特高含水期油膜变形机理及微观物模实验验证

孟小海 陈琳 刘浩瀚 李奋

1.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院；2.西南石油大学理学院；3.四川建筑职业技术学院信息工程系

特高含水期油膜变形机理及微观物模实验验证

孟小海1陈琳2刘浩瀚3李奋1

1.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院；2.西南石油大学理学院；3.四川建筑职业技术学院信息工程系

为了研究特高含水期微观剩余油膜的变形情况，假设油膜是被逐层驱替的条件下，采用微元法对油膜变形进行了研究，确定了影响油膜变形的主要因素，分析了剩余油膜由静止到临界破裂的变化过程，在理论上推导出油膜变形启动水驱速度及油膜变形达到临界状态时油膜的表面积与体积的比值，并用微观物理模拟实验验证了假设的合理性。研究表明，油膜是被逐层驱替的，随着水驱进行上层油膜逐渐脱离主体使油膜逐渐变薄；可以通过改变水的黏度和油膜的界面张力来达到油膜变形乃至破裂的目的进而增加采收率。

特高含水期；剩余油；亲水毛细管；剩余油膜；变形机理

国内一些注水开发油田已进入特高含水期［1］，剩余油分布［2］及剩余油的受力状态［3］相对于油田开发初期发生了较大的变化，需要对特高含水期的开发措施做出必要的调整［4-5］。剩余油流动特征及运移规律的研究对于提高特高含水期水驱油藏采收率具有重要意义。邓志安等［6］研究了宏观水洗流场液滴破裂特性，给出了油滴在水洗场中变形与破裂的变化过程；修丽群等［7］运用软件模拟方法对水驱油藏油滴变形流动机理进行了研究，给出了一定条件下油滴的变形情况；刘晓燕等［8］运用数值模拟方法研究了胶凝原油颗粒在复杂作用力下的变形情况；陈薄等［9］研究了轴承中油气两相流动状态下的油膜分布及油滴的变形；白博峰等［10］研究了流场中复杂液滴的变形运动与吸附情况；谷建伟等［11］研究了亲水多孔介质残余油滴的微观运移机理；倪玲英等［12］研究了物性对油滴剪切变形影响的模拟分析，但以上学者均未对特高含水期微观剩余油膜变形的机理进行研究。笔者在以上研究基础上，提出了油膜逐层驱替假设，分析了亲水油膜的受力状态方程，理论上推导了油膜变形的启动水驱速度及油膜变形达到临界状态时油膜的表面积与体积的比值，进而为油田开发提高采收率提供参考。

1 油膜变形过程分析

Analysis on the oil film deformation process

假设条件：油膜是一层层被水剪切的，油膜底面为圆形，油膜变形过程不破裂，毛管与水平方向的夹角为0、油膜各层之间接触达到原接触面积的二分之一时即发生破裂。

毛管壁为亲水型，毛管壁与油膜之间存在分子力与摩擦力且相对较大，以至于油膜不可能被水一次性冲走，所以在研究油膜的形变过程只需考虑油膜上部分的受力状况。由于油膜的厚度较小，油膜的润湿角非常小，所以由于润湿角产生的作用力可以忽略；油膜竖直方向上的运动幅度微小，所以竖直方向上的运动可以忽略。在水平方向上油膜上部所受的力主要有界面张力、水对油膜的黏滞剪切应力、油膜上下相邻层之间的黏滞切应力。图1表示的是油膜的剖面图，油膜被微分为若干层，为了便于观察与理解只给出了3层油膜。d0代表油膜的厚度（长度为AB），r为油膜的曲率半径，dr为油膜的单层厚度。

毛管壁为亲水型，特高含水期剩余油膜对毛管壁的吸附力较小, 所以在一定水驱作用下可以被驱离毛管壁。根据工程流体力学黏性流体知识可知，油膜上下层间相对运动则产生黏滞力，黏滞力较小时不能带动下层运动，当黏滞力较大时则可以带动下层运动，当相邻两层之间的接触面积减少到一定值时，上层就会与下层分离，即油膜发生破裂。

图1 油膜结构示意图Fig. 1 Schematic structure of oil film

2 特高含水期剩余油膜变形机理

Deformation mechanism of remaining oil film in the stage of ultra-high water cut

假设油膜的初始主视曲线为规则的圆弧，曲率半径为r，油膜厚度为d0，分为n层 ，每层的厚度为dr，油膜各层之间的黏度系数为μo，水对油膜作用的黏度系数为μw，油膜表面的初始界面张力为σ0，油膜与毛管壁之间的作用力为N，油膜与毛管壁之间的作用系数为u。油膜最上一层与下面相邻的一层之间的接触面积为So，水与油膜最顶层之间的接触面积为Sw，由于dr较小，所以油膜的最顶层近似平面，可将油膜顶层与上下相邻层之间的接触面积看作近似相等，即So=Sw。

2.1 油膜变形启动条件

Startup condition for the deformation of oil film

油膜的上表面主要受界面张力、水对油膜的黏滞剪切力及油膜下层对上层之间的黏滞剪切力作用。特高含水期停止水驱，油膜将会达到平衡状态，在水与毛管壁相对静止情况下，可以近似将油膜看成球形顶部的切片，曲率半径为r，此时油膜为轴对称图形，界面张力是维持原始形状的力，初始条件下界面张力在水平方向上的合外力为0。水与油都具有一定的黏度，两者发生相对运动则会产生黏滞剪切力，随着水驱速度的增加作用力会随之增加。前文假设油膜是分层被水剪切的，上层的油膜一旦发生运动，就会与相邻的下层发生相对运动，使油膜相邻层之间产生黏滞剪切力。

图1中由上至下第1 层与第2层接触横截面半径为r12，由图形几何关系可以构建关于顶层油膜半径相关的勾股函数

水与油之间接触面积Sw为

由黏滞切应力公式可得水对顶层油膜的剪切力Fw为

第1层与第2层油膜之间的接触面So=Sw，第2层对顶层油膜单位速度梯度下的作用力Fo为

式中，r12为油膜第1层与第2层接触面的半径；μw为水的黏度系数；dv/dr为速度梯度；μo为油的黏度系数。

令水对顶层油膜的作用力Fo与第2层油膜对顶层油膜的作用力Fw相等，得

当水对顶层油膜剪切力与第2层油膜对上层之间剪切力平衡时，水的速度一旦增加则水对顶层油膜的黏滞剪切力也会随之增加，原来的平衡就会被打破，油膜开始发生变形，此时的水驱速度为油膜变形的启动速度vmin。

2.2 油膜变形过程

Deformation process of oil film

水驱速度在vmin的基础上发生较小的变化，增加到vi，理论上油膜第1层就会发生形变，其表面张力就随之变化为σi，由于表面张力是用来维持油膜表面原形状的力，所以表面张力的变化会阻碍油膜表面的变形。随着水驱速度的增加，水对油膜的黏滞剪切力会随之增加为Fwi，在其作用下油膜表面发生形变，油膜第2层对第1层的黏滞剪切力表现为阻力，但是油膜层之间发生相对运动，层之间的接触面积将会减小为Foi。当速度vi保持不变，在以上3个力的作用下油膜将达到新的平衡状态，即3个力的矢量和为0。Foi+Fwi+σi=0 （6）

2.3 油膜变形界限

Deformation boundary of oil film

水驱速度在vi的基础上发生较大的变化，增加为vm，油膜表面发生较大的形变，表面张力随之变化为σm，表面张力的变化依然会阻碍油膜表面的变形。随着水驱速度的增加，水对油膜的黏滞剪切力增加为Fwm。油膜下层对相邻上层之间的黏滞剪切力表现为阻力，层之间的接触面积会继续减小，作用力为Fom。如果速度vm继续增加油膜将很容易发生破裂，此时的速度vm为特高含水期亲水型毛管壁剩余油膜变形的极限速度。

图2 油膜变形极限图Fig. 2 Ultimate deformation of oil film

当水驱速度为vi时，水剪切单层油膜的最大厚度为dmi，对于某固定的水驱油藏油膜单层剪切的最大厚度为Ki，由式（5）得

假设每层油膜厚度为di，则油膜可被分为n层

由图2中几何关系可以建立关于中层油膜半径的勾股函数

油膜变形极限时的表面积Sm为

油膜每层的截面半径为ri，则油膜的总体积V为

由于特高含水期剩余油膜较薄，上下各相邻层间的横截面半径相差较小，所以ri可近似等于r12，油膜变形后的表面积与体积之比C为

综合式（1）、（7）、（10）、（11）可得油膜变形极限表面积与油膜体积之比C为

油膜在一定水驱作用下表面积逐渐增加，当表面积增加到某值时油膜开始破裂，此时油膜的表面积与体积之比为C，由公式（13）可知C与水驱速度相关，如果在实验条件下测得不同赋存状态下的油膜破裂时的C值，便可得到不同赋存状态下油膜破裂所对应的速度v，进而可以指导特高含水期油田剩余油膜的有效开发。

3 微观物理模拟实验

Microscopic physical simulation experiment

3.1 实验方法

Experimental method

选取亲水型微观物理模型，首先饱和实验油静置15 min使其达到稳定状态，然后用水进行驱替，水驱速度按照实验目的由小到大分阶段逐渐增加，同时运用高清摄相机进行实时监测，记录水驱油的变化过程，通过水驱油的变化过程现象来判断水驱油过程中间的一些受力状况。

微观物理模拟实验的实验条件：渗透率为高渗，孔喉比为1∶0.04，实验毛管性质为亲水型，实验温度为25 ℃，平均孔喉半径为80 μm。表1为微观物理模拟实验的驱替变化过程。

表1 微观物模实验过程Table 1 Process of microscopic physical simulation experiment

3.2 实验现象分析

Analysis on the experimental phenomena

微观物理模拟实验分5个阶段进行，第1阶段代表油田开发初期（驱替式开发），第2个阶段代表油田开采的中低含水期，第3个阶段代表油田开采的高含水期，第4个阶段代表油田开采的特高含水期，第5个阶段代表油田开发的末期（油田开发结束），图3为实验2、3、4阶段初期的视频截图。

图3 实验2、3、4阶段的视频截图Fig. 3 Video screenshot of stages 2, 3 and 4 of the experiment

图4为微观物理模拟实验第3阶段视频的整体截图，该阶段为模拟油田开发由高含水期进入特高含水期的水驱油过程，起点为高含水期，终点进入特高含水期，该阶段驱油过程中，某些位置已经进入了特高含水期。因在第4阶段特高含水期油膜变化实验现象不明显，故选取第3阶段与特高含水期相似的部位进行观察。图5为图4中红色矩形部分每间隔20 s截取的6张连续图片，可以看出，微观物理模型毛细管中的油膜在水驱的作用下不是一次性被水完全驱替走的，而是由厚变薄逐渐变化的。

图4 第3阶段初期视频整体截图Fig. 4 Overall screenshot of the video in the early period of stage3

图5 第3阶段每间隔20 s的局部视频连续截图Fig. 5 Continuous screenshot of local video in stage 3 at the interval of 20 s

微观物理模拟实验现象表明：（1）文中特高含水期微观剩余油膜驱替是逐层被驱替的假设是正确、合理的；（2）毛管壁与油膜之间的作用力比油膜层间的黏滞作用力大，不容易被水一次性整体驱替出；（3）微观物理模拟实验一共进行了5个阶段，每个阶段的驱替速度都不相同，在每个阶段一定水驱速度作用下，当驱替时间足够长时模型中的剩余油都会达到一个稳定状态，验证了文中油膜变形过程分析的合理性。

4 结论

Conclusions

（1）特高含水期亲水型毛管壁油膜变形的主要因素为水对油膜的黏滞力、油膜的表面张力及油膜上下层之间的黏滞力，物理模拟实验结果证明了油膜是被逐层驱替的，随着水驱进行上层油膜逐渐脱离主体使油膜逐渐变薄。

（2）特高含水期亲水型毛管壁油膜的变形随着水对油膜黏滞力的增加而变化，作用力越大油膜上层形变越大，可以通过增加水的黏度、减小油膜的界面张力及降低油膜黏度等措施来提高采收率。

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（修改稿收到日期 2017-08-26）

〔编辑 朱 伟〕

Oil film deformation mechanism in the stage of ultra-high water cut and its microscopic physical experiment veri fi cation

MENG Xiaohai1, CHEN Lin2, LIU Haohan3, LI Fen1

1. Exploration and Development Research Institute,SINOPEC Shengli Oil field Company,Dongying257017,Shandong,China;
2. School of Sciences,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,Sichuan,China;
3. Information Engineering Department,Sichuan College of Architectural Technology,Deyang618000,Sichuan,China

To research the deformation situations of remaining oil film in the stage of ultra-high water cut, the deformation of oil film was investigated by means of the in fi nitesimal method based on the assumption that the oil film is displaced layer by layer. Accordingly, the main factors affecting the deformation of oil film were determined. Then, the change process of remaining oil film from the quiescent state to the critical fracturing was analyzed. Finally, the startup water flood velocity of oil film deformation and the surface area/volume ratio of oil film while its deformation reaches the critical state were theoretically derived, and the rationality of the assumption was verified by means of microscopic physical simulation experiment. It is indicated that the oil film is displaced layer by layer. As the water flood goes, the upper oil film is separated gradually from the main body, so the oil film gets thinner gradually. It is demonstrated that the oil film can be deformed and even fractured by altering the viscosity of water and the interfacial tension of oil film, so as to improve the recovery factor.

ultra-high water cut stage; remaining oil; hydrophilic capillary; remaining oil film; deformation mechanism

∶

孟小海，陈琳，刘浩瀚，李奋. 特高含水期油膜变形机理及微观物模实验验证［J］.石油钻采工艺，2017，39（5）：547-551.

TE312

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0547 – 05 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.003

国家科技重大专项重点项目“胜利油田特高含水期提高采收率技术”（二期）（编号：2016ZX05011）；中国石化股份胜利油田分公司项目“特高含水期微观剩余油动用机制研究”（编号：YKY1501）；四川省教育厅一般项目（编号：15ZB0447）。

孟小海（1974 -），1996年毕业于中国石油大学（华东）采油工程专业，长期从事油气藏渗流机理、油气层保护实验研究工作和微观剩余油定量描述研究，高级工程师。通讯地址：（257015）山东省东营市胜利油田分公司勘探开发研究西实验楼301室。E-mail：13001563260@163.com

陈琳（1989-），博士，从事石油工程模拟理论与方法研究。通讯地址：（610500）四川省成都市新都区西南石油大学明理楼A513。E-mail：chenlin8976@163.com

: MENG Xiaohai, CHEN Lin, LIU Haohan, LI Fen. Oil film deformation mechanism in the stage of ultra-high water cut and its microscopic physical experiment veri fi cation［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 547-551.