縫洞型油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱餍路椒?/h1>
2021-09-13 02:32郭萬江付帥師李愛芬
科學(xué)技術(shù)與工程 2021年23期
郭萬江，付帥師，李愛芬，于 淼
(中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，青島 266580)
縫洞型油藏是一種非均質(zhì)性極強(qiáng)的非常規(guī)油藏，具有縫洞形態(tài)多樣，連通關(guān)系復(fù)雜的顯著特點(diǎn)[1]。這給縫洞油藏的工程開發(fā)和科學(xué)研究增加了很大的難度，尤其是儲(chǔ)層參數(shù)的不確定性導(dǎo)致縫洞油藏的數(shù)值模擬難以準(zhǔn)確模擬實(shí)際儲(chǔ)層[2]。針對(duì)典型縫洞結(jié)構(gòu)的縫洞型油藏物理實(shí)驗(yàn)是研究該類油藏相對(duì)最有效的方法。
目前，傳統(tǒng)的縫洞型油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱鞣椒ㄓ泻芏?，按照模型種類可以分為大理石模型、有機(jī)玻璃模型、全直徑巖心模型、玻璃刻蝕模型、玻璃水槽模型、碳酸鈣巖板模型等。
專家學(xué)者利用不同的方法制作不同的縫洞型油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并進(jìn)行水驅(qū)、氣驅(qū)、泡沫驅(qū)等物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M，在剩余油分布規(guī)律、形成機(jī)理以及動(dòng)用機(jī)制等方面取得了豐碩的成果。比如，隋宏光等[3]利用大理石模型研究了不同溶洞密度、不同洞縫比等參數(shù)對(duì)縫洞型油藏水驅(qū)油采收率的影響；呂愛民等[4]利用有機(jī)玻璃板模型模擬了不同注入速度、不同注采井位對(duì)水驅(qū)后剩余油分布和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的影響；Wang等[5]利用玻璃水槽模型研究了裂縫孔洞組合內(nèi)充填介質(zhì)對(duì)水驅(qū)油的影響，并分析了不同油水黏度比下的影響效果差異；彭松等[6]利用全直徑巖心模型模擬了多級(jí)注水替凝析油過程，并分析了產(chǎn)油量的影響因素；趙青等[7]利用碳酸鈣巖石板研究了不同氣驅(qū)方式下的產(chǎn)業(yè)特征和產(chǎn)業(yè)規(guī)律，并定性評(píng)價(jià)了剩余油形成機(jī)制；屈鳴等[8]利用玻璃刻蝕模型研究了復(fù)雜縫洞單元內(nèi)底水驅(qū)油水界面特征變化。
但是這些學(xué)者在進(jìn)行縫洞型油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程中，所用的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谥谱鞒杀?、刻畫精度、可視化等方面存在明顯的問題。比如，大理石模型、有機(jī)玻璃模型以及玻璃水槽模型刻畫的裂縫和溶洞過于規(guī)則，無法準(zhǔn)確模擬真實(shí)縫洞形態(tài)[3-5]；全直徑巖心模型的裂縫和溶洞刻畫具有明顯的隨機(jī)性，且不具可視性，無法觀察實(shí)驗(yàn)過程中裂縫和溶洞內(nèi)剩余油分布變化[6，9]；碳酸鈣巖板模型的縫洞刻畫過于粗糙，無法精確表征溶洞尺寸或裂縫開度等參數(shù)[7，10]；玻璃刻蝕模型制作成本過高，壁面物性與儲(chǔ)層差別較大，且難以對(duì)裂縫和溶洞進(jìn)行充填[8，11]。
上述這些問題很大程度上限制了縫洞型油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M的準(zhǔn)確性、普適性、真實(shí)性。所以，針對(duì)傳統(tǒng)方式制作的縫洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟蛔悖岢鲆环N縫洞油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞯男路椒?。該方法利用覆膜樹脂砂和環(huán)氧樹脂膠膠結(jié)的石英砂為原料，可制作出符合真實(shí)縫洞油藏特征的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，且具有縫洞刻畫真實(shí)、制作精度高、大批量生產(chǎn)、成本相對(duì)較低的顯著優(yōu)勢(shì)，為縫洞型油藏物理模擬實(shí)驗(yàn)的成功進(jìn)行奠定基礎(chǔ)，進(jìn)一步指導(dǎo)礦場(chǎng)實(shí)踐的高效開發(fā)。
1 物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱髟?/h2>
物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞣譃閮蓚€(gè)部分，即基質(zhì)制作和充填介質(zhì)制作。其中，基質(zhì)的制作采用原料為覆膜樹脂砂，利用自動(dòng)成型機(jī)進(jìn)行選擇性激光燒結(jié)制成預(yù)設(shè)形態(tài)的模型基質(zhì)；充填介質(zhì)采用環(huán)氧樹脂膠膠結(jié)的石英砂制成。
1.1 覆膜樹脂砂
覆膜樹脂砂(圖1)是一種在砂粒表面粘附一層固體酚醛樹脂膜的石英砂，主要由原砂(石英砂)、酚醛樹脂、烏洛托品水溶液、硬脂酸鈣以及一些添加劑組成[11]，其成分配比如表1所示。
圖1 覆膜樹脂砂
表1 覆膜樹脂砂成分表
覆膜樹脂砂的精度在一定程度上影響模型的精度和硬度，一方面，盡可能小的粒徑能夠提高精度，但另一方面，過小的粒徑可能會(huì)影響覆膜砂的透氣性[12]。通過對(duì)比不同粒徑覆膜樹脂砂打印的巖心，在盡可能保證模型精度和硬度的原則下，一般選取100～120目的覆膜樹脂砂作為打印原料，經(jīng)后處理后，能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。
1.2 環(huán)氧樹脂膠結(jié)石英砂
由于縫洞型油藏中，大部分裂縫和溶洞都存在不同類型、不同程度的充填?？p洞內(nèi)的充填介質(zhì)一般都是被泥沙或化學(xué)沉積等物質(zhì)固結(jié)，因此本研究也采用固結(jié)的多孔介質(zhì)來模擬縫洞內(nèi)的充填物，以滿足實(shí)際儲(chǔ)層的充填基質(zhì)物性[13-14]。
分別利用常規(guī)的E51環(huán)氧樹脂膠和改性后的環(huán)氧樹脂膠對(duì)石英砂進(jìn)行膠結(jié)[14]，可制備不同潤(rùn)濕性的充填介質(zhì)。其中，E51環(huán)氧樹脂膠是油性，可用其制備油濕性充填介質(zhì)；改性后的環(huán)氧樹脂膠為水性，可用其制備水濕性充填介質(zhì)。環(huán)氧樹脂膠膠結(jié)充填介質(zhì)過程示意圖如圖2所示。
圖2 環(huán)氧樹脂膠膠結(jié)充填介質(zhì)二維示意圖
由于不同縫洞充填介質(zhì)的滲透率不同，為真實(shí)模擬實(shí)際儲(chǔ)層充填介質(zhì)物性，通過不斷調(diào)整膠砂比(環(huán)氧樹脂膠與石英砂質(zhì)量比)和石英砂目數(shù)制備不同滲透率的巖心，從而確定不同充填介質(zhì)制作所需要的環(huán)氧樹脂膠和石英砂比例。
利用穩(wěn)態(tài)法，對(duì)不同膠砂比和石英砂目數(shù)制作的親水巖心和親油巖心進(jìn)行滲透率測(cè)試(上游壓力20 kPa，圍壓2.5 MPa)，結(jié)果如表2所示。
表2 不同膠砂比及石英砂目數(shù)制備巖心滲透率
從表2可以發(fā)現(xiàn)，在相同的膠砂比的條件下，利用不同類型環(huán)氧樹脂膠制得的巖心滲透率差異不大，其誤差屬允許范圍之內(nèi)?？赏ㄟ^確定膠砂比和石英砂目數(shù)來確定滲透率，從而制得符合儲(chǔ)層滲透率特征的縫洞油藏充填介質(zhì)。一般而言，縫洞型油藏充填介質(zhì)的滲透率為100～1 000 mD，所以，本文采用的石英砂目數(shù)為160～180目，膠砂比為15∶100。
2 基于選擇性激光燒結(jié)的3D打印模型基質(zhì)制作
2.1 縫洞數(shù)字模型構(gòu)建
縫洞數(shù)字模型的構(gòu)建是3D打印制作縫洞物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突|(zhì)部分的基礎(chǔ)。由于縫洞油藏復(fù)雜的縫洞結(jié)構(gòu)，通常要求縫洞物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅M量能夠盡量貼合礦場(chǎng)實(shí)際，所以縫洞數(shù)字模型的構(gòu)建是以縫洞型油藏地質(zhì)剖面或地質(zhì)模型為依據(jù)。
2.1.1 二維縫洞數(shù)字模型構(gòu)建
以某油田TK730～TK734連井地質(zhì)剖面為例，介紹二維縫洞數(shù)字模型的構(gòu)建方法。
首先，將TK730～TK734連井剖面作為背景圖，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design, CAD)軟件中，以“點(diǎn)連線，線構(gòu)面”的方式在平面上描繪出溶洞及裂縫輪廓，并在同一平面上繪制一個(gè)包裹裂縫和溶洞形態(tài)的矩形。然后，分別將矩形和縫洞輪廓沿垂向同方向按同大小拉伸成實(shí)體，分別形成一個(gè)長(zhǎng)方數(shù)字實(shí)體和一個(gè)縫洞數(shù)字實(shí)體。最后，利用布爾差集運(yùn)算，在長(zhǎng)方體中剪掉縫洞體，即完成二維縫洞數(shù)字模型構(gòu)建。TK730～TK734連井剖面及縫洞數(shù)字模型分別如圖3、圖4所示。
圖3 TK730～TK734連井剖面
(長(zhǎng)寬厚為30 cm×18 cm×1 cm)
2.1.2 三維縫洞數(shù)字模型構(gòu)建
以某油田T615單元地下河地質(zhì)模型為例，介紹三維縫洞數(shù)字模型的構(gòu)建方法。
三維縫洞數(shù)字模型的構(gòu)建方法分為直接法和間接法兩種。其中，直接法是通過觀察地質(zhì)模型形態(tài)，根據(jù)三視圖(前視圖、俯視圖、側(cè)視圖)在CAD軟件中直接構(gòu)建數(shù)字模型，間接法，即逆向建模法，是根據(jù)地質(zhì)模型坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過逆向工程方法建立三維縫洞數(shù)字模型。
通過直接法的構(gòu)造過程過于煩瑣，且誤差較大，不適合復(fù)雜三維縫洞數(shù)字模型的構(gòu)建。逆向建模法可以將地質(zhì)模型按一定比例縮小，完美復(fù)刻，自動(dòng)化程度高，可有效降低人為誤差。
逆向建模法構(gòu)建三維縫洞數(shù)字模型的過程可分為如下四個(gè)步驟[15]。
(1)獲取地質(zhì)模型溶洞的網(wǎng)格中心的坐標(biāo)，該過程可直接在地質(zhì)建模軟件petrol中完成，地下河溶洞地質(zhì)模型如圖5所示。
圖5 地下河溶洞地質(zhì)模型
(2)提取溶洞表面坐標(biāo)，即在上一步的基礎(chǔ)上，通過判斷每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)周圍的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)來判定每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是否為表面坐標(biāo)點(diǎn)，將內(nèi)部坐標(biāo)點(diǎn)(非表面坐標(biāo)點(diǎn))剔除。如某一數(shù)據(jù)點(diǎn)周圍數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)為小于6，則該數(shù)據(jù)點(diǎn)為表面坐標(biāo)點(diǎn)，否則，為內(nèi)部坐標(biāo)點(diǎn)。
(3)逆向工程法建立溶洞數(shù)字實(shí)體(圖6)，該過程可在三維建模軟件(如Solidworks軟件)中進(jìn)行，其處理過程包括噪聲數(shù)據(jù)剔除、平滑處理、生成曲面、生成實(shí)體等。
圖6 地下河溶洞數(shù)字實(shí)體
(4)布爾差集運(yùn)算構(gòu)建基質(zhì)數(shù)字實(shí)體，即構(gòu)建一個(gè)長(zhǎng)方體數(shù)字實(shí)體，并將其完全包裹縫洞數(shù)字實(shí)體，對(duì)兩者進(jìn)行布爾差集運(yùn)算，在長(zhǎng)方體中剪掉縫洞數(shù)字實(shí)體，完成三維縫洞數(shù)字模型構(gòu)建。
縫洞數(shù)字模型構(gòu)建完成后，利用magics軟件進(jìn)行縮放、修補(bǔ)、切片處理及軌跡掃描后即可導(dǎo)入3D打印設(shè)備進(jìn)行打印。
2.2 3D打印設(shè)備及原理過程
采用的3D打印設(shè)備為隆源AFS-360型自動(dòng)成型機(jī)，設(shè)備共分為四個(gè)部分，分別為控制器、成型機(jī)、制冷裝置以及通風(fēng)裝置，如圖7所示。
圖7 3D打印設(shè)備(自動(dòng)成型機(jī))
設(shè)備的核心部分為成型機(jī)，其主要包括激光二維掃描頭、鋪粉滾筒、激光窗、成型缸(內(nèi)有成型活塞)以及料缸(內(nèi)有供粉活塞)等，成型機(jī)內(nèi)部示意圖如圖8所示。
圖8 3D成型機(jī)內(nèi)部示意圖
打印前，將足夠量的覆膜樹脂砂(打印原料)裝入成型缸，并用鋪粉輥筒將成型缸和料缸內(nèi)的樹脂砂粉末鋪平。打印過程中，在計(jì)算機(jī)控制下通過 激光掃描頭對(duì)成型缸內(nèi)的覆膜樹脂砂進(jìn)行一層一層的選擇性燒結(jié)。當(dāng)燒結(jié)一層后，供粉活塞上升0.2 mm，相應(yīng)的成型活塞下降0.2 mm，通過鋪粉輥筒將料缸上部的覆膜樹脂砂推進(jìn)成型缸，進(jìn)而進(jìn)行第二層的燒結(jié)，層層燒結(jié)完畢后即可初步完成縫洞油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突|(zhì)部分的打印制作[15]。
2.3 硬化處理
為防止模型基質(zhì)周圍覆膜樹脂砂的固結(jié)，打印過程中激光溫度不宜太高，這也導(dǎo)致了打印后的模型基質(zhì)硬度明顯不足[16-17]。于是，待模型基質(zhì)打印結(jié)束后需要采用高溫?zé)Y(jié)的方式進(jìn)行硬化處理。硬化處理的過程分為三步，可概括為除砂、過火、烘烤，操作過程如圖9所示。
圖9 硬化處理過程圖
除砂，即用軟毛刷或氣槍將模型基質(zhì)周圍附著的未燒結(jié)的覆膜樹脂砂清除，防止過火和烘烤過程中將其固結(jié)在模型基質(zhì)表面，從而增加精度。
過火和烘烤分別是為了硬化模型基質(zhì)表面和內(nèi)部。過火是利用火焰噴槍來回對(duì)燒烤直至顏色明顯變深；燒結(jié)是將模型基質(zhì)放入恒溫箱里以190 ℃的溫度加熱5 h。
經(jīng)過硬化處理的模型基質(zhì)，可明顯提高硬度，可耐壓5 MPa左右，滿足縫洞油藏物理模擬實(shí)驗(yàn)要求。
部分3D打印并硬化處理后的縫洞模型基質(zhì)如圖10所示。
圖10 3D打印的縫洞模型基質(zhì)
3 模型基質(zhì)孔滲測(cè)試及降孔降滲處理
由于模型基質(zhì)的不規(guī)則性及尺寸較大的問題，采用3D打印巖心進(jìn)行滲透性測(cè)試，并研究實(shí)驗(yàn)要求的降滲方法，最終將其運(yùn)用到物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突|(zhì)的處理過程中。
3.1 3D打印巖心孔滲測(cè)試
參照中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5336—1996《巖心常規(guī)分析方法》，采用氮?dú)庾⑷敕y(cè)試3D打印巖心孔隙度，采用氮?dú)膺M(jìn)行氣測(cè)滲透率測(cè)試(圍壓為1.2 MPa，上游壓力為15 kPa)，測(cè)試結(jié)果如表3所示。
3D打印巖心尺高3 cm左右，直徑約為2.5 cm，如圖11所示。
圖11 3D打印巖心
從表3發(fā)現(xiàn)，利用覆膜樹脂砂進(jìn)行3D打印制得的巖心孔隙度約為40%，氣測(cè)滲透率約為2 000 mD。而實(shí)際縫洞型油藏基質(zhì)的滲透率大多為1%～5%，滲透率為0.1～1 mD。3D打印巖心孔滲參數(shù)與礦場(chǎng)實(shí)際嚴(yán)重不符，需要對(duì)其進(jìn)行降孔降滲處理，才能滿足物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M需要。
表3 3D打印巖心孔滲參數(shù)
3.2 3D打印巖心降孔降滲處理
經(jīng)過大量調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出濃度為30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硅溶膠水溶液(mSiO2·nH2O)作為降孔降滲處理媒介，它是一種無臭、無毒，可在水中均勻擴(kuò)散的半透明膠體溶液(圖12)，在72～83 ℃的溫度下會(huì)發(fā)生固化。
圖12 硅溶膠水溶液
首先，通過抽真空飽和硅溶膠的方式，將硅溶膠滲入巖心中，并使其吸附在巖心孔隙，然后在75 ℃的高溫下進(jìn)行烘干，使水分蒸發(fā)，硅溶膠固化，最后取出巖心再一次進(jìn)行孔滲測(cè)試。
采用與3.1中相同的方式與條件，對(duì)處理后巖心的孔隙度和滲透率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表4所示。
通過上表發(fā)現(xiàn)，降孔降滲處理后的3D打印巖心滲透率約為0.2 mD，滲透率約為4%，與實(shí)際縫洞型油藏基質(zhì)滲透率相符。故采用飽和硅溶膠的方式處理3D打印模型基質(zhì)可達(dá)到物理模擬實(shí)驗(yàn)要求。
4 模型充填及封裝打井
待模型基質(zhì)打印并處理結(jié)束后，通過對(duì)其填充充填介質(zhì)并封裝打井，方可完成縫洞油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱鳌?/p>
對(duì)于二維縫洞模型的制作，首先，利用環(huán)氧樹脂膠膠結(jié)的石英砂對(duì)溶洞和裂縫進(jìn)行充填，充填程度及充填介質(zhì)潤(rùn)濕性根據(jù)分析地質(zhì)特征后的實(shí)驗(yàn)需要而定；然后利用涂抹環(huán)氧樹脂膠的有機(jī)玻璃板對(duì)模型四周進(jìn)行封裝，并完全密封模型；最后利用電鉆鉆取注入口和采出口，并粘結(jié)出入口管線。
對(duì)于三維縫洞模型而言，其充填及打井封裝過程與二維縫洞模型類似，但是為便于充填，需要在打印過程中分段打印，待充填結(jié)束后，再依次拼接，最后封裝打井。
部分二維可視化及三維縫洞油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼故救鐖D13所示。其中二維模型尺寸為30 cm×18 cm×1 cm(長(zhǎng)×高×厚)，三維模型尺寸為15 cm×15 cm×15 cm(長(zhǎng)×寬×高)。
利用該方法制作的縫洞油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途邆渚雀?最小誤差為0.1 mm)、縫洞刻畫真實(shí)、能夠批量生產(chǎn)且原料成本低等顯著特點(diǎn)。尤其是在三維模型的制作方面，利用逆向工程方法將地質(zhì)模型等比例縮放，可真實(shí)還原實(shí)際縫洞形態(tài)。利用該類模型可更精確地在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件上研究縫洞型油藏剩余油分布規(guī)律及提高采收率措施，為礦場(chǎng)實(shí)踐提供依據(jù)。
5 結(jié)論
(1)采用覆膜樹脂砂制作縫洞型油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突|(zhì)部分，采用環(huán)氧樹脂膠膠結(jié)石英砂為原料制作裂縫和溶洞內(nèi)的充填介質(zhì)。
(2)該方法可以以實(shí)際地質(zhì)剖面為依據(jù)制作復(fù)雜二維縫洞物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以?shí)際地質(zhì)模型為依據(jù)制作真實(shí)三維縫洞物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>
(3)過火、烘烤的方式可有效提高模型基質(zhì)部分的硬度，利用飽和硅溶膠的方式可有效降低模型基質(zhì)部分的孔隙度和滲透率，使其達(dá)到物性特征更接近儲(chǔ)層實(shí)際，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。
(4)基于3D打印的縫洞油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆椒ò〝?shù)字模型構(gòu)建、切片處理、軌跡掃描、選擇性激光燒結(jié)(3D打印)、硬化處理、降孔降滲處理、充填封裝及打井。
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縫洞型油藏是一種非均質(zhì)性極強(qiáng)的非常規(guī)油藏，具有縫洞形態(tài)多樣，連通關(guān)系復(fù)雜的顯著特點(diǎn)[1]。這給縫洞油藏的工程開發(fā)和科學(xué)研究增加了很大的難度，尤其是儲(chǔ)層參數(shù)的不確定性導(dǎo)致縫洞油藏的數(shù)值模擬難以準(zhǔn)確模擬實(shí)際儲(chǔ)層[2]。針對(duì)典型縫洞結(jié)構(gòu)的縫洞型油藏物理實(shí)驗(yàn)是研究該類油藏相對(duì)最有效的方法。
目前，傳統(tǒng)的縫洞型油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱鞣椒ㄓ泻芏?，按照模型種類可以分為大理石模型、有機(jī)玻璃模型、全直徑巖心模型、玻璃刻蝕模型、玻璃水槽模型、碳酸鈣巖板模型等。
專家學(xué)者利用不同的方法制作不同的縫洞型油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并進(jìn)行水驅(qū)、氣驅(qū)、泡沫驅(qū)等物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M，在剩余油分布規(guī)律、形成機(jī)理以及動(dòng)用機(jī)制等方面取得了豐碩的成果。比如，隋宏光等[3]利用大理石模型研究了不同溶洞密度、不同洞縫比等參數(shù)對(duì)縫洞型油藏水驅(qū)油采收率的影響；呂愛民等[4]利用有機(jī)玻璃板模型模擬了不同注入速度、不同注采井位對(duì)水驅(qū)后剩余油分布和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的影響；Wang等[5]利用玻璃水槽模型研究了裂縫孔洞組合內(nèi)充填介質(zhì)對(duì)水驅(qū)油的影響，并分析了不同油水黏度比下的影響效果差異；彭松等[6]利用全直徑巖心模型模擬了多級(jí)注水替凝析油過程，并分析了產(chǎn)油量的影響因素；趙青等[7]利用碳酸鈣巖石板研究了不同氣驅(qū)方式下的產(chǎn)業(yè)特征和產(chǎn)業(yè)規(guī)律，并定性評(píng)價(jià)了剩余油形成機(jī)制；屈鳴等[8]利用玻璃刻蝕模型研究了復(fù)雜縫洞單元內(nèi)底水驅(qū)油水界面特征變化。
但是這些學(xué)者在進(jìn)行縫洞型油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程中，所用的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谥谱鞒杀?、刻畫精度、可視化等方面存在明顯的問題。比如，大理石模型、有機(jī)玻璃模型以及玻璃水槽模型刻畫的裂縫和溶洞過于規(guī)則，無法準(zhǔn)確模擬真實(shí)縫洞形態(tài)[3-5]；全直徑巖心模型的裂縫和溶洞刻畫具有明顯的隨機(jī)性，且不具可視性，無法觀察實(shí)驗(yàn)過程中裂縫和溶洞內(nèi)剩余油分布變化[6，9]；碳酸鈣巖板模型的縫洞刻畫過于粗糙，無法精確表征溶洞尺寸或裂縫開度等參數(shù)[7，10]；玻璃刻蝕模型制作成本過高，壁面物性與儲(chǔ)層差別較大，且難以對(duì)裂縫和溶洞進(jìn)行充填[8，11]。
上述這些問題很大程度上限制了縫洞型油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M的準(zhǔn)確性、普適性、真實(shí)性。所以，針對(duì)傳統(tǒng)方式制作的縫洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟蛔悖岢鲆环N縫洞油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞯男路椒?。該方法利用覆膜樹脂砂和環(huán)氧樹脂膠膠結(jié)的石英砂為原料，可制作出符合真實(shí)縫洞油藏特征的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，且具有縫洞刻畫真實(shí)、制作精度高、大批量生產(chǎn)、成本相對(duì)較低的顯著優(yōu)勢(shì)，為縫洞型油藏物理模擬實(shí)驗(yàn)的成功進(jìn)行奠定基礎(chǔ)，進(jìn)一步指導(dǎo)礦場(chǎng)實(shí)踐的高效開發(fā)。
1 物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱髟?/h2>
物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞣譃閮蓚€(gè)部分，即基質(zhì)制作和充填介質(zhì)制作。其中，基質(zhì)的制作采用原料為覆膜樹脂砂，利用自動(dòng)成型機(jī)進(jìn)行選擇性激光燒結(jié)制成預(yù)設(shè)形態(tài)的模型基質(zhì)；充填介質(zhì)采用環(huán)氧樹脂膠膠結(jié)的石英砂制成。
1.1 覆膜樹脂砂
覆膜樹脂砂(圖1)是一種在砂粒表面粘附一層固體酚醛樹脂膜的石英砂，主要由原砂(石英砂)、酚醛樹脂、烏洛托品水溶液、硬脂酸鈣以及一些添加劑組成[11]，其成分配比如表1所示。
圖1 覆膜樹脂砂
表1 覆膜樹脂砂成分表
覆膜樹脂砂的精度在一定程度上影響模型的精度和硬度，一方面，盡可能小的粒徑能夠提高精度，但另一方面，過小的粒徑可能會(huì)影響覆膜砂的透氣性[12]。通過對(duì)比不同粒徑覆膜樹脂砂打印的巖心，在盡可能保證模型精度和硬度的原則下，一般選取100～120目的覆膜樹脂砂作為打印原料，經(jīng)后處理后，能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。
1.2 環(huán)氧樹脂膠結(jié)石英砂
由于縫洞型油藏中，大部分裂縫和溶洞都存在不同類型、不同程度的充填?？p洞內(nèi)的充填介質(zhì)一般都是被泥沙或化學(xué)沉積等物質(zhì)固結(jié)，因此本研究也采用固結(jié)的多孔介質(zhì)來模擬縫洞內(nèi)的充填物，以滿足實(shí)際儲(chǔ)層的充填基質(zhì)物性[13-14]。
分別利用常規(guī)的E51環(huán)氧樹脂膠和改性后的環(huán)氧樹脂膠對(duì)石英砂進(jìn)行膠結(jié)[14]，可制備不同潤(rùn)濕性的充填介質(zhì)。其中，E51環(huán)氧樹脂膠是油性，可用其制備油濕性充填介質(zhì)；改性后的環(huán)氧樹脂膠為水性，可用其制備水濕性充填介質(zhì)。環(huán)氧樹脂膠膠結(jié)充填介質(zhì)過程示意圖如圖2所示。
圖2 環(huán)氧樹脂膠膠結(jié)充填介質(zhì)二維示意圖
由于不同縫洞充填介質(zhì)的滲透率不同，為真實(shí)模擬實(shí)際儲(chǔ)層充填介質(zhì)物性，通過不斷調(diào)整膠砂比(環(huán)氧樹脂膠與石英砂質(zhì)量比)和石英砂目數(shù)制備不同滲透率的巖心，從而確定不同充填介質(zhì)制作所需要的環(huán)氧樹脂膠和石英砂比例。
利用穩(wěn)態(tài)法，對(duì)不同膠砂比和石英砂目數(shù)制作的親水巖心和親油巖心進(jìn)行滲透率測(cè)試(上游壓力20 kPa，圍壓2.5 MPa)，結(jié)果如表2所示。
表2 不同膠砂比及石英砂目數(shù)制備巖心滲透率
從表2可以發(fā)現(xiàn)，在相同的膠砂比的條件下，利用不同類型環(huán)氧樹脂膠制得的巖心滲透率差異不大，其誤差屬允許范圍之內(nèi)?？赏ㄟ^確定膠砂比和石英砂目數(shù)來確定滲透率，從而制得符合儲(chǔ)層滲透率特征的縫洞油藏充填介質(zhì)。一般而言，縫洞型油藏充填介質(zhì)的滲透率為100～1 000 mD，所以，本文采用的石英砂目數(shù)為160～180目，膠砂比為15∶100。
2 基于選擇性激光燒結(jié)的3D打印模型基質(zhì)制作
2.1 縫洞數(shù)字模型構(gòu)建
縫洞數(shù)字模型的構(gòu)建是3D打印制作縫洞物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突|(zhì)部分的基礎(chǔ)。由于縫洞油藏復(fù)雜的縫洞結(jié)構(gòu)，通常要求縫洞物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅M量能夠盡量貼合礦場(chǎng)實(shí)際，所以縫洞數(shù)字模型的構(gòu)建是以縫洞型油藏地質(zhì)剖面或地質(zhì)模型為依據(jù)。
2.1.1 二維縫洞數(shù)字模型構(gòu)建
以某油田TK730～TK734連井地質(zhì)剖面為例，介紹二維縫洞數(shù)字模型的構(gòu)建方法。
首先，將TK730～TK734連井剖面作為背景圖，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design, CAD)軟件中，以“點(diǎn)連線，線構(gòu)面”的方式在平面上描繪出溶洞及裂縫輪廓，并在同一平面上繪制一個(gè)包裹裂縫和溶洞形態(tài)的矩形。然后，分別將矩形和縫洞輪廓沿垂向同方向按同大小拉伸成實(shí)體，分別形成一個(gè)長(zhǎng)方數(shù)字實(shí)體和一個(gè)縫洞數(shù)字實(shí)體。最后，利用布爾差集運(yùn)算，在長(zhǎng)方體中剪掉縫洞體，即完成二維縫洞數(shù)字模型構(gòu)建。TK730～TK734連井剖面及縫洞數(shù)字模型分別如圖3、圖4所示。
圖3 TK730～TK734連井剖面
(長(zhǎng)寬厚為30 cm×18 cm×1 cm)
2.1.2 三維縫洞數(shù)字模型構(gòu)建
以某油田T615單元地下河地質(zhì)模型為例，介紹三維縫洞數(shù)字模型的構(gòu)建方法。
三維縫洞數(shù)字模型的構(gòu)建方法分為直接法和間接法兩種。其中，直接法是通過觀察地質(zhì)模型形態(tài)，根據(jù)三視圖(前視圖、俯視圖、側(cè)視圖)在CAD軟件中直接構(gòu)建數(shù)字模型，間接法，即逆向建模法，是根據(jù)地質(zhì)模型坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過逆向工程方法建立三維縫洞數(shù)字模型。
通過直接法的構(gòu)造過程過于煩瑣，且誤差較大，不適合復(fù)雜三維縫洞數(shù)字模型的構(gòu)建。逆向建模法可以將地質(zhì)模型按一定比例縮小，完美復(fù)刻，自動(dòng)化程度高，可有效降低人為誤差。
逆向建模法構(gòu)建三維縫洞數(shù)字模型的過程可分為如下四個(gè)步驟[15]。
(1)獲取地質(zhì)模型溶洞的網(wǎng)格中心的坐標(biāo)，該過程可直接在地質(zhì)建模軟件petrol中完成，地下河溶洞地質(zhì)模型如圖5所示。
圖5 地下河溶洞地質(zhì)模型
(2)提取溶洞表面坐標(biāo)，即在上一步的基礎(chǔ)上，通過判斷每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)周圍的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)來判定每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是否為表面坐標(biāo)點(diǎn)，將內(nèi)部坐標(biāo)點(diǎn)(非表面坐標(biāo)點(diǎn))剔除。如某一數(shù)據(jù)點(diǎn)周圍數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)為小于6，則該數(shù)據(jù)點(diǎn)為表面坐標(biāo)點(diǎn)，否則，為內(nèi)部坐標(biāo)點(diǎn)。
(3)逆向工程法建立溶洞數(shù)字實(shí)體(圖6)，該過程可在三維建模軟件(如Solidworks軟件)中進(jìn)行，其處理過程包括噪聲數(shù)據(jù)剔除、平滑處理、生成曲面、生成實(shí)體等。
圖6 地下河溶洞數(shù)字實(shí)體
(4)布爾差集運(yùn)算構(gòu)建基質(zhì)數(shù)字實(shí)體，即構(gòu)建一個(gè)長(zhǎng)方體數(shù)字實(shí)體，并將其完全包裹縫洞數(shù)字實(shí)體，對(duì)兩者進(jìn)行布爾差集運(yùn)算，在長(zhǎng)方體中剪掉縫洞數(shù)字實(shí)體，完成三維縫洞數(shù)字模型構(gòu)建。
縫洞數(shù)字模型構(gòu)建完成后，利用magics軟件進(jìn)行縮放、修補(bǔ)、切片處理及軌跡掃描后即可導(dǎo)入3D打印設(shè)備進(jìn)行打印。
2.2 3D打印設(shè)備及原理過程
采用的3D打印設(shè)備為隆源AFS-360型自動(dòng)成型機(jī)，設(shè)備共分為四個(gè)部分，分別為控制器、成型機(jī)、制冷裝置以及通風(fēng)裝置，如圖7所示。
圖7 3D打印設(shè)備(自動(dòng)成型機(jī))
設(shè)備的核心部分為成型機(jī)，其主要包括激光二維掃描頭、鋪粉滾筒、激光窗、成型缸(內(nèi)有成型活塞)以及料缸(內(nèi)有供粉活塞)等，成型機(jī)內(nèi)部示意圖如圖8所示。
圖8 3D成型機(jī)內(nèi)部示意圖
打印前，將足夠量的覆膜樹脂砂(打印原料)裝入成型缸，并用鋪粉輥筒將成型缸和料缸內(nèi)的樹脂砂粉末鋪平。打印過程中，在計(jì)算機(jī)控制下通過 激光掃描頭對(duì)成型缸內(nèi)的覆膜樹脂砂進(jìn)行一層一層的選擇性燒結(jié)。當(dāng)燒結(jié)一層后，供粉活塞上升0.2 mm，相應(yīng)的成型活塞下降0.2 mm，通過鋪粉輥筒將料缸上部的覆膜樹脂砂推進(jìn)成型缸，進(jìn)而進(jìn)行第二層的燒結(jié)，層層燒結(jié)完畢后即可初步完成縫洞油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突|(zhì)部分的打印制作[15]。
2.3 硬化處理
為防止模型基質(zhì)周圍覆膜樹脂砂的固結(jié)，打印過程中激光溫度不宜太高，這也導(dǎo)致了打印后的模型基質(zhì)硬度明顯不足[16-17]。于是，待模型基質(zhì)打印結(jié)束后需要采用高溫?zé)Y(jié)的方式進(jìn)行硬化處理。硬化處理的過程分為三步，可概括為除砂、過火、烘烤，操作過程如圖9所示。
圖9 硬化處理過程圖
除砂，即用軟毛刷或氣槍將模型基質(zhì)周圍附著的未燒結(jié)的覆膜樹脂砂清除，防止過火和烘烤過程中將其固結(jié)在模型基質(zhì)表面，從而增加精度。
過火和烘烤分別是為了硬化模型基質(zhì)表面和內(nèi)部。過火是利用火焰噴槍來回對(duì)燒烤直至顏色明顯變深；燒結(jié)是將模型基質(zhì)放入恒溫箱里以190 ℃的溫度加熱5 h。
經(jīng)過硬化處理的模型基質(zhì)，可明顯提高硬度，可耐壓5 MPa左右，滿足縫洞油藏物理模擬實(shí)驗(yàn)要求。
部分3D打印并硬化處理后的縫洞模型基質(zhì)如圖10所示。
圖10 3D打印的縫洞模型基質(zhì)
3 模型基質(zhì)孔滲測(cè)試及降孔降滲處理
由于模型基質(zhì)的不規(guī)則性及尺寸較大的問題，采用3D打印巖心進(jìn)行滲透性測(cè)試，并研究實(shí)驗(yàn)要求的降滲方法，最終將其運(yùn)用到物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突|(zhì)的處理過程中。
3.1 3D打印巖心孔滲測(cè)試
參照中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5336—1996《巖心常規(guī)分析方法》，采用氮?dú)庾⑷敕y(cè)試3D打印巖心孔隙度，采用氮?dú)膺M(jìn)行氣測(cè)滲透率測(cè)試(圍壓為1.2 MPa，上游壓力為15 kPa)，測(cè)試結(jié)果如表3所示。
3D打印巖心尺高3 cm左右，直徑約為2.5 cm，如圖11所示。
圖11 3D打印巖心
從表3發(fā)現(xiàn)，利用覆膜樹脂砂進(jìn)行3D打印制得的巖心孔隙度約為40%，氣測(cè)滲透率約為2 000 mD。而實(shí)際縫洞型油藏基質(zhì)的滲透率大多為1%～5%，滲透率為0.1～1 mD。3D打印巖心孔滲參數(shù)與礦場(chǎng)實(shí)際嚴(yán)重不符，需要對(duì)其進(jìn)行降孔降滲處理，才能滿足物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M需要。
表3 3D打印巖心孔滲參數(shù)
3.2 3D打印巖心降孔降滲處理
經(jīng)過大量調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出濃度為30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硅溶膠水溶液(mSiO2·nH2O)作為降孔降滲處理媒介，它是一種無臭、無毒，可在水中均勻擴(kuò)散的半透明膠體溶液(圖12)，在72～83 ℃的溫度下會(huì)發(fā)生固化。
圖12 硅溶膠水溶液
首先，通過抽真空飽和硅溶膠的方式，將硅溶膠滲入巖心中，并使其吸附在巖心孔隙，然后在75 ℃的高溫下進(jìn)行烘干，使水分蒸發(fā)，硅溶膠固化，最后取出巖心再一次進(jìn)行孔滲測(cè)試。
采用與3.1中相同的方式與條件，對(duì)處理后巖心的孔隙度和滲透率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表4所示。
通過上表發(fā)現(xiàn)，降孔降滲處理后的3D打印巖心滲透率約為0.2 mD，滲透率約為4%，與實(shí)際縫洞型油藏基質(zhì)滲透率相符。故采用飽和硅溶膠的方式處理3D打印模型基質(zhì)可達(dá)到物理模擬實(shí)驗(yàn)要求。
4 模型充填及封裝打井
待模型基質(zhì)打印并處理結(jié)束后，通過對(duì)其填充充填介質(zhì)并封裝打井，方可完成縫洞油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱鳌?/p>
對(duì)于二維縫洞模型的制作，首先，利用環(huán)氧樹脂膠膠結(jié)的石英砂對(duì)溶洞和裂縫進(jìn)行充填，充填程度及充填介質(zhì)潤(rùn)濕性根據(jù)分析地質(zhì)特征后的實(shí)驗(yàn)需要而定；然后利用涂抹環(huán)氧樹脂膠的有機(jī)玻璃板對(duì)模型四周進(jìn)行封裝，并完全密封模型；最后利用電鉆鉆取注入口和采出口，并粘結(jié)出入口管線。
對(duì)于三維縫洞模型而言，其充填及打井封裝過程與二維縫洞模型類似，但是為便于充填，需要在打印過程中分段打印，待充填結(jié)束后，再依次拼接，最后封裝打井。
部分二維可視化及三維縫洞油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼故救鐖D13所示。其中二維模型尺寸為30 cm×18 cm×1 cm(長(zhǎng)×高×厚)，三維模型尺寸為15 cm×15 cm×15 cm(長(zhǎng)×寬×高)。
利用該方法制作的縫洞油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途邆渚雀?最小誤差為0.1 mm)、縫洞刻畫真實(shí)、能夠批量生產(chǎn)且原料成本低等顯著特點(diǎn)。尤其是在三維模型的制作方面，利用逆向工程方法將地質(zhì)模型等比例縮放，可真實(shí)還原實(shí)際縫洞形態(tài)。利用該類模型可更精確地在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件上研究縫洞型油藏剩余油分布規(guī)律及提高采收率措施，為礦場(chǎng)實(shí)踐提供依據(jù)。
5 結(jié)論
(1)采用覆膜樹脂砂制作縫洞型油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突|(zhì)部分，采用環(huán)氧樹脂膠膠結(jié)石英砂為原料制作裂縫和溶洞內(nèi)的充填介質(zhì)。
(2)該方法可以以實(shí)際地質(zhì)剖面為依據(jù)制作復(fù)雜二維縫洞物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以?shí)際地質(zhì)模型為依據(jù)制作真實(shí)三維縫洞物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>
(3)過火、烘烤的方式可有效提高模型基質(zhì)部分的硬度，利用飽和硅溶膠的方式可有效降低模型基質(zhì)部分的孔隙度和滲透率，使其達(dá)到物性特征更接近儲(chǔ)層實(shí)際，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。
(4)基于3D打印的縫洞油藏物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆椒ò〝?shù)字模型構(gòu)建、切片處理、軌跡掃描、選擇性激光燒結(jié)(3D打印)、硬化處理、降孔降滲處理、充填封裝及打井。
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