一种微观油藏模型及其制作方法和使用方法与流程

本发明实施例涉及油藏开发技术，尤其涉及一种微观油藏模型及其制作方法和使用方法。

背景技术：

在低渗透油气藏、碳酸盐岩油藏和致密油气藏中，由于微纳米孔喉和裂缝广泛发育，常规注水开发过程中往往会出现注入压力过高、注入性差或注入水沿裂缝水窜严重等矿场问题，难以实现有效开发。而渗吸采油的方法与注水驱替不同，能够发挥微纳米孔喉毛管力大的优点，以毛管力为动力进行油水置换，将致密基质中的原油替换出来，并以广泛发育的天然缝和人工缝为排驱通道，实现低渗、致密油藏的有效开发。目前，在我国的长庆、延长等油田以渗吸采油为基本原理的注水吞吐、注表活剂吞吐、周期注水的开发模式已经得到了广泛使用，并且从最初的直井吞吐已经发展到水平井吞吐，极大提高了低渗油藏的开发程度。在我国常规油藏逐渐进入高含水期，剩余油开采潜力不大的背景下，低渗、致密油气藏受到油藏工程研究者们越来越多的重视，而针对渗吸的研究也越来越多。

目前，针对渗吸的相关研究主要以室内岩心为研究对象，形成了体积法、质量法和核磁共振法等多种针对渗吸原理的研究手段。但以岩心为研究对象，无法回避渗吸过程中重力的影响，即无法定量分析毛管力在渗吸中发挥的作用。同时，也由于实验周期长(一周至一月)且无法直观认识岩心内部油水分布模式，很多渗吸问题没能得到很好的解决。微流控技术在石油工程领域的应用为渗吸机理的可视化研究提供了一种很好的手段。由于微流控技术中微观油藏模型芯片体积小，能够大幅度缩短实验时间，对于渗吸研究具有很大助益。但现有的微观油藏芯片，由于只简单地模拟了真实油藏的二维通道，无法实现油藏渗吸过程的模拟。

技术实现要素：

本发明提供了一种微观油藏模型及其制作方法和使用方法，为真实油藏渗吸机理的研究提供了实验模型，也提供了直观呈现渗吸采油开发中孔隙尺度油水分布及运移模式的手段，能够大幅度缩短研究实验时间，有助于油藏渗吸机理的理论研究。

第一方面，本发明实施例提供了一种微观油藏模型，包括：

模型骨架，所述模型骨架内部包括孔喉通道；

润湿相通道，用于为润湿相提供流通通道；

非润湿相通道，用于为非润湿相提供流通通道；

其中，所述润湿相通道和所述非润湿相通道分别与所述孔喉通道连通，所述润湿相通道和所述非润湿相通道分别处于所述孔喉通道的两侧，所述润湿相通道的口径和所述非润湿相通道的口径均大于所述孔喉通道最小的口径。

第二方面，本发明实施例还提供了一种微观油藏模型制作方法，所述方法用于制作如第一方面任一所述的微观油藏模型，包括：

利用第一掩膜板对模型基片进行第一次刻蚀，在所述模型基片上形成孔喉通道；

利用第二掩膜板对所述模型基片进行第二次刻蚀，在所述模型基片上形成润湿相通道和非润湿相通道，其中，所述润湿相通道和所述非润湿相通道分别与所述孔喉通道连通，所述润湿相通道和所述非润湿相通道分别处于所述孔喉通道的两侧，所述润湿相通道的口径和所述非润湿相通道的口径均大于所述孔喉通道最小的口径；

将所述模型基片与模型盖片键合，形成所述微观油藏模型。

第三方面，本发明实施例还提供了一种基于第一方面任一所述的微观油藏模型的使用方法，其特征在于，包括：

利用盐酸溶液、氢氧化钠溶液和去离子水对所述微观油藏模型进行清洗，并干燥所述微观油藏模型；

向孔喉通道中通入非润湿相直至孔喉通道中的非润湿相饱和；

同时从润湿相通道和非润湿相通道向所述孔喉通道中以相同的设定压力分别通入润湿相和非润湿相。

本发明提供的微观油藏模型及其制作方法和使用方法，通过第一掩膜板和第二掩膜板分别蚀刻孔喉通道以及大于孔喉通道最小口径的润湿相通道和非润湿相通道，实现了针对真实油藏渗吸机理研究的实验模型，并且通过同时从润湿相通道和非润湿相通道向孔喉通道中以相同的设定压力分别通入润湿相和非润湿相，为直观呈现渗吸采油开发中孔隙尺度油水分布及运移模式提供了实验手段，本发明能够大幅度缩短研究实验时间，有助于油藏渗吸机理的理论研究。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种微观油藏模型结构示意图；

图2是图1中模型骨架的放大示意图；

图3是图1中虚线框放大的结构示意图；

图4是本发明实施例一提供的另一种油藏模型结构示意图；

图5是本发明实施例二提供的一种微观油藏模型制作方法流程图；

图6是本发明实施例二提供的配位数为4的模拟孔喉掩膜结构示意图；

图7是图6的模拟孔喉掩膜中虚线框的局部放大图；

图8是采用图7的模拟孔喉掩膜的刻蚀示意图；

图9是采用图7的模拟孔喉掩膜刻蚀后的孔喉通道截面图；

图10是本发明实施例二提供的配位数为6的模拟孔喉掩膜结构示意图；

图11是本发明实施例二提供的又一种微观油藏模型制作方法流程图；

图12是本发明实施例二提供的粘土矿物键合方法流程图；

图13是本发明实施例三提供的一种微观油藏模型使用方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的一种微观油藏模型结构示意图，图2是图1中模型骨架的放大示意图，参考图1和图2，该油藏模型包括模型骨架11、润湿相通道12和非润湿相通道13，模型骨架内部包含孔喉通道111，润湿相通道12为润湿相提供流通通道，非润湿相通道13为非润湿相提供流通通道，润湿相通道12和非润湿相通道13分别与孔喉通道111连通，并且润湿相通道12和非润湿相通道13分别处于孔喉通道的两侧，其中，润湿相通道12的口径和非润湿相通道13的口径均大于孔喉通道111中的最小口径。

其中，润湿相通道12和非润湿相通道13中所流通的润湿相和非润湿相是相对该油藏模型的润湿特性而言，举例来说，当油藏模型为水湿特性时，则润湿相通道12中流通的润湿相则可以为水，非润湿相通道13中的非润湿相则流通油。润湿相通道12和非润湿相通道13分别处于孔喉通道的两侧，其中两侧表示可以是该模型骨架11的上下两侧或者左右两侧，图1所示的微观油藏模型结构是以润湿相通道12和非润湿相通道13分别处于孔喉通道的上下两侧为例进行绘制的。另外，油藏模型中孔喉通道111中包含有孔隙和连接孔隙的喉道，其中不同孔隙和不同喉道的口径均不一致，即孔喉通道111中存在最小的口径。

其中，润湿相通道12和非润湿相通道13分布与孔喉通道111的两侧，并且与孔喉通道111连通，当润湿相和非润湿相在润湿相通道12和非润湿相通道13中流通时，在经过与孔喉通道111的连通处时，润湿相和非润湿相由于较小口径的孔喉通道而产生的毛细管力被吸入孔喉通道111内部，并对孔喉通道111内部的润湿相或非润湿相进行驱替，孔喉通道111内部的润湿相或非润湿相由润湿相排驱通道和非润湿相排驱通道流出，从而实现了渗吸排驱的过程。

本发明提供的微观油藏模型，通过设置孔喉通道以及大于孔喉通道最小口径的润湿相通道和非润湿相通道，并将润湿相通道和非润湿相通道设置在孔喉通道两侧，保证了注入过程中油藏模型孔喉通道两侧压差的平衡，能够模拟渗吸排驱过程，实现了针对真实油藏渗吸机理研究的实验模型，为直观呈现渗吸采油开发中孔隙尺度油水分布及运移模式的手段提供了实验手段，本发明能够大幅度缩短研究实验时间，有助于油藏渗吸机理的理论研究。

图3是图1中虚线框放大的结构示意图，参考图3，可选地，润湿相通道12包括润湿相吸入通道121、润湿相中间通道122和润湿相排驱通道123，非润湿相通道13包括非润湿相吸入通道131、非润湿相中间通道132和非润湿相排驱通道133；孔喉通道111在微观油藏模型所在的平面上的投影为矩形，孔喉通道内包括多个孔隙以及连接孔隙的多条喉道，润湿相中间通道122和非润湿相中间通道132分别位于矩形相对的两条边上，且分别与孔喉通道111连通。

其中，润湿相中间通道122平衡了润湿相吸入通道121和润湿相排驱通道123的通道压力，非润湿相中间通道132平衡了非润湿相吸入通道131和非润湿相排驱通道123的通道压力，从而使润湿相和非润湿相的渗吸排驱过程更顺利的进行。

图4是本发明实施例提供的另一种油藏模型结构示意图，参考图4，可选地，润湿相通12的口径和非润湿相通道13的口径相同，润湿相吸入通道121与润湿相中间通道122之间的夹角、润湿相排驱通道123与润湿相中间通道122之间的夹角、非润湿相吸入通道131与非润湿相中间通道132之间的夹角、非润湿相排驱通道133与非润湿相中间通道132之间的夹角相等。可选地，润湿相通道12和非润湿相通道13的刻蚀深度为15μm，宽度为50μm，润湿相吸入通道121、润湿相排驱通道123、非润湿相吸入通道131、非润湿相排驱通道133的长度均为60mm，矩形的孔喉通道111的长度为10mm，宽度为5mm，润湿相中间通道122和非润湿相中间通道132在矩形孔喉通道111的长边上，且相对长边两侧各延伸2mm。

可选地，孔喉通道的内壁的材料为粘土矿物。

其中，粘土矿物通过键合等手段附着于孔喉通道111的内壁，使该油藏模型的内壁更符合实际油藏为粘土矿物的特性，也使得采用该油藏模型进行的渗吸实验更符合真实的渗吸驱替过程，对渗吸实验研究研究有很大助益。

实施例二

图5是本发明实施例二提供的一种微观油藏模型制作方法流程图，该方法用于制作如实施例一任一所述的微观油藏模型，参考图5，该方法具体包括：

S100、利用第一掩膜板对模型基片进行第一次刻蚀，在模型基片上形成孔喉通道。

S120、利用第二掩膜板对模型基片进行第二次刻蚀，在模型基片上形成润湿相通道和非润湿相通道，其中，润湿相通道和非润湿相通道分别与孔喉通道连通，润湿相通道和非润湿相通道分别处于孔喉通道的两侧，润湿相通道的口径和非润湿相通道的口径均大于孔喉通道最小的口径。

其中，第一次刻蚀和第二次刻蚀均采用湿法刻蚀工艺，首先在基片上涂布光刻胶，然后通过第一掩膜板或第二掩膜板对光刻胶进行曝光，通过氢氧化钠将光刻胶清洗，形成与掩膜板对应的光刻胶图案，再通过刻蚀液对暴露的基片进行刻蚀处理，形成沟道，从而制备孔喉通道或润湿相通道和非润湿相通道。示例性地，该基片可以是匀胶铬板，具体可首先将掩膜板与匀胶铬板叠放在一起在曝光机上进行曝光，将图案转移到匀胶铬板上；然后用浓度为5‰的NaOH溶液进行清洗，洗去匀胶铬板上的光刻胶，再用洗铬液进行清洗，洗去匀胶铬板上的曝光部分，将匀胶铬板上与微观模型相对应的玻璃暴露出来；在超声波水浴环境下，将暴露出孔隙的匀胶铬板侵入到玻璃刻蚀液A中刻蚀25min，其中，玻璃刻蚀液的配方为：HF(1mol/L)，NaF(1mol/L)，HNO3(0.5mol/L)，NaNO3(0.5mol/L)；刻蚀后将芯片取出，用去离子水清洗后放入浓度为5％的NaOH溶液中洗去光刻胶，再用去离子水清洗后放入洗铬液中洗去铬层；洗去铬层后用去离子水漂洗芯片30min。

其中，第一掩膜板为孔喉掩膜板，第二掩膜板为通道掩膜板，孔喉掩膜板可以是真实孔喉掩膜板和模拟孔喉掩膜板中的一种，真实孔喉掩膜板是通过真实油藏切片中的孔喉通道通过微摄像及图像处理等方式获得，模拟孔喉掩膜板则是根据实际需求设计的贴近真实孔喉通道的掩膜板。

需要说明的是，第一掩膜板和第二掩膜板可以合并为一个掩膜板，该掩膜板中包含第一掩膜板中的孔喉通道图案和第二掩膜板中的润湿相通道和非润湿相通道的图案，即孔喉通道、润湿相通道和非润湿相通道通过一次湿法蚀刻工艺完成。

可选地，第一掩膜板选用模拟孔喉掩膜板，图6是本发明实施例二提供的配位数为4的模拟孔喉掩膜结构示意图，图7是图6的模拟孔喉掩膜中虚线框的局部放大图，参考图6-7，其中，模拟孔喉掩膜板的图案中包括多个重复排列的孔喉单元60，图中圆代表虚拟的岩石颗粒，孔喉单元60包括孔隙体61和多个与孔隙体连接的喉道62，喉道62与相邻孔喉单元60中的喉道62相对。

将孔喉掩膜板中的孔喉单元区分为孔隙体和多个与孔隙体连接的喉道好处在于，可以将真实油藏孔喉通道中的孔隙和喉道真实的制作出来，完成孔隙和喉道在尺寸上的区分，形成更为贴合实际油藏的2.5维的油藏模型，相比于传统工艺中制备的二维油藏模型，其更能反映真实油藏中渗吸过程，通过制备尺寸更小的喉道可以更加真实地分析现实渗吸过程中的渗吸原理，有助于揭示渗吸实验理论研究。

可选地，相邻的孔喉单元中相对的两个喉道之间存在第一预设距离。

图8是采用图7的模拟孔喉掩膜的刻蚀示意图，图9是采用图7的模拟孔喉掩膜刻蚀后的孔喉通道截面图，参考图8-9，配位数为2的两个孔喉单元60相对的两个喉道62之间存在第一预设距离d，优选地，该第一预设距离d可以是50μm，通过该第一预设距离d的设置，在使用该模拟孔喉掩膜进行湿法刻蚀过程中，由于刻蚀液存在刻蚀不均匀、刻蚀精度不高的问题，由此刻蚀液会将原本未暴露出的两相对喉道62中间的第一预设距离的区域进行刻蚀，并且连通，从而形成由孔喉通道边缘线81包围的孔喉通道，图9中截面曲线的两低谷位置为孔隙61，两孔隙61之间存在连通的喉道，且该喉道的刻蚀深度较小。显然，对该第一预设距离d的区域刻蚀所形成的喉道其刻蚀深度和宽度均较小，有助于在渗吸驱替实验中实现较较强的毛细管力，增强渗吸现象。

孔喉单元中可以包括至少两个与孔隙体连接的喉道，图10是本发明实施例二提供的配位数为6的模拟孔喉掩膜结构示意图，如图10所示，孔喉通道60连接有6个喉道62。

S140、将模型基片与模型盖片键合，形成微观油藏模型。

其中，刻蚀有孔喉通道、润湿相通道和非润湿相通道的模型基片需要与盖片通过高温键合的手段来闭合，示例性地，该步骤可以是将贴合好的微观模型放于纳米压印机中，在抽真空后按照如下工作制度进行键和：以20℃/min的速率升温至120℃，恒温60min；以10℃/min的速率升温至200℃，恒温360min；以1.5℃/min的速率降温至120℃，恒温60min。停止抽真空，以2℃/min的速率降温至30℃，完成芯片键和。

本发明提供的微观油藏模型的制作方法，通过采用湿法刻蚀工艺，利用孔喉掩膜板和通道掩膜板制备出微观油藏模型的孔喉通道、润湿相通道和非润湿相通道，其中润湿相通道和非润湿相通道的口径大于孔喉通道的最小口径，实现了微观油藏模型针对真实油藏渗吸机理研究的实验模型，为直观呈现渗吸采油开发中孔隙尺度油水分布及运移模式提供了实验手段，本发明能够大幅度缩短研究实验时间，有助于油藏渗吸机理的理论研究。

图11是本发明实施例二提供的又一种微观油藏模型制作方法流程图，参考图11，将刻蚀好的模型基片与模型盖片键合，形成微观油藏模型之前，还包括：

S130、对刻蚀好的模型基片和模型盖片进行清洗。

为了去除刻蚀过程中残留的刻蚀液等以及保证模型基片和模型盖片能够紧密贴合，需要对刻蚀好的模型基片和模型盖片进行清洗处理，示例性地，可以先用H2SO4与H2O2按4:1的比例配置溶液煮沸处理玻璃10-15min，对模型基片和模型盖片的表面进行处理；再分别用石油醚和乙醇漂洗芯片10min，将模型基片和模型盖片上的有机无机杂质去除；之后将处理后的玻璃芯片放在去离子水下冲洗30min。

将刻蚀好的模型基片与模型盖片键合，形成微观油藏模型之后，还包括：

S150、将粘土矿物键合到微观油藏模型的孔喉通道的内壁上。

图12是本发明实施例二提供的粘土矿物键合方法流程图，参考图12，该粘土键合方法具体包括：

S152、利用粘土矿物制备预设浓度的黏土悬浮液。

其中，粘土悬浮液的制备可将粘土粉末加入盐水溶液中，在搅拌机中进行剧烈搅拌15min，之后在40℃水浴环境下，用搅拌器搅拌粘土悬浮液3h，该粘土悬浮液的浓度优选为2％。

S154、在超声波水浴环境下，以设定速度将粘土悬浮液注入微观油藏模型的孔喉通道中。

为了保证黏着的黏土悬浮液不会在油藏模型的孔喉通道中发生堵塞，可以将模型放置在超声波水浴环境下，并且以较低的流速向油藏模型中注入粘土悬浮液，示例性地，该设定速度为1ml/min，注入粘土悬浮液持续时间为1h。

在超声波水浴环境下，以设定速度将粘土悬浮液注入微观油藏模型的孔喉通道中之前，还包括：S153、利用粘土悬浮液溶剂对孔喉通道进行预处理。

同样，为了保证粘土悬浮液不会在油藏模型的孔喉通道中堵塞，可以对孔喉通道内壁进行润湿处理，示例性地，可以将去离子水以1.5ml/min的速度注入模型中，并持续注入30min，再自然冷却至室温。

S156、在超声波水浴环境下，向模型中注入空气，排驱可流通的悬浮液；

当粘土悬浮液充满油藏模型的孔喉通道后，需要将多余的粘土悬浮液驱除，留下与孔喉通道内壁粘附的黏土悬浮液，具体可以是，在超声波水浴环境下，向模型中注入空气。

S158、将粘土矿物与微观油藏模型的孔喉通道内壁进行高温键合。

该高温键合步骤需将油藏模型放在设定温度的精密热板上并持续设定的时间即可，示例性地，该设定温度为200℃，设定时间为2h。

实施例三

图13是本发明实施例三提供的一种微观油藏模型使用方法流程图。参考图13，该使用方法基于实施例一任一所述的油藏模型，具体包括：

S200、利用盐酸溶液、氢氧化钠溶液和去离子水对微观油藏模型进行清洗，并干燥微观油藏模型。

在采用实施例一所提供的微观油藏模型进行渗吸实验时，需要先对该油藏模型进行清洗，以除去油藏模型中残留的无机和有机杂质以及制备过程中的残留液等，并保证使用时的油藏模型干燥。

具体的，该清洗步骤具体可以是：以1ml/min的速度向微观油藏模型中注入10％盐酸溶液1h，以1ml/min的速度向微观油藏模型中注入5％的NaOH溶液1h，以1ml/min的速度向微观油藏模型中注入去离子水1h，将微观油藏模型置于120℃温度下2h。

通过盐酸溶液和氢氧化钠溶液可以有效除去油藏模型中的无机和无机的杂质，并经去离子水的冲洗可以带走微观油藏模型中的残留液。

S210、向孔喉通道中通入非润湿相直至孔喉通道中的非润湿相饱和。

在进行渗吸原理的驱替采油前，需要在油藏模型中填充非润湿相，用于模拟真实油藏中的原油。示例性地，可以从润湿相吸入通道或非润湿吸入通道以4000mbar的压力向孔喉通道注入非润湿相，使整个油藏模型被非润湿相充满。

S220、同时从润湿相通道和非润湿相通道向孔喉通道中以相同的设定压力分别通入润湿相和非润湿相。

为了保证油藏模型孔喉通道的两侧的压力平衡，需要同时从润湿相通道和非润湿相通道注入润湿相和非润湿相，并且注入润湿相和非润湿相的压力需一致。另外，润湿相和非润湿相的注入压力可以调节润湿相和非润湿相在各自通道中的流速，从而可以控制渗吸实验过程中的渗吸效率，该注入压力可根据实际情况进行选择。

本发明提供的微观油藏模型使用方法，通过同时从润湿相通道和非润湿相通道向孔喉通道中以相同的设定压力分别通入润湿相和非润湿相，解决了在现有技术油藏模型在注入过程中无法实现入口、出口压力平衡，无法模拟渗吸的发生过程的问题，为直观呈现渗吸采油开发中孔隙尺度油水分布及运移模式提供了实验手段，本发明能够大幅度缩短研究实验时间，有助于油藏渗吸机理的理论研究。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。