田 鍵 康毅力 游利軍 賈 鈉 王藝鈞 秦朝中 ,2)

* (重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044)

? (西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610500)

** (里賈納大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,加拿大 里賈納 S4S 0A2)

引言

以致密砂巖氣、頁(yè)巖氣以及煤層氣為代表的非常規(guī)天然氣開(kāi)發(fā)是我國(guó)油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要組成.其中,致密砂巖氣在我國(guó)鄂爾多斯、四川、塔里木、松遼和渤海灣等盆地廣泛分布,預(yù)估資源量約2.185×1013m3,是當(dāng)前我國(guó)產(chǎn)氣量最大的非常規(guī)天然氣資源[1].然而,由于致密砂巖氣藏儲(chǔ)層巖石低孔低滲且普遍親水[2-3],導(dǎo)致在開(kāi)采過(guò)程中容易出現(xiàn)水相圈閉損害,嚴(yán)重制約致密砂巖氣高效開(kāi)發(fā)[4].水相圈閉損害本質(zhì)上屬于巖石內(nèi)部氣水兩相滲流問(wèn)題,受到微納米級(jí)孔喉結(jié)構(gòu)的影響,致密砂巖孔隙尺度下氣水兩相流動(dòng)過(guò)程中的界面效應(yīng)顯著,并對(duì)巖石內(nèi)部各種微觀滲流行為產(chǎn)生重要影響.國(guó)內(nèi)外眾多研究表明,孔隙尺度下氣-水界面演化將引起氣體卡斷、驅(qū)替指進(jìn)和繞流等效應(yīng),是形成囚閉氣(本文將孔隙尺度下形成的水封氣稱(chēng)為囚閉氣;巖心尺度以及儲(chǔ)層尺度形成的水封氣稱(chēng)作圈閉氣)和束縛水的直接原因[5-6].目前,圍繞致密砂巖水相圈閉損害作用機(jī)制開(kāi)展孔隙尺度下氣-水界面動(dòng)態(tài)演化行為與氣水流動(dòng)特性的研究還缺乏相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道.因此,開(kāi)展孔隙尺度下氣-水界面演化行為研究能夠幫助理解并揭示致密砂巖內(nèi)部微觀水封氣的形成過(guò)程,對(duì)探明致密砂巖氣水兩相微觀滲流規(guī)律,揭示水相圈閉損害對(duì)致密砂巖氣體產(chǎn)出能力的影響有著重要意義.

以往致密砂巖氣水兩相滲流研究主要采用巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)進(jìn)行,屬于“黑箱”研究方法[7],無(wú)法直接描述孔隙尺度下氣-水界面演化行為對(duì)氣水兩相流動(dòng)狀態(tài)和氣體圈閉的影響.另一方面,借鑒可視化成像技術(shù)揭示孔隙尺度下流體界面效應(yīng)與微流動(dòng)規(guī)律已成為多孔介質(zhì)滲流領(lǐng)域研究的一大熱點(diǎn)[8-10].其中,核磁共振和CT 掃描技術(shù)能夠分析兩相流動(dòng)過(guò)程中孔隙尺度下飽和度的分布和界面驅(qū)替前緣演化特點(diǎn),但受到高時(shí)空分辨率和成像技術(shù)的限制,不能實(shí)時(shí)描述水膜生長(zhǎng)和氣體卡斷等界面演化行為和兩相流動(dòng)物理過(guò)程[11-12].

微流控芯片技術(shù)的發(fā)展為直觀研究孔隙尺度下流體界面效應(yīng)和流動(dòng)特性創(chuàng)造了條件[13-16].學(xué)者們基于微流控芯片技術(shù)開(kāi)展了孔隙尺度下滲吸驅(qū)油與提高采收率機(jī)理的可視化研究,分析了油-水界面動(dòng)態(tài)演化對(duì)殘余油和束縛水形成的微觀作用機(jī)制[17-21],此外,利用微流控技術(shù)研究CO2在地質(zhì)封存過(guò)程中的毛細(xì)封存機(jī)制也有著重要應(yīng)用[9].基于微流控芯片技術(shù),筆者前期初步研究了致密砂巖氣藏孔隙尺度下水相圈閉損害的動(dòng)態(tài)形成過(guò)程,但有關(guān)孔隙尺度下水相返排機(jī)制、氣水流動(dòng)通道分布,以及氣-水界面動(dòng)態(tài)演化與巖心尺度氣水流動(dòng)效應(yīng)之間的作用關(guān)系還需進(jìn)一步討論[22].

本文基于前期研究工作,通過(guò)設(shè)計(jì)兩種結(jié)構(gòu)微流控模型,針對(duì)滲吸和返排兩個(gè)環(huán)節(jié)可視化研究孔隙尺度下氣-水界面的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程與描述氣水流動(dòng)狀態(tài)變化.在此基礎(chǔ)上,結(jié)合巖心尺度驅(qū)替實(shí)驗(yàn),定性探討孔隙尺度氣-水界面演化與致密砂巖宏觀氣體流動(dòng)效應(yīng)的關(guān)聯(lián)機(jī)制.通過(guò)研究,將有助于提高對(duì)致密砂巖氣水兩相流動(dòng)機(jī)理和水相圈閉損害微觀作用機(jī)制的理論認(rèn)識(shí);同時(shí),也可為頁(yè)巖儲(chǔ)層和煤巖儲(chǔ)層氣水兩相微觀滲流機(jī)理研究提供借鑒.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 孔隙尺度實(shí)驗(yàn)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用圖1 所示的實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)展孔隙尺度下氣-水界面動(dòng)態(tài)演化和兩相流動(dòng)行為可視化觀察.體視顯微鏡所用型號(hào)為Olympus SZX16,其最大工作距離為60 mm,擁有0.7～11.5 倍的變焦范圍.在搭配SC180 鏡頭后總光學(xué)放大倍率范圍為1.4～23 倍,數(shù)字總放大倍率為28～430 倍,圖片輸出幀率為30 fps,像素為4912×2762.在本文實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,采用10 倍變焦范圍進(jìn)行可視化觀察.微注射泵選用Chemyx Fusion 200 注射泵,最小注入流量為0.0001 μL/min.

圖1 微流體實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the microfluidics experiment apparatus

1.1.2 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)致密砂巖鑄體薄片結(jié)果,分別設(shè)計(jì)了一維單通道模型和二維孔隙網(wǎng)絡(luò)兩種模型.為了便于觀察氣-水界面演化過(guò)程,通過(guò)圖像處理提取致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)特征和孔喉比等參數(shù),并忽略孔喉壁面粗糙度的影響,設(shè)計(jì)如圖2 所示的簡(jiǎn)化模型.其中,一維單通道微模型孔隙半徑為75 μm,3 個(gè)連續(xù)喉道半徑從大到小依次為25,15 和7.5 μm,換算孔喉比依次為3,5 和10,用以考察氣和水在孔喉比連續(xù)變化的單根毛細(xì)通道中的流動(dòng)情形.孔隙網(wǎng)絡(luò)模型最小喉道半徑約2 μm,最大孔隙半徑為30 μm,有效配位數(shù)范圍在2～4 之間,測(cè)算平均迂曲度大于2,在一定程度上反映了致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的連通狀況,用以研究迂曲度和配位數(shù)對(duì)氣水兩相界面演化行為和流動(dòng)過(guò)程的影響.采用濕刻法對(duì)德國(guó)肖特硼硅玻璃進(jìn)行微流控芯片模型刻蝕,芯片刻蝕統(tǒng)一深度約為6 μm,芯片內(nèi)部刻蝕通道結(jié)構(gòu)平均接觸角小于30°,具有致密砂巖氣藏的親水特性.有關(guān)微流控芯片模型的具體刻蝕流程和制作工藝詳情可參考文獻(xiàn)[6].

1.1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

分別利用一維單通道模型和二維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型開(kāi)展孔隙尺度下滲吸和返排過(guò)程氣-水界面動(dòng)態(tài)演化可視化實(shí)驗(yàn),其中,兩種模型在滲吸過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)溫度均為恒溫19 °C,實(shí)驗(yàn)壓力為大氣壓.具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1)將玻璃芯片于馬弗爐中烘焙約半小時(shí),溫度為420 °C,去除微通道管壁里面的雜質(zhì);

(2)待玻璃芯片冷卻至室溫后與夾具組裝到一起并連接到驅(qū)替裝置上;

(3)將組裝好的芯片放置到顯微鏡載物臺(tái)上,調(diào)整芯片位置和顯微鏡的工作距離與物鏡參數(shù)等,使芯片中的微通道結(jié)構(gòu)能夠被顯微鏡清晰捕捉;

(4)打開(kāi)監(jiān)測(cè)軟件,設(shè)定錄制和觀察參數(shù),使得軟件監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)畫(huà)面能夠準(zhǔn)確捕捉微通道結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié);

(5)設(shè)定注射泵的工作流量為0.0001 mL/min,啟動(dòng)注射泵開(kāi)始注入去離子水,通過(guò)實(shí)時(shí)畫(huà)面監(jiān)測(cè)滲吸過(guò)程中的氣-水界面演變過(guò)程;

(6)當(dāng)實(shí)時(shí)畫(huà)面監(jiān)測(cè)到模型微通道中氣-水界面不再明顯變化時(shí),結(jié)束滲吸階段實(shí)驗(yàn)過(guò)程觀察,隨后繼續(xù)注水確保模型內(nèi)部全部飽和水相用以開(kāi)展氣驅(qū)水返排實(shí)驗(yàn),待模型內(nèi)部完全飽和水后,將管線連接到氣瓶,開(kāi)始在由低到高的氮?dú)鈮毫ο麻_(kāi)展返排過(guò)程可視化觀察;

(7)當(dāng)監(jiān)測(cè)到微通道不再出現(xiàn)明顯的氣-水界面變化時(shí),結(jié)束實(shí)驗(yàn),導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)結(jié)果并開(kāi)展圖像處理分析.

在油氣藏儲(chǔ)層條件下,以毛管力控制為主的滲吸過(guò)程(微流動(dòng))的毛管數(shù)一般小于10-5[23].為了驗(yàn)證流量0.0001 mL/min 下的注水過(guò)程是否滿(mǎn)足毛細(xì)流動(dòng)范疇,需要計(jì)算該注入流量下所對(duì)應(yīng)的毛管數(shù)Ca和雷諾數(shù)Re范圍.其中,Ca和Re的計(jì)算公式為[24-25]

式中,Ca為毛管數(shù),無(wú)量綱,表征流體流動(dòng)過(guò)程中黏滯力和毛管力的作用占比;η為驅(qū)替相的動(dòng)力黏度,此處為水相的動(dòng)力黏度,η=8.92×10-4Pa·s;υ為驅(qū)替相的流速,m/s;σ為界面張力,此處為氣-水界面張力,σ=0.072 N/m.Re為雷諾數(shù),無(wú)量綱,表征流體流動(dòng)過(guò)程中慣性力和黏滯力的作用占比;ρ為驅(qū)替相的密度,此處為水相的密度,ρ=1.0×103kg/m3;d為特征長(zhǎng)度,此處為微通道的直徑,為150 μm;η和υ分別為驅(qū)替相的動(dòng)力黏度和速度,單位同上.

在計(jì)算過(guò)程中,首先獲取流量0.0001 mL/min下水相的實(shí)際流速υ.根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖像,利用IC Measure軟件和Stream Start 錄屏功能對(duì)該注入流量下微通道直管內(nèi)氣-水界面前緣推進(jìn)直線距離和所用時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和記錄,得到了表1 中的數(shù)據(jù)點(diǎn),其中ΔL代表前進(jìn)的直線距離,Δt代表前進(jìn)相應(yīng)距離所經(jīng)歷的時(shí)間.根據(jù)表1 數(shù)據(jù),得到圖3 所示的關(guān)系曲線,表明該流量下,水相在微通道內(nèi)的前進(jìn)距離和所用時(shí)間滿(mǎn)足良好的線性關(guān)系.通過(guò)對(duì)曲線進(jìn)行線性擬合,得到其斜率,該斜率即為水相在微通道直管內(nèi)的實(shí)際前進(jìn)速度.分析表明,在流量0.0001 mL/min下,微通道內(nèi)水相的實(shí)際流速υ為756.5 μm/s.

表1 流量0.0001 mL/min 下微通道直管內(nèi)水相前進(jìn)距離/時(shí)間參數(shù)測(cè)試結(jié)果Table 1 Measured results of the interface advancing distance during imbibition under the flux of 0.0001 mL/min

圖3 流量0.0001 mL/min 下微通道直管內(nèi)水相前進(jìn)距離和時(shí)間擬合結(jié)果Fig.3 Curve of the relationship between the interface advancing distance and time under the flux of 0.0001 mL/min

根據(jù)式(1) 和式(2),通過(guò)計(jì)算得到流量0.0001 mL/min 下對(duì)應(yīng)的毛管數(shù)和雷諾數(shù)結(jié)果見(jiàn)表2.根據(jù)計(jì)算結(jié)果,本文所設(shè)計(jì)的微模型注入流速下對(duì)應(yīng)的毛管數(shù)小于10-5,屬于低雷諾數(shù)流動(dòng)范圍,說(shuō)明在流量0.0001 mL/min 下能夠模擬儲(chǔ)層狀態(tài)下以毛管力占主導(dǎo)的水相滲吸侵入過(guò)程.

表2 孔隙尺度實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的毛管數(shù)和雷諾數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculated results of the Capillary number and Reynolds number for the pore-scale experiments

1.2 巖心尺度實(shí)驗(yàn)

選取大牛地致密砂巖氣田4 塊致密砂巖分成2 組,分別開(kāi)展水相滲吸與氣驅(qū)排水實(shí)驗(yàn),測(cè)試含水飽和度與氣相滲透率變化情況.實(shí)驗(yàn)樣品基本信息見(jiàn)表3,實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4.采用模擬地層水(礦化度約80000 mg/L)作為滲吸流體,采用氮?dú)庾鳛闈B透率測(cè)試介質(zhì),實(shí)驗(yàn)溫度為室溫.具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

(1) 將4 塊巖樣置于烘箱中烘干4 h,溫度為65 °C,隨后冷卻至室溫后,測(cè)試巖樣干重;

(2)首先采用毛管自吸法建立全部實(shí)驗(yàn)樣品初始含水飽和度約為20%,并測(cè)試初始含水飽和度下的氣相滲透率作為基準(zhǔn)滲透率.實(shí)驗(yàn)圍壓7 MPa,回壓1 MPa,壓力梯度為0.3 MPa/cm;

(3)選用H-1 和H-2 巖心相繼開(kāi)展?jié)B吸與返排實(shí)驗(yàn).滲吸實(shí)驗(yàn)采用電子天平實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖心質(zhì)量變化.當(dāng)滲吸結(jié)束后,采用步驟(2)相同的壓力開(kāi)展氣驅(qū)返排實(shí)驗(yàn),并每間隔一定時(shí)間取出巖心稱(chēng)重,記錄返排過(guò)程中的巖心質(zhì)量變化,并計(jì)算對(duì)應(yīng)含水飽和度值;

(4)選用S-1 和S-2 巖心開(kāi)展氣相滲透率測(cè)試.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,先測(cè)試初始狀態(tài)下的氣相滲透率,隨后在巖心出口端利用驅(qū)替泵以一定壓力將模擬地層水泵入巖心,泵入時(shí)間與步驟(3)中滲吸時(shí)間一致,該過(guò)程中保持入口端壓力不變持續(xù)監(jiān)測(cè)出口端氣相流量并記錄滲吸過(guò)程中的氣相滲透率.關(guān)閉驅(qū)替泵,進(jìn)入氣驅(qū)返排階段,監(jiān)測(cè)出口端氣相恢復(fù)滲透率.當(dāng)滲透率穩(wěn)定時(shí),結(jié)束驅(qū)替;

(5)結(jié)束全部實(shí)驗(yàn),開(kāi)展實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 孔隙尺度下滲吸階段氣-水界面演化過(guò)程

圖5 給出了一維單通道微模型中水相滲吸時(shí)的氣-水界面演化結(jié)果[26].以圖5(a)沿孔喉比升高方向滲吸為例,水作為潤(rùn)濕相會(huì)在上下管壁形成兩層吸附水膜并沿管壁延伸.隨著滲吸過(guò)程不斷進(jìn)行,上下水膜開(kāi)始膨脹并率先在最細(xì)喉道處合攏引起氣體卡斷.可以發(fā)現(xiàn),水膜沿著管壁橫向鋪展和沿著管徑上下膨脹是毛細(xì)通道內(nèi)氣-水界面結(jié)構(gòu)形態(tài)演化和引起氣體卡斷的直接原因.氣體卡斷后變成非連續(xù)態(tài),同時(shí)在水相剪切力作用下依次通過(guò)喉道而持續(xù)發(fā)生卡斷,并在喉道下游端連續(xù)形成孤立氣泡.對(duì)比圖5 實(shí)時(shí)結(jié)果可知,兩種滲吸方向上首次發(fā)生氣體卡斷的位置都在最細(xì)喉道位置.此外,相同滲吸速度下,沿孔喉比升高方向滲吸過(guò)程中生成的孤立氣泡數(shù)量更多,說(shuō)明喉道是控制氣體卡斷的關(guān)鍵因素,即喉道越細(xì),水膜越容易膨脹合攏誘發(fā)氣體卡斷.

圖5 單通道微模型中水相滲吸階段氣-水界面演化與流動(dòng)過(guò)程可視化結(jié)果(修改自文獻(xiàn)[26])Fig.5 Results of evolution of gas-water interface during imbibition in the capillary micromodel (modified on Ref.[26])

圖6 描述了二維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型水相滲吸過(guò)程[22].結(jié)果表明,二維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型中水相滲吸初始階段同樣是在一些細(xì)小喉道發(fā)生氣體卡斷.當(dāng)模型中含水量逐漸升高后,繞流效應(yīng)變得顯著.其中,孔徑和迂曲度更小的通道水相滲吸速度更快、滲吸距離更短,成了水相優(yōu)先占據(jù)的通道.二維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)果顯示,通常氣體卡斷后形成的是孤立氣泡(trapped gas bubble),而繞流后一般形成的是孤立氣柱(trapped gas column),即圈閉的氣體體積更大,這與前人通過(guò)模擬得到的研究結(jié)論一致[27].由于受到孔喉大小、迂曲度以及孔喉幾何形態(tài)和連通性等結(jié)構(gòu)特征的影響,二維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型水相滲吸過(guò)程中的氣-水界面演化更劇烈,最終在卡斷和繞流綜合作用下,造成模型內(nèi)部形成大面積的水封氣現(xiàn)象.

圖6 孔隙網(wǎng)絡(luò)模型下滲吸過(guò)程中的氣-水界面演化過(guò)程(修改自文獻(xiàn)[22])Fig.6 Evolution of gas-water interface in the pore network micromodel during imbibition (modified on Ref.[22])

2.2 孔隙尺度下返排階段氣-水界面演化過(guò)程

首先,觀察了一維通道模型中的返排過(guò)程,結(jié)果見(jiàn)圖7.當(dāng)上游端施加的氣體壓力增加至2.79 MPa時(shí),模型中觀察到明顯的氣驅(qū)排水過(guò)程(本文中氣體壓力是指能夠快速觀察到氣驅(qū)水過(guò)程的實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)壓力,并不是發(fā)生返排所需的臨界門(mén)檻壓力).圖7表明,返排過(guò)程中微通道內(nèi)形成的氣-水界面彎液面與氣體流動(dòng)方向相反,說(shuō)明毛管力變成氣驅(qū)排水阻力.當(dāng)氣體流動(dòng)通道形成后,氣體作為非潤(rùn)濕相在微通道中間流動(dòng),剩余水作為潤(rùn)濕相在上下管壁兩側(cè)形成吸附水膜,并在氣流作用下不斷蒸發(fā),如圖7(d)所示.由此可知,親水性毛細(xì)管中氣驅(qū)排水可分為前期活塞式非混相驅(qū)替以及后期蒸發(fā)排水階段[28].由于本文中使用的模型管壁相對(duì)均質(zhì)光滑,且設(shè)計(jì)的尺寸為微米級(jí),導(dǎo)致管壁對(duì)吸附水膜的束縛能力有限,剩余水膜在氣流攜帶下不斷蒸發(fā),最終通過(guò)顯微觀察后完全消失,如圖7(e)所示.在真實(shí)致密砂巖內(nèi)部,由微納米孔隙和喉道組成的毛細(xì)通道粗糙度變化明顯,加上充填各種親水性黏土礦物,因而對(duì)水膜的束縛能力更強(qiáng),導(dǎo)致水膜很難流動(dòng).

圖7 單通道模型中的氣驅(qū)水相返排過(guò)程Fig.7 Results of gas displacement water in the capillary micromodel

圖8 展示了返排過(guò)程中觀察到的氣體卡斷現(xiàn)象.這是因?yàn)楫?dāng)氣-水界面前緣通過(guò)喉道進(jìn)入下游段孔隙過(guò)程中,隨著界面前緣曲率不斷減小,將引起一個(gè)從喉道指向下游段孔隙的毛管力壓降,在該毛管力壓降下,會(huì)引起下游處孔隙中的水相回流至喉道位置來(lái)抵消喉道的高毛管力,從而引起喉道位置的水膜膨脹并將氣體卡斷[29].返排過(guò)程中的氣體卡斷現(xiàn)象將導(dǎo)致毛細(xì)通道中出現(xiàn)大量孤立氣泡,增加了賈敏效應(yīng)發(fā)生的頻率和嚴(yán)重程度,對(duì)于返排極為不利[30].結(jié)合滲吸實(shí)驗(yàn)結(jié)果,說(shuō)明孔隙尺度下氣-水界面演化引起的卡斷效應(yīng)是發(fā)生在孔隙尺度的氣體流動(dòng)性破壞和囚閉氣生成最重要的微觀機(jī)制[26,31-33].

圖8 孔隙尺度下氣驅(qū)水過(guò)程引起的喉道氣體卡斷現(xiàn)象Fig.8 Snap-off at the local throat of the micromodel during the drainage process

與一維單通道微模型相比,二維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型中氣驅(qū)排水需要更高的壓力(此時(shí)上游端氣體壓力值約3.47 MPa)且表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)通道效應(yīng)(圖9)[22].由于返排過(guò)程是克服毛管阻力的過(guò)程,當(dāng)返排壓力一定時(shí),氣體優(yōu)先突破更粗的喉道,從而形成連通的排液路徑.隨著返排時(shí)間的延長(zhǎng),在該壓力作用下,模型內(nèi)逐漸形成新的排液通道.當(dāng)驅(qū)替穩(wěn)定后,絕大部分孔隙里面已經(jīng)形成了連通的氣體流動(dòng)通道,導(dǎo)致壓力無(wú)法有效傳遞進(jìn)入一些孔隙盲端和角隅結(jié)構(gòu),造成這部分孔隙仍存在不可動(dòng)水.真實(shí)致密砂巖孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性強(qiáng),可以推測(cè)優(yōu)勢(shì)通道將導(dǎo)致致密砂巖氣驅(qū)排水程度更加有限,造成大量的不可動(dòng)水分布特征[34].

圖9 孔隙網(wǎng)絡(luò)模型下氣驅(qū)水過(guò)程與氣-水界面演化實(shí)時(shí)結(jié)果(修改自文獻(xiàn)[22])Fig.9 Real-time results of gas displacement water process in the pore network micromodel (modified on Ref.[23])

此外,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到滲吸時(shí)氣泡流動(dòng)路徑和返排時(shí)氣體排液路徑均幾乎一致,如圖10 所示.在滲吸時(shí),卡斷后生成的孤立氣泡在水相流動(dòng)剪切力作用下開(kāi)始運(yùn)移,并在喉道發(fā)生截留和封堵.由于氣泡在優(yōu)勢(shì)通道中形成分散堵塞,因此,氣泡封堵無(wú)論是對(duì)水相返排還是氣體流動(dòng)能力恢復(fù)都會(huì)誘發(fā)賈敏效應(yīng)[35].當(dāng)氣泡封堵住優(yōu)勢(shì)通道后,只有水相依靠壁面水膜連續(xù)性保持流動(dòng),氣泡則因無(wú)法克服喉道賈敏效應(yīng)而難以流動(dòng).可見(jiàn),本文微觀實(shí)驗(yàn)觀察到的優(yōu)勢(shì)通道氣泡封堵現(xiàn)象,可以作為解釋某種特定狀態(tài)下氣藏宏觀尺度產(chǎn)水明顯但不見(jiàn)產(chǎn)氣的一個(gè)重要原因.

圖10 孔隙尺度下滲吸和返排時(shí)氣體流動(dòng)路徑Fig.10 Flow path of gas during the imbibition and drainage at the pore-scale

2.3 氣-水界面演化類(lèi)型與氣體連續(xù)性關(guān)系

親水毛細(xì)管內(nèi)的氣-水界面類(lèi)型如圖11 所示,包括水膜水氣-水界面和毛管水氣-水界面[36].水膜水氣-水界面通常是在低含水飽和度狀態(tài)下形成的,該狀態(tài)下水相在潤(rùn)濕作用下沿著巖石孔隙表面向外鋪展并形成吸附水膜層,氣相則占據(jù)孔隙中間保持其流動(dòng)連續(xù)性.當(dāng)含水飽和度升高造成孔隙內(nèi)部被水完全占滿(mǎn)并將氣體卡斷時(shí),則生成毛管水氣-水界面并破壞氣體流動(dòng)的連續(xù)性.

圖11 毛細(xì)管中氣-水界面類(lèi)型示意圖Fig.11 Two types of gas-water interface in a capillary

以本文模型為例(圖12),在滲吸過(guò)程中,由于剛開(kāi)始時(shí)含水飽和度較低,在管壁潤(rùn)濕性和界面作用下,侵入水相以吸附水膜的形式沿著上下管壁發(fā)生潤(rùn)濕鋪展,形成如圖12(b)所示的水膜水氣-水界面.進(jìn)入圖12(c)階段后,隨著水相不斷侵入,水膜開(kāi)始膨脹并壓縮水膜水氣-水界面.當(dāng)水膜膨脹增厚至上下水膜聚并到一起時(shí),氣體會(huì)優(yōu)先在喉道發(fā)生卡斷而失去其連續(xù)性,變成上下游兩段氣柱,并生成新的氣-水界面彎液面,即在喉道處生成了毛管水氣-水界面,如圖12(d)所示.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,親水微通道內(nèi)部氣-水界面演化以水膜為載體,其中水膜水氣-水界面是氣-水界面結(jié)構(gòu)演化的初始條件;毛管水氣-水界面的出現(xiàn)則是氣體連續(xù)性遭到破壞的結(jié)果,是引起氣體流動(dòng)能力下降的直接原因.

圖12 不同氣-水界面類(lèi)型演變過(guò)程實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Experimental results of different types of gas-water interface

相比單根微通道模型,孔隙網(wǎng)絡(luò)模型由于流動(dòng)通道的選擇性,導(dǎo)致氣-水界面演化引起的氣體流動(dòng)不連續(xù)性特征更加明顯.如圖13 所示,當(dāng)孔隙網(wǎng)絡(luò)模型中含水飽和度約為39.63%時(shí),一些孔隙角隅和喉道位置幾乎全部被水充填,誘發(fā)氣體卡斷形成大量毛管水氣-水界面,造成大面積孔喉中間的氣體失去其連續(xù)性,孔隙內(nèi)部整體上呈現(xiàn)出“氣-水互封”的局面,氣和水的流動(dòng)能力均顯著降低.

圖13 孔隙網(wǎng)絡(luò)模型“氣水互封”界面配置關(guān)系Fig.13 Pore-scale of the configuration of the gas-water distribution

2.4 微觀氣-水界面演化與宏觀氣體流動(dòng)效應(yīng)

圖14 分析了巖心尺度下含水飽和度和氣相滲透率變化行為.當(dāng)水通過(guò)滲吸進(jìn)入巖心內(nèi)部后,會(huì)在巖心內(nèi)部暫時(shí)建立起較高的含水飽和度,氣相滲透率則隨含水飽和度的增加迅速降低.圖14(a)結(jié)果顯示,盡管滲透率小的巖心其孔喉半徑相對(duì)更小,毛管力更高,但其滲吸時(shí)受到的黏性阻力也更強(qiáng),因此,造成滲透率低的樣品只能保持一個(gè)較低的滲吸速率狀態(tài);而滲透率更大的樣品其滲吸越早進(jìn)入后期平穩(wěn)階段,其滲吸速率更快.通過(guò)氣驅(qū)返排后,含水飽和度逐漸下降,但返排后含水飽和度仍然明顯高于初始含水飽和度,表明返排不能將增加后的含水狀態(tài)完全恢復(fù)到初始狀態(tài),其結(jié)果是引起氣相滲透率不能恢復(fù)到初始值,造成了滲透率的永久性損害.圖14(b)結(jié)果表明滲透率越小的致密砂巖,氣相滲透率隨含水飽和度的變化更加敏感,損害程度也越高.其原因在于滲透率越小的巖石其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)連通性相對(duì)更差,巖石孔喉尺寸相對(duì)更小,對(duì)水的返排能力更低,因而導(dǎo)致氣體滲透率受到水相滯留的影響更嚴(yán)重[37].

圖14 致密砂巖巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Results of core displacement experiment in tight sandstone cores

基于巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)和孔隙尺度可視化分析,定性探討了孔隙尺度下氣-水界面演化對(duì)致密砂巖宏觀氣體滲透率的影響.如圖15 所示,在初始狀態(tài)下,孔隙尺度下氣相飽和度高并完全保持流動(dòng)連續(xù)性,此時(shí)測(cè)得的氣相滲透率不受含水飽和度的影響,氣相流動(dòng)能力最強(qiáng).到了滲吸階段,隨著含水飽和度的升高,孔隙尺度下氣-水界面不斷演化破壞了氣體流動(dòng)連續(xù)性,并且水相含量逐漸占據(jù)主導(dǎo),導(dǎo)致氣體流動(dòng)阻力升高,因而表現(xiàn)在巖心尺度下測(cè)得氣相滲透率迅速下降.進(jìn)入返排階段后,含水飽和度不斷降低,一些被水相占據(jù)的流動(dòng)通道逐漸成為氣體流動(dòng)通道,引起巖心尺度下宏觀氣體滲透能力開(kāi)始恢復(fù).但由于受到孔隙尺度下賈敏效應(yīng)和優(yōu)勢(shì)通道等影響,部分孔喉里的水相不能完全返排,最終將導(dǎo)致氣體滲透率不能完全恢復(fù)至初始狀態(tài),造成氣體滲透能力出現(xiàn)永久性損害.由此可知,巖心尺度下氣體滲透率隨含水飽和度增加而降低,其微觀機(jī)理在于孔隙尺度下氣-水界面演化引起的非連續(xù)性氣體流動(dòng)時(shí)附加阻力的升高.

圖15 致密砂巖氣水兩相流動(dòng)跨尺度關(guān)聯(lián)機(jī)制Fig.15 Cross scale correlated mechanisms of gas-water flow in tight sandstone

本文設(shè)計(jì)的微模型是基于對(duì)致密砂巖氣水流動(dòng)通道的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),目的是為了便于觀察和描述孔隙尺度下氣-水界面演化現(xiàn)象.針對(duì)壁面粗糙度、不同礦物潤(rùn)濕性差異分布等特征對(duì)氣-水界面演化的影響將在今后工作中進(jìn)行討論.需要說(shuō)明的是,孔隙尺度下微觀氣-水界面動(dòng)態(tài)演化引起氣體連續(xù)性遭到破壞和下降是一個(gè)迅速且劇烈的變化過(guò)程,而宏觀巖心柱塞尺度下氣體的流動(dòng)特點(diǎn)則極其緩慢.因此,當(dāng)孔隙尺度下氣體連續(xù)性下降后,反映在巖心尺度下氣體的流動(dòng)需要足夠的時(shí)間積攢能量來(lái)克服流動(dòng)阻力進(jìn)而恢復(fù)氣體的連續(xù)流動(dòng)狀態(tài).一旦孔隙尺度下氣體流動(dòng)不能克服因氣相不連續(xù)而產(chǎn)生的附加阻力效應(yīng),將表現(xiàn)為巖心尺度下出現(xiàn)不可逆的氣體滲透率損害.

3 結(jié)論

(1)致密砂巖孔隙尺度下氣-水界面演化主要以卡斷和繞流的方式引起界面失穩(wěn),從而破壞氣體流動(dòng)連續(xù)性,是水相圈閉損害在孔隙尺度下形成囚閉氣的直接誘因.

(2)孔隙尺度下氣-水界面包括水膜水氣-水界面和毛管水氣-水界面兩種類(lèi)型.氣-水界面演化以水膜潤(rùn)濕和膨脹為初始條件.隨著水膜不斷膨脹至合攏,水膜水氣-水界面將演化成毛管水氣-水界面,毛細(xì)通道內(nèi)氣體將首次出現(xiàn)卡斷現(xiàn)象而失去其流動(dòng)連續(xù)性.因此,毛管水氣-水界面的大量出現(xiàn)標(biāo)志孔隙空間氣體的連續(xù)性急劇下降.

(3)氣-水界面演化降低了孔隙空間氣體流動(dòng)的連續(xù)性,引起氣體流動(dòng)時(shí)賈敏效應(yīng)等附加阻力,容易出現(xiàn)“氣-水互封”現(xiàn)象,反映在巖心尺度上氣體流動(dòng)能力隨含水飽和度的增加迅速降低,且導(dǎo)致水相難以完全返排并最終造成氣體流動(dòng)能力的永久性損害.

(4)孔隙尺度下氣-水兩相流動(dòng)時(shí)優(yōu)勢(shì)通道效應(yīng)顯著.優(yōu)勢(shì)通道一方面為返排提供快速產(chǎn)水路徑,另一方面也是氣泡運(yùn)移和賈敏效應(yīng)的主要通道.因此,在優(yōu)勢(shì)通道雙重作用下,導(dǎo)致返排階段易出現(xiàn)“產(chǎn)水不產(chǎn)氣”的局面.