裂缝-孔隙介质油、水两相微观渗流物理模拟.pdf

第 22 卷 第 10 期 岩石力学与工程学报 22 10 1646 1650 2003 年 10 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct 2003 2002 年 4 月 4 日收到初稿 2002 年 6 月 18 日收到修改稿 国家自然科学基金 50179034 国家重点基础研究发展规划 2002CB412708 和中国科学院武汉岩土力学研究所领域前沿基金 Q000212 资助项目 作者 刘建军 简介 男 31岁 博士后 1996年毕业于辽宁工程技术大学采矿工程系采矿专业 现任副教授 主要从事渗流力学方面的科研工作 裂缝裂缝 孔隙介质油 水两相微观渗流物理模拟孔隙介质油 水两相微观渗流物理模拟 刘建军1 2 刘先贵3 冯夏庭1 1中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室 武汉 430071 2武汉工业学院多孔介质力学研究所 武汉 430023 3中国科学院渗流流体力学研究所 廊坊 065007 摘要摘要 为了研究油 水在孔隙 裂缝介质中的渗流微观机理 利用微观岩石薄片模型 研究了不同裂缝分布情况下 孔隙 裂缝介质中水驱替油的微观过程 分析了裂缝形态 孔隙结构等因素对油 水渗流的影响 得出了有益的结 论 对于认识非混溶两相流体在孔隙 裂缝介质中渗流规律和油气田开发具有重要意义 关键词关键词 渗流力学 孔隙 裂缝介质 渗流 微观模型 物理模拟 分类号分类号 TE 312 O 357 3 文献标识码文献标识码 A 文章编号文章编号 1000 6915 2003 10 1646 05 PHYSICAL SIMULATION OF WATER OIL MICROCOSMIC FLOW THROUGH FRACTURED POROUS MEDIA Liu Jianjun1 2 Liu Xiangui3 Feng Xiating1 1Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics Institute of Rock and Soil Mechanics The Chinese Academy of Sciences Wuhan 430071 China 2 Institute of Porous Media Mechanics Wuhan Polytechnic University Wuhan 430023 China 3Institute of Porous Flow and Fluid Mechanics Tthe Chinese Academy of Sciences Langfang 065007 China Abstract Using microcosmic glass slice model the two phase fluid oil and water flow in fractured porous media is studied Six different fractured models are studied By observing the fluid flow in the models some beneficial conclusions are obtained and they are significant to understand the fluid flow in fractured porous media Key words fluid mechanics in porous media fractured porous media seepage microcosmic model physical simulation 1 引引 言言 长期以来 渗流力学的研究主要集中在宏观研 究方法 即以岩石或土壤的样品以及地层或土壤为 研究对象 渗流宏观方面的工作规模和研究深度已 达到相当可观的程度 1 这方面的研究无疑是必要 的和重要的 但是 单凭宏观研究手段 很多问题 特别是有关渗流机理方法的问题 很难获得较好的 解决方法 渗流力学的宏微观研究的相互配合 将 有力地促进有关问题的解决 渗流微观研究的方法 有两种 即物理模拟实验和数值模拟计算 利用微 观物理模拟 人们在多相渗流 物理化学渗流等方 面取得了许多成果 例如 我国科学家利用自己验 证的玻璃微观模型 提出了水驱油的几种机理 对 化学驱油 微生物驱油机理得出了新的认识 但 是 以上物理模型大多是均质的 研究裂缝 孔隙介 质中油水运动规律对于裂缝性油藏开发具有十分 第 22 卷 第 10 期 刘建军等 裂缝 孔隙介质油 水两相微观渗流物理模拟 1647 重要的意义 流体在孔隙 裂缝介质中的流动规律研究 已经 发展了 40 a 早在 20 世纪 60 年代 Barenblatt 等人 就提出了以唯象学为基础的双孔模型 1 有关裂缝 孔隙介质渗流的模型已有很多 但都是基于各种假 设基础上所做的理论研究 2 对于裂缝 孔隙介质渗 流微观机理的研究很少 两相流体在裂缝 孔隙介质 中的微观渗流机理研究得更少 进行两相流体在裂 缝 孔隙介质中渗流规律的微观研究 不仅可以在理 论上丰富渗流理论 而且在石油开发 水文地质 环境科学等领域也有很大的应用价值 3 8 本文从孔隙层次上对裂缝 孔隙介质中油 水 两相流体的渗流进行了实验研究 实验利用二维岩 石薄片模型 6 设计了 6 种裂缝 孔隙介质模型 对 不同形态下的裂缝模型进行了油 水两相流体微观 渗流物理模拟 得出了一些有益的结论 2 微观模型实验微观模型实验 2 1 裂缝裂缝 孔隙介质模型及实验流体孔隙介质模型及实验流体 实验是在仿真正方形网络的二维玻璃微观模 型上进行的 共设计了 6 种模型 图 1 孔隙基质部 分的图案均相同 仅改变裂缝的条数 长短或方 向 图 1 裂缝 孔隙介质模型中裂缝分布示意图 Fig 1 Sketch of fissure distribution in fractured models 2 2 实验流体实验流体 实验中所用流体为蒸馏水和模拟油 模拟油采 用水和精炼白油配制 粘度为 5 mPa s 为更清楚 地分辩出油 水的界面 模拟油染成红色 2 3 实验过程实验过程 所有实验在标准大气压 室温和在强水湿度状 况下进行 微观模型水平放置 以消除重力影响 每次实验都从 100 用水饱和微观模型开始 接着 在高流量下用模拟油驱替水建立束缚水 然后分别 在两种静水压力下进行水驱替油的实验 直至基本 无油驱出时为止 所用实验装置见图 2 实验中仔 细观察水驱替油机理 密切注视水驱前缘和见水时 间 并用显微摄像记录下实验全过程 图 2 实验流程图 Fig 2 Flow diagram of experiment 3 实验结果和分析实验结果和分析 进行了两组 12 次水驱油实验 两组的静水压 力分别为 15 cm 水柱和 41 cm 水柱 图 3 显示了束 缚水分布的典型特征 水覆盖了整个孔隙表面 形 成了连续的润湿水膜 束缚水也分布在少部分小喉 道和盲端死孔隙中 如图 3 所示 图 3 束缚水分布 Fig 3 Restrained water distribution 低静水压力 15 cm 水柱下 水驱渗吸速度很 小 水一般首先进入沿主流线阻力较小的大孔道和 通过连续的润湿水膜往前运移 把孔道中的油往前 和孔道中间挤压 在水线前缘只有油的流动 当裂 缝与注入端和采出端相通时 如图 4 a 所示 水首 先沿裂缝两侧基质中阻力较小的一侧的壁挤压油 并同时横向流入孔隙基质 推挤油向出口流动 然 后 逐渐把裂缝中的油沿裂缝往前推进 图 4 b 水推进的最前沿始终在裂缝中 沿裂缝运移的水首 先到达采出端 水从裂缝窜流后 远离裂缝的部分 油也能通过连续的油路继续被驱出 水驱替油的动 态过程显示于图 4 a c 中 图 4 中 在所研究的 计算机监视器 录像机 摄 像 机 压 力 系 统 模型 1648 岩石力学与工程学报 2003年 6 种裂缝类型中 全裂缝情况下的水驱剩余油较多 尤以远离裂缝的三角区内剩余油最多 a 束缚水状态 b 中间状态 c 剩余油 图 4 全裂缝水驱油的动态过程 右上方注入 左下方采出 Fig 4 Dynamic process of water flooding in complete fissure 在图 5 半裂缝的情况下 注水的前期阶段与图 4 中全裂缝的情况类似 当注入水由裂缝进入无裂 缝的基质中时 水前缘推进比较均匀 从剩余油图 5 c 看 沿裂缝和主流线水驱油效率较高 远离裂 缝的两个三角区内剩余油量也较多 a 束缚水状态 b 中间状态 c 剩余油 图 5 半裂缝水驱油的动态过程 右上方注入 左下方采出 Fig 5 Dynamic process of water flooding in half fissure 在与主流线平行的两条平行双裂缝和 3 条平行 裂缝的图 6 a 和 7 a 情况下 裂缝与注入端和采出 端均不相通 在这两种情况下 注入水刚开始较均 匀地沿主流线往前推进 但当水一旦进入裂缝 水 沿裂缝推进就较快 见图 6 b 和 7 b 由于裂缝的 存在 使一些原来不相通的孔道与裂缝相连 在水 突破后 仍能通过裂缝被运移而采出 图 8 a 显示 了水淹后基质中的油已流入裂缝 图 8 b 显示了基 质中的油进入裂缝后 即将与原油片断开 图 8 c 中显示了断开的油片继续沿裂缝往出口运移 因 此 裂缝的存在 扩大了基质中油运移的通路 促 进基质中更多的油被采出 从图 8 c 和 9 c 可以看 出 在裂缝和裂缝周围的区域中剩余油较少 3 条 平行裂缝的剩余油比两条平行裂缝剩余油少 a 束缚水状态 b 中间状态 c 剩余油 图 6 两条平行裂缝水驱油的动态过程 右上方注入 左下方 采出 Fig 6 Process of water flooding in 2 paralleled fissures a 束缚水状态 b 中间状态 c 剩余油 图 7 3 条平行裂缝水驱油的动态过程 右上方注入 左下 方采出 Fig 7 Process of water flooding in 3 paralleled fissures a 束缚水状态 b 中间状态 c 剩余油 图 8 基质中油流入裂缝往出口运移的过程 左下方注入 右 上方采出 Fig 8 Oil in matrix flow towards outlet through fissures a 束缚水状态 b 中间状态 c 剩余油 图 9 与主流线成某一角度的平行裂缝水驱油的动态 右上 方注入 左下方采出 Fig 9 Process of water flooding in angled paralleled fissures 第 22 卷 第 10 期 刘建军等 裂缝 孔隙介质油 水两相微观渗流物理模拟 1649 在与主流线成某一角度和垂直的两条平行裂 缝的图 9 a 和 10 a 情况下 当注入水进入第一条 裂缝时 出现水沿裂缝的横向流动 见图 9 b 和 10 b 微观图 11 a b 也分别清楚地显示了在这 两种情况下水沿裂缝的横流现象 这两种形态的裂 缝阻挡了水沿主流线的推进 扩大了水在裂缝和注 水井之间的波及面积 明显地延迟了水的突破时 间 各种情况下水的突破时间见表 1 从表 1 可知 随裂缝与主流线的角度从 0 增至 90 突破时间也 相应增加 而水驱剩余油却随角度的增加而减少 a 束缚水状态 b 中间状态 c 剩余油 图 10 与主流线垂直的平行裂缝水驱油的动态 右上 方注入 左下方采出 Fig 10 Process of water flooding in perpendicular paralleled fissures a 束缚水状态 b 中间状态 图 11 水沿裂缝的横向流动 左下方注入 右上方采出 箭头所示为水的流动方向 Fig 11 Water flow out along fissures 表表 1 采出端见水时间采出端见水时间 Table 1 Time of water appearance 裂 缝 类 型 静水压力 15 cm 水柱 s 静水压力 41 cm 水柱 s 裂缝与注水井和采油井相通 197 67 半条裂缝与注水井相通 240 104 双平行裂缝 260 140 成角度平行裂缝 270 145 垂直平行裂缝 320 196 3 条平行裂缝 280 120 在低静水压力下 典型水驱剩余油产状见图 12 剩余油以占据大孔隙中的油珠 油丝和数个孔道的 油片 图 12 a 及周围由小喉道包围的数个到数十个 孔道的大油片 图 12 b 的形态存在 低静水压力下 的水驱剩余油产状以图 12 b 中的为主 高静水压 力下的水驱剩余油产状以图 12 a 中的为主 a 油珠 油丝和数个孔道的油片 b 由小喉道包围的数十个孔道的大油片 图 12 水驱剩余油产状 Fig 12 Residual oil distribution after water flooding 在高静水压力 41 cm 水柱下 水驱油渗流机理 与低静水压力下的基本相似 水突破时间的规律也 相似 但水突破时间与相同裂缝形态下的低静水压 力情况下相比较更短 水驱剩余油更少 水沿壁爬 行机理在低静水压力下更明显 图 13 a 为水沿壁 渗吸爬行已驱净了两个喉道中的油 并继续向右方 推进 图 13 b 在高静水压力下水突破后两相同流 现象比低静水压力情况下更普遍 4 结结 论论 通过强水湿条件下裂缝 孔隙介质中油 水两相 流体渗流实验研究 得到如下的结论 1650 岩石力学与工程学报 2003年 a 水沿壁渗吸爬行已驱净了两个喉道中的油 b 注入水沿孔壁继续向右推进 图 13 水沿壁渗吸爬行 Fig 13 Water sprawling along pores wall 1 裂缝的形态 方向和密度对水驱油渗流机 理有显著的影响 裂缝与注入端和采出端相通时突 破时间最短 水驱剩余油最多 在两条平行裂缝情 况下 一旦水进入裂缝 水在裂缝中运移的速度就 高于主流线的推进速度 抑制了水在主流线的推 进 使水线推进均匀 扩大了水的波及面积 其规 律为随裂缝与主流线夹角的增加 水驱突破时间增 加 水驱剩余油减少 2 裂缝与基质孔道连通 使基质中的油向裂 缝中输运 裂缝作为输运通道 有利于基质中油的 采出 3 在本实验相同裂缝形态的条件下 水驱替 油效率随静水压力的增加而增加 4 水驱剩余油的产状与分布受裂缝的形态 方向和密度 孔隙结构的拓扑学性质和水驱油速度 有关 一般情况下 裂缝及裂缝周边的剩余油最少 远离裂缝的三角区剩余油最多 剩余油少的地方 剩余油以占据大孔隙中的油珠 油丝和数个孔道的 油片的形态存在 剩余油多的地方 剩余油以占据 周围由小喉道包围的数个到数十个孔道的大油片 的形态存在 致谢致谢 本文的实验是在中国科学院渗流流体力学 研究所多相渗流实验室完成的 在此向参加实