• / 14
  • 下载费用:5 下载币  

微观剩余油研究现状分析_闫伟超

关 键 词:
微观 剩余 研究 现状 分析 闫伟超
资源描述:
2016年第31卷第5期2016,31(5):2198-2211地球物理学进展ProgressinGeophysicshttp//www.progeophys.cnISSN1004-2903CN11-2982/P闫伟超,孙建孟.2016.微观剩余油研究现状分析.地球物理学进展,31(5):2198-2211,doi:10.6038/pg20160544.YANWei-chao,SUNJian-meng.2016.Analysisofresearchpresentsituationofmicroscopicremainingoil.ProgressinGeophysics(inChinese),31(5):2198-2211,doi:10.6038/pg20160544.微观剩余油研究现状分析Analysisofresearchpresentsituationofmicroscopicremainingoil闫伟超,孙建孟YANWei-chao,SUNJian-meng收稿日期2015-11-05;修回日期2016-06-23.投稿网址http//www.progeophys.cn基金项目国家自然科学基金(41374124,41574122)和中央高校基本科研业务费专项资金(16CX06049A)联合资助.作者简介闫伟超,男,1991年生,山东青州人,现就读于中国石油大学(华东),攻读地质资源与地质工程专业博士学位,主要从事数字岩石物理实验及测井应用方面的研究工作.(E-mail:yanweichaoqz@163.com)中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,青岛266580SchoolofGeosciences.ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China摘要微观剩余油形成机理、赋存量以及空间分布是油田评价储层不同开发阶段含油性、提高采收率的重要研究内容,由于微观剩余油尺寸较小,影响因素复杂,需要借助特殊的方法进行研究.本文从微观剩余油研究的手段入手,将微观剩余油研究分为物理实验技术和数值模拟方法,并探讨了各种方法的优缺点.物理实验技术主要包括传统光学技术、扫描电镜技术、激光共聚焦技术、CT技术、核磁共振成像技术;数值模拟方法主要包括基于网格化方法、无网格化方法、孔隙网络方法等.结合国内外研究现状的综合评述,对两类微观剩余油方法进行展望,指出微观剩余油研究对探勘和开发的重要性,认为CT技术、核磁共振成像技术、格子玻尔兹曼方法和孔隙网络方法是未来微观剩余油研究的主要手段.关键词微观剩余油;CT技术;核磁共振成像技术;无网格化方法;孔隙网络方法中图分类号P631文献标识码Adoi:10.6038/pg20160544AbstractFormationmechanism,volumeandspatialdistributionofmicroscopicremainingoilareimportantresearchcontentsfortheoilfieldreservoirevaluationindifferentdevelopmentstagesandenhancedoilrecovery.Becauseofthesmallsizeofmicroscopicremainingoilandcomplicatedinfluencefactors,specialmethodsshouldbeusedtoperformresearch.Inthispaper,westartfromthemethodsofmicroscopicremainingoilresearch,anddividethispaperintotwoparts,physicalexperimentaltechniquesandthenumericalsimulationmethods.Advantagesanddisadvantagesofeachmethodarediscussed.Physicalexperimentaltechniquesmainlyincludetraditionalopticaltechnique,scanningelectronmicroscopy,confocallaserscanningmicroscopy,CTandnuclearmagneticresonanceimaging.Numericalsimulationmethodsmainlyincludegrid-basedmethods,meshlessmethods,porenetworkmodellingandsoon.Combinedwithacomprehensivereviewonliteratures,wediscusstwokindsofmicroscopicremainingoilandpointouttheimportanceofmicroscopicremainingoiltoexplorationanddevelopment.CTtechnology,nuclearmagneticresonanceimaging,LatticeBoltzmannmethodandporenetworkmodellingwillbetheimportantmeansoffutureresearch.Keywordsmicroscopicremainingoil;CT;nuclearmagneticresonanceimaging;meshfreemethods;porenetworkmodeling0引言油藏中聚集的原油,在经过不同的开采方式和开发阶段后,仍然滞留在油藏不同地质环境中的那一部分称作剩余油.按照剩余油“体积规模”的不同,可将剩余油的研究分为微规模、小规模、大规模和宏规模,不同规模的剩余油研究互相联系(赵军龙等,2013).大尺度规模剩余油各种特性是微观尺度剩余油的整体表现,研究微观剩余油形成机理、赋存量以及空间分布对驱替剂驱油机理、两相及多相驱替的渗流规律等机理研究有重要的指导作用,在工程应用中可以改善开采工艺,增加可采储量,提高采收率.从储层微观孔隙结构角度研究剩余油的形成过程、数量、微观分布及其重新运移富集方式,对于正确揭示剩余油微观特性和科学开采剩余油具有重要意义.本文将常用的微观剩余油研究分为物理实验技术和数值模拟方法.物理实验技术讨论了传统光学技术、扫描电镜技术、激光共聚焦技术、CT技术、核磁共振成像技术;数值模拟方法分析了基于网格化方法、无网格化方法、孔隙网络方法等.对各方法的优缺点加以评述,以期在勘探和开发研究微观剩余油时采用技术方法的选择作基础性的工作.2016,31(5)闫伟超,等:微观剩余油研究现状分析(www.progeophys.cn)1物理实验技术研究现状随着新的理论发现和实验仪器的发展,从最早的二维空间传统光学技术到如今的三维空间无损检测技术,已经形成了多种微观剩余油分布的物理实验技术.根据实验处理过程的不同,这些物理实验技术主要包括传统光学技术、扫描电镜技术、激光共聚焦技术、CT技术、核磁共振成像技术.受实验条件的约束,国内物理实验技术研究微观剩余油分布长期以传统光学技术为主,由于其价格相对较低、技术手段成熟,目前已经成为各石油高校和油田研究微观剩余油的基本实验手段.国内不同油田的地质条件差异较大,储层岩性复杂,因此在薄片制备方面相对国外研究有着更加成熟的经验.尽管CT技术是近二十年才在国内应用发展,但随着高精度岩心CT成像设备的大量引进,利用CT技术研究微观剩余油逐渐成为热点.目前,国内微观剩余油研究主要依托中石化胜利油田地质科学研究院、中国石油勘探开发研究院的CT设备与配套驱替设备,两所研究院团队及中国石油大学(华东)和中国石油大学(北京)两所高校的研究学者(侯健团队等)多年来从不同岩石孔隙结构、不同驱替方式等多个角度研究微观剩余油空间分布,揭示多相流体在孔隙中流动机理,使我国在微观剩余油研究领域具有先进水平.国内利用核磁共振技术研究微观剩余油的团队较多,二十世纪九十年代以北京石油勘探开发研究院万庄分院核磁设备(BMT47/40)为主,利用该设备对不同岩心进行驱替实验的可视化研究,得到许多提高采收率机理和效果评价的成果.随着核磁共振仪器硬件水平的提高及国内核磁共振成像仪器生产公司的增多(如苏州纽迈分析仪器股份有限公司、北京斯派克科技发展公司等),利用核磁共振成像研究岩心中微观剩余油的团队呈现快速增长的趋势,包括中石化石油勘探开发研究院、中原油田分公司、中海油天津分公司、大连理工大学(宋永臣团队)、上海大学(狄勤丰团队)、辽宁工程技术大学(潘一山团队)等.由于各团队研究的主要方向有差异,丰富了微观剩余油在岩心尺度上形成机理、空间分布等方面的研究成果.扫描电镜技术、激光共聚焦技术存在研究尺度相对较小等缺点,国内利用相关技术研究微观剩余油的团队相对较少.1.1传统光学技术传统光学技术是最早研究微观剩余油形成机理、赋存量以及空间分布的实验技术,主要包括含油薄片技术、真实岩心模型和微观仿真模型,这些技术不需要高精度的仪器设备,是微观剩余油物理实验研究的常用手段.含油薄片技术是将不受污染的含油岩心(油基泥浆、密闭、大直径取心)进行切割,利用低黏度、高强度、折光率接近玻璃的黏合剂在常温下自然渗胶、固结制作而成,它基本保持了剩余油的原始分布状况.孙国忠(2002)通过对不同类型的饱含油岩心样品薄片磨制,总结对于不同的岩心样品的磨制过程,认为岩样固结技术是制作含油薄片的关键.含油薄片技术是各个油田认识储集层微观剩余油的主要手段,不同储层、不同含水阶段微观剩余油特性既有相似性,也有鲜明的独特性(李健和李红南,2003,孙盈盈等,2014).王朴等(2002)用含油薄片研究胜坨油田二区沙二段砂岩高含水油层微观剩余油分布特征,根据剩余油形成的机理和在不同孔隙尺寸中分布形式,将微观剩余油划分为珠状、凝块状、环状、连片状、条带状六种形态,并讨论了剩余油分布的影响因素,主要有岩石的层理、孔隙结构、岩石的结构成分及其润湿性.含油薄片技术的最大优势在于直观真实反映剩余油在储集层孔隙中原始微观分布特点,可以评价取心井所在区域的含油性和水淹程度,也是油田研究不同储层微观剩余油空间分布最常用的技术.但它仅仅反映二维空间局部剩余油空间分布特征,只能近似代替实际赋存量,而且属于静态观测,难以进行微观剩余油形成机理研究.真实岩心模型的常规方法是以油藏具有代表性的岩心为实验研究对象进行驱替实验,应用薄片技术分析,直接描述剩余油的形成机理、赋存量以及空间分布.宋考平(2005)对储层真实岩心进行水驱油实验,再将驱替后岩心截取三个横断面制成薄片,利用磨片荧光分析技术进行分析,研究聚合物驱的微观剩余油形成机理,统计不同类型微观剩余油的比例,给出高、中、低不同强度水淹部位的微观剩余油赋存量和空间分布规律.向丹和黄大志(2005)认为受模型材料限制,目前驱替实验不能模拟地层环境条件,通过反复实验优选配制了地层条件下模拟油,在实验室模拟水驱过程,利用驱替后制作的岩心薄片研究微观剩余油特性.相对于含油薄片技术,该技术可以进行动态驱替实验,研究微观剩余油形成机理、聚合物驱油效率,缺点是不能反映流体渗流的动态特征,而只能观察结果.另一种方法是直接对岩心磨制薄片,再进行驱替,这也被称作真实砂岩微观模型(黄书先和张超谟,2004).它用全直径岩心磨成很薄的薄片,再用两块玻璃夹住,并用橡胶把模型薄片周围黏结起来,进行水驱油模拟实验.公言杰等(2015)以四川盆地致密油储层岩心样品为例,结合真实砂岩微观模型与核磁共振技术,研究了致密油充注过程油水流体分布及润湿性的变化模式.赵阳(2002)对裂缝性砂岩进行水驱油的单模型和组合模型模拟实验,研究水驱油过程中注入水在孔道和裂缝中的微观水驱油机理、剩余油形成机理和裂缝对驱油效率的影响.由于采用实际岩心薄片作为水驱油物理模型,因此该方法能较为准确的模拟不同含水阶段的油水分布特征.但由于是岩心驱替后再进行薄片磨制,对于同一处薄片该过程不可重复.微观仿真模型的主要研究对象是孔隙网络,根据制作工艺不同,主要可以分为指定孔隙网络模型和岩石刻蚀模型.这种模型并不是岩心真实的孔隙,而是根据研究需要制作指定孔隙网络模型,或者根据显微镜下储层孔隙结构特征(孔隙及喉道大小、形态、连通情况等),在玻璃上刻画出相同孔隙特征的模型.Chatenever和Calhoun(1952)利用玻璃球进行多孔介质驱替过程的可视化研究,为动态观测孔隙中流体渗流的特征实验提供了思路.指定孔隙网络模型并不具有真实岩石的孔隙网络特征,但为微观剩余油形成机理研究提供指导.Jamaloei等(2010)在特殊规则孔隙网络模型中,比较高、低界面张力作用下微观剩余油形成机理与空间分布的不同.Al-Shalabi和Ghosh(2016)制作了低渗透率到高渗透率的六块不同微观模型,通过驱替实验确定油水分布状态,并发现低渗区域具有更高的最终采收率,认为微观孔隙不均匀和指进是这种现象的主要因素.岩石刻蚀模型制作相对复杂,但9912地球物理学进展www.progeophys.cn2016,31(5)具有真实岩心孔隙网络特征,在此网络中进行水驱油实验可以近似代表岩石孔隙结构对微观剩余油的影响.1961年Mattax首次制作出刻蚀玻璃网络,随后Davis和Jones(1968)用光刻技术促进了刻蚀模型在研究微观剩余油的应用.McKellar和Wardlaw(1982)将岩石孔隙结构照片放在涂有感光材料的玻璃上,经过曝光、显影将孔隙结构图形复制在玻璃上,用氢氟酸腐蚀,使其显现孔隙结构印模,再加上盖板制成二维微观孔隙网络模型.这种技术被称作化学刻蚀法,该技术成熟,孔隙大小可控,模型透明、可视性好,比树脂浇注技术更容易控制孔隙的粗糙度和润湿性.国内广泛应用岩石刻蚀模型水驱油实验研究微观剩余油形成机理与分布特征,考虑了不同孔喉结构、原油黏度、驱替压差、驱替剂、润湿性等因素对微观剩余油的影响.王芳芳等(2013)根据微观模型水驱油实验的观察和总结,从剩余油的形成机理和赋存状态两个方面进行了研究综述,并对剩余油的赋存状态重新进行划分.目前针对微观剩余油研究成果多以直接观察和定性描述为主,定量研究较少.侯健等(2006)利用图形学概念中的形状指数定量描述微观剩余油几何形状特征,并研究了聚合物驱不同阶段各类剩余油的分布比例.马炳杰(2016)应用刻蚀模型的微观可视化物理模拟技术及图像处理技术对剩余油变化定量表征,研究注水停止前后剩余油分布的变化规律、影响因素、运移方式及受力情况,发现注水停止前后微观剩余油分布不同,而且可以分为三种运移模式.尽管微观仿真模型并不能全面反映真实岩心特征,但由于其良好的可视性及驱替实验的可重复性,该技术已经成为目前实验室动态研究微观剩余油的主要手段.1.2扫描电镜技术扫描电镜具有分辨率高、放大倍数大、景深大、立体感强等优点(单秀琴和严启团,1999),广泛应用于岩石微观结构、矿物成分、孔隙类型、胶结程度等方面的研究.它基本方法是电子枪发射的电子束加速后在样品表面聚焦成极细的电子束,在双偏转线圈作用下在样品表面进行扫描,激发的各种信号被处理成像,从而在荧光屏上观察到样品表面的各种特征.但用扫描电镜进行测试时需要将样品进行干燥处理,限制了对岩心的含油性分析.在扫描电镜基础上发展起来的冷冻扫描电镜技术(Cryo-ScanningElectronMicroscopy)和环境扫描电镜技术(EnvironmentalScanningElectronMicroscopy)可以对微观剩余油分布进行研究,同时保证了扫描电镜具备的优势.冷冻扫描电镜技术需要将样品快速冷冻,以保持样品内部的流体分布,减少冰晶的产生,再进行油水分布的扫描观测.Sutanto等(1990)研究了强水湿砂岩和混合水湿砂岩在驱替和渗吸的不同阶段微观剩余油分布的特点,利用冷冻扫描电镜技术清晰的展示了粘土分布的不同对油水在孔隙中分布的影响.Vizika等(1998)利用该技术研究了不同润湿性条件下,油气水三相流存在时微观剩余油分布.由于该技术独特的优势,可以直观显示颗粒表面润湿性薄膜,也为研究注气过程中化学参数对流体分布的影响开辟了新的途径.环境扫描电镜技术的样品室中存在的气体阻止了表面电荷的产生,观测样品表面不需要添加导电物质,从而减少了人为因素对观测结果的影响,可以对含油样品在环境状态和低真空下进行动态实验,能最大程度地反映样品的原始状态.Combes等(1998)利用环境扫描电镜对烧结玻璃模型、砂岩、碳酸盐岩渗吸过程观察,认为该技术能够较为准确的反映孔隙中润湿性的非均质性,解释矿物组分、尺寸、分布等因素对流体物理化学行为的影响.为了更深入的认识剩余油分布及提高采收率,矿物微观表面粗糙度和润湿性的测量也尤为重要,Kareem(2015)结合原子力显微镜和环境扫描电镜技术,通过驱替实验研究了不同石英晶体粗糙面条件下润湿性的改变,发现当矿物表面粗糙时更容易形成油湿.冷冻扫描电镜技术需要在样品表面添加涂层(比如碳、铬、金等)以增加导电性,而环境扫描电镜技术在研究动态实验过程中需要一些主观的解释,针对这些缺点,Boassen等(2006)提出一种融合冷冻扫描电镜技术和环境扫描电镜技术的方法,使得样品不需要添加涂层而且解释相对容易,通过实验观测认为该方法可以得到满意的效果和充足的信息.但扫描电镜技术只能产生样品局部表面的高分辨率图像,并不能得到较大尺度的三维空间剩余油分布,限制了其在微观剩余油研究的广泛应用.1.3激光共聚焦技术激光共聚焦技术(ConfocalLaserScanningMicroscopy,CLSM)属于显微镜分析技术范畴,但弥补了光学显微镜与扫描电镜的不足,不仅可以获得高清晰度、高分辨率的图像,还可以进行三维立体图像重建.它基本方法是激光束射到样品的一个细微点上,避免了非照射区域产生光散射,使发射光信号通过检测针孔到达监测器.入射光源针对针孔和检测针孔的位置相对于物镜焦平面是共轭的,来自焦平面的光可以通过检测针孔被检测到,而来自焦平面上、下的光被阻挡在针孔两边,对样品进行二维图像采集,再经过处理可以得到样品的二维和三维图像.激光共聚焦技术不仅在储层孔隙、微裂缝、有机质分布等研究应用广泛,也可以对岩石含油性、微观剩余油分布规律进行研究.白振强等(2013)通过分析激光共聚焦扫描激发荧光剩余油分布微观三维图像,得到聚合物驱替过程中微观孔隙中原油轻质和重质组分变化规律及微观分布特征,并研究了剩余油分布与粘土矿物之间的关系.Krummel等(2013)使用共聚焦技术直接对玻璃球模型进行驱替实验的三维可视化分析,在水驱油过程中,润湿相在狭窄裂隙中挤压油,形成了不连通的俘获油滴.构建油滴的三维结构模型,发现随着毛细管数(Ca)的增大,剩余油总量减小,这个现象说明了润湿相流体黏滞压力与毛管压力的相互作用可以促使油滴通过孔隙.由于该技术的空间分辨率是几百个纳米,可以直观的反映微小孔隙内和岩石粗糙表面上剩余油结构形态,但是仅能对一定厚度岩心样品的孔隙成像,规模很小,应用并不广泛.1.4CT技术CT技术也被称作计算机断层扫描技术(ComputedTomography,CT),它是通过计算机图像重建,使指定层面上不同密度的材料信息以高分辨率的数字图像显示出来(于艳梅等,2012).根据射线光源的选择不同,CT技术可以分为X射线CT技术(X-raytomographicmicroscopy),中子CT技术(NeutronComputedTomography),超声CT技术(Ultrasonic00222016,31(5)闫伟超,等:微观剩余油研究现状分析(www.progeophys.cn)ComputedTomography),同步辐射CT技术(SynchrotronComputedTomography)等.目前,在岩心微观剩余油研究中,最常用的是X射线CT技术.X射线穿透物体时受到核外电子作用而被衰减,其质量衰减系数与材料原子序数有确定的函数关系,能在被测物体无损的条件下测量、计算被测物体断面的密度分布,以计算机断面图像的形式并通过灰度变化反映出断面材质的密度变化,直观准确地呈现出被测物体内部的结构关系、尺寸、材质的组成变化情况,因而被广泛应用到石油地质分析的多个领域(张敏和孙明霞,2002).它基本方法是将X射线信号源绕着样品旋转,对一个固定的横剖面在不同角度测量穿过样品的X射线的强度,使CT能在单个横剖面上对线性衰减系数进行空间析像.根据强度资料重新构建样品的二维横剖面,把一系列横剖面叠加在一起就形成样品的三维图像.重建的图像能够给出每个像素X射线的衰减系数,经过转换通常用CT值表示.由于不同流体线性衰减系数μ数值不同,因此可以根据这种差异区分不同流体信号,研究微观剩余油分布.早在1982年,Wang等人尝试将X射线CT技术应用于岩心驱替过程,获得了横截面上剩余油分布图像.随后,Hove等人(1987)利用该技术对北海砂岩驱替过程可视化成像,由于受到技术的限制,成像效果仅为沿柱塞岩心轴向的二维图像,而且空间分辨率很低,为500μm.尽管成像效果较差,但该方法为剩余油形成机理、分布和形态的研究提供了新的方向.随着空间分辨率的不断提高,成像质量的不断完善,X射线CT技术在微观剩余油分布研究中已经有了长足的发展.1998年,Coles利用该技术先对干燥砂岩进行扫描成像,再将其饱和油后进行水驱,扫描得到水驱后微观剩余油分布图像.实验过程采用的空间分辨率为30μm,每张图像成像时间大约30min,已经可以实现剩余油分布的三维可视化.Turner等人(2004)对气驱油后的等径堆积玻璃球模型和Berea砂岩进行成像(空间分辨率9μm),并对微观剩余油赋存形态进行了描述.Prodanovic'等(2006)通过注入固定体积的润湿性流体和非润湿性流体,确保驱替和渗吸过程达到不同的阶段,并进行成像分析(空间分辨率4.1μm).为了保证驱替过程不同阶段成像质量,最重要的是保持流体在空间分布的稳定性,Youssef等(2010)结合X射线CT技术与针对驱替实验的流动微单元,设计新的实验方法固定流体分布,并描述了不同驱替阶段下孔隙几何形态与界面张力对微观剩余油的影响.Iglauer等(2012)研究了水湿砂岩和油湿砂岩经过水驱后簇状剩余油大小分布、形状和赋存量的不同,发现在其他条件相近时水湿砂岩残余油饱和度高于油湿砂岩残余油饱和度.在三维空间中,油湿砂岩残余油呈粗糙、扁平状附着在孔隙表面,或者集中在小孔隙中;水湿砂岩残余油基本存在于大孔隙的中央位置.Iglauer等(2014)又进行了三相流驱替后的CT扫描实验,它包括两类过程:一类是气直接注入原始油藏;另一类是先水驱原始油藏,再将气注入.通过对两类过程剩余油分布的比较,发现第一类过程具有较高的采收率.Bultreys等人(2015)提出了一种基于X射线CT扫描动态测量天然砂岩驱替过程中内部流体分布的新方法,每隔12s进行一次三维可视化成像,如此短的时间间隔可以较好的显示驱替过程中流体的三维空间变化,甚至能够研究海恩斯跳跃等特殊现象.国内应用X射线CT技术研究岩心内微观剩余油分布起步较晚,1997年胜利油田地质科学研究院引进带有微焦点X射线管的ACTIS工业CT系统(盛强等,2005),利用驱替装置按照事先设计好的驱替流程进行驱替,同时利用CT扫描设备对岩心中的岩石骨架、流体分布进行扫描,进而获取不同驱替阶段过程岩心内部的油水分布信息,再现真实润湿状态下的油水运动规律和驱替特征.中国石油勘探开发研究院于2007年引入并研制了CT扫描岩心驱替系统(高建等,2009),可以对岩心驱替过程进行在线CT扫描,同时采集驱替过程中的进出口流量、压力.由于实验中的油水CT值相差较小,需要添加CT增强剂区分油水信号,常用的方法是在水中加入1%~10%的碘化纳或溴化钠、碘化钾,以增强水的CT值,比如加入8%碘化钠CT增强剂可使地层水CT值为1000,而驱替油CT值为214,较好的区分油水信号;另一种方法是在油中加入5%的碘代己烷以增强油的CT值,进而区分油水在孔隙中分布.应用X射线CT技术对驱替过程可视化分析,不仅可以直观表征微观剩余油分布,还能够深入了解采油机理、监测流体分散与窜流特性、认识聚合物驱对提高波及效率影响和揭示地层伤害机理等.通过对砾岩、低渗透和特低渗透岩心水驱过程的在线CT扫描监测,可以得到驱替过程中岩心含油饱和度沿程分布信息和CT重构切面图像,进而分析砂砾岩、低渗透和特低渗透岩心的驱油机理(王瑞飞等,2008;吕伟峰等,2013;邓世冠等,2014).张顺康等(2006)利用指示克里金方法对微观CT层析图像中的剩余油图像和孔隙图像进行了分割,得到了二维CT层析图像中的孔隙以及油水分布,基于MarchingCube算法实现了不同驱替阶段中剩余油分布的三维可视化.侯健等(2014)借助CT技术,研究水驱不同驱替时刻的三维空间剩余油分布信息,建立了微观剩余油的赋存状态表征方法,对不同驱替时刻剩余油在岩心模型中微观分布状况进行定量表征.曹永娜(2015)详细介绍了水驱与聚合物驱过程中CT扫描实验流程,研究不同驱替方式下剩余油空间分布状态,并定量分析含油饱和度沿程分布变化.Wang等人(2015)以水湿砂岩为样品,分别在水驱、聚合物驱和凝胶颗粒驱替实验条件下进行不同阶段的CT扫描,通过图像处理技术得到三维微观剩余油空间分布,进而直观认识不同驱替方式对微观剩余油的影响.X射线CT技术不仅可以研究常规微观剩余油气在孔隙中的分布特征,而且能够直接观测甲烷水合物的形成与空间分布.胡高伟等(2014)研制了适用于沉积物中水合物微观赋存状态的CT原位探测装置,通过模拟天然气水合物生成/分解过程,直接观测水合物在沉积孔隙中的微观分布特征,为水合物形成机理和空间分布特征提供重要依据.X射线CT技术具有快速、无损和较高分辨率的优势,而且该技术目前已经高度发展和商业化,因此在微观剩余油研究中应用广泛.除了X射线CT技术,也有学者利用中子CT技术研究微观剩余油特性.中子CT技术也是基于射线穿过物体时会发生衰减的基本原理,但与X射线CT技术相比不同之处是放射源为中子,由于中子不带电,能轻易的穿透电子层,与原1022地球物理学进展www.progeophys.cn2016,31(5)子核发生核反应(裴宇阳等,2004).中子射线可以穿透大部分重元素物质,而且非常容易被氢元素吸收,对含氢物质敏感.由于油、水均为含氢物质,在实验室研究岩心微观剩余油时,需要将水替换为重水(D2O),相对于X射线CT扫描技术可以更好的区分骨架、油、水等不同物质的空间分布,而且较好的生成流体流动过程中实时的高质量图像.DeBeer和Middleton(2006)模拟在高压情况下的驱替过程,先将砂岩饱和油,再用重水进行驱油,利用中子CT技术对驱替过程进行成像分析,进而研究不同驱替阶段岩心内油水的分布情况.由于中子射线要求射线源有很高的稳定性,限制了中子CT技术的发展,目前对于微观剩余油的研究也只是起始阶段.1.5核磁共振成像技术核磁共振成像技术(NuclearMagneticResonanceImaging,NMRI)是利用三轴梯度场技术对氢核进行空间扫描获得氢核空间分布的可视化技术,它的基本原理是基于岩石内部油、水的自旋原子核(如1H,13C)在磁场中产生共振并具有弛豫作用的特性进行岩心分析.在静磁场中叠加一个梯度磁场,建立核磁共振信号的共振频率与原子核所在位置的关系,再利用快速傅立叶变换、图像重建等技术得到各点T1、T2信号,从而获取核磁共振图像.三轴梯度线圈的设计使得任意方向的数据信息获取成为可能,比如一维剖面,二维切片甚至三维体数据.它既可以获取任选岩心切面内mm级甚至μm级分辨率下的流体分布特性,也可以直观描述岩石孔隙结构特性.由于油水的分子结构不同,而且水分子的1H弛豫率比油分子的1H弛豫率快,当水溶性Mn2+添加到水中时,水分子的1H弛豫率更强而油分子1H弛豫率不变.因此利用核磁共振成像技术可以区分油水信号,从而定量研究微观剩余油赋存量和空间分布规律.早在1986年,Baldwin等人采用改进的医学核磁共振成像设备成功的对水湿和部分油湿Berea砂岩水驱油实验进行核磁共振成像实验,发明了在水中加入含有顺磁性离子Mn2+减少水相弛豫时间的方法,从而区分油水两相并得到岩心内剩余油分布图像.随后,Mandava等人(1990)也利用核磁共振成像方法观测岩心内两相流流动,定量得到孔隙度与饱和度剖面.由于核磁共振成像可以在任选的切面内,以毫米或者微米级的分辨率显示岩石结构或流体捕集及流体特性,这种优势吸引了更多学者进行复杂岩心内流体分布规律(Chardaire-RivièreandRoussel,1990)、速度成像(ChangandWatson,1999)、提高采收率机理(Romero-Zerónetal.,2009)等研究.Ersland等(2010)对含有裂缝的碳酸盐岩水驱过程进行核磁共振成像,快速获得高质量的油水分布信息,发现裂缝的存在显著提高了孤立基质岩块末端的采收率.对于核磁共振成像质量而言,高场强测量意味着获得高分辨率、高信噪比的图像.但对于天然岩心而言,内部骨架复杂成分中大多含有铁磁性物质,会对较高场强的磁场产生较大的破坏,导致成像图像重影、伪影的出现,因此在进行微观剩余油分布研究的过程中首先需要考虑岩心样品的适用性.例如,对花岗岩驱替实验过程进行核磁共振成像时(ChenandKinzelbach,2002),由于花岗岩具有顺磁特性,为了获得稳定的微观剩余油空间分布图像,不能进行高场强的核磁共振成像,只能使用低场核磁共振成像.Mitchell等(2013)详细介绍了核磁共振成像技术在岩石内部流体识别领域的应用,并认为随着核磁共振仪器硬件水平的发展,高分辨率监测提高采收率过程中微观剩余油三维空间分布变化将有巨大的潜力.国内早期已经引入核磁共振成像设备并对核磁共振成像理论进行研究,但主要局限于医学领域.80年代后期,中国科学院武汉物理研究所引进BrukerMSL-400超导NMR谱仪,肖立志(1995)利用该设备微成像附件对饱和煤油和饱和盐水的三类岩心进行成像,认为核磁共振成像技术可以对油气储集层岩石的孔隙性、渗透性和含油性及其空间分布进行定量描述,对水驱油、聚合物驱油等强化采油措施进行微观评价.1992年,北京石油勘探开发研究院万庄分院从瑞士引进磁场强度为4.7T、孔径为40cm的核磁共振成像设备(BMT47/40),将核磁共振成像技术应用在岩心分析(卢祥国等,1996).利用该套设备,许多学者开展了聚合物驱油、三元复合驱油、热采驱油、周期注水驱油等实验(黄延章等,1995,王为民等,1997),研究了聚合物调剖渗流机理,对多种驱油方式、剩余油分布产生新的认识.通过实验分析,王为民等(1997)认为核磁共振成像技术是模拟地层条件的可视化驱替实验研究的很好手段,能够对指进、波及效率、扫油面积、原油捕集等过程进行详尽的分析研究.随着核磁共振成像仪器的快速发展和国内核磁共振成像设备的增加,对于利用核磁共振成像技术进行微观剩余油的研究也逐渐增长.利用核磁共振成像技术,水驱油(气)实验已经应用于砂砾岩岩心、河流相非均质储层岩心、煤层岩心、人造胶结岩心、人造填砂岩心等不同类型岩心(鲁国甫等,2001;潘一山等,2008;葛丽珍等,2014;Chengetal.,2015;Tengetal.,2016),得到不同的微观剩余油(气)分布规律.邓瑞健(2002)结合低场核磁共振T2弛豫测量和高场核磁共振成像(SPEC-3000型),在水驱油的实验研究中定量地对岩心的初始饱和油分布、水驱油渗流及剩余油分布特征等进行了分析,从微观上揭示剩余油在毛细孔道中的分布特征,认为该技术实验结果能够指导实际油藏剩余油的挖潜方向.郎东江等(2006)利用核磁共振成像技术研究均质、非均质模型中复合剂驱油动态实验过程,得到了剩余油分布及复合剂驱油段塞前缘油墙的形成,认为该技术不仅可以直观地观察复合剂驱油作用时不同流体的空间分布情况,而且可以对复合剂不同配方的适配性作出评价.赵越超等(2012)总结了高温高压条件下驱替实验与核磁共振成像联测所用夹持器的发展现状,并在高压条件下多孔介质内CO2驱油进行可视化研究.由于核磁共振成像技术仅探测岩石中流体信息,反映液相在岩石中的分布和聚集及液相与周围岩石环境的界面效应等情况,不涉及岩石基质等固体物质,该技术已经在流体分析的多个领域广泛发展.尽管在微观剩余油研究中应用核磁共振成像技术的数量相比利用X射线CT技术少,但核磁共振成像技术具有能够在相对较大尺度上研究剩余油分布和驱替过程中快速检测流体分布变化的巨大优势,使得该技术在研究微观剩余油领域依然是非常重要的手段.2数值模拟方法研究现状微观多孔介质物理属性模拟的基本条件需要基于多孔20222016,31(5)闫伟超,等:微观剩余油研究现状分析(www.progeophys.cn)介质模型,而且数值模拟的正确性及适用性在很大程度上取决于所建立的岩石微观模型,只有模型的孔隙结构能够反映真实岩样的孔隙结构特征时,模拟结果才具有理论及应用价值.多孔介质模型的发展过程可分为毛管模型、随机孔隙网络模型、数值重建三维数字岩心、真实重建三维数字岩心等,目前学者构建多孔介质三维模型的主要方法有X射线CT法、FIB-SEM、顺序指示模拟(SIS)、多点地质统计学(MPS)、过程法、孔隙网络模型等(姚军等,2005;刘学锋等,2013).核磁共振成像方法也可以重建三维数字岩心模型(Minto,2014),尽管空间分辨率低,但对于砾岩等粒径大、岩心尺寸大的岩心三维重建效果好.只有多孔介质模型重建完成后,才能进行微观剩余油数值模拟.微观剩余油数值模拟属于流体力学中多孔介质、多相流流动模拟的范畴.随着渗流机理的逐步认识加深与计算机处理能力的大幅提升,已经出现了多种微观剩余油的数值模拟方法,根据模拟的算法类型不同,这些数值模拟方法主要包括基于网格化方法、无网格化方法、孔隙网络方法等.尽管国内研究微观多孔介质模型的学者很多,但进一步研究微观剩余油的团队相对较少.目前国内主流方法是无网格化方法中的格子玻尔兹曼方法及孔隙网络方法,研究团队包括中国石油大学(北京)(陶果团队)、中国石油大学(华东)(姚军团队、孙建孟团队、侯健团队、徐守余团队等)、大连理工大学(宋永臣团队)等,通过改变岩石的润湿性、孔隙结构及流体性质等影响因素研究微观剩余油分布的形成机理、赋存量及空间分布等特征,丰富了微观剩余油数值模拟领域的成果.2.1基于网格化方法基于网格化方法(Grid-BasedMethods)通常被认为是计算流体动力学(CFD)中解Navier-Stokes方程的常规方法,例如有限差分法、有限单元法和有限体积法,它们具有良好的数值模拟计算效率和出色的流体流动模拟能力.有限差分法(FiniteDifferenceMethod,FDM)将求解域划分为差分网格,用有限网格节点代替连续的求解域,以Taylor级数展开等方法,把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散,从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组.有限单元法(FiniteElementMethod,FEM)把计算域划分为有限互不重叠的单元,在每个单元内,选择一些合适的节点作为求解函数的插值点,将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式,借助于变分原理或加权余量法,将微分方程离散求解.有限体积法(FiniteVolumeMethod,FVM)将计算区域划分为一系列不重复的控制体积,并使每个网格点周围有一个控制体积,将待解的微分方程对每一个控制体积积分,得出一组离散方程.对于这三种网格化方法,FDM尽管易于并行编程,但由于只考虑网格点上的数值而不考虑值在网格点之间如何变化,对不规则复杂区域连续性要求高;FEM适合处理复杂区域,具有更高的自由度,计算精度高,但计算所需的内存和计算
展开阅读全文
  石油文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
0条评论

还可以输入200字符

暂无评论,赶快抢占沙发吧。

关于本文
本文标题:微观剩余油研究现状分析_闫伟超
链接地址:http://www.oilwenku.com/p-70496.html
关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们
copyright@ 2016-2020 石油文库网站版权所有
经营许可证编号:川B2-20120048,ICP备案号:蜀ICP备11026253号-10号
收起
展开