孔隙砂岩中的混相流动特性试验研究

陈萍，陶果，董明哲，叶青

（1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249;2.中国石油大学石油工程学院，山东青岛 266580; 3.加拿大卡尔加里大学化学与石油工程学院，卡尔加里T2N 1N4，加拿大）

孔隙砂岩中的混相流动特性试验研究

陈萍1，陶果1，董明哲2，3，叶青1

（1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249;2.中国石油大学石油工程学院，山东青岛 266580; 3.加拿大卡尔加里大学化学与石油工程学院，卡尔加里T2N 1N4，加拿大）

利用异丙醇（isopropanol，IPA）和水对高黏度的流体驱替低黏度的流体和低黏度的流体驱替高黏度的流体两种混相驱替模式进行试验，研究流速和驱替模式对于混相流动和弥散系数的影响。结果表明:在IPA驱水的过程中，驱替的界面平稳而整齐，驱替的速度较低时，IPA突破较早，IPA质量分数达到1.0时所需注入的体积较少，效率高;在水驱替IPA的过程中，当水的流动速度较小时突破也较早，纯水时所需注入的体积较少，效率高;用低黏度流体驱替高黏度流体时，驱替发生“拖尾“，黏性指进比高黏度的流体驱替低黏度流体的过程中严重;弥散系数与平均速度成正比，其比例系数与孔隙介质的结构和驱替类型相关，同一介质低黏度驱替高黏度流体时，其比例系数较大。

混相流动;黏度;速度;IPA驱水;水驱IPA;弥散系数

由于毛管力的存在，非混相驱替过程中大量残油被圈闭在油藏中，造成其采收率较低。混相驱已成为提高石油采收率的重要手段之一［1－4］，对混相流动的弥散系数的研究［5－12］表明，孔隙介质中的弥散系数与速度的幂函数成正比，比值在1～2之间［13－18］。笔者通过试验方法研究高黏度的异丙醇（isopropanol，IPA）驱替低黏度的水和水驱替IPA两种驱替模式，通过对采得的混合液体样品进行分析，讨论流速和驱替模式对于混相流动和弥散系数的影响。

1 试验

1.1 试验方法

在室温25℃下，将长度为15 cm、直径为2.54 cm的砂岩岩心柱中分别饱和黏度为2×10－3Pa·s的异丙醇和黏度为1×10－3Pa·s的水，然后分别进行IPA驱水和水驱IPA试验。所用IPA和水的密度分别为0.786 g/cm3和1.000 g/cm3。

1.2 试验设备

本试验在加拿大卡尔加里大学试验室完成。试验所用的设备和材料包括岩心柱、真空泵、电子天平、压力传感器、手泵、压差传感器、液体推进装置及其相关电子器件、流出液体收集装置、折射谱分析仪和数据采集装置。部分仪器设备连接如图1。

图1 混合驱替装置示意图Fig.1 Sketch map of apparatus used in m iscible disp lacement experim ents

1.3 浓度校正曲线

混合液体的各组分质量分数是试验的难点和关键之一。利用折射谱分析仪来建立折射系数与混合液组分质量分数之间的校正曲线。在试验开始之前，取10份（或者更多）组分比例已知且各不相同的混合溶液，通过折射谱分析仪得到其折射系数，在此基础上建立折射系数与异丙醇和水的组合比例的一一对应关系曲线（图2）。例如混合溶液的折射系数为1.3772时，其中IPA的质量分数为1.0;当混合溶液的折射系数为1.335时，对应的混合溶液为纯水。

1.4 试验步骤

为了达到岩心的完全饱和，在岩心接触水或IPA之前，需要将其用真空泵抽空，在此过程中岩心两端压力差保持为72.5 kPa。岩心需要在完全真空的条件下暴露24 h以上，目的是保证岩心孔隙中没有其他流体的存在。然后将岩心与充满水的量筒相连，水或IPA流入岩心中，1～2 h后达到完全饱和状态，流入的水或IPA的体积即为岩心的孔隙总体积。需要注意的是，在饱和之前需要把量筒和连接仪器的管道中的气泡清除，检查阀门是否存在泄露，以减小试验误差，测得真实的孔隙体积。

图2 折射系数－质量分数关系图Fig.2 Relation of refractive indexes and IPA concentrations

样品饱和水或IPA之后，将一定量的IPA或水注入液体推进装置中（要求异丙醇或水的体积为样品孔隙体积的5倍以上）。将IPA或水以恒定的速度注入岩心样品以驱替样品中的水或IPA。在此过程中，通过压力传感器使样品的两端始终保持为恒压差72.5 kPa。经过一段时间T1之后，在设备的末端开始出现液体。此后，每注入0.05Vp（Vp为孔隙体积倍数）的液体之后，对混合液体进行一次采样，记录混合液样品对应的注入的IPA或水的体积。

通过折射谱分析仪器对采得的混合液体的样品进行分析，在注入的IPA或水体积与折射系数之间建立对应关系曲线。持续地向岩心样品中注入IPA或水，直到采集的混合液样品的折射系数保持不变，也就是说，等于纯净的异丙醇的折射系数1.377 2 （或者水的折射系数1.3325）之后，再采集样品5～10次，目的是为了保证岩心样品中所有的水或IPA都已经被完全驱除。将测量所得样品的折射系数与折射系数的校正曲线相比较，在曲线上找出对应的各个样品的组成比例，绘制图形。

2 试验数据

表1给出了试验中所涉及的岩心样品参数。

表1 岩心特性和试验参数Table 1 Core proper ties and experimental parameters

重复做此试验，控制IPA或水注入岩心样品的速度，分别取0.5、1.0、2.0mL/min的恒定速度。混合液中水或IPA的组成比例随注入的IPA或水的体积变化，结果如图3和图4所示。

3 试验结果分析

分析图3可以看到:当IPA的速度为0.5 mL/ min时，在仪器出口处测得IPA出现的时间和IPA质量分数为1.0的时间均早于流速为1.0和2.0 m L/min的试验结果，从IPA突破到驱替结束所需注入的体积较小，不超过1.6Vp，质量分数随时间变化的剖面呈现“S”形;当高黏度流体驱替低黏度的流体时黏性指进现象不明显，液体在孔隙介质中的前进界面比较平缓。分析其原因可知，当驱替与被驱替的流体的黏度比大于1时，液体的流动性较差，难以穿过被驱替的流体形成黏性指进，导致介质中的驱替界面几乎平齐。

由图4可知:当水的速度为0.5 mL/min时，在仪器出口处测得水的突破时间和水的质量分数为1.0的时间与流速为1.0、2.0 m L/min的试验中所得结果差别不大，但是当水的流速较小时，从水突破到驱替结束所需注入的体积较少。值得注意的是，质量分数随注入体积变化的剖面并不是传统的“S“形，而是在驱替后期出现较长的”拖尾“现象，注入1.5Vp的水之后，采集到的样品中水的质量分数已到达0.9，但是直到注入（2.7～3.3）Vp的水之后，孔隙中IPA才被完全驱替出岩心。这种现象说明了在低黏度流体驱替高黏度的流体的过程中，介质中的黏性比较严重，这就解释了水在突破很长一段时间后才将IPA完全驱替出岩心的原因。

试验结果表明:无论是高黏度驱替低黏度的IPA驱水，还是低黏度驱替高黏度的水驱IPA的试验中，驱替速度越低，相应的驱替流体的突破越早，同时水或者IPA的质量分数达到1.0时所需的注入体积也较少。分析其原因，当流速较低时，弥散作用在流动中的影响较高流速的驱替更为明显;在注入同样的体积时，驱替流体与被驱替流体之间的混合和过渡带更为宽广，导致了驱替流体更早的突破。在低速度驱替的过程中，由于时间的充足，不同孔径中流体的质量分数差异受到弥散的影响越来愈小，从某种意义上降低了黏性指进的影响，驱替界面较高黏度驱替时更为平稳，大孔隙和小孔隙中的流体前进界面相差不多，达到完全驱替所需的流体体积较少。

根据前人的研究，在一种流体驱替另外一种流体的试验中，可以根据下面的方法确定弥散系数

D［19］:

其中u表示流动的平均速度，L表示孔隙介质的长度。当质量分数为0.9和0.1时，λ90和λ10由注入的体积Vz与总孔隙体积V计算得到:

分析图3和图4中的数据可以发现，在图3的IPA驱水的试验中，当质量分数为0.9和0.1时，以不同的速度注入时的体积与总孔隙体积比值不同（分别为1.4、1.3、1.2和1.1、1、0.97），但是通过计算得到的λ90－λ10都约为0.26，考虑读数误差，可以认为弥散系数在同样的孔隙介质中，弥散系数与速度成正比，比例为固定值。而在图4水驱IPA的试验中，质量分数为0.9和0.1时，以不同的速度注入的体积与总孔隙体积的比值分别为1.6，1.65，1.67和0.9，0.95，0.96，λ90－λ10都约为0.5。由于醇类物质的分子扩散系数的数量级为10－9m2/s，由此可得如下结论:在此注入流速范围内，不管是在低黏度流体驱替高黏度的流体（水驱IPA），还是高黏度流体驱替低黏度流体（IPA驱水）过程中，弥散系数与平均速度成正比，即

在低黏度驱替高黏度流体中，其比例系数γ较大，在高黏度流体驱替低黏度流体时，γ较小。γ指示流体在介质中的弥散性，根据等式（2），有

分析可知，γ依赖于流体流经的距离L和经验修正因子。经验修正因子实际上是一个反映所研究的样品或者模拟系统的系数，指示其内部看不到或者丢失的信息。由于样品和模型的结构复杂性，弥散系数一般是由实验室获得的。在同一模型中，驱替流体沿流动方向弥散的速度随着流速和模型规模的增加越来越大，同时受到驱替模式的影响，被驱替流体与驱替流体的黏度比越大时，弥散系数也越大。

4 结论

（1）在IPA驱水的过程中，驱替的界面平稳而整齐;当驱替的速度较低时，IPA突破较早，IPA质量分数达到1.0时所需的注入体积较少，效率高。

（2）在水驱替IPA的过程中，当水的流动速度较小时突破也较早，水的质量分数达到1.0时所需注入的体积较少，效率高。

（3）高黏度的流体驱替低黏度流体时，质量分数剖面发生”拖尾”现象，而当低黏度的流体驱替高黏度的流体时，质量分数剖面比较陡峭，说明在高黏度流体驱替低黏度流体时流体在多孔介质中的前进界面平稳而整齐;而在低黏度流体驱替高黏度流体时，存在严重的黏性指进。

（4）不管是在低黏度流体驱替高黏度的流体（水驱IPA）还是高黏度流体驱替低黏度流体（IPA驱水）中，弥散系数与平均速度成正比，其比例系数依赖于孔隙介质的结构和驱替类型，在同一介质中，低黏度驱替高黏度流体时其比例系数较大，在高黏度流体驱替低黏度流体时，其比例系数比较小。

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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

测井前沿技术与应用基础研究（2011A－3902）;国家建设高水平大学公派研究生项目（2009644010）

陈萍（1983－），女（汉族），河北保定人，博士研究生，主要从事岩石物理与方法研究。

（编辑 修荣荣）