陳萍，陶果，董明哲，葉青

（1.中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249;2.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266580; 3.加拿大卡爾加里大學(xué)化學(xué)與石油工程學(xué)院，卡爾加里T2N 1N4，加拿大）

孔隙砂巖中的混相流動(dòng)特性試驗(yàn)研究

陳萍1，陶果1，董明哲2，3，葉青1

（1.中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249;2.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266580; 3.加拿大卡爾加里大學(xué)化學(xué)與石油工程學(xué)院，卡爾加里T2N 1N4，加拿大）

利用異丙醇（isopropanol，IPA）和水對(duì)高黏度的流體驅(qū)替低黏度的流體和低黏度的流體驅(qū)替高黏度的流體兩種混相驅(qū)替模式進(jìn)行試驗(yàn)，研究流速和驅(qū)替模式對(duì)于混相流動(dòng)和彌散系數(shù)的影響。結(jié)果表明:在IPA驅(qū)水的過(guò)程中，驅(qū)替的界面平穩(wěn)而整齊，驅(qū)替的速度較低時(shí)，IPA突破較早，IPA質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.0時(shí)所需注入的體積較少，效率高;在水驅(qū)替IPA的過(guò)程中，當(dāng)水的流動(dòng)速度較小時(shí)突破也較早，純水時(shí)所需注入的體積較少，效率高;用低黏度流體驅(qū)替高黏度流體時(shí)，驅(qū)替發(fā)生“拖尾“，黏性指進(jìn)比高黏度的流體驅(qū)替低黏度流體的過(guò)程中嚴(yán)重;彌散系數(shù)與平均速度成正比，其比例系數(shù)與孔隙介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和驅(qū)替類型相關(guān)，同一介質(zhì)低黏度驅(qū)替高黏度流體時(shí)，其比例系數(shù)較大。

混相流動(dòng);黏度;速度;IPA驅(qū)水;水驅(qū)IPA;彌散系數(shù)

由于毛管力的存在，非混相驅(qū)替過(guò)程中大量殘油被圈閉在油藏中，造成其采收率較低?；煜囹?qū)已成為提高石油采收率的重要手段之一［1－4］，對(duì)混相流動(dòng)的彌散系數(shù)的研究［5－12］表明，孔隙介質(zhì)中的彌散系數(shù)與速度的冪函數(shù)成正比，比值在1～2之間［13－18］。筆者通過(guò)試驗(yàn)方法研究高黏度的異丙醇（isopropanol，IPA）驅(qū)替低黏度的水和水驅(qū)替IPA兩種驅(qū)替模式，通過(guò)對(duì)采得的混合液體樣品進(jìn)行分析，討論流速和驅(qū)替模式對(duì)于混相流動(dòng)和彌散系數(shù)的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

在室溫25℃下，將長(zhǎng)度為15 cm、直徑為2.54 cm的砂巖巖心柱中分別飽和黏度為2×10－3Pa·s的異丙醇和黏度為1×10－3Pa·s的水，然后分別進(jìn)行IPA驅(qū)水和水驅(qū)IPA試驗(yàn)。所用IPA和水的密度分別為0.786 g/cm3和1.000 g/cm3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)在加拿大卡爾加里大學(xué)試驗(yàn)室完成。試驗(yàn)所用的設(shè)備和材料包括巖心柱、真空泵、電子天平、壓力傳感器、手泵、壓差傳感器、液體推進(jìn)裝置及其相關(guān)電子器件、流出液體收集裝置、折射譜分析儀和數(shù)據(jù)采集裝置。部分儀器設(shè)備連接如圖1。

圖1 混合驅(qū)替裝置示意圖Fig.1 Sketch map of apparatus used in m iscible disp lacement experim ents

1.3 濃度校正曲線

混合液體的各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)是試驗(yàn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵之一。利用折射譜分析儀來(lái)建立折射系數(shù)與混合液組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的校正曲線。在試驗(yàn)開始之前，取10份（或者更多）組分比例已知且各不相同的混合溶液，通過(guò)折射譜分析儀得到其折射系數(shù)，在此基礎(chǔ)上建立折射系數(shù)與異丙醇和水的組合比例的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線（圖2）。例如混合溶液的折射系數(shù)為1.3772時(shí)，其中IPA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0;當(dāng)混合溶液的折射系數(shù)為1.335時(shí)，對(duì)應(yīng)的混合溶液為純水。

1.4 試驗(yàn)步驟

為了達(dá)到巖心的完全飽和，在巖心接觸水或IPA之前，需要將其用真空泵抽空，在此過(guò)程中巖心兩端壓力差保持為72.5 kPa。巖心需要在完全真空的條件下暴露24 h以上，目的是保證巖心孔隙中沒(méi)有其他流體的存在。然后將巖心與充滿水的量筒相連，水或IPA流入巖心中，1～2 h后達(dá)到完全飽和狀態(tài)，流入的水或IPA的體積即為巖心的孔隙總體積。需要注意的是，在飽和之前需要把量筒和連接儀器的管道中的氣泡清除，檢查閥門是否存在泄露，以減小試驗(yàn)誤差，測(cè)得真實(shí)的孔隙體積。

圖2 折射系數(shù)－質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系圖Fig.2 Relation of refractive indexes and IPA concentrations

樣品飽和水或IPA之后，將一定量的IPA或水注入液體推進(jìn)裝置中（要求異丙醇或水的體積為樣品孔隙體積的5倍以上）。將IPA或水以恒定的速度注入巖心樣品以驅(qū)替樣品中的水或IPA。在此過(guò)程中，通過(guò)壓力傳感器使樣品的兩端始終保持為恒壓差72.5 kPa。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間T1之后，在設(shè)備的末端開始出現(xiàn)液體。此后，每注入0.05Vp（Vp為孔隙體積倍數(shù)）的液體之后，對(duì)混合液體進(jìn)行一次采樣，記錄混合液樣品對(duì)應(yīng)的注入的IPA或水的體積。

通過(guò)折射譜分析儀器對(duì)采得的混合液體的樣品進(jìn)行分析，在注入的IPA或水體積與折射系數(shù)之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。持續(xù)地向巖心樣品中注入IPA或水，直到采集的混合液樣品的折射系數(shù)保持不變，也就是說(shuō)，等于純凈的異丙醇的折射系數(shù)1.377 2 （或者水的折射系數(shù)1.3325）之后，再采集樣品5～10次，目的是為了保證巖心樣品中所有的水或IPA都已經(jīng)被完全驅(qū)除。將測(cè)量所得樣品的折射系數(shù)與折射系數(shù)的校正曲線相比較，在曲線上找出對(duì)應(yīng)的各個(gè)樣品的組成比例，繪制圖形。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1給出了試驗(yàn)中所涉及的巖心樣品參數(shù)。

表1 巖心特性和試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Core proper ties and experimental parameters

重復(fù)做此試驗(yàn)，控制IPA或水注入巖心樣品的速度，分別取0.5、1.0、2.0mL/min的恒定速度。混合液中水或IPA的組成比例隨注入的IPA或水的體積變化，結(jié)果如圖3和圖4所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

分析圖3可以看到:當(dāng)IPA的速度為0.5 mL/ min時(shí)，在儀器出口處測(cè)得IPA出現(xiàn)的時(shí)間和IPA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0的時(shí)間均早于流速為1.0和2.0 m L/min的試驗(yàn)結(jié)果，從IPA突破到驅(qū)替結(jié)束所需注入的體積較小，不超過(guò)1.6Vp，質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的剖面呈現(xiàn)“S”形;當(dāng)高黏度流體驅(qū)替低黏度的流體時(shí)黏性指進(jìn)現(xiàn)象不明顯，液體在孔隙介質(zhì)中的前進(jìn)界面比較平緩。分析其原因可知，當(dāng)驅(qū)替與被驅(qū)替的流體的黏度比大于1時(shí)，液體的流動(dòng)性較差，難以穿過(guò)被驅(qū)替的流體形成黏性指進(jìn)，導(dǎo)致介質(zhì)中的驅(qū)替界面幾乎平齊。

由圖4可知:當(dāng)水的速度為0.5 mL/min時(shí)，在儀器出口處測(cè)得水的突破時(shí)間和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0的時(shí)間與流速為1.0、2.0 m L/min的試驗(yàn)中所得結(jié)果差別不大，但是當(dāng)水的流速較小時(shí)，從水突破到驅(qū)替結(jié)束所需注入的體積較少。值得注意的是，質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨注入體積變化的剖面并不是傳統(tǒng)的“S“形，而是在驅(qū)替后期出現(xiàn)較長(zhǎng)的”拖尾“現(xiàn)象，注入1.5Vp的水之后，采集到的樣品中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)已到達(dá)0.9，但是直到注入（2.7～3.3）Vp的水之后，孔隙中IPA才被完全驅(qū)替出巖心。這種現(xiàn)象說(shuō)明了在低黏度流體驅(qū)替高黏度的流體的過(guò)程中，介質(zhì)中的黏性比較嚴(yán)重，這就解釋了水在突破很長(zhǎng)一段時(shí)間后才將IPA完全驅(qū)替出巖心的原因。

試驗(yàn)結(jié)果表明:無(wú)論是高黏度驅(qū)替低黏度的IPA驅(qū)水，還是低黏度驅(qū)替高黏度的水驅(qū)IPA的試驗(yàn)中，驅(qū)替速度越低，相應(yīng)的驅(qū)替流體的突破越早，同時(shí)水或者IPA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.0時(shí)所需的注入體積也較少。分析其原因，當(dāng)流速較低時(shí)，彌散作用在流動(dòng)中的影響較高流速的驅(qū)替更為明顯;在注入同樣的體積時(shí)，驅(qū)替流體與被驅(qū)替流體之間的混合和過(guò)渡帶更為寬廣，導(dǎo)致了驅(qū)替流體更早的突破。在低速度驅(qū)替的過(guò)程中，由于時(shí)間的充足，不同孔徑中流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異受到彌散的影響越來(lái)愈小，從某種意義上降低了黏性指進(jìn)的影響，驅(qū)替界面較高黏度驅(qū)替時(shí)更為平穩(wěn)，大孔隙和小孔隙中的流體前進(jìn)界面相差不多，達(dá)到完全驅(qū)替所需的流體體積較少。

根據(jù)前人的研究，在一種流體驅(qū)替另外一種流體的試驗(yàn)中，可以根據(jù)下面的方法確定彌散系數(shù)

D［19］:

其中u表示流動(dòng)的平均速度，L表示孔隙介質(zhì)的長(zhǎng)度。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9和0.1時(shí)，λ90和λ10由注入的體積Vz與總孔隙體積V計(jì)算得到:

分析圖3和圖4中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在圖3的IPA驅(qū)水的試驗(yàn)中，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9和0.1時(shí)，以不同的速度注入時(shí)的體積與總孔隙體積比值不同（分別為1.4、1.3、1.2和1.1、1、0.97），但是通過(guò)計(jì)算得到的λ90－λ10都約為0.26，考慮讀數(shù)誤差，可以認(rèn)為彌散系數(shù)在同樣的孔隙介質(zhì)中，彌散系數(shù)與速度成正比，比例為固定值。而在圖4水驅(qū)IPA的試驗(yàn)中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9和0.1時(shí)，以不同的速度注入的體積與總孔隙體積的比值分別為1.6，1.65，1.67和0.9，0.95，0.96，λ90－λ10都約為0.5。由于醇類物質(zhì)的分子擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)量級(jí)為10－9m2/s，由此可得如下結(jié)論:在此注入流速范圍內(nèi)，不管是在低黏度流體驅(qū)替高黏度的流體（水驅(qū)IPA），還是高黏度流體驅(qū)替低黏度流體（IPA驅(qū)水）過(guò)程中，彌散系數(shù)與平均速度成正比，即

在低黏度驅(qū)替高黏度流體中，其比例系數(shù)γ較大，在高黏度流體驅(qū)替低黏度流體時(shí)，γ較小。γ指示流體在介質(zhì)中的彌散性，根據(jù)等式（2），有

分析可知，γ依賴于流體流經(jīng)的距離L和經(jīng)驗(yàn)修正因子。經(jīng)驗(yàn)修正因子實(shí)際上是一個(gè)反映所研究的樣品或者模擬系統(tǒng)的系數(shù)，指示其內(nèi)部看不到或者丟失的信息。由于樣品和模型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，彌散系數(shù)一般是由實(shí)驗(yàn)室獲得的。在同一模型中，驅(qū)替流體沿流動(dòng)方向彌散的速度隨著流速和模型規(guī)模的增加越來(lái)越大，同時(shí)受到驅(qū)替模式的影響，被驅(qū)替流體與驅(qū)替流體的黏度比越大時(shí)，彌散系數(shù)也越大。

4 結(jié)論

（1）在IPA驅(qū)水的過(guò)程中，驅(qū)替的界面平穩(wěn)而整齊;當(dāng)驅(qū)替的速度較低時(shí)，IPA突破較早，IPA質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.0時(shí)所需的注入體積較少，效率高。

（2）在水驅(qū)替IPA的過(guò)程中，當(dāng)水的流動(dòng)速度較小時(shí)突破也較早，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.0時(shí)所需注入的體積較少，效率高。

（3）高黏度的流體驅(qū)替低黏度流體時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)剖面發(fā)生”拖尾”現(xiàn)象，而當(dāng)?shù)宛ざ鹊牧黧w驅(qū)替高黏度的流體時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)剖面比較陡峭，說(shuō)明在高黏度流體驅(qū)替低黏度流體時(shí)流體在多孔介質(zhì)中的前進(jìn)界面平穩(wěn)而整齊;而在低黏度流體驅(qū)替高黏度流體時(shí)，存在嚴(yán)重的黏性指進(jìn)。

（4）不管是在低黏度流體驅(qū)替高黏度的流體（水驅(qū)IPA）還是高黏度流體驅(qū)替低黏度流體（IPA驅(qū)水）中，彌散系數(shù)與平均速度成正比，其比例系數(shù)依賴于孔隙介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和驅(qū)替類型，在同一介質(zhì)中，低黏度驅(qū)替高黏度流體時(shí)其比例系數(shù)較大，在高黏度流體驅(qū)替低黏度流體時(shí)，其比例系數(shù)比較小。

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Experimental study on displacement ofm iscible fluid flow in porous sandstone

CHEN Ping1，TAO Guo1，DONGMing－zhe2，3，YE Qing1
（1.State Key Laboratary of Petroleum Resourceand Prospecting，China University of Petroleum，Beijing 102249，China; 2.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China; 3.Chemical and Petroleum Engineering，University of Calgary，Calgary T2N 1N4，Canada）

The effects of velocity and displacing patterns on fluid flows and the dispersion coefficients were experimentally studied in the cases of themore viscous fluid（isopropanol，IPA）displacing less viscous fluid（water）and water displacing IPA in sandstone samples.The results show that in the case of IPA displacingwater，advancing frontsare stable and smooth. The IPA breakthrough occurs earlier and the volume required to achieve the complete displacement is less or displacement efficiency is higher when the displacing velocity is lower.In the case of water displacing IPA，the breakthrough and the displacement efficiency are similar to that in the case of IPA displacing water，but unstable fronts appear.Trailing phenomena were observed in the case of water displacing IPA.It implies that less viscous fluid displacingmore viscous fluid could have relatively lower displacement efficiency.The dispersion coefficient isgenerally proportional to the average flow velocity，while the proportional factors rely on both the pore structure and the displacing patterns.The dispersion coefficients are higher in the case of disp lacingmore viscous fluid in the same porousmedia.

miscible displacement;viscosity;velocity;IPA displacing water;water displacing IPA;dispersion coefficient

TE 357.45

A

10.3969/j.issn.1673－5005.2012.05.012

1673－5005（2012）05－0067－05

2012－06－10

測(cè)井前沿技術(shù)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究（2011A－3902）;國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目（2009644010）

陳萍（1983－），女（漢族），河北保定人，博士研究生，主要從事巖石物理與方法研究。

（編輯 修榮榮）