基于2.5D微流控技术的黏土矿物运移对喉道封堵和原油运移的影响.pdf
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1、大庆石油地质与开发 Petroleum Geology Oilfield Development in Daqing2023 年 8 月 第 42 卷第 4 期Aug.,2023Vol.42 No.4DOI:10.19597/J.ISSN.1000-3754.202204065基于2.5D微流控技术的黏土矿物运移对喉道封堵和原油运移的影响 徐飞1,2 姜汉桥1,2 刘铭1,2 王志强1,2 于馥玮3 曲世元4 张 媌1,2 李俊键1,2(1.油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;2.中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249;3.中国石油勘探开发研究院,北京100083;4.
2、中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京102206)摘要:为了研究低矿化度水驱中的黏土矿物在地层中的运移现象,利用可视化2.5D微观模型开展了微流控实验,研究了黏土矿物在运移过程中对扩大水驱波及体积的作用、黏土矿物的运移速度对运移距离的影响、黏土矿物对喉道的封堵作用类型和黏土矿物运移对油滴运移的影响等。实验发现:黏土矿物在运移时可封堵水流优势通道并显著增加水驱波及体积,从而提高原油的采收率;黏土矿物颗粒运移速度越快,越容易在短距离内产生对喉道的封堵,使得黏土矿物颗粒的运移距离越短。根据实验观察将黏土矿物颗粒对喉道的封堵分为3种类型,包括单颗粒封堵、并行颗粒封堵和堵后颗粒截留。黏土矿物对喉道的
3、封堵主要受到喉道尺寸,黏土矿物颗粒的尺寸、数量及形状,流体的驱动力大小等因素的影响;黏土矿物颗粒会附着在油滴表面增加油滴运移的阻力,对喉道的封堵会改变油滴的运移路径和降低注入水对油滴的驱动力,不利于已波及区域油滴的运移。通过微流控实验明确的黏土矿物运移对喉道封堵和原油运移的影响,可为低矿化度水驱在矿场中的应用提供理论指导。关键词:低矿化度水驱;黏土矿物;2.5D微观模型;封堵;提高采收率中图分类号:TE341 文献标识码:A 文章编号:1000-3754(2023)04-0064-10Effect of clay minerals migration on pore throats plugg
4、ing and oil migration based on 2.5D microfluidics technologyXU Fei1,2,JIANG Hanqiao1,2,LIU Ming1,2,WANG Zhiqiang1,2,YU Fuwei3,QU Shiyuan4,ZHANG Miao1,2,LI Junjian1,2(1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,Beijing 102249,China;2.College of Petroleum Engineering,China University
5、 of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China;3.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration&Development,Beijing 100083,China;4.CNPC Engineering Technology R&D Company Limited,Beijing 102206,China)Abstract:In order to study clay minerals migration in formation during low salinity water flood
6、ing,microfluidic experiment is carried out using visual 2.5D microfluidic model to study effect of clay minerals on expanding swept volume during low salinity water flooding,effect of migration rate of clay minerals on migration distance,types of clay minerals plugging on pore throats and effect of
7、clay minerals migration on oil droplets migration.Experiment shows 收稿日期:2022-04-24 改回日期:2022-11-06基金项目:国家自然科学基金项目“页岩油气储层伴随相变多相微观流动规律与宏观渗流表征方法研究”(52174042)。第一作者:徐飞,男,1996年生,在读博士,从事油气田开发理论与系统工程研究。E-mail:通信作者:李俊键,男,1983年生,博士,教授,从事油气渗流机理及提高采收率研究。E-mail:第 42 卷 第 4 期徐飞 等:基于2.5D微流控技术的黏土矿物运移对喉道封堵和原油运移的影响tha
8、t clay minerals can plug dominant water flow channels and significantly increase swept volume of low salinity water flooding,thereby improving oil recovery.The faster the clay mineral particles migrate,the easier it is to cause throats plugging in a short distance,and the shorter the migration dista
9、nce of clay mineral particles is.Based on lab observation,throats plugging by clay mineral particles is divided into 3 types including single particle plugging,parallel particles plugging and particles interception after plugging,and throats plugging by clay mineral particles is mainly affected by t
10、hroat size,clay mineral particle size,quantity and shape,and fluid driving force.Clay mineral particles may adhere to oil droplets surface to increase the resistance of oil droplets migration,and throats plugging can change the migration path of oil droplets and reduce the driving force of injected
11、water on oil droplets,which is not conducive to the migration of oil droplets in the swept area.Microfluidic experiment in this paper determines the influence of clay minerals migration on pore throats plugging and oil migration,providing theoretical guidance for field application of low salinity wa
12、ter flooding.Key words:low salinity water flooding;clay minerals;2.5D microscopic model;plugging;enhance oil recovery0引言低矿化度水驱以其成本低、环保、施工简便等优点成为当前油气田开发的研究热点12。许多学者研究了低矿化度水驱对提高采收率的影响。Y.S.Zhang等3开展了高渗岩心驱替实验并观察到,低矿化度水驱相比于地层水驱可提高原油采收率达13%以上。李俊键等4开展了利用低矿化度水驱提高采收率的岩心驱替实验,相比于地层水驱下32.4%的采收率,低矿化度水驱提高了2.6%,最终
13、采收率达到 35.0%。N.Loahardjo 等5研究得出,与高矿化度水驱相比,低矿化度水驱的采收率提高了 22.5%。A.Lager 等6研究发现,低矿化度水驱在二次采油中相比于高矿化度水驱,一般可增产8%12%,最高可增产40%。低矿化度水驱提高采收率的机理主要包括黏土矿物运移、润湿性改变等712。黏土矿物的运移,理论上是由于黏土矿物与低矿化度水接触后发生水化膨胀而发生的,油层中主要的4种黏土矿物(蒙脱石、伊利石、绿泥石和高岭石)中,蒙脱石最容易发生水化膨胀,这是因为蒙脱石的晶体结构是TOT型,晶层间引力以分子间作用力为主,引力较弱,使得水分子容易进入晶层间并增大晶层之间的距离,从而引起
14、黏土矿物的水化膨胀,并在水驱作用下从岩石颗粒中剥离,最终发生黏土矿物的运移;此外,在对地层进行酸化处理时,氢氟酸可破坏黏土矿物的晶体结构,如绿泥石等,使得黏土矿物从岩石中剥离。在运移过程中,黏土矿物会封堵高渗通道,从而降低高渗通道的渗透率,促使水流流向其他未波及区域,有助于提高波及效率。此外,砂岩通常是亲水的,但在油藏条件下,由于油膜在各种分子间的作用力下附着在岩石表面,砂岩表面变成混合润湿。而低矿化度水可以通过水化作用、多离子交换、pH 升高等多种作用引起润湿性改变,将混合润湿转变为水湿,从而促进油膜的剥离,提高原油的采收率。前人虽然对低矿化度水驱的提采机理和黏土矿物的运移进行了一定的研究,
15、但缺少对黏土矿物运移的可视化表征,没有关于黏土矿物在微观孔喉中运移的直观现象分析。而目前应用玻璃微观模型模拟地下流体在岩石孔喉中的流动现象并对流体运移规律及机理进行分析与研究,已成为目前石油工程在微观领域进行油气运移等领域研究的一种不可或缺的重要手段1316。玻璃微观模型具有可视化、样品耗费少、分析速度快、安全性较高并且易于集成等特点,能够直观地呈现出流体和微粒在微观模型中的运移现象,这是其他的微观研究手段所无法实现的,比如核磁共振、Micro-CT 等无法实现可视化,以及扫描电镜等无法实现驱替过程下的实时成像等。目前常用的微观模型为 2D 微观模型1718,孔隙和喉道具有相同的深度,难以反映
16、实际地下储层中孔喉的大小关系。已有改进的 2.5D 微观模型1920,可使得喉道的深度和宽度明显小于孔隙,能够更加真实地体现孔喉关系特征,研究结果更加真实可靠。因此,本文利用 2.5D 微观模型进行一系列黏土矿物运移的微观可视化实验,研究黏土矿物在孔喉中运移的现象与对原油流动和喉道封堵的影响,可以明确黏土矿物运移在低矿化度水驱中的提采机理,并为低矿化度水驱在矿场中的有效应用提供理论指导。652023 年大庆石油地质与开发1实验材料与装置1.1实验用水实验用水包括模拟地层水和低矿化度水。模拟地层水利用去离子水和不同种化合物配置而成,矿化度为25 260.9 mg/L;低矿化度水由去离子水稀释模拟
17、地层水制成,矿化度为 2 526.1 mg/L。模拟地层水和去离子水的离子组成见表1。1.2实验用油实验用油由原油与煤油混合而成,黏度约为30 mPas。1.3实验用黏土矿物悬浮液实验用黏土矿物为蒙脱石、高岭石、绿泥石和伊利石,蒙脱石的水化膨胀作用最强,其他3种黏土矿物的水化膨胀作用较弱,因此将蒙脱石、高岭石、绿泥石和伊利石 4 种黏土矿物按 2111的比例混合制成混合黏土矿物粉末。取 5 g 混合黏土矿物粉末放入 100 mL 低矿化度水中,用磁力搅拌器充分搅拌1 h,制成黏土矿物悬浮液。1.4微观模型微观模型为孔隙和喉道具有不同深度的 2.5D均质模型,如图 1(a)所示。微观模型中的通道
18、由许多结构相同的孔隙和喉道组成,如图 1(b)所示,孔隙的宽度约为 25 m,喉道的最小宽度约为10 m。1.5实验仪器Leica M165FC 显 微 镜、Leica CCD 相 机(100 fps、2 560像素1 920像素)、Fluigent MFCSEZ进样系统、Harvard恒流注射泵等。2实验方法2.12.5D微观模型制作本文的 2.5D 微观模型参考了 K.Xu 等21的模型制作方法,模型制作流程如图2所示。模型通道采用湿法刻蚀的方法制成,刻蚀液为氢氟酸(HF)水溶液。由于 HF 在刻蚀玻璃通道的过程中具有各向同性刻蚀的特点,通道在纵向上不断被刻蚀变深的同时,在横向上也不断地被
19、刻蚀变宽。2个相邻但不接触的通道在刻蚀过程中,由于通道不断变宽,通道间的距离不断缩短,并在刻蚀一定的时间之后实现通道的接触并形成喉道。详细的蚀刻过程:(1)紫外线曝光,将掩模放置在含有玻璃、铬和光刻胶的模型基片之上,然后在紫外线曝光机中进行曝光操作,将掩模的形状转移到模型基片上;(2)去除光刻胶,用低浓度的氢氧化钠溶液清洗模型基片,清洗掉被紫外线破坏的光刻胶;(3)去铬,利用洗铬液洗去在上一步中暴露出来的铬,将铬层下面的玻璃暴露出来;表1实验用水离子组成Table 1 Ionic composition of experimental water类型模拟地层水低矿化度水质量浓度/(mgL-1)
20、Na+8 737.8873.8Ca2+551.155.1Mg2+243.124.3Ba2+171.717.2Cl-13 888.21 388.8SO42-1 464.9146.5HCO3-204.120.4总矿化度/(mgL-1)25 260.92 526.1图12.5D微观模型及微观模型孔喉结构Fig.1 2.5D micromodel and its pore throat structure66第 42 卷 第 4 期徐飞 等:基于2.5D微流控技术的黏土矿物运移对喉道封堵和原油运移的影响(4)HF 刻蚀,将模型基片放入 HF 溶液中,刻蚀形成 2.5D 微观结构,应注意刻蚀时间不宜过长
21、或过短,否则会使喉道的深度与孔隙的深度相同从而不能形成 2.5D 结构,或没有足够的时间形成喉道;(5)封装,将模型基片与盖片放入封装机中,形成完整的2.5D微观模型。2.2黏土矿物运移实验为了研究低矿化度水驱过程中黏土矿物运移的作用和对孔喉的影响规律,本文设计了 3 组实验,分别为:a组低矿化度水驱油条件下的黏土矿物运移实验;b组低矿化度水驱油条件下无黏土矿物运移的对照实验;c组无饱和油的低矿化度水驱条件下的黏土矿物运移实验。利用 2.5D 微观模型进行上述3组实验并在显微镜下实时观察黏土矿物运移现象,分析黏土矿物运移所产生的影响。a组实验步骤:(1)饱和原油。用 Fluigent MFCS
22、EZ 进样系统将原油持续注入 2.5D 微观模型中,直至模型中所有孔喉道均被原油饱和。(2)模拟地层水驱油。用 Harvard 恒流注射泵以恒速 0.1 L/min 的速度向 2.5D 微观模型中注入模拟地层水,直至模拟地层水从模型出口端排出。(3)含黏土矿物的低矿化度水驱油。以恒速0.1 L/min的速度向2.5D微观模型中注入含黏土矿物的低矿化度水,用显微镜观察黏土矿物颗粒在2.5D微观模型中的运移过程。(4)清洗模型。用 Fluigent MFCSEZ进样系统在高注入压力下对 2.5D微观模型进行充分的清洗,保证模型中的原油和黏土矿物颗粒被充分地从模型中清洗掉。b组实验步骤:对照组 b
23、组的实验步骤与 a 组实验步骤基本相同,但在第(3)步中将含黏土矿物的低矿化度水替换成无黏土矿物的低矿化度水。c组实验步骤:(1)低速注入黏土矿物悬浮液。用 Harvard 恒流注射泵以恒速 0.1 L/min 的速度向 2.5D 微观模型中注入黏土矿物悬浮液,用显微镜观察黏土矿物颗粒在2.5D微观模型中的运移过程。(2)高速注入黏土矿物悬浮液。改变注入速度,以恒速 1 L/min 的速度向 2.5D 微观模型中注入黏土矿物悬浮液,用显微镜观察黏土矿物颗粒在2.5D微观模型中的运移过程。(3)清洗模型。用 Fluigent MFCSEZ 进样系统在高注入压力下对 2.5D微观模型进行充分的清洗
24、,保证模型中的黏土矿物颗粒被充分地清洗掉。3实验结果与分析3.1水驱油相采收率a 组实验的模拟地层水驱和含黏土矿物的低矿化度水驱全过程如图 3 所示。模拟地层水驱条件下,受到动用的油相主要集中在模型上部,并在上部形成水流优势通道,模型下部的油相受到小程度的动用。模拟地层水驱结束后开始进行含黏土矿物的低矿化度水驱,在该驱替条件下,模型下部的油相的动用程度增加,模型上部的油相几乎未被低矿化度水动用。a 组实验的水驱采收率曲线如图 4 所示。模拟地层水驱下,油相采收率可达 24.8%;含黏土矿物的低矿化度水驱下,油相采收率增至 30.9%,相比于模拟地层水驱提高了 6.1 百分点的采收率。结合图3可
25、知,低矿化度水驱所提高的原油采收率源于模型下部的油相受到了更多的动用,推测可知黏土矿物的注入影响了水相在模型上部水流优势通道的流动,降低了模型上部孔喉通道的渗透率,从而导致水相向模型下部驱替油相,扩大了水相的波及体图22.5D微观模型制作流程Fig.2 Establishing process of 2.5D micromodel672023 年大庆石油地质与开发积,进而提高了模型中油相的采收率。由此可见,黏土矿物在多孔介质中的运移过程中具有封堵水流优势通道并扩大水驱波及体积的作用。b组实验的模拟地层水驱和低矿化度水驱全过程如图 5所示,水驱采收率曲线如图 6所示。模拟地层水驱结束后采用无黏土
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