0 引言
目前中国大多数油田已进入高含水期，储集层内已形成主流通道，剩余油富集在主流通道两侧的岩石壁面上或是无法波及到的小孔隙中。通过增加过水倍数或利用表面活性剂可将孔隙壁面上残存的部分油膜驱替出来。储集层的非均质性和水驱优势通道等因素使得表面活性剂无法广泛波及而形成低效循环，且化学驱过程中多孔介质内流体为稳定达西渗流，表面活性剂与原油在微观孔隙内接触后，主要依靠表面活性剂在界面上聚集、油相内的扩散等物理过程发挥效能，相互溶合作用较低，不能充分发挥作用[1⇓⇓-4]。同时，长期的注水开发使剩余油富集区内形成一种油水界面平衡，这种平衡虽非常脆弱，但在拟稳态水驱渗流过程中，驱替流体通道已趋于固化、稳定，微平衡的油水界面会长期处于稳定状态。激发一种微小外力扰动就能够打破这种平衡状态，可把水或化学剂引入剩余油富集区内，提高孔隙内波及系数，将剩余油驱出。水力脉动技术将注入流体由恒速注入变为脉动式注入，直接作用于储集层孔隙，激发岩石孔隙、原油、水三者界面的惯性扰动，从而打破微观界面平衡，破坏剩余油聚集状态，促进表面活性剂分散，从而大幅提高水驱采收率[5]。
水力脉动技术多用于循环激励煤岩层理、裂隙，形成渐进式疲劳破裂[6⇓⇓-9]。注水过程中多以高频水力振荡、水力喷射及水力脉冲为主，用于近井地带的物理解堵或物理-化学复合酸化等[10]。将水力脉动作为提高水驱采收率的开发技术，最早成功应用在加拿大油砂冷采作业中[11]，作用距离可达80 m左右。德国吕勒穆尔油田弱固结砂岩储集层实施脉动作业，作用井距400 m，措施实施周期15个月，注入能力平均增加了30%，提高原油采收率25个百分点[12-13]。在美国纽约州托纳万达煤焦油厂开展了非均质条件下的脉动测试，结果表明脉动注入可使更多水流通过低渗透区域，有效减缓储集层非均质性带来的不利影响[13]。上述成功的矿场试验表明，孔隙膨胀波可沿水驱优势通道深部传导，大幅降低含水率、延长生命周期、提高最终采收率，但是目前对其作用机理的研究仅停留在激发界面运移的定性分析，因此该技术未能得到广泛推广。
水动力学强化开采技术在改善渗透率、激发颗粒运移、提高注入井吸水能力等方面的机理研究已较成熟，但在改善水驱效果的作用机理方面尚处于研究初级阶段。通过填砂管、平板玻璃填砂模型等装置，从宏观角度研究水力脉动波驱油过程中流体运移状态及采收率变化规律，认为水力脉动波可使流体与岩石骨架发生相对运动，清除边界层，并对岩石骨架产生持续冲击，造成岩石弹性变形，使孔道毛管压力周期性变化，从而减小流体流动阻力，激励剩余油从孔道排出[14⇓⇓⇓-18]。这些研究充分证实了水力脉动波驱动可大幅提高水驱波及系数和水驱采收率，但在激励微观孔隙内油水赋存状态变化及动态运移规律方面尚不能精准表征，难以明晰脉动频率、振幅值等相关参数对水力脉动波强化驱油的动力机理，这已成为该技术矿场实践工艺参数优化设计的关键瓶颈。
基于此，本文利用可视化玻璃刻蚀模型及微观图像采集装置，设计开展水力脉动波驱油微观可视化实验，研究水力脉动波驱动剩余油时油水赋存状态及其运移规律，明确驱动剩余油的微观机理，评价脉动频率、脉动振幅值、续流压力及持压端压力、温度等因素对驱动不同微观赋存状态剩余油的敏感性，为矿场实践参数优化给出合理建议。
1 水力脉动波驱动剩余油微观可视化实验
1.1 实验装置及实验方法
微观可视化实验装置包括供液、微观驱替、图像采集、脉动控制等4个部分（见图1 ）。供液部分由不锈钢输液架和储液桶组成，通过调节不锈钢输液架的高度来调整脉动振幅值大小。微观驱替部分包括玻璃刻蚀模型和LED光源。脉动控制部分由脉动开关、电磁阀和塑胶管组成，通过电磁阀控制频率。图像采集部分包括928D型显微镜和显示器，记录实验过程中油水变化的动态过程。
具体实验流程为：①按照图1 连接实验设备，检查实验设备有无漏水、漏气等情况；②对微观玻璃刻蚀模型进行抽真空处理以减少气体干扰，然后使用LSP01-2A型注射泵饱和油至模型内部油量不再增加，拍摄饱和油状态下的静态图像；③通过调节脉动输入端的高度设置注入压力进行水驱实验，使用显微镜进行实时摄像，直至出口端不再出油（即高含水时），驱替结束，拍摄水驱结束后的静态图像；④设定相关脉
动参数，调节脉动阀门改变脉动频率，调节脉动输入端高度改变脉动振幅值，进行水力脉动波驱油实验直至出口端不再出油，驱替结束，同样进行动态过程摄像并拍摄驱替结束后的静态图像；⑤基于饱和油、水驱结束、水力脉动波驱油结束时的图像测定原油像素，进而计算得到原始含油饱和度、水驱后采收率以及水力脉动波驱动后采收率等参数；⑥清洗微观玻璃刻蚀模型，改变脉动参数等设置，重复步骤①—⑤。
1.2 实验材料
试验所用微观玻璃刻蚀模型的外表尺寸为76 mm× 76 mm，有效尺寸为40 mm×40 mm，厚度为5 mm。均质、水湿模型孔隙直径为30~200 μm，平均为150 μm，大孔道可为小孔道提供渗流通道，便于饱和油。模拟地层水由去离子水、6 032 mg/L氯化钠、521 mg/L氯化钙、202 mg/L氯化镁组成。模拟油是将脱水稠油油样用煤油稀释而成，25 ℃下黏度为234 mPa·s。
1.3 实验方案
从玻璃刻蚀模型的左上角注入、右下角采出。实验过程中，通过调节脉动输入端的高度来改变入口端脉动振幅值，通过开、关电磁阀实现脉动注入。续流端的高度代表入口端恒定压力。持压端连接出口端，可施加回压以代表不同孔隙压力。通过脉动发生部分的电磁阀调节频率。
表1 单纯改变频率或振幅的脉动实验参数设置 |
| 实验 编号 | 脉动频率影响 | 实验 编号 | 脉动振幅影响 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 频率/Hz | 振幅/kPa | 原始含油饱和度/% | 频率/Hz | 振幅/kPa | 原始含油饱和度/% | ||
| 1 | 0.05 | 19.6 | 98.12 | 6 | 1 | 4.9 | 97.56 |
| 2 | 0.10 | 19.6 | 98.05 | 7 | 1 | 9.8 | 92.78 |
| 3 | 1.00 | 19.6 | 97.46 | 8 | 1 | 14.7 | 95.39 |
| 4 | 5.00 | 19.6 | 97.58 | 9 | 1 | 19.6 | 97.58 |
| 5 | 10.00 | 19.6 | 97.23 | 10 | 1 | 24.5 | 94.05 |
续流及持压脉动驱动实验参数设置见表2 ，频率设定为1 Hz，脉动振幅值为24.5 kPa。续流脉动驱动是在单纯水力脉动波驱动基础上，在续流端施加稳定注入压力，在无脉动时仍有流体稳定注入。持压脉动驱动是在单纯水力脉动波驱动基础上，在持压端施加相应回压模拟地层压力。续流+持压脉动驱动是在单纯水力脉动波驱动基础上，同时施加续流压力及持压端压力。实验设置脉动注入端的液面高度大于等于稳定注入端的液面高度。
表2 续流及持压脉动驱动实验参数设置 |
| 实验 方案 | 实验 编号 | 入口端恒定 压力/kPa | 出口端恒定 回压/kPa | 原始含油 饱和度/% |
|---|---|---|---|---|
| 续流 脉动 驱动 | 1 | 4.9 | 0 | 95.78 |
| 2 | 9.8 | 0 | 98.32 | |
| 3 | 14.7 | 0 | 96.92 | |
| 4 | 19.6 | 0 | 95.61 | |
| 持压 脉动 驱动 | 5 | 0 | 4.9 | 94.56 |
| 6 | 0 | 9.8 | 94.30 | |
| 7 | 0 | 14.7 | 96.22 | |
| 8 | 0 | 19.6 | 97.05 | |
| 续流+持压 脉动驱动 | 9 | 4.9 | 4.9 | 94.95 |
注：频率为1 Hz，脉动振幅值为24.5 kPa |
在脉动频率为1 Hz、脉动振幅值为19.6 kPa、无续流压力及持压端压力的条件下，对水驱后的玻璃刻蚀模型进行不同温度的水力脉动波驱动实验。
2 水力脉动波驱动剩余油微观实验结果
2.1 微观模型整体波及程度
跟踪拍摄每组实验全过程，采用像素测量软件Image-Pro Plus测量玻璃刻蚀模型不同位置处的原油像素含量，再对像素分布进行插值，即可定量表征不同时期原油整体驱替效果、波及区域的分布情况。当脉动振幅值为24.5 kPa、脉动频率为1 Hz、续流压力及持压端压力均为4.9 kPa时，对饱和油后、水驱结束后、水力脉动波驱动结束后的图像进行分析，将所记录的玻璃刻蚀模型图像按8×8均分成64份，使用像素测量软件测量每个小块的原油像素含量，记录相应数据（见图2 ）。利用程序语言对原油像素分布进行插值，绘制含油饱和度图并进行分析（见图3 ）。图3 a显示稳定水驱时出现水窜区域，未波及区内部形成动态平衡，过流倍数继续增加，剩余油难以启动，主流通道部分剩余油含量较少，边角处剩余油含量较多。水力脉动波驱动后所有区域的剩余油都有效动用，其中边角处动用程度最大（见图3 b—图3 c）。弱波及区挖潜的油一部分沿着主流通道直接排出，另一部分再次被捕捉、卡塞，致使局部含油饱和度升高，一定程度上起到增加主流通道阻力、平衡流线的作用。
2.2 水力脉动波对不同微观赋存状态剩余油驱动效果
通过微观模型照片像素分析研究水力脉动波驱动参数对不同类型剩余油的驱动效果。水力脉动波驱动后，4种类型剩余油含量均有不同程度的下降，其中簇状剩余油和盲端剩余油含量的下降程度较大，均在20%左右，柱状剩余油和膜状剩余油的动用程度较小。水力脉动波驱动后，簇状和盲端剩余油的相对含量下降，柱状和膜状剩余油相对含量上升，原因是由于水力脉动波驱动对不同类型剩余油动用程度不同，且在驱替过程中，簇状、盲端剩余油被打散而驱出，堵塞在小孔隙中形成的柱状或膜状剩余油无法排出（见表3 ）。因此，水力脉动波对微观孔隙中赋存的簇状剩余油及盲端剩余油的驱动效果较好。
表3 水驱和水力脉动波驱动后不同类型剩余油分布情况 |
| 剩余油 类型 | 像素点数量/个 | 剩余油饱和度/% | 剩余油相对含量/% | 水力脉动波驱动 剩余油占比/% | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 水驱后 | 水力脉动波驱动后 | 水驱后 | 水力脉动波驱动后 | 水驱后 | 水力脉动波驱动后 | ||
| 簇状 | 71 808 | 54 822 | 18.44 | 14.08 | 54.89 | 51.17 | 23.65 |
| 柱状 | 23 301 | 22 313 | 5.98 | 5.73 | 17.80 | 20.83 | 4.24 |
| 膜状 | 13 083 | 12 043 | 3.36 | 3.09 | 10.00 | 11.24 | 7.95 |
| 盲端 | 22 641 | 17 954 | 5.81 | 4.61 | 17.31 | 16.76 | 20.70 |
注：实验脉动振幅值为24.5 kPa，脉动频率为1 Hz，续流压力及持压端压力均为4.9 kPa |
3 水力脉动波相关参数对剩余油驱动影响机理
3.1 脉动频率对剩余油驱动影响机理
在脉动振幅值为19.6 kPa、无续流压力及持压端压力的条件下，对水驱后的玻璃刻蚀模型进行不同脉动频率的水力脉动波驱动实验。结果表明，水力脉动波驱动采收率在脉动频率为1~5 Hz呈逐渐增加的趋势，采收率增幅在脉动频率为0~1 Hz呈大幅增加的趋势，在1 Hz达到最大值10.26个百分点（见图5 ）。因此，脉动频率为1 Hz时水力脉动波驱动提高采收率效果最好。
脉动频率主要影响脉动能量补充的时机，从而影响油水界面惯性振动的累加效应，实现这种效果的前提是接触并扰动剩余油。对于簇状和盲端这类分布区域和赋存孔隙尺度较大的剩余油，脉动频率的改变可对其产生较大影响；而对于柱状和膜状这类孔喉尺度小且远离主流通道的剩余油，脉动频率的影响不明显。
簇状剩余油的驱动机理是脉动压力波的叠加克服稳定水驱时造成的贾敏效应，使油滴通过孔喉的同时储存弹性能量，通过孔喉后恢复变形，促进运移，持续的脉动作用可推动油滴蠕动前进[24⇓-26]。不同脉动频率下水力脉动波驱动效果不同，脉动频率为0.05 Hz时，单个脉冲产生的界面变形所维持的时间小于脉动的半个周期，还未进行能量补充时该变形的效果已经消失，未能形成能量叠加效应，注入水难以突破油水界面，只在附近产生周期振荡（见图6 a—图6 e）；脉动频率为1 Hz时，脉动的往复振动作用累加，打破了簇状剩余油内部的受力平衡，界面不断运移，每个周期内前进的位移大于回缩的位移，从而将剩余油驱替出来（见图6 f—图6 j）；脉动频率为5 Hz时，由于频率较高，脉动产生的变形还未完全形成，下个周期的脉动波接续补充，脉动产生的效果未完全发挥，水力脉动波驱动接近于稳定水驱，注入水绝大部分仍沿主流通道流动，对剩余油的动用程度不高（见图6 k—图6 o）。因此，脉动频率为1 Hz时的驱动效果最好。
盲端剩余油的驱动机理是脉动波可以使注入水首先侵入盲端附近较大的孔隙喉道内，将这部分油驱出后，在孔隙内部形成新的平衡。脉动产生的能量在大孔隙中具有存储-释放的作用，在主流通道造成水流扰动，从而使盲端附近高压与负压交替出现[27]，盲端内的剩余油被水携带进入主流通道。脉动频率为0.05 Hz时，注入水已侵入盲端附近的孔喉并将剩余油向前推动，但能量补充不及时，已驱动的剩余油会发生回缩，甚至堵塞（见图7 a—图7 e）；脉动频率为1 Hz时，注入水可有效扰动盲端内的大部分剩余油，并通过界面变形的有效叠加将剩余油驱出（见图7 f—图7 j）；脉动频率为5 Hz时，注入水状态接近稳定水驱，无法对盲端内剩余油进行有效扰动（见图7 k—图7 o）。因此，脉动频率为1 Hz时的驱动效果最好。
3.2 脉动振幅值对剩余油驱动影响机理
在脉动频率为1 Hz、无续流压力及持压端压力的条件下，对水驱后的玻璃刻蚀模型进行不同振幅值的水力脉动波驱动实验。由于饱和油后玻璃刻蚀模型原油含量不完全相同，水驱后实际提高采收率的结果略有差异，因此分析过程中只对比水力脉动波驱动相对于水驱的采收率增幅。采收率增幅随着脉动振幅值的增加而增大，振幅值为24.5 kPa时采收率增幅达到最大值13.11个百分点，说明振幅值越高越有利于水驱后剩余油的动用（见图8 ）。
脉动振幅值对剩余油的影响主要体现在单个脉冲周期内界面的变形程度上。低振幅作用下油水界面产生界面微扰动，但无法突破孔喉毛管压力。高振幅作用下界面由微扰动变成剧烈振荡，界面变形程度较大，可打破油水界面平衡，促进油水混合，从而将剩余油携带驱出。簇状和盲端剩余油均以聚并形式存在，驱动阻力较大，振幅值改变对其动用影响较小。柱状和膜状剩余油的聚集程度和驱动阻力较小，振幅值改变对其动用影响较大。
脉动振幅值较低时，附着在壁面上的油膜发生变形，多个脉动周期产生的变形效应不断累加使两侧壁面的油相接触充满孔道。随着驱动时间延长，油膜容易被拉出细长的油丝，当拉力大于油水界面张力后油丝发生断裂分散成较小的油滴被驱出，如此油膜被慢慢剥离。但对于厚度较小的油膜，变形程度较小，剩余油无法聚并，效果与水驱类似（见图9 a—图9 e）。脉动振幅值较高时，对于厚度比较小的油膜，除了具有界面变形效应外，较高的脉动能量使注入水与剩余油充分混合，注入水会逐步穿透到油膜内部，形成小的水泡，慢慢增多、聚并、驱离（见图9 f—图9 j）。因此，脉动振幅值越高驱动效果越好。
柱状剩余油驱动的关键在于克服孔隙毛管压力。水力脉动波驱动过程中，油水界面向前推动的同时会发生回缩现象，界面变形过程中毛管压力逐渐增大。脉动振幅值较低时，由于能量较低，推动界面移动程度较小，下一个脉动发生前油柱几乎恢复到原来的状态，无法将油柱驱出（见图10 a—图10 e）。脉动振幅值较高时，油水界面振荡加剧，单个脉动波作用使界面移动程度较大，油柱未完全回缩，下一个脉动的能量又会继续作用，可以产生能量的累加效应，且高脉动振幅值可促进油水混合降低黏度，可得到较好的驱油效果（见图10 f—图10 j）。因此，脉动振幅值越高驱动效果越好。
3.3 续流及持压脉动对剩余油驱动影响机理
固定脉动频率1 Hz及振幅值24.5 kPa，在水力脉动波驱动基础上研究续流压力或持压端压力变化对提高采收率的影响。续流脉动水驱采收率增幅随着压力不断增加呈现出先增加后降低的趋势，当续流压力大于14.2 kPa后，采收率增幅低于单纯水力脉动波驱动。持压脉动水驱采收率增幅随着压力不断增加同样呈现出先增加后降低的趋势，但采收率增幅小于续流脉动水驱，当持压端压力大于11.3 kPa后，采收率增幅低于单纯水力脉动波驱动。续流压力和持压端压力为4.9 kPa时采收率增幅均达到最大值，压力过大会抑制单纯水力脉动波驱动带来的有利效果（见图11 ）。
从剩余油的微观驱动过程来看，在有连续流动的基础上脉动，脉动过程中始终有稳定的能量补充，有效减缓了脉动过程中的“回缩”现象。持压端压力可促进脉动能量集中，实现注入水在更小孔喉内较短时间的突破。而连续流动与所施加的回压都是通过主流通道传递的，因此作用对象主要是主流通道附近聚集的簇状剩余油。与单纯水力脉动驱动相比（见图12 a—图12 e），存在续流压力及持压端压力脉动的界面变形程度更大，注入水可进入多个含油孔隙，驱替效率更高（见图12 f—图12 j）。当存在续流压力时，单个脉冲产生的界面变形会被有效维持，回缩较小，使剩余油更高效驱出。持压端存在回压时，模型内部压力集中，有利于分散的剩余油聚集，增大了剩余油与水的接触面积，使脉动能量集中作用在剩余油上，再通过界面扰动等作用将这些油重新分散到主流通道或其他大孔道里驱出。但续流压力过大会削弱脉动的周期振荡效果，驱动过程变成“类水驱”，反而不利于驱油。持压端压力过大，注入水所受阻力较大，会使注入水沿主流通道行进。因此，续流压力和持压端压力并不是越大越好。
3.4 温度对剩余油驱动影响机理
温度敏感性实验结果显示，随着温度升高，原油黏度下降、流动性增强，水驱采收率和水力脉动波驱动采收率均逐渐增加，但水力脉动波驱动的采收率增幅更高（见图13 ）。因此升高温度对水力脉动波驱动有着较好的促进作用，有利于剩余油驱动。
温度较低时，原油黏度大、流动困难，水驱后剩余油大多以膜状、柱状形式存在，较为分散；随着温度升高，原油黏度降低、流动性增强，赋存形式多为簇状剩余油（见图14 a—图14 d）。温度较低时，针对分散的柱状、膜状剩余油，水力脉动波驱动结束后仍然有部分油以较厚的油膜形式黏附在孔喉壁面上，难以完全驱出；随着温度升高，原油黏度降低、孔喉毛管压力减小，水力脉动波驱动结束后孔喉壁面上几乎没有以油膜形式存在的剩余油，形成新的主流通道，便于附近的剩余油汇入，由注入水携带驱出（见图14 e—图14 h）。因此，温度升高对脉动波驱动有促进作用。
4 结论
水驱后剩余油的微观赋存状态有簇状、柱状、膜状、盲端等类型。水力脉动波驱动通过扰动油水界面来打破微平衡，造成变形叠加效应驱动剩余油，其对簇状和盲端剩余油动用程度较大，对柱状及膜状剩余油动用程度较小。
脉动频率主要影响簇状、盲端剩余油，频率为1 Hz时的脉动波驱动剩余油效果较好。脉动振幅值主要影响膜状和柱状剩余油，振幅值越大，水力脉动波驱动剩余油效果越好。较低强度的续流压力和持压端压力可以大幅提高簇状剩余油的动用效果。温度升高可促进水力脉动波的驱油作用。因此在矿场进行水力脉动波驱动时，脉动参数要选择低频、高振幅范围，作业时要有持续的低于振幅值的稳定能量补充，此外，这项技术如果结合热采将会有更好的效果。