于馥瑋，高振東，朱文浩，王川，劉凡，徐飛，姜漢橋，李俊鍵

（1.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國石油大學(xué)（北京）），北京 102249；2.延長油田股份有限公司，陜西延安 716000；3.中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100083；4.海洋石油高效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028；5.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引言

裂縫性油藏原油儲(chǔ)量巨大，是保障能源戰(zhàn)略安全的重要資源基礎(chǔ)[1]。裂縫性油藏開發(fā)過程中，普遍面臨由于裂縫與基質(zhì)間滲流特征差異大導(dǎo)致的基質(zhì)原油動(dòng)用程度低的問題，如何高效地實(shí)現(xiàn)裂縫與基質(zhì)的油水置換是裂縫性油藏提高采收率的關(guān)鍵[2]。在此背景下，以篩選高效的“增能置換”流體為目標(biāo)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量針對具有潤濕改性、增溶降黏和低界面張力性能的低礦化水體系[3]、表面活性劑體系[4]、納米流體[5-6]及原位微乳液體系[7-8]的實(shí)驗(yàn)研究。其中，滲吸實(shí)驗(yàn)是模擬基質(zhì)-裂縫油水置換最直接的實(shí)驗(yàn)手段，也是滲吸體系評價(jià)最常用的方法[9-11]。目前的滲吸實(shí)驗(yàn)主要以巖心滲吸實(shí)驗(yàn)為主，普遍存在3方面的問題[12]：①巖心滲吸采出原油附著于巖心表面，采出程度計(jì)量不準(zhǔn)確；②巖心滲吸實(shí)驗(yàn)周期長；③實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅提供滲吸采出動(dòng)態(tài)曲線[13]。因此，亟需探索能夠直觀呈現(xiàn)油水在基質(zhì)-裂縫間置換動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)方法以實(shí)現(xiàn)對滲吸機(jī)制的深入研究。

為了揭示滲吸過程中原油的動(dòng)用機(jī)理，核磁共振和Micro CT掃描與巖心滲吸同步實(shí)驗(yàn)得到推廣應(yīng)用。通過核磁共振測試，能夠定量分析滲吸過程中不同尺寸孔隙中原油的動(dòng)用情況[14-17]；通過Micro CT測試，能夠直觀呈現(xiàn)滲吸過程中油相在孔隙中賦存狀態(tài)的變化。但這兩種測試手段無法直觀解釋孔隙中化學(xué)藥劑與原油在兩相界面的作用機(jī)制。微流控模型能夠直觀呈現(xiàn)流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)動(dòng)態(tài)，是近年來研究化學(xué)藥劑與原油作用機(jī)制的重要手段[18]。隨著微流控實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)并制作了與真實(shí)儲(chǔ)集層更為接近的3D玻璃微流控模型，對潤濕改性、表面活性劑擴(kuò)散、原位乳化和乳液滲吸等進(jìn)行了深入研究，有助于揭示化學(xué)藥劑作用機(jī)理以及篩選提高采收率的化學(xué)藥劑[7-8,19-20]。目前，利用微流控模型進(jìn)行的滲吸實(shí)驗(yàn)研究以裂縫-基質(zhì)等深的 2D模型為主，未能很好地模擬地下儲(chǔ)集層的裂縫-基質(zhì)滲吸環(huán)境。

本文設(shè)計(jì)并制作了一系列不同尺寸、不同潤濕性和不同邊界條件的裂縫-基質(zhì)滲吸微流控模型，為滲吸實(shí)驗(yàn)研究提供了一種相對快速的測試手段，可以直觀呈現(xiàn)裂縫與基質(zhì)間的油水置換過程，并進(jìn)行定量分析。利用微流控模型，本文開展了油-水、油-潤濕改性體系和油-Winsor Ⅲ型表面活性劑體系的滲吸實(shí)驗(yàn)，揭示了裂縫-基質(zhì)的油水滲吸置換機(jī)制。

1 裂縫-基質(zhì)微流控模型設(shè)計(jì)與制作

1.1 模型設(shè)計(jì)

通過圖像處理方法提取Micro CT掃描巖心切片的孔隙結(jié)構(gòu)，然后對其進(jìn)行二值化處理。由于巖心二維切片的孔隙連通性較差，需要通過分水嶺算法添加喉道形成連通的基礎(chǔ)孔隙網(wǎng)絡(luò)單元[21]。根據(jù)滲吸實(shí)驗(yàn)研究目標(biāo)和顯微鏡觀察視域，設(shè)計(jì)了一系列不同尺寸、不同邊界條件的裂縫網(wǎng)絡(luò)模型（見圖 1）；同時(shí)，根據(jù)裂縫網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了基礎(chǔ)孔隙網(wǎng)絡(luò)單元的拼接（黑色虛線網(wǎng)格），其中每個(gè)基礎(chǔ)孔隙網(wǎng)絡(luò)單元尺寸為1.2 mm×1.2 mm。

圖1 裂縫網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)圖（AFO—全開放邊界；TEO—兩邊開放邊界；OEO—單開放邊界）

1.2 模型制作

采用“二步刻蝕方法”制作裂縫-基質(zhì)微流控模型：①利用裂縫網(wǎng)絡(luò)模型掩膜版在玻璃片上進(jìn)行裂縫刻蝕；②利用基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)模型掩膜版在已經(jīng)刻蝕了裂縫通道的玻璃片上進(jìn)行基質(zhì)刻蝕。裂縫通道與基質(zhì)通道微米級精度的對準(zhǔn)通過“十字游標(biāo)法”實(shí)現(xiàn)[8]，通過控制裂縫、基質(zhì)刻蝕時(shí)間，確保微流控模型中裂縫通道的寬度、深度均遠(yuǎn)大于基質(zhì)模型中的孔喉通道，保證基質(zhì)和裂縫的尺寸差異，從而改善現(xiàn)有微流控模型通道深度均一、難以體現(xiàn)真實(shí)地層滲透率級差的缺陷，同時(shí)也避免實(shí)驗(yàn)中裂縫內(nèi)水驅(qū)對基質(zhì)的影響。

通過模型飽和油后的圖像可以看出裂縫內(nèi)油相的顏色遠(yuǎn)深于基質(zhì)中的油相（見圖2），證實(shí)了模型裂縫、基質(zhì)通道深度的差異性。其中，每個(gè)模型的裂縫通道寬度、深度均相同，寬度為400 μm，深度30 μm；基質(zhì)區(qū)域的孔隙通道平均寬度10 μm，平均深度3 μm?？梢圆捎靡掖既芤海ㄈ谆裙柰橘|(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%）浸泡微觀通道的方法[7-8]，將模型潤濕性由水濕轉(zhuǎn)變?yōu)橛蜐瘛?/p>

圖2 模型飽和油后微觀圖像

2 滲吸實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括Leica M165FC熒光體視顯微鏡、Leica DFC450相機(jī)（100幀，2 560像素×1 920像素）、Fluigent MFCS-EZ進(jìn)樣系統(tǒng)、Harvard恒流注射泵等。

實(shí)驗(yàn)用油為原油（20 ℃時(shí)黏度為 9.1 mPa·s），實(shí)驗(yàn)用表面活性劑體系為Shell公司的ENORDE O332和Stepan公司的PETROSETP S-13B，助溶劑為阿拉丁公司的N-butanol。

實(shí)驗(yàn)用化學(xué)藥劑體系的篩選依據(jù)前期研究中的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果完成[21]。潤濕改性體系由 0.75%表面活性劑S-13B、0.25%表面活性劑O332、2%助溶劑和3%的KCl溶液組成；Winsor Ⅲ型表面活性劑體系由0.75%表面活性劑 S-13B、0.25%表面活性劑 O332、2%助溶劑和5.25%的KCl溶液組成。

潤濕改性體系與原油的界面張力通過 Texas-500界面張力儀測得，其界面張力約為1.1 mN/m；根據(jù)Huh理論[22]，30%的原油與70%的Winsor Ⅲ型表面活性劑體系在移液管中混合靜置后的界面張力為3×10-3mN/m，Winsor Ⅲ型表面活性劑體系具有較強(qiáng)的溶油能力，能夠與原油混溶形成中相微乳液。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案與步驟

本文共設(shè)計(jì)21組滲吸實(shí)驗(yàn)，如表1所示。實(shí)驗(yàn)步驟如下。

表1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

①飽和油：0.1 MPa壓力下向烘干后的模型內(nèi)注入原油，原油從模型出口流出后，將注入壓力升高至0.3 MPa使模型內(nèi)氣泡全部排出，飽和油后將模型浸泡在原油中老化24 h；②油-水滲吸：以0.1 μL/min的注入速度沿裂縫通道注入水相，水驅(qū)10 PV（孔隙體積倍數(shù)）后停止注入，將模型浸泡在水中進(jìn)行油-水滲吸，定期取出模型觀察滲吸動(dòng)態(tài)，并采集圖像與視頻；③油-化學(xué)藥劑體系滲吸：在油水滲吸結(jié)束后，以0.1 μL/min的注入速度沿裂縫通道注入潤濕改性體系或 Winsor Ⅲ型表面活性劑體系，驅(qū)替10 PV后停止注入，將模型浸泡在潤濕改性體系或 Winsor Ⅲ型表面活性劑體系中，定時(shí)觀察滲吸動(dòng)態(tài)，并采集圖像與視頻。

3 滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 裂縫-基質(zhì)間油水兩相滲吸置換機(jī)理

3.1.1 油-水

水濕模型中的油水滲吸動(dòng)態(tài)顯示，水相從裂縫吸入基質(zhì)，而油相從基質(zhì)流入裂縫（以方案A-1為例，見圖3）。從圖中可以直觀看出，水濕多孔介質(zhì)的油水滲吸是逆向滲吸過程，且油相以油滴的形式采出，隨著時(shí)間的延長，在模型邊緣逐漸增多，這與前人進(jìn)行的巖心滲吸實(shí)驗(yàn)中在巖心表面所觀察到的現(xiàn)象是一致的[12]。

圖3 水濕模型中的油水滲吸動(dòng)態(tài)（方案A-1）

由水濕模型中油相滲吸采出的微觀動(dòng)態(tài)可以看出（見圖4），油相（黃色）在滲吸過程中的采出動(dòng)態(tài)是一個(gè)循環(huán)的過程：油相前緣以凸液面的形態(tài)從基質(zhì)進(jìn)入裂縫中（見圖4a—圖4d），在基質(zhì)-裂縫交界處油相作為非潤濕相被裂縫中的潤濕相（水相，藍(lán)色）擠壓，最終油相被卡斷（見圖4e），以油滴的形式進(jìn)入裂縫中（見圖4f、圖4g），2.0 s時(shí)再次被卡斷（見圖4h）。這是一個(gè)典型的海恩斯階躍過程，油水間壓差即毛管壓力為動(dòng)力，可用（1）式表征[23]：

圖4 方案A-1中油相采出過程的微觀圖像

油水滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，由水濕模型中油相在基質(zhì)內(nèi)的賦存狀態(tài)可以看出（見圖 5），在強(qiáng)水濕多孔介質(zhì)中水相作為潤濕相，呈連續(xù)態(tài)分布，占據(jù)著孔隙的邊緣；而油相作為非潤濕相，主要分布在孔隙中央，與巖石接觸較少，此時(shí)油相失去了毛管壓力的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也受其本身尺寸的影響無法在浮力作用下繼續(xù)運(yùn)移，最終被束縛在孔隙中形成滲吸剩余油。

圖5 方案A-1中油水滲吸后剩余油賦存狀態(tài)

3.1.2 油-潤濕改性體系

微觀模型中注入潤濕改性劑，油-水-巖石的接觸關(guān)系發(fā)生變化（見圖 6），微觀模型從油濕的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為水濕狀態(tài)，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的開展奠定了基礎(chǔ)。

圖6 潤濕改性體系對裂縫通道中油相的作用效果

在潤濕改性體系作用下，油濕模型中油相的采出過程（見圖7）與方案A-1水濕模型中的油水滲吸相比，基質(zhì)中排出的油滴更大，與巖石的接觸也更加緊密。

圖7 方案B-6（a）、B-2（b）中潤濕改性體系作用下油相的排出圖像

在潤濕改性體系作用下，原本油濕的微觀模型呈現(xiàn)出親水的特性，油相從油濕基質(zhì)排出的過程也是在毛管壓力作用下完成，用（1）式表征。潤濕改性體系作用下，界面張力的降低導(dǎo)致毛管壓力作用減弱，基質(zhì)排油變慢，同時(shí)削弱了毛細(xì)管回壓（capillary back pressure）的作用，因此在基質(zhì)與裂縫交界處油滴不易被卡斷而形成大的油滴（見圖8）。

圖8 方案B-1中潤濕改性體系作用下油滴排出過程的微觀圖像

從方案B-1滲吸后期基質(zhì)內(nèi)部和裂縫-基質(zhì)交界處的微觀圖像（見圖9）可以觀察到，與水濕介質(zhì)中油水滲吸的海恩斯階躍過程相比，在孔隙內(nèi)形成的球形小液滴（水包油乳液）直接從基質(zhì)內(nèi)部運(yùn)移到裂縫處，這是潤濕改性體系具備乳化作用的結(jié)果。在低界面張力條件下，油相在運(yùn)移過程中更易被剪切形成乳液，當(dāng)這種水包油乳液液滴足夠小且其尺寸小于流通通道的尺寸時(shí)，可直接在浮力作用下流入裂縫中。

圖9 潤濕改性體系作用下方案B-1滲吸后期的微觀圖像

潤濕改性體系在油濕多孔介質(zhì)中滲吸結(jié)束后，基質(zhì)內(nèi)部油相的賦存存在3種狀態(tài)（見圖10）：①剪切作用下形成粒徑較大的油滴，受孔喉束縛滯留在孔隙中；②潤濕改性劑作用下巖石壁面呈水濕特征，但由于黏附作用未與壁面完全剝離的油相；③呈油濕特征的位置，油相以連續(xù)型剩余油的形式占據(jù)整個(gè)孔隙。潤濕改性體系主要通過改變油-水-巖石三相交界面的分離壓力實(shí)現(xiàn)油水兩相界面的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)潤濕性的反轉(zhuǎn)；但對于油膜覆蓋整個(gè)巖石壁面的位置，由于潤濕改性體系作用效果較差呈油濕特征，形成占據(jù)整個(gè)孔隙的連續(xù)型剩余油。

圖10 方案B-1中油-潤濕改性體系滲吸結(jié)束后油相賦存狀態(tài)

3.1.3 油-Winsor Ⅲ型表面活性劑體系

Winsor Ⅲ型表面活性劑注入后，油濕模型內(nèi)裂縫壁面附著的油相與 Winsor Ⅲ型表面活性劑體系在靜態(tài)條件下的作用動(dòng)態(tài)如圖11所示。剛注入Winsor Ⅲ型表面活性劑體系時(shí)模型仍呈油濕狀態(tài)，但在 WinsorⅢ型表面活性劑體系與油相界面出現(xiàn)了中相微乳液和表面活性劑的擴(kuò)散條帶（見圖 11a），且表面活性劑的擴(kuò)散作用會(huì)促使形成更多的中相微乳液。在原本油濕的模型中，與 Winsor Ⅲ型表面活性劑體系和油相相比，中相微乳液是潤濕相（見圖 11b、圖 11c）。與潤濕改性體系直接實(shí)現(xiàn)油濕模型的潤濕反轉(zhuǎn)不同，Winsor Ⅲ型表面活性劑體系通過形成更潤濕的中相微乳液實(shí)現(xiàn)潤濕反轉(zhuǎn)[7]。靜置一段時(shí)間后，中相微乳液被稀釋、顏色變淺，觀察到許多表面活性劑溶液液滴，微乳液與 Winsor Ⅲ型表面活性劑體系的界面逐漸模糊，這歸因于中相微乳液體系的動(dòng)態(tài)平衡機(jī)制[21]。受局部平衡條件的影響，中相微乳液先在油相周圍形成，然后與過量的 Winsor Ⅲ型表面活性劑溶液繼續(xù)相互作用逐漸向下相微乳液過渡。由于Winsor Ⅲ型表面活性劑體系的溶油量遠(yuǎn)大于模型中的剩余油含量，因此在達(dá)到平衡后，充滿模型的是下相微乳液。

圖11 油濕模型內(nèi)Winsor Ⅲ型表面活性劑體系與原油的相互作用動(dòng)態(tài)

由圖 12可以看出，Winsor Ⅲ型表面活性劑體系的滲吸是典型的底部吸水頂部排油的順向滲吸過程。Winsor Ⅲ型表面活性劑體系從模型底部吸入并與油相作用形成中相微乳液，而油相在浮力作用下持續(xù)從頂部排出。

圖12 方案C-4中Winsor Ⅲ型表面活性劑體系作用下滲吸過程微觀圖像

從油濕模型在 Winsor Ⅲ型表面活性劑體系作用下的油相采出動(dòng)態(tài)可以看出（見圖13），模型頂部油相主要以中相微乳液的形式持續(xù)從基質(zhì)中排出；而根據(jù)微乳液的平衡理論可知采出的中相微乳液會(huì)溶解稀釋再平衡，最終形成下相微乳液，這與Winsor Ⅲ型表面活性劑體系巖心滲吸實(shí)驗(yàn)中觀察到的采出液一致[13]。由于中相微乳液與油相及 Winsor Ⅲ型表面活性劑溶液均是超低界面張力，海恩斯階躍現(xiàn)象不再存在，采出的中相微乳液會(huì)在巖石表面鋪展，最終在浮力作用或混溶作用下從基質(zhì)進(jìn)入裂縫中。

圖13 方案C-4油相在Winsor Ⅲ型表面活性劑體系作用下持續(xù)排出的過程（①微乳液；②裂縫中的油；③基質(zhì)孔隙中的油）

因此，通過Winsor Ⅲ型表面活性劑體系提高滲吸效率主要包括 3個(gè)作用機(jī)理：超低界面張力條件下的浮力作用；中相微乳液的形成與再平衡過程中對基質(zhì)內(nèi)油相的溶解作用；中相微乳液的潤濕鋪展作用。

3.2 滲吸主控因素影響機(jī)制

3.2.1 潤濕性

對于毛管壓力主導(dǎo)的油水滲吸，潤濕性是滲吸能否啟動(dòng)的主控因素。與方案A-1的結(jié)果（見圖5）相比，方案A-2中毛管壓力為水進(jìn)入基質(zhì)的阻力，滲吸40 h后裂縫中的水相仍無法進(jìn)入油濕基質(zhì)中（見圖14），檢驗(yàn)了微流控模型進(jìn)行表面改性后（三甲基氯硅烷質(zhì)量濃度為1%的乙醇溶液）的油濕特性。

圖14 方案A-2滲吸40 h后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

潤濕改性體系能夠?qū)崿F(xiàn)油濕多孔介質(zhì)的潤濕反轉(zhuǎn)，將油濕基質(zhì)中的毛管壓力變?yōu)闈B吸的動(dòng)力，從而使油水在基質(zhì)內(nèi)滲吸置換。方案 B-1的油濕模型獲得了與水濕模型油水滲吸（見圖5）相近的滲吸采出程度（見圖 15）；而潤濕改性體系對水濕介質(zhì)中油-水滲吸后的剩余油作用效果有限（見圖16），由于沒有流場擾動(dòng)作用，潤濕改性體系對滲吸后剩余油的乳化作用效果微弱，剩余油基本未得到動(dòng)用。

圖15 方案B-1中油-水滲吸（a）及潤濕改性體系-油滲吸（b）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖16 方案B-2油-水滲吸（a）及潤濕改性體系-油滲吸（b）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

與上述結(jié)果不同的是，對于超低界面張力的Winsor Ⅲ型表面活性劑，毛管壓力不是滲吸的主要?jiǎng)恿?，潤濕性對滲吸的啟動(dòng)基本沒有影響，水濕基質(zhì)內(nèi)油水滲吸后的剩余油和油濕介質(zhì)中的油相在 WinsorⅢ型表面活性劑體系的浮力和增溶作用下都得到了有效動(dòng)用（見圖17）。

圖17 方案C-2（a）和方案C-1（b）滲吸實(shí)驗(yàn)前后對比

3.2.2 重力

從方案 A-3和 A-4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出（見圖 18），垂直放置模型與水平放置模型的滲吸采出程度相近，說明浮力對水濕多孔介質(zhì)油水滲吸的影響極小，且這一過程由毛管壓力主導(dǎo)。

圖18 方案A-3（a）和方案A-4（b）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從方案B-3和B-4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出（見圖19），垂直放置的微觀模型的滲吸采出程度高于水平放置的微觀模型。根據(jù)前文分析，這是由于乳化作用下微觀模型中的油滴可以通過浮力作用采出，但此作用僅在乳液粒徑小于孔喉直徑時(shí)才能得以發(fā)揮，提高采收率。因此，重力在潤濕改性體系提高滲吸采收率中具有一定作用，本文所用潤濕改性體系的滲吸過程仍是以毛管壓力為主導(dǎo)。

圖19 方案B-3（a）和方案B-4（b）的滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從方案C-3和C-4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出（見圖20），水平放置模型滲吸采收率遠(yuǎn)低于垂直放置模型的滲吸采收率，即重力在Winsor Ⅲ型表面活性劑體系滲吸過程中起主導(dǎo)作用。雖然Winsor Ⅲ型表面活性劑體系的擴(kuò)散混溶作用對基質(zhì)內(nèi)油相的采出也有一定作用，但根據(jù)Yu等[21]前期研究，形成的中相微乳液被表面活性劑體系稀釋溶解的過程非常緩慢，并且會(huì)阻礙表面活性劑體系與模型內(nèi)部的油相相互作用，所以表面活性劑擴(kuò)散作用對基質(zhì)采收率的貢獻(xiàn)十分有限。

圖20 方案C-3（a）和方案C-4（b）的滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 滲吸采收率標(biāo)度方程

4.1 毛管壓力主導(dǎo)的滲吸方程

根據(jù)前述研究，水濕模型中的油水滲吸為毛管壓力主導(dǎo)的逆向滲吸[24]，因此，可采用 Ma等[25]提出的無因次時(shí)間tD來表征這一滲吸過程：

由于逆向滲吸各個(gè)邊界對滲吸采出程度的貢獻(xiàn)是相同的，因此用下式計(jì)算特征長度[25]：

根據(jù)上述公式，利用本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制了無因次時(shí)間與歸一化采出程度（即實(shí)際采出程度與最高采出程度之比）的關(guān)系曲線（見圖21）。從圖中可以看出，微觀模型滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Ma等[25]和Standnes等[26]提出的經(jīng)典滲吸標(biāo)度方程擬合較好，即微觀模型滲吸過程與巖心滲吸過程具有極高的一致性，能夠準(zhǔn)確地反映多孔介質(zhì)中的油水滲吸動(dòng)態(tài)。

圖21 水濕模型歸一化采出程度與無因次時(shí)間的關(guān)系曲線

通過不同尺寸、不同邊界條件的油濕模型實(shí)驗(yàn)，得出潤濕改性體系作用下的油相滲吸采出程度與滲吸時(shí)間在對數(shù)坐標(biāo)系下呈線性關(guān)系（見圖22）。結(jié)合前文實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知油濕模型在潤濕改性體系作用下的油水滲吸仍以毛管壓力為主導(dǎo)，因此可用（2）式與（3）式建立的滲吸標(biāo)度方程進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖23所示，可以看出滲吸結(jié)果與毛管壓力主導(dǎo)的經(jīng)典滲吸標(biāo)度方程擬合結(jié)果較好。

圖22 油濕微觀模型潤濕改性體系作用下滲吸采出程度和滲吸時(shí)間關(guān)系曲線

圖23 油濕微觀模型潤濕改性體系作用下歸一化采出程度與無因次時(shí)間的關(guān)系曲線

4.2 重力主導(dǎo)的滲吸方程

從不同尺寸、不同邊界的油濕模型在Winsor Ⅲ型表面活性劑體系作用下的滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出（見圖24），模型尺寸變大雖然會(huì)導(dǎo)致滲吸時(shí)間變長，但滲吸采出程度并未隨著模型變大而顯著降低。

圖24 油濕模型在Winsor Ⅲ型表面活性劑體系作用下的滲吸采出動(dòng)態(tài)曲線

不同尺寸微觀模型的滲吸結(jié)果與Li等[14]進(jìn)行的巖心滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，可以通過Winsor Ⅲ表面活性劑體系的滲吸機(jī)制來解釋，即其滲吸包含兩個(gè)過程：超低界面張力條件下油相受浮力作用從模型底部向模型頂部的運(yùn)移；油相與Winsor Ⅲ型表面活性劑體系互溶形成的中相微乳液繼而被過量的 Winsor Ⅲ型表面活性劑體系稀釋而采出（中相微乳液再平衡）。中相微乳液的形成和稀釋需要外部環(huán)境中表面活性劑的持續(xù)擴(kuò)散來提升微乳液周圍水相中表面活性劑的濃度，以保證稀釋過程持續(xù)進(jìn)行，通常需要很長的時(shí)間。當(dāng)模型尺寸過小時(shí)，大部分油相在浮力作用下被采出，而滯留在模型中的油相尚未完成與 Winsor Ⅲ型表面活性劑體系混溶，導(dǎo)致小模型部分原油的滯留；而大模型中底部油相在浮力作用下運(yùn)移至模型頂部，為中相微乳液的形成和稀釋提供了較為充分的反應(yīng)時(shí)間，模型中的殘余油通過混溶過程被采出，因此大模型的采出程度沒有因?yàn)槟Ｐ统叽缱兇蠖蠓认陆怠?/p>

邊界條件對 Winsor Ⅲ型表面活性劑體系的滲吸采出程度影響極大（見圖24），一端開啟邊界和兩端開啟邊界的滲吸采出程度遠(yuǎn)低于全開啟邊界，這與Mejia等[27]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，即超低界面張力體系下重力主導(dǎo)的滲吸模型頂端與底端的開放對滲吸采出程度起著決定性作用。Li等[14]根據(jù) CT掃描圖像建立了重力主導(dǎo)滲吸采收率標(biāo)度方程。但由于微流控模型為單層孔喉通道，三維模型的滲吸模式與二維模型的滲吸模式存在差異（見圖25，其中紅色代表未被水侵入的區(qū)域，藍(lán)色代表水侵入的區(qū)域），因此需要對基于巖心建立的重力主導(dǎo)滲吸模型進(jìn)行改進(jìn)。

如圖25所示，水相進(jìn)入基質(zhì)的體積即為油相采出體積，可用下式表示：

圖25 三維巖心模型（a）與二維微觀模型（b）在Wisnor Ⅲ型表面活性劑體系下的滲吸模式圖

結(jié)合（4）式，Winsor Ⅲ型表面活性劑體系在二維模型中滲吸采出程度為：

由于二維模型與三維模型的推導(dǎo)過程是一致的，仍參考Li等[14]的推導(dǎo)結(jié)果，得到無因次時(shí)間tD2：

建立二維模型中滲吸采出程度與無因次時(shí)間的關(guān)系方程：

圖26展示了不同尺寸油濕模型在Winsor Ⅲ型表面活性劑體系作用下無因次時(shí)間與滲吸采出程度的關(guān)系，本文所建立的滲吸模型與Li等[14]建立的公式相比能夠更加準(zhǔn)確地描述二維模型中 Winsor Ⅲ型表面活性劑體系與油相的滲吸過程。

圖26 油濕模型在Winsor Ⅲ型表面活性劑體系作用下的滲吸采出動(dòng)態(tài)曲線

5 結(jié)論

在油-水滲吸過程中，基質(zhì)中的油相通過海恩斯階躍向裂縫中流動(dòng)，毛細(xì)管回壓是阻礙基質(zhì)油相排出的主要阻力；油-潤濕改性體系滲吸過程中，基質(zhì)仍通過海恩斯階躍過程排油，界面張力的降低減弱了海恩斯階躍和排油速度，藥劑體系乳化作用形成的小油滴會(huì)在重力作用下從基質(zhì)排出，同時(shí)毛細(xì)管回壓的降低提高了油相采出程度；油-Winsor Ⅲ型表面活性劑體系滲吸始終伴隨著中相微乳液的形成與再平衡，其提高滲吸采收率的主要機(jī)理包括超低界面張力條件下的浮力作用、中相微乳液的形成與再平衡過程中對基質(zhì)內(nèi)油相的溶解及中相微乳液的潤濕鋪展作用。

油-水和油-低界面張力潤濕改性體系滲吸是毛管壓力主導(dǎo)的逆向滲吸過程，各個(gè)邊界對滲吸的貢獻(xiàn)程度相近，微觀模型中的滲吸采出動(dòng)態(tài)與經(jīng)典滲吸標(biāo)度方程擬合較好；油-Winsor Ⅲ型表面活性劑體系滲吸是在超低界面張力條件下由重力主導(dǎo)的順向滲吸過程，其在微觀模型中的滲吸動(dòng)態(tài)與本文對經(jīng)典滲吸標(biāo)度方程的修正模型擬合較好。

符號(hào)注釋：

Ai——i方向的滲吸面積，cm2；g——重力加速度，取9.8 m/s2；H——基質(zhì)高度，cm；K——滲透率，10-3μm2；Krm——中相微乳液相對滲透率；L——基質(zhì)寬度，cm；LAi——滲吸前緣從開啟面到封閉邊緣的距離，cm；LC——特征長度，cm；M——中相微乳液與油相流度比；n——巖心與水接觸面的數(shù)量；pn——非潤濕相流體的壓力，mPa；pw——潤濕相流體的壓力，mPa；r(x)——滲吸前緣流經(jīng)某一位置x的孔隙半徑，m；RG——重力主導(dǎo)滲吸的滲吸采出程度；Soi——原始含油飽和度，%；Sor——?dú)堄嘤惋柡投龋?；t——滲吸時(shí)間，min；tD——毛管壓力主導(dǎo)滲吸的無因次滲吸時(shí)間，無因次；tD2——重力主導(dǎo)滲吸的無因次滲吸時(shí)間，無因次；T——孔喉通道深度，cm；Vb——模型體積，cm3；xb——基質(zhì)底部水相侵入前緣到基質(zhì)邊界的距離，cm；α(x)——滲吸前緣到達(dá)某一位置x時(shí)，孔隙壁面與局部流動(dòng)方向間的夾角，（°）；β——單位轉(zhuǎn)換因子，取 0.019；γ——界面張力，mN/m；δ——表征二維模型毛管壓力被弱化的參數(shù)，本文取值0.02；Δp(x)——滲吸前緣到達(dá)某一位置x時(shí)，潤濕相與非潤濕相流體間的壓力差，mPa；ΔV——水相進(jìn)入基質(zhì)的體積，cm3；Δρ——水相與油相密度差，g/cm3；θ——接觸角，（°）；μo——油相黏度，mPa·s；μm——中相微乳液黏度，mPa·s；μw——水相黏度，mPa·s；φ——孔隙度，%。