CN113268791A - 一种桌面油藏及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种桌面油藏及其制备方法，所述桌面油藏，包括芯片层、模拟油藏层和底板层，所述芯片层和所述模拟油藏层设置为可拆分结构。对空间三个层级：芯片层、模型油藏层、底板层分别进行设计、制作以及完成层级间联接。本申请能够在保证可视化效果的前提下，控制多种驱替流体的混合状态、注入位置并实现与模型油藏的无缝连接，能够灵活调整模型油藏结构，同时各部分均可独立拆分并重复使用，为研究强化采油提供了一种经济易操作的解决方案。

Description

一种桌面油藏及其制备方法
技术领域
本文涉及但不限于石油天然气勘探开发与利用领域，尤其涉及但不限于一种桌面油藏的设计及制作方法。
背景技术
石油是现代工业的重要原材料，关系着国家的能源安全。在我国石油储量偏低，开采难度较大的背景下，通过技术手段提高石油采收率是一项具有重要意义的活动。其中，强化采油(或称第三次采油)针对经历一、二次开采后的油藏开发，通过多种方式注入流体以影响和驱替难动用剩余油，目前已经是一种主流的技术手段。但是，针对强化采油中不同方案的效果，目前仍然缺少有效的评价手段。同时，对强化采油过程中的物理、化学机理，仍然缺少科学的认识。
在过去的研究中，面临着以下问题。一方面，基于岩芯的常规强化采油实验成本较高，实验周期长，并且难以直接观察驱替的全过程和油滴空间分布细节。因此，为了使得强化采油实验过程可视化，近年来，芯片油藏或微模型被应用于提高采收率相关的研究中。通过在透明结构中完成驱替实验，芯片油藏实现了多相驱替过程的实时可视化，并提供了微观的图像信息，帮助理解强化采油的作用机理，改良相应的采油工艺。但是，一旦芯片加工完成，就无法改变芯片油藏内部的结构，导致研究成本较高。另一方面，要探索多种流体在小尺度以不同方式混合后的驱替效果，很难通过管道连接的方式实现。由于常规的管道连接受接头和端口干扰严重，因此产生大量的死体积并影响流动状态，难以做到混合的精准控制和混合状态的保持，当流体注入油藏时往往已经完全偏离目标要求。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制本申请的保护范围。
本申请提供了一种桌面油藏的设计及制作方法，所述方法包括对空间三个层级：芯片层、模型油藏层、底板层，分别进行设计、制作以及完成层级间联接。本申请能够在保证可视化效果的前提下，控制多种驱替流体的混合状态、注入位置并实现与模型油藏的无缝连接，能够灵活调整模型油藏结构，同时各部分均可独立拆分并重复使用，为研究强化采油提供了一种经济易操作的解决方案。根据空间各层级的功能，分别进行以下设计：
一种桌面油藏，包括芯片层、模拟油藏层和底板层，所述芯片层和所述模拟油藏层设置为可拆分结构。
在本申请提供的一种实施方式中，所述芯片层设置有注入通道和流出通道。
在本申请提供的一种实施方式中，所述底板层为透明的底板层；可选地，所述底板层的材料选自玻璃和聚甲基丙烯酸酯中的任意一种或更多种。
在本申请提供的一种实施方式中，所述模拟油藏层使用弹性材料作为侧壁。
在本申请提供的一种实施方式中，所述弹性材料与底板层不可拆分固定连接。
在本申请提供的一种实施方式中，所述侧壁内设置有油藏模拟材料；所述油藏模拟材料模拟真实油藏的岩心。
在本申请提供的一种实施方式中，所述油藏模拟材料为透明材料。
在本申请提供的一种实施方式中，所述透明材料的材质可以选取普通钠钙玻璃、高硼硅玻璃或石英玻璃。
在本申请提供的一种实施方式中，所述芯片层和所述模拟油藏层通过在所述芯片层上表面边缘均匀地施加压力，使得所述芯片层与所述模拟油藏层固定；
在压力作用下，所述弹性材料的压缩量在0-30％；优选地，所述弹性材料的压缩量为15％。
压缩量关系：由于填充物材料变形程度较小，模拟油藏部分的固体体积不变。因此，压缩弹性材料导致总体积及空隙空间减少，降低孔隙度。其关系式如下：孔隙度＝100×[1-固体填充物体积/((1-压缩比例)×原始厚度×空间长×空间宽)]。由于侧壁为较薄垫层，因此暂忽略侧向的泊松效应。
在本申请提供的一种实施方式中，所述弹性材料为透明的弹性材料；可选地，所述弹性材料选自硅胶。
在本申请提供的一种实施方式中，所述弹性材料表面涂覆有粘结剂；优选地，所述粘结剂的涂覆量为5mg/cm2至40mg/cm2；
由于粘合剂吸油膨胀，因此不建议涂抹超过边缘；同时配合夹具使用，能够有效的控制膨胀，不使得模型油藏的孔隙度被受粘合剂膨胀发生变化。
在本申请提供的一种实施方式中，所述粘结剂选自交联聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚丙烯(PP)和乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)中的任意一种或更多种。
在本申请提供的一种实施方式中，所述注入通道注入的液体进入所述模拟油藏层后，从所述流出通道流出。
在本申请提供的一种实施方式中，所述芯片层包括芯片基底；
所述芯片基底设置有连接所述注入通道与所述模拟油藏层的流道，所述芯片基底设置有连接所述模拟油藏层与流出通道的流道；
所述芯片层还可以包括上盖板和下基底，所述芯片基底位于上盖板和下基底之间；可选地，所述上盖板和下基底为高硼硅玻璃或石英玻璃。
在本申请提供的一种实施方式中，所述芯片基底与所述上盖板和所述下基底通过阳极键合固定连接。
本申请还提供了上述的桌面油藏的制备方法，包括以下步骤：
(1)选取所述桌面油藏欲模拟的真实砂岩油藏，获取所述真实砂岩油藏的内部空间结构信息；
在一种可选地实施方式中，步骤(1)可采用电子计算机断层扫描、聚焦离子束-扫描电子显微镜或核磁共振成像技术等，图像处理可采用分水岭(Watershed)算法对图像中的颗粒进行分割，测量颗粒尺寸可采用费雷特(Feret)直径并进行尺寸统计；
(2)根据步骤(1)获得的所述内部空间结构信息，选取对应大小和数量的所述油藏模拟材料；将所述油藏模拟材料堆积在所述模拟油藏层的所述侧壁内；
(3)确定欲模拟的驱替注采方案及其参数，在所述芯片基底上制作所述注采方案，并满足所述参数；
(4)将所述芯片层、所述模拟油藏层以及所述底板层对齐，依次紧密贴合，即完成所述桌面油藏的制作；
在一种可选地实施方式中，步骤(1)和步骤(2)设置在步骤(3)之后步骤(4)之前；
所述侧壁的表面涂覆粘结剂，之后采用室温至125℃加热20min至48h；
所述桌面油藏的制备方法还包括，在注入油后静置30min至120min；
步骤(1)中所述内部空间结构信息包括岩石颗粒尺寸的分布；
步骤(3)中所述参数包括所述注入通道与所述流出通道的个数、位置、流道尺寸、通道间连接关系、流量关系；优选地，所述通道通过刻蚀法刻蚀在所述芯片基底上；
步骤(3)中在所述芯片基底上制作所述注采方案包括：设计制作芯片层，以实现所要研究的驱替注采方案，包括进出口的个数、位置、微通道尺寸和通道间连接关系等，具体如下：
a.在芯片层的一端设计注入微通道，调整微通道进口和通往模型油藏出口的个数、微通道尺寸和微通道间的连接关系、流量关系，实现不同的注入方式；
步骤(a)中所述不同的注入方式，包括以下几个方面：1)两种混溶流体以不同的比例进行混合；两种不混溶流体以不同比例混合；多种两两相混溶或不混溶流体的不同比例混合；2)注入口位置的不同，如设置在油藏层中心或边缘；3)注入口数量的不同，如单个注入口或多个注入口；4)不同流体注入口所连接微通道间的连接关系和流量关系，所导致的不同混合状态；
b.在芯片层另一端设计出口，以收集驱替排出的油；
c.使用绘图软件制作完成流动微通道的设计图；
在一种可选地实施方式中，流动微通道的设计图可以通过AutoCAD绘制；
d.将流动微通道的设计图刻蚀在芯片基底上，完成通道制作；
在一种可选地实施方式中，可采用标准光刻蚀法和耦合等离子深反应刻蚀法，或标准光刻蚀法和湿法刻蚀技术将所述通道设计图刻蚀在芯片基底上；
e.确定注入通道(注入井)位置，在芯片上盖板打孔作为注入口，下底板打孔作为流出口；确定流出通道(生产井)位置，在芯片下底板打孔作为流入口，上盖板打孔作为流出口；
在一种可选地实施方式中，可采用激光打孔的方式，分别在芯片上盖板和下基底的流动出入口进行打孔；
f.将上盖板和下基底进行阳极键合，完成芯片层的制作。
本申请从真实砂岩油藏的颗粒分布出发，通过堆积玻璃微珠构建模型油藏，利用微流控芯片控制驱替流体的混合，并无缝注入所研究的油藏，提供了一种用于研究微观驱替采油的桌面油藏制作方法。该方法在保证成本较低、整个体系可回收利用的同时，实现了复杂驱替流体的精准控制和驱替的灵活注采，反映了砂岩储层结构的主要特征。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书中所描述的方案来发明实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例的桌面油藏的制作流程图；
图2为本申请实施例的桌面油藏的结构示意图；
图3为本申请实施例的桌面油藏芯片层的一种微通道设计方案和流动示意；
图4为本申请实施例1的桌面油藏模型油藏层制作参考的岩石颗粒尺寸分布；
图5为本申请实施例1的桌面油藏的实施应用示意图；
图6为本申请对比例1的桌面油藏在经过1个孔隙体积量流体注入后油相分布灰度原图(深色为油相)；
图7为本申请对比例2的桌面油藏的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本申请实施例提供了一种桌面油藏的设计及制作方法，所述方法的各步骤如图1所示。
实施例1
一种桌面油藏的设计和制作方法，包括：
(1)确定桌面油藏的尺寸为长7cm、宽3cm；确定底板层的尺寸，确定底板层材质为透明材质，所述底板层的材料为高硼硅玻璃、确定芯片层尺寸芯片层尺寸与桌面油藏层一致，大小为长7cm、宽3cm、厚度4mm。
(2)考虑注入两种流体，盐水(氯化钠NaCl，2000ppm)和表面活性剂溶液(十二烷基磺酸钠SLS，10000ppm)，使其在微通道内混合后进入模型油藏驱替；
(3)在芯片层左侧布置两个入口，右侧布置两个出口(俯视方向，如图2所示)；入口位置分别位于距离左边缘0.5cm，上边缘和下边缘0.5cm处；出口位置与入口位置对称。
(4)两个入口相连的微通道宽度为100μm，深度60μm，长度11.55mm，两通道延长相交，夹角为120°；
(5)两通道相交后分叉成三个通道，通道间隔0.5cm，长度0.5cm，分叉通道直通模型油藏层。
(6)使用AutoCAD绘制流动通道的设计图；
(7)采用标准光刻蚀法和湿法刻蚀，将流动微通道的设计图刻蚀在玻璃芯片基底上，完成通道制作；
(8)在芯片上盖板对应流动通道入口的位置打孔，成孔直径为1mm；在芯片基底对应流动通道出口的位置打孔，成孔直径100μm，保证与芯片微通道尺寸衔接；在右侧出口对应的位置，将上盖板和下基底均进行打孔，成孔直径为1mm；打孔方式采用激光打孔。
(9)将芯片上盖板和下基底与芯片基底进行阳极键合，完成芯片层的制作；
(10)在两入口通道分别以流量1微升/分钟和5微升/分钟注入表面活性剂溶液(十二烷基磺酸钠SLS，10000ppm)和盐水(氯化钠NaCl，2000ppm)(如图3所示)；
(11)取和芯片层长宽尺寸相同的玻璃片，使用交联PDMS在玻璃片上粘贴中间部分挖空的方形硅胶垫片(PDMS的涂覆量为20mg/cm2)。硅胶片中间空间为长5cm、宽2cm，硅胶垫片厚度为1.2mm；
(12)将玻璃片和硅胶片放入烘箱在100℃条件下加热35分钟使PDMS固化，取出后冷却；
(13)选取大庆油田砂岩岩心，使用1μm空间分辨率进行电子计算机断层扫描(CT)，获得三维孔隙结构信息；
(14)使用Image J软件处理CT图像，使用Otsu或其他图像二值化方法将CT图像二值化，获得岩心孔隙度25.5％，利用分水岭(Watershed)方法分割各个岩石颗粒，并对颗粒的费雷特(Feret)直径进行统计，获取岩石颗粒的尺寸分布(如图4所示)；
(15)依据岩石颗粒尺寸的分布，选取相近尺寸大小和数量比例的钠钙玻璃微珠(密度2.58kg/L)，具体为0-20μm直径玻璃微珠20.94％，20-40μm直径玻璃微珠38.9％，40-70μm直径玻璃微珠30％，70-110μm直径玻璃微珠10.22％；
(16)将选取的玻璃微珠进行搅拌混合；
(17)拟充填空间大小为长5cm，宽2cm，高0.1cm，参考岩石孔隙度25.5％，据此称量已混合好的玻璃微珠1.93g；
(17)将玻璃微珠堆积于环形硅胶垫片中间的位置并尽量压紧，获得与真实油藏岩芯孔隙尺寸分布相似的多孔介质；
(18)将交联后的聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂抹于硅胶垫片表面(PDMS的涂覆量为20mg/cm2)，将芯片层、底板层和模型油藏层对齐压紧；压紧操作包括对桌面油藏上下表面周围预留位置均匀压缩，将1.2mm厚度的硅胶垫片压缩接近15％，达到接近1mm的厚度，此时模型油藏层中的玻璃微珠填充较为密实。
采用的PDMS是陶氏化学的SYLGARDTM184Silicone Elastomer，分为A、B组分，需要自行按照10：1的配比进行交联(混合搅拌均匀)，然后静置排除气泡(或真空下5-10min排出气泡)，再进行使用。产品链接：https://www.dow.com/zh-cn/pdp.sylgard-184-silicone-elastomer-kit.01064291z.ht ml。
(19)放入烘箱在70℃条件下加热60分钟使PDMS固化，取出冷却。
至此完成桌面油藏的制作(注入油后静置30min，使得PDMS吸油膨胀，从而封堵周围留出的空隙)，利用该桌面油藏，能够使得注入流体在微观通道中混合，在对流体状态尽可能少扰动的条件下直接注入油藏实现驱油将桌面油藏连接于如图5所示的装置中，使用CCD相机或显微镜进行观察，获得随时间变化的油相分布以及驱出体积。
对比例1：
本对比例与实施例1的区别在于步骤(13)-(15)，使用直径1mm的均匀玻璃微珠填充成为模型油藏层，如图6所示，在该条件下难以模拟真实的岩心孔隙非均质情况，较少流体注入量下油相已接近完全排出。
对比例2：
本对比例与实施例1的不同之处在于将原桌面油藏的芯片层替换为相同尺寸和相同位置开孔的玻璃板。同时，注入方式有所改变，芯片作为两种液体的混合场所独立于三层体系之外。通过注射器泵分别将流体1、2注入标准1/16英寸内径圆管，接着进入微流控芯片，在微通道内完成混合，此时达到和实施例1相同的混合状态。在出口处，混合液体通过标准鲁尔接头进入1/16英寸内径圆管。管路将流体导入通过夹具固定在玻璃板打孔处的鲁尔接头，再进一步流入模型油藏层(如图7所示)。在该条件下，由于混合流体分别经过了鲁尔接头、流动管道、鲁尔接头再进入模型油藏，所以芯片内的微观流动发生了转变为芯片外的宏观流动，同时由于连接管线和接头的死体积较大，注入流体的状态受到较大干扰，无法保证注入后的混合状态。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种桌面油藏，包括芯片层、模拟油藏层和底板层，所述芯片层和所述模拟油藏层设置为可拆分结构；
所述模拟油藏层内设置有油藏模拟材料；所述油藏模拟材料模拟真实油藏的岩心。
2.根据权利要求1所述的桌面油藏，其中，所述芯片层设置有注入通道和流出通道。
3.根据权利要求2所述的桌面油藏，其中，所述底板层为透明的底板层；可选地，所述底板层的材料选自玻璃和聚甲基丙烯酸酯中的任意一种或更多种。
4.根据权利要求2所述的桌面油藏，其中，所述模拟油藏层使用弹性材料作为侧壁；可选地，所述弹性材料与底板层不可拆分固定连接；
所述侧壁内设置有油藏模拟材料；
可选地，所述油藏模拟材料为透明材料。
5.根据权利要求4所述的桌面油藏，其中，所述芯片层和所述模拟油藏层通过在所述芯片层上表面边缘均匀地施加压力，使得所述芯片层与所述模拟油藏层固定；
在压力作用下，所述弹性材料的压缩量在0-30％；优选地，所述弹性材料的压缩量为15％。
6.根据权利要求4所述的桌面油藏，其中，所述弹性材料为透明的弹性材料；可选地，所述弹性材料选自硅胶；
可选地，所述弹性材料表面涂覆有粘结剂；优选地，所述粘结剂的涂覆量为5mg/cm2至40mg/cm2；所述粘结剂选自交联聚二甲基硅氧烷、聚丙烯和乙烯-乙酸乙烯共聚物中的任意一种或更多种。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的桌面油藏，其中，所述注入通道注入的液体进入所述模拟油藏层后，从所述流出通道流出。
8.根据权利要求2至6中任一项所述的桌面油藏，其中，所述芯片层包括芯片基底；
所述芯片基底设置有连接所述注入通道与所述模拟油藏层的流道，所述芯片基底设置有连接所述模拟油藏层与流出通道的流道；
所述芯片层还可以包括上盖板和下基底，所述芯片基底位于上盖板和下基底之间；
可选地，所述芯片基底与所述上盖板和所述下基底通过阳极键合固定连接。
9.根据权利要求8所述的桌面油藏的制备方法，包括以下步骤：
(1)选取所述桌面油藏欲模拟的真实砂岩油藏，获取所述真实砂岩油藏的内部空间结构信息；
(2)根据步骤(1)获得的所述内部空间结构信息，选取对应大小和数量的所述油藏模拟材料；将所述油藏模拟材料堆积在所述模拟油藏层的所述侧壁内；
(3)确定欲模拟的驱替注采方案及其参数，在所述芯片基底上制作所述注采方案，并满足所述参数；
(4)将所述芯片层、所述模拟油藏层以及所述底板层对齐，依次紧密贴合，即完成所述桌面油藏的制作；
可选地，步骤(1)和步骤(2)设置在步骤(3)之后步骤(4)之前；
可选地，所述侧壁的表面涂覆粘结剂，之后采用室温至125℃加热20min至48h；
可选地，所述桌面油藏的制备方法还包括，在注入油后静置30min至120min。
10.根据权利要求9所述的桌面油藏的制备方法，其中，步骤(1)中所述内部空间结构信息包括岩石颗粒尺寸的分布；
可选地，步骤(3)中所述参数包括所述注入通道与所述流出通道的个数、位置、流道尺寸、通道间连接关系、流量关系；可选地，所述通道通过刻蚀法刻蚀在所述芯片基底上。
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