimension figures the quantity of residual oil and is related to the residual oil saturation andpore structure while fractal dimension shows the homogeneity degree of the residual oil spatial distribution which becomes strong when the fractal dimension expands Key words porous micro2model water driving residual oil displacement rate fractal features volume dimension fractal dimension 储层微观非均质性是指砂体的孔隙 喉道大小 及均匀程度 孔隙喉道的配置关系和连通程度直接 影响着注入水的微观驱替效率 从而控制着孔隙中 残余油的微观分布 微观孔隙模型是近几十年发展 起来的用于研究流体在多孔介质中流动特性的实验 方法 它能直观地揭示不同润湿性和驱替剂的微观 渗流特征 早期制作的微观模型有粒状填充模型 规则网络模型和刻蚀的人工随机模型等 但它们与 2006年 第30卷 中国石油大学学报 自然科学版 Vol 30 No 3 第3期 Journal of China University of Petroleum Jun 2006 油层孔隙结构相差甚远 不能真正模拟流体在多孔 介质中的渗流规律 而微观孔隙仿真模型 123 是利 用光刻技术 将油层岩心铸体薄片上的实际孔隙网 络刻蚀在玻璃板上制成的模型 427 其可视化与孔 隙几何形态和尺寸更接近储层孔隙结构 笔者应用 微观物理模型实验技术 采用光化学刻蚀工艺 制作 3个不同的仿真模型 探讨砂岩油藏水驱残余油的 形成机理 以及储层孔隙结构 注入速度等因素对驱 油效率的影响 研究用不同的分形维数表征残余油 分布的方法和残余油分布的合理表达方式 1 微观水驱油实验 1 1 实验材料 1 微观模型 制作了3个微观仿真模型 模型 厚20 m 模型表面最初为强亲水 但可用二氯二 甲基硅烷溶液将其处理成亲油性 模型参数见表 1 空间分形维数D由毛管压力资料求得 Ds为实 验用的物理仿真模型在平面上的容量维数 模型3 是由模型1和模型2拼成的非均质模型 表1 实验微观模型物性参数 模型 孔隙度 渗透率 k 10 3 m2 容量维数 Ds 分形维数 D 模型尺寸 mm mm 孔隙配位数孔喉比 132 7658 891 65082 333630 202 625 3 234 61178 131 66171 711730 202 934 14 341 58 1 7502 40 40 2 模拟油 实验用油是将高粘度的原油用煤 油稀释而成的 共配制了3种模拟油 20 时 油的 粘度分别为5 13 2 23 4 mPa s 3 驱替液 为了便于观察原油流线状态和残 余油分布 增强油的信号采集 直接采用蒸馏水作为 驱替液 1 2 实验设备及流程 实验设备主要由模型 驱替系统 光源系统 图 像采集系统和图像处理系统组成 微观模型为平面单向渗流 水平放置 驱替系统 中的微量泵可进行恒压 恒速驱替 灯箱中的灯提供 均匀光源 以保证图像质量 图像采集系统主要由摄 像头 录像机及图像采集卡等组成 可实现对实验过 程的实时图像采集及记录等 图像处理系统对静态 图像的孔隙 原油分布进行描述 对图像含油饱和 度 原油和孔隙分布分形维数等参数进行计算 1 3 水 油驱替过程描述 1 亲水模型 当进行水驱油时 一方面水沿大 孔道中间突进 另一方面沿着孔隙表面慢慢运移 渗 入的水以水膜形态分布于孔壁周围 进而充满孔隙 将小孔隙中的油挤出 图1展示了亲水模型的微观 水驱油进程以及在不同时期 图1中a b c 残余油 的分布 黑色为残余油 在亲水模型中残余油的分 布主要以油珠状分布在较大孔道中 还有一些分布 在较细小的孔道中 2 亲油模型 在驱替过程中 水沿着大孔道进 入孔隙 由于亲油的原因 孔道四周有一层油膜 形成 边界层 在驱替初期 油沿着孔道流动 驱替到一定 程度后油便沿孔道壁向前移动 水在流经某些较小孔 道时会被油切割成小水珠夹带在油中间 图2展示 了亲油模型的微观水驱油进程以及在不同时期 图2 中a b c 残余油的分布 在亲油模型中残余油主要 由小孔道中油的段塞和孔隙表面的油膜构成 图1 亲水微观模型1的低速 0 002 mL min 水驱油过程 图2 亲油微观模型2的高速 0 015 mL min 水驱油过程 1 4 实验结果 利用制备的微观仿真物理模型 进行了水驱油 实验 显微照片和录像提供了孔隙几何形状 石油捕 集和残余油微观分布等图形 考察微观水驱油的全 过程发现 在不同的驱替速度 不同粘度的模拟油条 件下 水驱油的进程和形成残余油的量都有所不同 驱替速度低 原油粘度大时形成的残余油量多 驱替 速度高 原油粘度小时形成的残余油量少 表2是模型2在模拟油粘度为13 2 mPa s 不同 的驱替速度下的水驱油实验结果 由表2可看出 微 观模型水驱油效率随驱替速度的增大而增大 且亲水 86 中国石油大学学报 自然科学版 2006年6月 模型的驱油效率要比亲油模型的平均高约10 表2 不同驱替速度下微观模型水驱油实验数据 驱替速度 v mL min 1 初始含油饱 和度Soi 残余油饱 和度Sor 驱油效率 f 润湿 性 0 0020 8090 37853 3 0 0050 8060 33957 9 0 0100 8080 28065 3 0 0150 8110 25368 8 亲油 0 0020 7730 27864 0 0 0050 7770 24169 0 0 0100 7650 22770 3 0 0150 7710 16378 9 亲水 在水驱速度恒定为0 005 mL min的条件下 改变原油粘度 利用模型1进行微观水驱油实验 结 果见表3 对于低粘度 5 0 mPa s 原油 由于油水 粘度比相对较小 水驱前沿的推进相对均匀 水的指 进不严重 驱替水容易波及到较细小的孔道 油膜及 油斑易于被驱走 残余油饱和度低 在驱替高粘原 油 23 4 mPa s 时 前沿推进不均匀 油水流度比 大 驱替水容易突破大孔道迅速向前运移 形成较严 重的指进 因此 细小孔道中的原油不易被驱走 残 余油饱和度高 相比较而言 高粘原油驱替效率比 低粘原油驱替效率要低13 左右 比较润湿性对 驱油效率的影响发现 亲水模型的驱油效率比亲油 模型的驱油效率高3 左右 表3 不同粘度原油微观水驱油实验数据 原油粘度 o mPa s 初始含油饱 和度Soi 残余油饱 和度Sor 驱油效率 f 润湿 性 5 00 7300 32056 5 13 20 7240 33953 1 23 40 7230 41942 1 亲油 5 00 7010 28459 5 13 20 6850 30355 8 23 40 6790 35947 1 亲水 低速驱替后发现 残余油饱和度较高 这时通过 提高驱替速度来考察残余油饱和度变化 表4为原 油粘度为13 2 mPa s时的实验结果 表4 常规水驱后提高驱替速度的实验数据 模型 驱替速度 v mL min 1 残余油饱和度 Sor 驱油效率 f 2 0 0020 37853 3 0 0100 37353 9 0 0300 33358 8 0 0900 26567 3 3 0 0020 29565 7 0 0050 29365 8 0 0100 26269 4 0 0200 26169 6 0 0500 24271 8 由表4可以看出 驱替速度增大 驱油效率随之 增大 2 微观残余油分布分形特征 2 1 分形参数测定方法 分形维数D反映了多孔介质几何空间的占据 状况 占据状况越复杂无序 非均质性越强 分形维 数D的值就越高 反之就越低 8213 计算其维数的 实用方法一般有3种 通过改变标尺求分形参数的 标尺法 如数盒子法 利用统计学中方差原理的半 方差法 R S分析法 和根据功率谱密度求分形维 数的PSD法 另外 根据测度关系 相关函数 分布 函数也可求分形维数 9 14 这里选用数盒子法和 R S分析法来确定分形参数 2 1 1 数盒子法 数盒子法 829 15218 就是采用改变粗视化程度求 残余油分布的分形参数 其描述方程为 lnN r B D0lnr 式中 N r 为含有残余油的盒子数 无量纲 r为正 方形网格的边长 m D0为原油液滴分布的容量维 数 它反映了原油液滴在孔隙介质内分布特征 无量 纲 B为常数 由数盒子方法定义容量维数的主要缺点是没有 反映出几何对象的不均匀性 采用模型2 强亲水 驱替速度为0 02 mL min 模拟油粘度为5 mPa s 原始含油饱和度为0 267 5 残余油饱和度为01096 3 对残余油容量维数进行测定 并对结果进行回归 表达式为 lnN r 10 951 1 598lnr R2 0 998 9 由此得出B 10 951 D0 1 598 2 1 2 R S分析法 Christopher等 18223 借助于分形统计检验方法 来检验和分析时间序列的长程相关性 估算Hurst 指数H 残余油在多孔介质内的空间分布往往服 从统计自相似 借助于分形统计学的Hurst指数 通 过分析参数的长程相关性来定量描述残余油分布的 非均质程度 在R S u u为空间上点对距离 m R为极 差 无量纲 S为均方差 无量纲 的双对数曲线图 中 直线斜率即为Hurst指数H 若d为欧氏空间 维数 则可求得残余油分形维数Df 指空间上的展 布程度 表达式为 Df d H 0 H 1 96 第30卷 第3期 李中锋 等 微观物理模拟水驱油实验及残余油分布分形特征研究 一般来说 H值越大 参数的空间相关性越强 非均质性越弱 反之 非均质性越强 在利用上述方 法时 首先要确认空间展布的持久性或长程相关性 是否存在 如果直线斜率等于1 2 则说明不存在长 程相关性 倘若斜率超过1 2 就存在持久的长程相 关性 采用模型2 强亲水 驱替速度为0 01 mL min 模拟油粘度为13 2 mPa s 原始含油饱和度为 0 227 残余油饱和度为0 765 对残余油分布进行 R S分析 在双对数坐标图中数据点拟合为一直 线 表达式为 ln R S 0 8755lnu 0 6596 R2 0 9916 由此看出 H 0 875 5 大于1 2 说明ln R S 与 lnu存在长程相关性 2 2 残余油分布的分形特征 对不同条件 驱替速度 粘度 润湿性等 下水驱 前 后原油分布的分形维数进行了测试 结果见表 5 结果表明 原始状态时原油的容量维数D0为 1152 1 62 水驱后残余油容量维数D0为1 13 1 41 原油饱和度越低 容量维数D0越小 可见 原油液滴分布的容量维数与含油饱和度有较强的相 关性 微观模型水驱油过程中 原油的容量维数测试 结果 表6 表明 水驱油过程中原油的容量维数D0 是降低的过程 其值与原油饱和度和润湿性有关 表5 不同状态下原油分形维数测试结果 初始状态原油参数分布 SoiD0 水驱后残余油参数分布 D0DfSor 润湿性 0 7731 5981 2791 0760 278 0 7771 5931 2471 2690 241 0 7651 5941 2071 1250 227 0 7711 5841 1351 4030 163 0 7011 5501 2901 1140 284 0 6851 5491 3151 1460 303 0 6791 5461 3751 0790 359 亲水 0 8091 6181 3851 2890 378 0 8061 5911 3681 0920 339 0 8081 5991 2821 1950 280 0 8111 6001 2501 3230 253 0 7301 5401 3001 0750 320 0 7241 5281 3111 1550 339 0 7231 5261 4051 2200 419 亲油 微观模型的孔隙分布容量维数为Ds 原油液滴 分布的容量维数为D0 则容量维数 D s D0 与原 油饱和度So的关系曲线见图3 不同模型中含油 饱和度强烈依赖于孔隙和原油分布的容量维数 并 满足下列关系式 Ds D0 0 995 6exp 3 367So R2 0 992 3 表6 水驱过程中不同含油饱和度下原油容量维数 模型 原油饱和度 So 原油容量维数 D0 驱替速度 v mL min 1 2 亲油性 0 8111 600 0 6861 564 0 5991 536 0 4741 470 0 3251 342 0 005 2 亲水性 0 7731 598 0 6381 546 0 5331 471 0 3791 377 0 2781 279 0 015 图3 原油饱和度与容量维数的关系 在所有的测试图像中发现 亲油模型在低速驱 替后形成的残余油为簇状分布 亲水 亲油模型在高 速驱替后形成液滴大小不等的孤岛状残余油 它们 的分形维数Df较大 表明残余油空间分布的非均 质性较强 可见 分形维数Df可以定量表征残余 油空间分布的非均质性 分形维数Df越大 残余油 空间分布的非均质性越强 总之 容量维数D0表征 了残余油的多少 而分形维数Df则反映了残余油 分布的空间非均质性 但它们都与孔隙结构的非均 质性有关 3 结 论 1 微观模型水驱油物理模拟实验能够比较直 观真实地反应储层的实际情况 随驱替速度增大 形成的残余油量减少 随原油粘度增大 形成的残余 油量增多 2 容量维数表征了残余油的多少 它与残余油 饱和度和孔隙结构容量维数有关 分形维数表征了 残余油空间分布的非均质性 分形维数越大 残余油 空间分布非均质性越强 并且该参数具有持久的长 程相关性 可以从微观向宏观延伸 进一步研究大范 围的剩余油分布 07 中国石油大学学报 自然科学版 2006年6月 参考文献 1 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