渗吸研究中的典型问题与研究方法概述

王敉邦，杨胜来，吴润桐，蒋林宏，包建银

（中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京102249）



·专论与综述·

渗吸研究中的典型问题与研究方法概述

王敉邦，杨胜来，吴润桐，蒋林宏，包建银

（中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室，北京102249）

在渗吸实验中，挂壁现象、门槛跳跃、马兰戈尼效应等典型问题严重影响以质量法和体积法为代表的传统实验方法的测量精度。同时传统实验方法无法对因岩心非均质性造成的液体在岩心内部分布的差异性、渗吸驱动力问题、渗吸前缘的变化规律等热点问题做出更加深入的研究与解释。因此在结合以CT技术、分子模拟技术等现代科学技术的基础上，逐渐形成了渗吸研究一体化研究方法，主要包括传统实验方法和现代科技手段一体化、微观与宏观一体化、多学科综合研究的一体化。该一体化方法理念在岩心尺度下引入了分子尺度和油藏尺度，从定性和定量两个方面研究了渗吸理论和渗吸规律，加强实验和现场应用的结合，体现当前多学科协同发展的理念和潮流，同时对渗吸研究工作的开展具有指导和借鉴意义。

渗吸；典型问题；研究方法；一体化概念；指导与借鉴

渗吸，是描述把毛管力作为主要动力使润湿相液体在多孔介质中置换另一种非润湿相液体的过程［1］。随着低渗、特低渗、致密和页岩油藏的开发，渗吸对钻井施工和油气藏开发的影响开始凸显。分析和总结渗吸过程中的现象与规律，对实现油田周期注水/注气达到渗吸法驱油，提高油藏采收率具有重要意义；对因渗吸作用造成的钻井液和压裂液在地层中的滞留和对地层的污染，减少经济损失具有指导作用。

1　研究过程中的典型问题

岩心实验是研究渗吸规律的重要手段，实验过程中出现的典型现象是渗吸规律现实化的展现。挂壁现象、门槛跳跃、马兰戈尼效应、渗吸驱动力等典型现象和问题一直是渗吸研究的热点。

1.1挂壁现象

挂壁现象在岩心渗吸实验中经常出现，并影响测量的精度。在渗吸作用下非润湿相被润湿相液体驱替出来并由于界面张力作用黏附在岩心表面，随着渗吸量的增加，小的液珠或气泡会慢慢聚集在一起，重力分异作用逐渐克服界面张力，液珠或气泡就会脱离岩心表面。而在致密油渗吸实验中，由于渗透率低、孔喉细小，渗吸速率慢，挂壁现象持续时间长，对采用传统方法特别是体积法初期测量渗吸量和计算渗吸速率会造成较大误差。

1.2门槛跳跃［2］

在液体和干岩样接触时，由于液体表面能和毛管作用对岩心产生一种拉力造成质量的突然增加，这就是门槛跳跃效应，这在水湿岩心渗吸实验中特别明显。王锐［3］、魏发林［4］、Chahardowli等［5］的实验研究表明油湿岩心渗吸采收率趋于0，因此对于油湿致密岩心，通过注入表面活性剂改变岩石润湿性是提高渗吸采收率的重要方法。但随着岩心润湿性的改变，门槛跳跃现象也就随之出现。

1.3马兰戈尼效应［6］

由两种表面张力不同的液体介面之间存在张力的梯度而使质量移动的现象，称为马兰戈尼效应［7］。在使用阳离子表面活性剂的油湿低渗透率岩心（＜10 mD）实验中，研究认为逆向渗吸的机理除了毛管力的作用外，还有马兰戈尼效应的影响，因为水的表面张力大于油的表面张力。马兰戈尼效应创造了一个水动力性质的横向剪切应力在油水界面上，帮助油相朝着向水相渗吸的相反方向移动。而阳离子表面活性剂增产主要是能够改变岩心表面润湿性，增大水相的接触角，最终增大毛管力，增加逆向润湿性。

1.4渗吸驱动力问题

毛管力是否是渗吸的动力一直是学术界争论的热点。学术界目前较为认可的是，渗吸的主要驱动力来自于毛管力，但在渗透率较大、孔喉较好的长岩心渗吸实验中需要考虑重力分异作用的影响，而在短岩心以及低渗和致密岩石基质中，可以忽略重力驱动流动。国内绝大多数实验对象是低渗透岩心，并通过DuPery［8］公式判定毛管力与重力的主导地位。当大时，毛管力支配流动，当接近0时，重力支配作用，渗透率越低，毛管尺寸越小，重力分异作用对渗吸的影响越弱。

目前对渗吸理论的研究是割裂了裂缝和基质把两者分别作为独立的系统进行分析，还没有一套较好的方法将两者进行耦合。如致密油藏压裂形成的裂缝中，相对于基质具有更大孔隙度和渗透率的裂缝系统，重力作用对裂缝中压裂液滞留和渗吸量的影响很大，另外裂缝的开度与走向也影响着裂缝与基质之间液体交换量（见图1）［9］。

图1　人工裂缝延伸方向影响示意图

2　渗吸实验传统研究方法

渗吸的传统实验方法主要包括体积法和质量法，其主要特点（见表1）［10］。对于致密油藏，储集层岩心还具有岩心偏油湿、非稳态法气测渗透率低（一般在0.000 2mD～0.01 mD），储层应力敏感性强等特点。采用体积法和质量法对渗吸规律进行研究，测量精度低，很难对“挂壁现象”、“门槛跳跃”等为代表的渗吸典型问题进行深入研究。

表1　传统渗吸实验方法特点

3　渗吸研究的一体化方法

随着渗吸问题研究的深入，在结合以CT技术、分子模拟技术等现代科学技术的基础上，逐渐形成了渗吸研究的一体化研究方法。细化可分为三大一体化：传统实验方法和现代科技手段的一体化、宏观和微观的一体化、多学科（石油、地质、化学、物理、材料等等）综合应用的一体化。

3.1传统实验方法和现代科技手段一体化

该一体化是在传统实验方法定量分析的基础上加强定性分析，补充低渗、特低渗等岩心传统实验的不足，实现实验过程的自动化、可视化和实验结果的精确化。

CT扫描法是现代研究常用手段。采用CT扫描技术可以对岩心内部渗吸前缘变化和移动距离、毛管力与重力主导关系的相关转化、非均质性对渗吸的影响等问题和现象具有更加直观化的描述，对渗吸机理的研究更进一步。采用CT扫描技术实验应用（见图2、图3），研究了由于岩心非均质性、扩散作用以及高速通道的存在对渗吸前缘的变化规律。

图2　砂岩含油饱和度CT扫描图［11］

图3　采用CT扫描法研究渗吸前缘变化规律的成果示意图［12，13］

3.2宏观与微观一体化

该一体化的特点是把实验对象从岩心尺度的局限下扩展到油藏尺度和分子尺度下，研究和分析三个尺度下渗吸规律不同的外在特征，深化对渗吸规律的认识并解决研究和实际生产中的难题。对于油藏尺度，油藏数值模拟是常采用手段，而分子模拟研究近年来也逐渐兴起。

图4　采用分子模拟软件研究渗吸中毛管力作用规律成果示意图

分子模拟技术应用范围广，在石油领域中，可以用来解释和预测包括共混现象、扩散、内聚与润湿以及表面粘接等重要现象。利用分子模拟技术，对单一毛管内部在渗吸作用下水分子、水分子在通道内以及管壁上的分布特征，从微观层面上提高对渗吸规律的认识（见图4）。

3.3多学科综合研究一体化

该一体化概念主要特点是综合性以及前瞻性。在研究分析中联合地质、钻井、油藏工程、完井和地球物理等多学科人才，从多层次、多角度、多方位对渗吸规律在室内实验和现场施工中的应用进行研究和分析。像表面活性剂配方的选择和优化，纳米技术在渗吸实验中的应用，人工裂缝设计以及数值模拟软件的编写都需要各学科人才的参加与合作。

4　讨论

（1）挂壁现象、门槛跳跃、马兰戈尼效应、渗吸驱动力等典型现象和问题是渗吸研究的热点，在低渗、特低渗和致密油藏的开发中对开发效果影响很大。

（2）以体积法和质量法为代表的传统实验方法无法满足目前高精度、自动化、可视化具有油湿或低渗特征的岩心渗吸实验的要求。

（3）以传统实验方法和现代科技手段的一体化、宏观和微观的一体化、多学科综合应用的一体化为核心的现代渗吸实验方法对渗吸规律的进一步研究和应用具有指导和借鉴作用。

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［13］张星.低渗透砂岩油藏渗吸规律研究［M］.北京：中国石化出版社，2013.

Typical problem s and research methods in the study of imbibition

WANG Mibang，YANG Shenglai，WU Runtong，JIANG Linhong，BAO Jianyin
（Key Laboratory of Petroleum Engineering of Ministry of Education，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，China）

In the imbibition experiment，the typical problems such as the phenomenon of the hanging wall，meniscus jump and Marangoni effect，severely restricts the precision of traditional experiments like quality or volumemethods.At the same time，the traditional experimentalmethod can make neither a deep research nor a detailed explanation on the difference of liquid distribution caused by core heterogeneity，the imbibition force，and the change of the imbibition front shape.In combination on the basis of CT technology，molecular simulation technology and modern science and technology，gradually formed the imbibition on the integration of researchmethods，including the integration of the traditionalmethods and mod－ern technology integration，micro and macro integration，multi-disciplinary comprehensive study.The integrated methods introducesmolecular scale and reservoir scale to the core experiment，which can be used to study the theory of imbibition from both the respects of quality and quantity，to strengthen the combination of experimental and field application.It is of guidance and reference for the development of imbibition study.

imbibition；typical problems；research methods；integration concept；guidance and reference

TE311

A

1673-5285（2016）07-0001-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.07.001

2016－05-24

973项目“陆相致密油高效开发基础研究”，项目编号：2015CB250900。

王敉邦，男（1991-），河南南阳人，中国石油大学（北京）硕士生，现从事油藏渗流机理和油气田开发理论与系统工程方面的研究工作。