工程科学学报，第41卷，第9期：1103-1114,2019年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.9:1103-1114,September 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.001;http://journals.ustb.edu.cn 中国致密油藏开发理论研究进展 朱维耀四，岳明，刘昀枫，刘凯，宋智勇 北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083 区通信作者，E-mail:weiyaook@sina.com 摘要为保持国家能源安全，我国油气开发领域在常规油气藏维持产量进行剩余油挖潜的基础上，积极推进非常规油气资 源的勘探与开发.致密油藏地质勘探资源储量高，但储层条件差，油水关系复杂制约着其大规模高效开发.虽然我国已经在 低渗一超低渗油藏的开发中积累了大量的经验并取得了丰硕的成果，但致密油藏无论从开发规模还是理论研究都处于起步阶 段，急需借鉴和开展适用于致密油藏的开发方法与渗流机理研究.本文首先概述了致密油藏的资源分布、地质特点与开发现 状.在此基础上介绍了致密油藏开发方法并抽提了4类基本科学问题，围绕基本科学问题系统论述了相应的流动规律以及数 学模型理论研究进展，并针对各问题提出了未来发展趋势，为促进我国致密油开发提供一定的指导意义. 关键词致密油；开发方式；非线性：多场耦合；多尺度流动 分类号TE34 Research progress on tight oil exploration in China ZHU Wei-yao,YUE Ming,LIU Yun-feng,LIU Kai,SONG Zhi-yong School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:weiyaook@sina.com ABSTRACT The exploration and development of unconventional oil and gas become the hotspot in worldwide petroleum industry at present and in the future time.The unconventional resources are the succession and growth of conventional oil and gas production.Min- eral resource investigations reveal that tight oil reservoirs in China contain highly geological and recoverable reserves,effective develop- ment of which is of great significance but restricted by poor reservoir physical properties and complex oil-water distribution.After dec- ades of exploration and development,low and ultra-low permeability reservoirs have been successfully developed.However,develop- ment patterns and flow mechanisms suitable for tight oil are still insufficient,and the field application is far from mature yet.This study first summarized the resource distribution,geological characteristics,exploration,and development status of tight oil reservoirs in Chi- na.Then,development patterns and corresponding fundamental scientific issues of tight oil reservoirs were discussed.Corresponding nonlinear flow laws,mathematical flow models of multi-field and multiscale related to different exploitation patterns and scientific issues were summarized.Related study results of the authors were also introduced.Finally,a future development trend was proposed for each aspect.We hope that this study will provide some guiding to promote the tight oil exploration in China. KEY WORDS tight oil;development pattern;nonlinear;multi-filed coupling;multiscale flow 石油天然气已经成为影响我国经济建设和可持2.7亿t,对外依存度将超过70%，面临严峻的石油 续发展的三大战略资源之一.目前我国石油对外依 安全问题.为此，加大致密油气开发理论和开采技 存度很高，据预测，到2020年我国将净进口石油 术研究，突破高效开发致密油气的理论和技术瓶颈， 收稿日期：2019-03-18 基金项目：国家科技重大专项资助项目(2017ZX05069-003)
工程科学学报,第 41 卷,第 9 期:1103鄄鄄1114,2019 年 9 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 9: 1103鄄鄄1114, September 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 09. 001; http: / / journals. ustb. edu. cn 中国致密油藏开发理论研究进展 朱维耀苣 , 岳 明, 刘昀枫, 刘 凯, 宋智勇 北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083 苣通信作者, E鄄mail:weiyaook@ sina. com 摘 要 为保持国家能源安全,我国油气开发领域在常规油气藏维持产量进行剩余油挖潜的基础上,积极推进非常规油气资 源的勘探与开发. 致密油藏地质勘探资源储量高,但储层条件差,油水关系复杂制约着其大规模高效开发. 虽然我国已经在 低渗鄄鄄超低渗油藏的开发中积累了大量的经验并取得了丰硕的成果,但致密油藏无论从开发规模还是理论研究都处于起步阶 段,急需借鉴和开展适用于致密油藏的开发方法与渗流机理研究. 本文首先概述了致密油藏的资源分布、地质特点与开发现 状. 在此基础上介绍了致密油藏开发方法并抽提了 4 类基本科学问题,围绕基本科学问题系统论述了相应的流动规律以及数 学模型理论研究进展,并针对各问题提出了未来发展趋势,为促进我国致密油开发提供一定的指导意义. 关键词 致密油; 开发方式; 非线性; 多场耦合; 多尺度流动 分类号 TE34 收稿日期: 2019鄄鄄03鄄鄄18 基金项目: 国家科技重大专项资助项目(2017ZX05069鄄鄄003) Research progress on tight oil exploration in China ZHU Wei鄄yao 苣 , YUE Ming, LIU Yun鄄feng, LIU Kai, SONG Zhi鄄yong School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣Corresponding author, E鄄mail: weiyaook@ sina. com ABSTRACT The exploration and development of unconventional oil and gas become the hotspot in worldwide petroleum industry at present and in the future time. The unconventional resources are the succession and growth of conventional oil and gas production. Min鄄 eral resource investigations reveal that tight oil reservoirs in China contain highly geological and recoverable reserves, effective develop鄄 ment of which is of great significance but restricted by poor reservoir physical properties and complex oil鄄water distribution. After dec鄄 ades of exploration and development, low and ultra鄄low permeability reservoirs have been successfully developed. However, develop鄄 ment patterns and flow mechanisms suitable for tight oil are still insufficient, and the field application is far from mature yet. This study first summarized the resource distribution, geological characteristics, exploration, and development status of tight oil reservoirs in Chi鄄 na. Then, development patterns and corresponding fundamental scientific issues of tight oil reservoirs were discussed. Corresponding nonlinear flow laws, mathematical flow models of multi鄄field and multiscale related to different exploitation patterns and scientific issues were summarized. Related study results of the authors were also introduced. Finally, a future development trend was proposed for each aspect. We hope that this study will provide some guiding to promote the tight oil exploration in China. KEY WORDS tight oil; development pattern; nonlinear; multi鄄filed coupling; multiscale flow 石油天然气已经成为影响我国经济建设和可持 续发展的三大战略资源之一. 目前我国石油对外依 存度很高,据预测,到 2020 年我国将净进口石油 2郾 7 亿 t,对外依存度将超过 70% ,面临严峻的石油 安全问题. 为此,加大致密油气开发理论和开采技 术研究,突破高效开发致密油气的理论和技术瓶颈
·1104 工程科学学报，第41卷，第9期 加快开采致密油气对确保石油天然气产量的稳定和 开发方式的影响，提出致密油开发所面临的基本 增长，维护国内石油市场的供求平衡，延长石油资源 科学问题，综述并分析了目前致密油开发方式以 的战略接替时间，已成为保障国家能源安全、满足国 及与之对应的渗流理论的研究进展.同时结合《鄂 民经济发展的重大需求1] 尔多斯盆地致密油开发示范工程》等重大科技项 致密油是指夹在或紧邻优质生油层系的致密碎 目研究成果，介绍了本课题组研究的一些最新成 屑岩或者碳酸盐岩储层中，未经过大规模长距离运 果，以期为未来中国致密油高效开发提供一定的 移而形成的石油聚集，一般无自然产能，需通过大规 理论指导 模压裂才能形成工业产能3).中国致密油资源非常 1中国致密油资源勘探与开发现状 丰富，分布范围广.资源评价表明，中国致密油地质 资源量大约为200×108t,技术可采资源量为20× 1.1中国致密油资源分布 10~25×10t4].目前在准噶尔盆地二叠系、鄂尔 中国致密油资源分布范围广泛，发育与湖相生 多斯盆地三叠系、四川盆地侏罗系、松辽盆地白垩 油岩共生或接触、大面积分布的致密砂岩油或致密 系、渤海湾盆地古近系、柴达木盆地新近系地层均发 碳酸盐岩油，具有广阔的勘探前景[).初步预测中 现了致密油藏，陆上空间以及地质年代跨度均达到 国陆上主要盆地致密油分布达50×10km2.目前 定规模. 在准噶尔盆地二叠系芦草沟组、四川盆地侏罗系大 然而，无论是生产规模、开发方法还是理论研究 安寨段、松辽盆地青山口-泉头组、鄂尔多斯盆地三 来看，中国致密油开发均处于起步阶段.据国土资 叠系延长组长7段、渤海湾盆地古近系沙河街组等 源部统计，2017年全国致密油产量为150×10t,与 都发现了丰富的致密油资源，中国主要盆地致密油 此相比，全国致密气2017年产量为340×10°m3,约 资源及主要性质见表1.依据致密油层与烃源岩接 3090×10°t油当量，页岩气产量为91×10m3,约 触成因关系，大致分为3类：深湖水下三角洲砂岩致 820×104t油当量.目前关于致密油的理论研究大 密油藏，代表性油藏位于松辽盆地、渤海湾盆地以及 都局限于储集层类型、储源关系、甜点主控因素及致 四川盆地：湖相碳酸盐岩油藏，代表性油藏位于准噶 密油聚集类型等方面，开发方式以水平井体积压裂 尔盆地、三塘湖盆地，储集层以咸化湖盆沉积的白云 衰竭式开发为主[5-6].开发方式单一，地层能量补充 岩及白云石化岩为主：深湖重力流砂岩致密油藏，代 困难、基质有效动用困难以及相应技术理论研究 表性油藏位于鄂尔多斯盆地8)].致密油的突破与发 的缺失是制约中国致密油大规模高效开发的瓶颈 展，已成为目前中国陆上原油产量持续稳定、天然气 问题.本文关注于中国致密油藏地质特点及其对 产量快速发展的接替资源. 表1中国主要盆地致密油资源 Table 1 Tight oil resources in the major basins of China 含油盆地 含油层系 储层类型 有利面积/(104km2) 渗透率/mD 厚度/m 预测资源量/(10st) 准噶尔盆地 二叠系 灰质白云岩 6~8 <1 80-200 29 三塘湖盆地 二叠系 白云岩、灰岩、黑色泥岩 0.5w1 0.1w1 10~100 5.6 鄂尔多斯盆地 三叠系 粉细砂岩 8~10 0.01-1 20~80 19.9 四川盆地 侏罗系 粉细砂岩、介壳灰岩，泥质灰岩 711 0.0001-1 10~60 10.7 吐哈盆地 侏罗系 粉细砂岩 0.7w1 <1 30-200 11.5 松辽盆地 白垩系 致密砂岩 8~9 0.6-1 5~30 19~21.3 酒西盆地 白垩系 粉砂岩，碳酸盐岩 0.30.5 <0.1 100~300 1.8~2.3 渤海湾盆地 古近系 白云岩，致密砂岩 911 0.2-1 100~200 3.84.5 柴达木盆地 新近系 泥灰岩，藻灰岩、粉砂岩 23 <1 100~150 4~5 1.2中国致密油资源特点 内源储共生.油气分布不受圈闭控制，平面上或滞 中国致密油资源通常分布于坳陷区以及斜坡 留于烃源岩，或位于紧邻烃源岩的大面积储层，纵向 带，油气资源具有大面积分布、但丰度不均一的特 上多层系叠置，近源充注.(2)储集层类型多，物性 征.其地质特点可以总结为：(1)致密油资源在凹陷 差.储层类型包括致密砂岩、砾岩、灰岩、白云岩等
工程科学学报,第 41 卷,第 9 期 加快开采致密油气对确保石油天然气产量的稳定和 增长,维护国内石油市场的供求平衡,延长石油资源 的战略接替时间,已成为保障国家能源安全、满足国 民经济发展的重大需求[1鄄鄄2] . 致密油是指夹在或紧邻优质生油层系的致密碎 屑岩或者碳酸盐岩储层中,未经过大规模长距离运 移而形成的石油聚集,一般无自然产能,需通过大规 模压裂才能形成工业产能[3] . 中国致密油资源非常 丰富,分布范围广. 资源评价表明,中国致密油地质 资源量大约为 200 伊 10 8 t,技术可采资源量为 20 伊 10 8 ~ 25 伊 10 8 t [4] . 目前在准噶尔盆地二叠系、鄂尔 多斯盆地三叠系、四川盆地侏罗系、松辽盆地白垩 系、渤海湾盆地古近系、柴达木盆地新近系地层均发 现了致密油藏,陆上空间以及地质年代跨度均达到 一定规模. 然而,无论是生产规模、开发方法还是理论研究 来看,中国致密油开发均处于起步阶段. 据国土资 源部统计,2017 年全国致密油产量为 150 伊 10 4 t,与 此相比,全国致密气 2017 年产量为 340 伊 10 8 m 3 ,约 3090 伊 10 4 t 油当量,页岩气产量为 91 伊 10 8 m 3 ,约 820 伊 10 4 t 油当量. 目前关于致密油的理论研究大 都局限于储集层类型、储源关系、甜点主控因素及致 密油聚集类型等方面,开发方式以水平井体积压裂 衰竭式开发为主[5鄄鄄6] . 开发方式单一,地层能量补充 困难、基质有效动用困难以及相应技术理论研究 的缺失是制约中国致密油大规模高效开发的瓶颈 问题. 本文关注于中国致密油藏地质特点及其对 开发方式的影响,提出致密油开发所面临的基本 科学问题,综述并分析了目前致密油开发方式以 及与之对应的渗流理论的研究进展. 同时结合《鄂 尔多斯盆地致密油开发示范工程》 等重大科技项 目研究成果,介绍了本课题组研究的一些最新成 果,以期为未来中国致密油高效开发提供一定的 理论指导. 1 中国致密油资源勘探与开发现状 1郾 1 中国致密油资源分布 中国致密油资源分布范围广泛,发育与湖相生 油岩共生或接触、大面积分布的致密砂岩油或致密 碳酸盐岩油,具有广阔的勘探前景[7] . 初步预测中 国陆上主要盆地致密油分布达 50 伊 10 4 km 2 . 目前 在准噶尔盆地二叠系芦草沟组、四川盆地侏罗系大 安寨段、松辽盆地青山口鄄鄄泉头组、鄂尔多斯盆地三 叠系延长组长 7 段、渤海湾盆地古近系沙河街组等 都发现了丰富的致密油资源,中国主要盆地致密油 资源及主要性质见表 1. 依据致密油层与烃源岩接 触成因关系,大致分为 3 类:深湖水下三角洲砂岩致 密油藏,代表性油藏位于松辽盆地、渤海湾盆地以及 四川盆地;湖相碳酸盐岩油藏,代表性油藏位于准噶 尔盆地、三塘湖盆地,储集层以咸化湖盆沉积的白云 岩及白云石化岩为主;深湖重力流砂岩致密油藏,代 表性油藏位于鄂尔多斯盆地[8] . 致密油的突破与发 展,已成为目前中国陆上原油产量持续稳定、天然气 产量快速发展的接替资源. 表 1 中国主要盆地致密油资源 Table 1 Tight oil resources in the major basins of China 含油盆地 含油层系 储层类型 有利面积/ (10 4 km 2 ) 渗透率/ mD 厚度/ m 预测资源量/ (10 8 t) 准噶尔盆地 二叠系 灰质白云岩 6 ~ 8 < 1 80 ~ 200 29 三塘湖盆地 二叠系 白云岩、灰岩、黑色泥岩 0郾 5 ~ 1 0郾 1 ~ 1 10 ~ 100 5郾 6 鄂尔多斯盆地 三叠系 粉细砂岩 8 ~ 10 0郾 01 ~ 1 20 ~ 80 19郾 9 四川盆地 侏罗系 粉细砂岩、介壳灰岩、泥质灰岩 7 ~ 11 0郾 0001 ~ 1 10 ~ 60 10郾 7 吐哈盆地 侏罗系 粉细砂岩 0郾 7 ~ 1 < 1 30 ~ 200 1 ~ 1郾 5 松辽盆地 白垩系 致密砂岩 8 ~ 9 0郾 6 ~ 1 5 ~ 30 19 ~ 21郾 3 酒西盆地 白垩系 粉砂岩、碳酸盐岩 0郾 3 ~ 0郾 5 < 0郾 1 100 ~ 300 1郾 8 ~ 2郾 3 渤海湾盆地 古近系 白云岩、致密砂岩 9 ~ 11 0郾 2 ~ 1 100 ~ 200 3郾 8 ~ 4郾 5 柴达木盆地 新近系 泥灰岩、藻灰岩、粉砂岩 2 ~ 3 < 1 100 ~ 150 4 ~ 5 1郾 2 中国致密油资源特点 中国致密油资源通常分布于坳陷区以及斜坡 带,油气资源具有大面积分布、但丰度不均一的特 征. 其地质特点可以总结为:(1)致密油资源在凹陷 内源储共生. 油气分布不受圈闭控制,平面上或滞 留于烃源岩,或位于紧邻烃源岩的大面积储层,纵向 上多层系叠置,近源充注. (2)储集层类型多,物性 差. 储层类型包括致密砂岩、砾岩、灰岩、白云岩等, ·1104·
朱维耀等：中国致密油藏开发理论研究进展 ·1105· 基质渗透率一般小于0.1mD,孔隙度一般小于 致密油单井产量显著提高.新疆油田进一步推动玛 10%.(3)流体分异差.无统一的油水界面与压力 湖凹陷致密油经济有效开发，吉木萨尔致密油产能 系统，油、气、水常多相共存，含油气饱和度变化大， 评价取得重大进展.大庆油田先后开辟了14个致 具有“整体普遍含油气”的特征.(4)微纳米孔喉发 密油试验区，其中10个已经建成投产，年产能达到 育.川中大安寨段灰岩有效喉道半径均值为0.89 20×10t. m,鄂尔多斯长7段喉道半径主要分布于0.1~ 在开发技术领域，我国致密油的主要研究和应 0.75um:(5)天然裂缝发育.地层受多期构造作用 用方向都集中于水平井体积压裂及其配套工艺开发 影响，发育明显的天然微裂缝，川中桂花油田取芯结 模式，其主要思路是通过体积压裂以及加密水平井 果显示，各类裂缝数量达11.79m-1.而且受区域性 距在致密储层形成裂缝网络，增大含油基质与裂缝 地应力控制，裂缝具有一定的方向性.(6)地层压力 的接触面积，缩短储层供给边界半径，从而更好地实 偏低，我国陆相致密油以低压-常压为主，压力系数 现致密储层有效动用.目前已形成了水力喷砂、水 介于0.7~1.3.其中储量最为丰富的鄂尔多斯长7 力泵送桥塞、大通径裸眼封隔器滑套等多项水平井 段油藏压力系数在0.7~0.85之间，为典型低压油 分段体积压裂主体技术.吐哈油田三塘湖盆地致密 藏，天然能量严重不足：(7)储层脆性指数高.长7 油开发中的“速钻桥塞+多簇射孔压裂”工艺，青海 致密油储层脆性指数为35~45，适合于进行储层压 油田扎哈泉致密油区块开发中的“混合压裂液+小 裂改造 粒径陶粒加砂”压裂工艺，长庆油田首次开展的“大 1.3中国致密油资源开采现状 排量双水平井喷射分段多簇同步压裂”工艺都是我 中国致密油藏开发初期，积极借鉴美国 国致密油开发过程中关键技术的重大突破.针对四 Bakken、Eagleford致密油藏以及国内在低渗-超低 川盆地砂岩和灰岩储层不同的地质特点，四川油气 渗油藏开发过程中的经验，但经过一段时间的勘探 田分别实施水平井体积压裂以及水平井酸化压裂， 开发探索后，认识到中国致密油藏有其特殊的开发 酸化体系为“乳化酸+转向酸+降阻酸”] 难度，出现“注不进、采不出”的现象，致密油储层基 尽管我国致密油开发在短时间内取得了极大的 质的致密程度已经达到了水驱无效的程度，导致开 进步，但是相对常规油气藏，其开发规模以及原油产 发效果不佳.其原因在于美国致密油藏以海相为 量仍然较小.即使是与其他非常规油气资源如页岩 主，生油岩分布稳定，面积大，且储集层普遍为超压 气、致密气、煤层气相比，产量依然占据次要地位，存 地层，开发地质条件方面均优于国内储层，而低渗- 在明显的资源与产量不匹配、经济效益过低的现象 超低渗油藏开发成功模式中超前注水建立有效驱动 其主要原因是体积缝网的形成易引发明显的水窜， 系统的成功模式也难以应用到致密油藏.中国致密 导致注水工艺无法实施.而衰竭式开发后无法获得 油藏的开发特征主要表现为：(1)初期大部分水平 有效的地层能量补充，即使通过注水获得能量补充， 井日产原油明显优于直井，产量一般为3~5倍，吉 极高的渗流阻力导致难以有效驱动基质原油.因 木萨尔凹陷水平井初期产能可达直井的10~15 此，合理开发方式的应用，是我国致密油开发的重点 倍[).但产量递减快，首年递减率可达40%~90%； 研究问题 (2)井口压力下降快.受基质供给能力限制，新井投 2致密油藏开发方式 产2到3个月内，井口压力可以由20多MPa下降至 5MPa以内.(3)初期油水同产，含水率稳定，一段 目前国内针对致密油藏孔喉直径狭小导致自然 时间后含水率下降：(4)压裂液反排率低，大约40% 产能低，脆性矿物体积分数高达到80%以上2]，易 左右，不过长庆油田现场试验表明，滞留压裂液可以 于压裂并沟通天然裂缝形成缝网的特点，普遍使用 起到一定程度的地层能量补充，压裂后地层压力系 基于水平井体积压裂的开发模式.大量的现场实践 数可提高至1.0左右[0) 以及理论计算均表明，水平井体积压裂可以实现更 尽管困难重重，经过多年积极探索与技术攻关， 大体积的地质储量动用，扩大渗流面积，水平井投产 中国石油集团公司成功推动了鄂尔多斯、四川、松 前期可以达到直井单井产量的10倍以上，也是目前 辽、柴达木及三塘湖等盆地的致密油藏规模开发. 开发致密油藏最有效的工艺手段.此类技术与相关 目前长庆油田经过多年探索，形成了致密油I+Ⅱ 研究的基础均来源于低渗-超低渗透油藏的开发经 +Ⅲ类储层开发主体技术，建立了3个致密油水平 验与理论研究基础，与低渗-超低渗油藏相同，地层 井体积压裂试验区和3个致密油规模开发试验区， 能量损失严重同样制约着致密油藏的开发.基于水
朱维耀等: 中国致密油藏开发理论研究进展 基质渗透率一般小于 0郾 1 mD, 孔隙度一般小于 10% . (3)流体分异差. 无统一的油水界面与压力 系统,油、气、水常多相共存,含油气饱和度变化大, 具有“整体普遍含油气冶的特征. (4)微纳米孔喉发 育. 川中大安寨段灰岩有效喉道半径均值为 0郾 89 滋m,鄂尔多斯长 7 段喉道半径主要分布于 0郾 1 ~ 0郾 75 滋m;(5)天然裂缝发育. 地层受多期构造作用 影响,发育明显的天然微裂缝,川中桂花油田取芯结 果显示,各类裂缝数量达 11郾 79 m - 1 . 而且受区域性 地应力控制,裂缝具有一定的方向性. (6)地层压力 偏低,我国陆相致密油以低压鄄鄄常压为主,压力系数 介于 0郾 7 ~ 1郾 3. 其中储量最为丰富的鄂尔多斯长 7 段油藏压力系数在 0郾 7 ~ 0郾 85 之间,为典型低压油 藏,天然能量严重不足;(7)储层脆性指数高. 长 7 致密油储层脆性指数为 35 ~ 45,适合于进行储层压 裂改造. 1郾 3 中国致密油资源开采现状 中 国 致 密 油 藏 开 发 初 期, 积 极 借 鉴 美 国 Bakken、Eagleford 致密油藏以及国内在低渗鄄鄄 超低 渗油藏开发过程中的经验,但经过一段时间的勘探 开发探索后,认识到中国致密油藏有其特殊的开发 难度,出现“注不进、采不出冶的现象,致密油储层基 质的致密程度已经达到了水驱无效的程度,导致开 发效果不佳. 其原因在于美国致密油藏以海相为 主,生油岩分布稳定,面积大,且储集层普遍为超压 地层,开发地质条件方面均优于国内储层,而低渗鄄鄄 超低渗油藏开发成功模式中超前注水建立有效驱动 系统的成功模式也难以应用到致密油藏. 中国致密 油藏的开发特征主要表现为:(1)初期大部分水平 井日产原油明显优于直井,产量一般为 3 ~ 5 倍,吉 木萨尔凹陷水平井初期产能可达直井的 10 ~ 15 倍[9] . 但产量递减快,首年递减率可达40% ~ 90% ; (2)井口压力下降快. 受基质供给能力限制,新井投 产2 到3 个月内,井口压力可以由20 多 MPa 下降至 5 MPa 以内. (3) 初期油水同产,含水率稳定,一段 时间后含水率下降;(4)压裂液反排率低,大约 40% 左右,不过长庆油田现场试验表明,滞留压裂液可以 起到一定程度的地层能量补充,压裂后地层压力系 数可提高至 1郾 0 左右[10] . 尽管困难重重,经过多年积极探索与技术攻关, 中国石油集团公司成功推动了鄂尔多斯、四川、松 辽、柴达木及三塘湖等盆地的致密油藏规模开发. 目前长庆油田经过多年探索,形成了致密油玉 + 域 + 芋类储层开发主体技术,建立了 3 个致密油水平 井体积压裂试验区和 3 个致密油规模开发试验区, 致密油单井产量显著提高. 新疆油田进一步推动玛 湖凹陷致密油经济有效开发,吉木萨尔致密油产能 评价取得重大进展. 大庆油田先后开辟了 14 个致 密油试验区,其中 10 个已经建成投产,年产能达到 20 伊 10 4 t. 在开发技术领域,我国致密油的主要研究和应 用方向都集中于水平井体积压裂及其配套工艺开发 模式,其主要思路是通过体积压裂以及加密水平井 距在致密储层形成裂缝网络,增大含油基质与裂缝 的接触面积,缩短储层供给边界半径,从而更好地实 现致密储层有效动用. 目前已形成了水力喷砂、水 力泵送桥塞、大通径裸眼封隔器滑套等多项水平井 分段体积压裂主体技术. 吐哈油田三塘湖盆地致密 油开发中的“速钻桥塞 + 多簇射孔压裂冶工艺,青海 油田扎哈泉致密油区块开发中的“混合压裂液 + 小 粒径陶粒加砂冶压裂工艺,长庆油田首次开展的“大 排量双水平井喷射分段多簇同步压裂冶工艺都是我 国致密油开发过程中关键技术的重大突破. 针对四 川盆地砂岩和灰岩储层不同的地质特点,四川油气 田分别实施水平井体积压裂以及水平井酸化压裂, 酸化体系为“乳化酸 + 转向酸 + 降阻酸冶 [11] . 尽管我国致密油开发在短时间内取得了极大的 进步,但是相对常规油气藏,其开发规模以及原油产 量仍然较小. 即使是与其他非常规油气资源如页岩 气、致密气、煤层气相比,产量依然占据次要地位,存 在明显的资源与产量不匹配、经济效益过低的现象. 其主要原因是体积缝网的形成易引发明显的水窜, 导致注水工艺无法实施. 而衰竭式开发后无法获得 有效的地层能量补充,即使通过注水获得能量补充, 极高的渗流阻力导致难以有效驱动基质原油. 因 此,合理开发方式的应用,是我国致密油开发的重点 研究问题. 2 致密油藏开发方式 目前国内针对致密油藏孔喉直径狭小导致自然 产能低,脆性矿物体积分数高达到 80% 以上[12] ,易 于压裂并沟通天然裂缝形成缝网的特点,普遍使用 基于水平井体积压裂的开发模式. 大量的现场实践 以及理论计算均表明,水平井体积压裂可以实现更 大体积的地质储量动用,扩大渗流面积,水平井投产 前期可以达到直井单井产量的 10 倍以上,也是目前 开发致密油藏最有效的工艺手段. 此类技术与相关 研究的基础均来源于低渗鄄鄄超低渗透油藏的开发经 验与理论研究基础,与低渗鄄鄄超低渗油藏相同,地层 能量损失严重同样制约着致密油藏的开发. 基于水 ·1105·
·1106· 工程科学学报，第41卷，第9期 平井体积压裂的衰竭式开发、注水驱动开发、以及衰 量补充方式仍然是不可忽视的技术手段，尤其是我 竭式开发后期注水吞吐开发是国内常见的三种开发 国致密油藏普遍压力系数不高，鄂尔多斯盆地三叠 模式，因此有必要针对以上开发模式各自的特点进 系延长组长7油层又是典型的低压油藏.因此在避 行相应分析，明晰其优缺点并提出未来优化方向 免增能介质窜流的前提下，应当进行更多的基于该 2.1衰竭式开发 种模式的研究.对致密油藏C0,驱的室内实验以及 尽管在低渗-超低渗油藏的开发经验中，基于 数值模拟研究表明，CO,在致密油藏具有较低的混 超前注水的有效压力系统建立是其成功的主要因 相压力，对于致密油藏有着更好的开发效果.今后 素.但是目前衰竭式开发依然是致密油开发的主要 的研究方向应注重于以下两个方面，首先是国外已 模式，这主要是基于以下考虑.首先致密油开发需 广泛研究的空气泡沫驱、C0,驱也不失为可行的研 采用水平井多段多簇压裂的开发模式，水平井井距 究方法[1s-6).其次，合理的驱动井网部署方式可以 一般为半缝长的两倍，且致密油藏普遍发育的天然 尽可能的发挥驱动作用而避免窜流的发生，也是值 裂缝的存在更易于形成体积缝网，水平井网的控制 得研究的重点方向. 面积较高.其次是在水平井大规模压裂中，目前一 2.3注水吞吐开发 般遵循“大排量、大液量、低砂比”的模式，返排液量 针对衰竭式开发地层压力下降过快，自然产能 与入地液量之比较低.根据长庆西233致密油井区 递减大的缺陷，基于裂缝性低渗透油田的注水吞吐 的统计结果表明，10口压裂水平井中，平均单段入 机理研究及开发经验]，吐哈油田马中56、长庆油 地液量为1100m3.YP1井与YP2井平均反排液量 田安83区块长7、大庆油田致密油藏均进行了注水 为3786m3,平均返排率为48.6%[13].压裂后大量 吞吐开发试验18-1)，现场数据表明：三塘湖盆地开 的压裂液滞留在了地层中，起到了一定的能量补充的 展先导试验的7口井，平均单井日增油10.3t,平均 作用.最后是采用注水驱替容易发生水窜，直接导致 单井累积增油805t.水平井体积缝网的产生，通过 水平油井的水淹，对油井的经济效益有较大的风险. 注水吞吐可实现地层能量补充，重力分异油水置换 但从目前衰竭式开发的开发效果来看，依然存 以及渗吸采油以达到提高采收率的目的. 在着第1年采油速度较高，但1a后产液量、产油量 注水吞吐采出的油量与周期注入量、注入速度、 递减快，地层能量不足的缺点，大量的剩余油还未能 注入压力、焖井时间、岩石润湿性等紧密相关，实验 被有效采出，预测衰竭式开发采收率仅能达到5% 证明不同润湿性油藏实施注水吞吐采油均有效，油 左右.目前重复压裂是一种施工相对简单的接替技 藏岩石亲水性越强，越有利于实施注水吞吐采油 术，通过重复转向改造，希望既拓宽原裂缝，又形成 但是由于毛管力作用范围较小，渗吸速度较慢，注水 新的缝网系统，实现二次采油).但是，该种方法 吞吐的提高提高采收率程度有限.微生物在地下培 地层能量补充有限，增产效果有待进一步矿场试验. 养繁殖可以产生表面活性剂，以此降低油水界面张 因此，后续地层能量的补充是衰竭式开发致密油的 力，具有更好的提高采收率潜力，可以作为今后研究 主要瓶颈 的重点方向[20] 2.2注水吞吐开发 3致密油开发面临的主要科学问题 为避免致密油开发过程中地层能量消耗过快的 问题，进行地层能量补充是必不可少的开发方式，目 目前我国致密油藏产量较低，相较于储层条件 前的工艺中，一般通过注水或者注气进行地层能量 较为接近的低渗-特低渗透油藏，其不同之处正是 补充.但在致密油注水驱动的开发经验中，吸水剖 影响致密油藏开发的关键因素.首先是致密油藏孔 面测试和示踪剂监测结果表明，随着累计注入水量 喉半径进一步缩小，纳米喉道分布更为广泛，微尺度 的增加，注入水沿开启的天然裂缝快速推进，易于形 流动效应更为突出：其次天然裂缝的存在以及水平 成高渗透条带，导致对应的采油井水淹，致密油体积 井人工裂缝形成了复杂的多尺度、多物理场流动现 压裂水平井注水开发见水风险大.长庆油田在安83 象：最后由于致密油藏靠近烃源岩，不具有明显的圈 区块开展的七点、五点注采井网与准自然能量开发 闭构造，储层油气水界面不明晰，开发过程中多相流 对比试验表明，七点井网3~6月后见水比例达到 动效应明显.基于以上认识，忽略其他影响程度较 50%,五点井网一年后见水比例达48%. 低的因素，抽提出以下4方面内容作为基础科学研 尽管由于注水开发的高风险性，目前国内注水 究问题，是今后进行深层次研究的重点.其最终的 驱动的生产试验较少，但是基于注水、注气的地层能 进步与解决，不仅仅需要石油工作者的努力，更需要
工程科学学报,第 41 卷,第 9 期 平井体积压裂的衰竭式开发、注水驱动开发、以及衰 竭式开发后期注水吞吐开发是国内常见的三种开发 模式,因此有必要针对以上开发模式各自的特点进 行相应分析,明晰其优缺点并提出未来优化方向. 2郾 1 衰竭式开发 尽管在低渗鄄鄄 超低渗油藏的开发经验中,基于 超前注水的有效压力系统建立是其成功的主要因 素. 但是目前衰竭式开发依然是致密油开发的主要 模式,这主要是基于以下考虑. 首先致密油开发需 采用水平井多段多簇压裂的开发模式,水平井井距 一般为半缝长的两倍,且致密油藏普遍发育的天然 裂缝的存在更易于形成体积缝网,水平井网的控制 面积较高. 其次是在水平井大规模压裂中,目前一 般遵循“大排量、大液量、低砂比冶的模式,返排液量 与入地液量之比较低. 根据长庆西 233 致密油井区 的统计结果表明,10 口压裂水平井中,平均单段入 地液量为 1100 m 3 . YP1 井与 YP2 井平均反排液量 为 3786 m 3 ,平均返排率为 48郾 6% [13] . 压裂后大量 的压裂液滞留在了地层中,起到了一定的能量补充的 作用. 最后是采用注水驱替容易发生水窜,直接导致 水平油井的水淹,对油井的经济效益有较大的风险. 但从目前衰竭式开发的开发效果来看,依然存 在着第 1 年采油速度较高,但 1 a 后产液量、产油量 递减快,地层能量不足的缺点,大量的剩余油还未能 被有效采出,预测衰竭式开发采收率仅能达到 5% 左右. 目前重复压裂是一种施工相对简单的接替技 术,通过重复转向改造,希望既拓宽原裂缝,又形成 新的缝网系统,实现二次采油[14] . 但是,该种方法 地层能量补充有限,增产效果有待进一步矿场试验. 因此,后续地层能量的补充是衰竭式开发致密油的 主要瓶颈. 2郾 2 注水吞吐开发 为避免致密油开发过程中地层能量消耗过快的 问题,进行地层能量补充是必不可少的开发方式,目 前的工艺中,一般通过注水或者注气进行地层能量 补充. 但在致密油注水驱动的开发经验中,吸水剖 面测试和示踪剂监测结果表明,随着累计注入水量 的增加,注入水沿开启的天然裂缝快速推进,易于形 成高渗透条带,导致对应的采油井水淹,致密油体积 压裂水平井注水开发见水风险大. 长庆油田在安 83 区块开展的七点、五点注采井网与准自然能量开发 对比试验表明,七点井网 3 ~ 6 月后见水比例达到 50% ,五点井网一年后见水比例达 48% . 尽管由于注水开发的高风险性,目前国内注水 驱动的生产试验较少,但是基于注水、注气的地层能 量补充方式仍然是不可忽视的技术手段,尤其是我 国致密油藏普遍压力系数不高,鄂尔多斯盆地三叠 系延长组长 7 油层又是典型的低压油藏. 因此在避 免增能介质窜流的前提下,应当进行更多的基于该 种模式的研究. 对致密油藏 CO2驱的室内实验以及 数值模拟研究表明,CO2 在致密油藏具有较低的混 相压力,对于致密油藏有着更好的开发效果. 今后 的研究方向应注重于以下两个方面,首先是国外已 广泛研究的空气泡沫驱、CO2 驱也不失为可行的研 究方法[15鄄鄄16] . 其次,合理的驱动井网部署方式可以 尽可能的发挥驱动作用而避免窜流的发生,也是值 得研究的重点方向. 2郾 3 注水吞吐开发 针对衰竭式开发地层压力下降过快,自然产能 递减大的缺陷,基于裂缝性低渗透油田的注水吞吐 机理研究及开发经验[17] ,吐哈油田马中 56、长庆油 田安 83 区块长 7、大庆油田致密油藏均进行了注水 吞吐开发试验[18鄄鄄19] ,现场数据表明:三塘湖盆地开 展先导试验的 7 口井,平均单井日增油 10郾 3 t,平均 单井累积增油 805 t. 水平井体积缝网的产生,通过 注水吞吐可实现地层能量补充,重力分异油水置换 以及渗吸采油以达到提高采收率的目的. 注水吞吐采出的油量与周期注入量、注入速度、 注入压力、焖井时间、岩石润湿性等紧密相关,实验 证明不同润湿性油藏实施注水吞吐采油均有效,油 藏岩石亲水性越强,越有利于实施注水吞吐采油. 但是由于毛管力作用范围较小,渗吸速度较慢,注水 吞吐的提高提高采收率程度有限. 微生物在地下培 养繁殖可以产生表面活性剂,以此降低油水界面张 力,具有更好的提高采收率潜力,可以作为今后研究 的重点方向[20] . 3 致密油开发面临的主要科学问题 目前我国致密油藏产量较低,相较于储层条件 较为接近的低渗鄄鄄 特低渗透油藏,其不同之处正是 影响致密油藏开发的关键因素. 首先是致密油藏孔 喉半径进一步缩小,纳米喉道分布更为广泛,微尺度 流动效应更为突出;其次天然裂缝的存在以及水平 井人工裂缝形成了复杂的多尺度、多物理场流动现 象;最后由于致密油藏靠近烃源岩,不具有明显的圈 闭构造,储层油气水界面不明晰,开发过程中多相流 动效应明显. 基于以上认识,忽略其他影响程度较 低的因素,抽提出以下 4 方面内容作为基础科学研 究问题,是今后进行深层次研究的重点. 其最终的 进步与解决,不仅仅需要石油工作者的努力,更需要 ·1106·
朱维耀等：中国致密油藏开发理论研究进展 ·1107. 全社会相关行业科学工作者的集体智慧 具有了典型的三相流动特征.三相流体在致密基质 3.1流体多尺度流动机理 以及多尺度流动通道中的流动无疑是一个综合影响 致密油储存主体流动空间为微纳米尺度下的孔 模型 喉系统，微纳米尺度的孔喉形态及连通性等影响着 一方面气体的溶解与析出使流动存在变化的流 储层物性、流体的分布和运移状态，表现出强“微尺 动相：另一方面，由于流体对固体介质的润湿特性， 度效应”.油气流动过程中多孔介质固体骨架对流 各相之间也存在着相互驱动作用，极大的复杂了多 动的影响愈发明显，固体壁面边界层占据孔喉比例 相流动规律.因此，多相流体流动机理也是致密油 增大.关于微尺度流动机理，目前在物理、化学、力 开发过程中区别于常规油藏所要重点考虑的问题. 学、生物、材料等领域进行了广泛探索，但是在油气 3.4多级压裂水平井非线性渗流规律 田开发领域，由于多孔结构难以进行数学描述以及 体积压裂工艺中，裂缝的形成机理、缝网形态、 非均质特性，常规基于规则流动通道的微尺度流动 应力控制、体积压裂产能优化与控制是主要的研究 模型难以应用.同时在多孔介质领域常用的在统计 方向.涉及多级压裂水平井的非线性渗流规律是以 意义上合理的忽略壁面影响的达西定律及其修正模 上多相流体在多尺度流动通道内的多场强耦合问 型也不再适用.因此，急需发展新的理论来描述纳 题.以上因素的耦合作用机理以及数学表征及其所 米尺度多孔介质气液流动机理. 带来的求解上的困难，将成指数倍于单因素产生的 致密油藏开发过程中，储层本身发育的天然微 影响. 裂缝以及由于基质孔喉直径过小所必须引入的人工 4致密油藏开发多尺度流动规律研究进展 裂缝，就形成了典型的3种规模尺度的流体流动通 道.这三种典型流动通道中，纳微米喉道的尺寸在 致密油藏在不同的开发方式下所面临的不同类 50nm~1m范围内，天然微裂缝介于几十到几百 型的多尺度流动问题是亟待解决的科学问题.根据 m,人工裂缝开度通常可以达到mm级.基质与裂 现场开发实践和室内岩心实验，启动压力梯度现象 缝流动半径差异明显，导致渗透率差异巨大.流体 和应力敏感特征是低渗-特低渗、致密油藏在开发 在多尺度通道中流动，经典的通过窜流方程建立的 过程中区别于常规油藏的主要差异.在油藏开发过 多重介质渗流模型在面对微纳米孔喉基质时是否依 程中，由于以上现象的存在，导致油气流动渗流阻力 然适用，仍值得进一步研究.在此基础上，是进一步 增大，单井产量低，递减速度加快，稳产难度增大 修正多重介质模型还是发展新的耦合理论，是多尺 致密油藏渗透率更低，孔喉直径更为细小，启动压力 度流动的核心科学问题 梯度与应力敏感的影响更为突出. 3.2流体多场流动耦合机理 启动压力梯度受原油黏度、有效围压和岩石润 流体在多孔介质中流动受到不断变化得多孔介 湿性的影响.在相似孔隙结构的储层中，渗透率一 质形态以及温度等因素的影响，而流体流动又会反 定的情况下，原油黏度越高，岩心测得的启动压力梯 过来影响这些因素，体现为强耦合作用.但是常规 度就越大.岩石受到的上覆压力增大，会使岩石颗 开发过程中，地层温度场变化很小，故在致密油开发 粒间胶结物受挤压缩，孔隙体积和喉道半径减小，岩 中，温度场的影响通常可以忽略.但是在涉及到特 石颗粒受压发生弹性形变，表现为流动能力的应力 殊工艺比如C0,注入导致的流体相变，或者有些致 敏感特性.岩石孔隙的减小将增加渗流流体中边界 密油藏为深层油藏，油藏温度过高，温度的影响就 流体的比重，边界层流体黏度增大，从而使启动压力 不能再被忽略.同时，应力场变化导致多孔介质的 梯度增大，体现出地层中流动的非线性特征 变形将进一步增强微尺度效应的影响，进而影响 4.1纳微米孔道流动规律 产量.目前需要在多孔介质损伤演化，裂缝扩展， 致密油藏纳微米尺度孔道流体流动规律主要体 渗流-应力-介质变形相互作用规律等方面，进行 现在边界层对流体运动的影响，目前还难以通过微 更多的研究 观流动实验直接模拟纳米层面流体运动规律，微圆 3.3多相流体流动机理 管直径均在微米级[21-22].李洋等[23]通过熔融石英 致密油藏主要赋存有油水两相，同时在压裂过 毛细微圆管实验进行了2.5~10m尺度的去离子 程中，大量压裂液被注入地层中，具有明显的两相流 水流动实验，以此分析流体平均流速与压力梯度的 特征.同时，由于衰竭式开发模式的普遍使用，地层 关系，压力梯度对流体边界层的影响.李战华等[2] 流体压力降低至泡点压力以下时，形成溶解气驱，又 进行了25μm石英圆管中四氯化碳、乙基苯及环己
朱维耀等: 中国致密油藏开发理论研究进展 全社会相关行业科学工作者的集体智慧. 3郾 1 流体多尺度流动机理 致密油储存主体流动空间为微纳米尺度下的孔 喉系统,微纳米尺度的孔喉形态及连通性等影响着 储层物性、流体的分布和运移状态,表现出强“微尺 度效应冶. 油气流动过程中多孔介质固体骨架对流 动的影响愈发明显,固体壁面边界层占据孔喉比例 增大. 关于微尺度流动机理,目前在物理、化学、力 学、生物、材料等领域进行了广泛探索,但是在油气 田开发领域,由于多孔结构难以进行数学描述以及 非均质特性,常规基于规则流动通道的微尺度流动 模型难以应用. 同时在多孔介质领域常用的在统计 意义上合理的忽略壁面影响的达西定律及其修正模 型也不再适用. 因此,急需发展新的理论来描述纳 米尺度多孔介质气液流动机理. 致密油藏开发过程中,储层本身发育的天然微 裂缝以及由于基质孔喉直径过小所必须引入的人工 裂缝,就形成了典型的 3 种规模尺度的流体流动通 道. 这三种典型流动通道中,纳微米喉道的尺寸在 50 nm ~ 1 滋m 范围内,天然微裂缝介于几十到几百 滋m,人工裂缝开度通常可以达到 mm 级. 基质与裂 缝流动半径差异明显,导致渗透率差异巨大. 流体 在多尺度通道中流动,经典的通过窜流方程建立的 多重介质渗流模型在面对微纳米孔喉基质时是否依 然适用,仍值得进一步研究. 在此基础上,是进一步 修正多重介质模型还是发展新的耦合理论,是多尺 度流动的核心科学问题. 3郾 2 流体多场流动耦合机理 流体在多孔介质中流动受到不断变化得多孔介 质形态以及温度等因素的影响,而流体流动又会反 过来影响这些因素,体现为强耦合作用. 但是常规 开发过程中,地层温度场变化很小,故在致密油开发 中,温度场的影响通常可以忽略. 但是在涉及到特 殊工艺比如 CO2注入导致的流体相变,或者有些致 密油藏为深层油藏,油藏温度过高,温度的影响就 不能再被忽略. 同时,应力场变化导致多孔介质的 变形将进一步增强微尺度效应的影响,进而影响 产量. 目前需要在多孔介质损伤演化,裂缝扩展, 渗流鄄鄄应力鄄鄄介质变形相互作用规律等方面,进行 更多的研究. 3郾 3 多相流体流动机理 致密油藏主要赋存有油水两相,同时在压裂过 程中,大量压裂液被注入地层中,具有明显的两相流 特征. 同时,由于衰竭式开发模式的普遍使用,地层 流体压力降低至泡点压力以下时,形成溶解气驱,又 具有了典型的三相流动特征. 三相流体在致密基质 以及多尺度流动通道中的流动无疑是一个综合影响 模型. 一方面气体的溶解与析出使流动存在变化的流 动相;另一方面,由于流体对固体介质的润湿特性, 各相之间也存在着相互驱动作用,极大的复杂了多 相流动规律. 因此,多相流体流动机理也是致密油 开发过程中区别于常规油藏所要重点考虑的问题. 3郾 4 多级压裂水平井非线性渗流规律 体积压裂工艺中,裂缝的形成机理、缝网形态、 应力控制、体积压裂产能优化与控制是主要的研究 方向. 涉及多级压裂水平井的非线性渗流规律是以 上多相流体在多尺度流动通道内的多场强耦合问 题. 以上因素的耦合作用机理以及数学表征及其所 带来的求解上的困难,将成指数倍于单因素产生的 影响. 4 致密油藏开发多尺度流动规律研究进展 致密油藏在不同的开发方式下所面临的不同类 型的多尺度流动问题是亟待解决的科学问题. 根据 现场开发实践和室内岩心实验,启动压力梯度现象 和应力敏感特征是低渗鄄鄄 特低渗、致密油藏在开发 过程中区别于常规油藏的主要差异. 在油藏开发过 程中,由于以上现象的存在,导致油气流动渗流阻力 增大,单井产量低,递减速度加快,稳产难度增大. 致密油藏渗透率更低,孔喉直径更为细小,启动压力 梯度与应力敏感的影响更为突出. 启动压力梯度受原油黏度、有效围压和岩石润 湿性的影响. 在相似孔隙结构的储层中,渗透率一 定的情况下,原油黏度越高,岩心测得的启动压力梯 度就越大. 岩石受到的上覆压力增大,会使岩石颗 粒间胶结物受挤压缩,孔隙体积和喉道半径减小,岩 石颗粒受压发生弹性形变,表现为流动能力的应力 敏感特性. 岩石孔隙的减小将增加渗流流体中边界 流体的比重,边界层流体黏度增大,从而使启动压力 梯度增大,体现出地层中流动的非线性特征. 4郾 1 纳微米孔道流动规律 致密油藏纳微米尺度孔道流体流动规律主要体 现在边界层对流体运动的影响,目前还难以通过微 观流动实验直接模拟纳米层面流体运动规律,微圆 管直径均在微米级[21鄄鄄22] . 李洋等[23] 通过熔融石英 毛细微圆管实验进行了 2郾 5 ~ 10 滋m 尺度的去离子 水流动实验,以此分析流体平均流速与压力梯度的 关系,压力梯度对流体边界层的影响. 李战华等[24] 进行了 25 滋m 石英圆管中四氯化碳、乙基苯及环己 ·1107·
·1108. 工程科学学报，第41卷，第9期 烷等分子结构尺度为1m的非极性液体的流动实 响产量计算的精度与施工方案的实施 验.笔者团队[2s-2]曾采用管径5~20m的微圆管， 4.2流固耦合作用机理 以去离子水、煤油以及磁性介质为流动介质，研究了 应力敏感现象在生产实际中主要体现为随着油 微圆管中流体的微观流动规律.以上微观流动实验 气资源开发，孔隙中流体压力变化导致的岩石渗透 均表明，微纳米圆管流动存在流速与压力梯度的非 性能的变化.基于实验室条件的可操控性，目前关 线性关系，主要原因是由于尺度下降，压力作用下 于应力敏感的研究主要基于变闹压实验，得到不同 降，分子间力（即固体表面对流体分子的作用力）作 有效应力条件下的渗透率变化关系[6~).最新的 用上升，边界层占孔道比例上升”-2】 石油行业标准《SY/T5358一2010储层敏感性流动 石油工作者通过大量实验观测，提出以宏观启 实验评价方法》增加了定内压（孔隙压力）的实验方 动压力梯度以及拟启动压力梯度来表示油气储层中 法，该方法在机理上更加符合实际生产过程[0].结 纳微米孔道边界层对渗流结果的影响规律，岩心渗 合有效应力方程计算应力敏感程度，以此评价储集 流实验结果是岩心中流体流动的统计平均，反映了 层应力敏感性.徐新丽]研究裂缝岩心应力敏感 岩心孔隙结构，岩石矿物组成及表面性质、流体性质 性，研究表明微裂缝岩心的应力敏感程度很弱，渗透 等综合因素的宏观结果.启动压力梯度体现了多孔 率变化率低于30%，敏感曲线分为2个阶段：第I 介质中只有在超过某个起始的压力梯度时才发生液 阶段渗透率下降幅度超过20%，主要是以发生微裂 体渗流的现象[29).目前启动压力梯度实验方法 缝受压闭合的拟塑性变形为主：第Ⅱ阶段渗透率下 可以分为稳态测试法以及非稳态测试法.陈明强等 降幅度低于10%，该阶段主要以岩石骨架颗粒本体 选取鄂尔多斯盆地长7油藏7个不同渗透率等级的 被压缩的弹性形变为主，实际储层的净应力多处于 岩心，郝斐等对用模拟油、注入水等四种介质对我国 该阶段：杨孝等]利用铸体薄片、恒压和恒速压汞、 119块典型特低渗透岩心进行了驱替实验[31].目 场发射扫描电镜、微米CT成像等测试手段，表明塑 前岩心实验所测结果数值偏差很大，而且与现场实 性组分含量、填隙物类型及其含量、孔喉尺度是长7 践有明显偏差，分析认为一方面是由于实验方法存 致密油储层应力敏感性不同的主要控制因素 在一定程度的缺陷，另一方面是由于岩心尺度有限， 于俊红等通过改进的巴西劈裂方法对岩心进行 无法考虑天然储层宏观上的非均质性.基于传统的 人工造缝（图1(a))[),利用单轴试验机缓慢对其 稳态与非稳态岩心测试方法，笔者改进设计了“非 施加载荷，可以在不破坏岩心整体构型的情况下，得 稳态驱替-瞬间动用法”进行了吐哈油田岩心的最 到人造微裂缝.笔者依靠此方法进行致密油岩心人 小启动压力梯度、拟启动压力梯度以及两相启动压 工造缝，经压裂后岩心的渗透率可达18~109mD. 力梯度的室内研究，所测结果更加符合实际].同 对致密岩心37#、40#分别在微裂缝改造前后分别进 时笔者团队还对围压控制模式、注入流体方式、岩石 行应力敏感性测试，使用不同有效应力条件下的渗 物性特性等参数对启动压力梯度的影响进行了研 透率K与初始渗透率K比值来表示应力敏感程度， 究，提出了合理的实验标准[4] 图1(b)、图1(c)分别为致密岩心与带微裂缝致密 微观圆管以及宏观渗流实验结果综合表明，流 岩心应力敏感测试结果，结果表明带裂缝岩心相较 体在纳微米尺度通道流动存在非线性特征，拟启动 与基质岩心具有更强的应力敏感性，其平均应力敏 压力梯度是微观流动边界层影响在宏观岩心实验中 感指数为98.7% 的综合反映，尤其是烃类等极性大分子在流动中表 大量实验均证实了应力敏感作用对油气开发产 现为更强的非线性特征.而启动压力梯度则仅仅在 量的影响，尤其是基质渗透率较低，天然裂缝大量发 宏观测试中发现，微尺度实验由于在长度尺度上的 育作为油藏渗透率主要贡献者，开发过程中应力敏 限制，并不能严格意义上证明该现象的存在.目前 感的影响因素更为明显.目前实验上对于应力敏感 微纳米尺度分子自由程定义不清楚，如何确定液体 的基本规律认识已较为统一，但是目前针对应力敏 分子的特征尺度，如何找到类似努森数的无量纲参 感实验结果存在着不同类型的评价方法，包括幂律 数将液体流动的宏观特征尺度与微观特征尺度相联 模型、指数模型、二项式模型以及对数模型等[4~45) 系，仍然是微尺度流动理论需要解决的问题.另外， 在数值模拟过程中应用不同的应力敏感数学模型将 在致密油开发过程中，将启动压力梯度加入特征体 对数值计算结果产生明显的影响.因此，从物理基 积单元的做法忽视了油藏非均质性的影响，造成实 本规律出发的应力敏感评价方法是亟待解决的 验室与矿场所测启动压力梯度的不一致性，严重影 问题
工程科学学报,第 41 卷,第 9 期 烷等分子结构尺度为 1 nm 的非极性液体的流动实 验. 笔者团队[25鄄鄄26]曾采用管径 5 ~ 20 滋m 的微圆管, 以去离子水、煤油以及磁性介质为流动介质,研究了 微圆管中流体的微观流动规律. 以上微观流动实验 均表明,微纳米圆管流动存在流速与压力梯度的非 线性关系,主要原因是由于尺度下降,压力作用下 降,分子间力(即固体表面对流体分子的作用力)作 用上升,边界层占孔道比例上升[27鄄鄄28] . 石油工作者通过大量实验观测,提出以宏观启 动压力梯度以及拟启动压力梯度来表示油气储层中 纳微米孔道边界层对渗流结果的影响规律,岩心渗 流实验结果是岩心中流体流动的统计平均,反映了 岩心孔隙结构,岩石矿物组成及表面性质、流体性质 等综合因素的宏观结果. 启动压力梯度体现了多孔 介质中只有在超过某个起始的压力梯度时才发生液 体渗流的现象[29鄄鄄30] . 目前启动压力梯度实验方法 可以分为稳态测试法以及非稳态测试法. 陈明强等 选取鄂尔多斯盆地长 7 油藏 7 个不同渗透率等级的 岩心,郝斐等对用模拟油、注入水等四种介质对我国 119 块典型特低渗透岩心进行了驱替实验[31鄄鄄32] . 目 前岩心实验所测结果数值偏差很大,而且与现场实 践有明显偏差,分析认为一方面是由于实验方法存 在一定程度的缺陷,另一方面是由于岩心尺度有限, 无法考虑天然储层宏观上的非均质性. 基于传统的 稳态与非稳态岩心测试方法,笔者改进设计了“非 稳态驱替鄄鄄瞬间动用法冶进行了吐哈油田岩心的最 小启动压力梯度、拟启动压力梯度以及两相启动压 力梯度的室内研究,所测结果更加符合实际[33] . 同 时笔者团队还对围压控制模式、注入流体方式、岩石 物性特性等参数对启动压力梯度的影响进行了研 究,提出了合理的实验标准[34鄄鄄35] . 微观圆管以及宏观渗流实验结果综合表明,流 体在纳微米尺度通道流动存在非线性特征,拟启动 压力梯度是微观流动边界层影响在宏观岩心实验中 的综合反映,尤其是烃类等极性大分子在流动中表 现为更强的非线性特征. 而启动压力梯度则仅仅在 宏观测试中发现,微尺度实验由于在长度尺度上的 限制,并不能严格意义上证明该现象的存在. 目前 微纳米尺度分子自由程定义不清楚,如何确定液体 分子的特征尺度,如何找到类似努森数的无量纲参 数将液体流动的宏观特征尺度与微观特征尺度相联 系,仍然是微尺度流动理论需要解决的问题. 另外, 在致密油开发过程中,将启动压力梯度加入特征体 积单元的做法忽视了油藏非均质性的影响,造成实 验室与矿场所测启动压力梯度的不一致性,严重影 响产量计算的精度与施工方案的实施. 4郾 2 流固耦合作用机理 应力敏感现象在生产实际中主要体现为随着油 气资源开发,孔隙中流体压力变化导致的岩石渗透 性能的变化. 基于实验室条件的可操控性,目前关 于应力敏感的研究主要基于变围压实验,得到不同 有效应力条件下的渗透率变化关系[36鄄鄄39] . 最新的 石油行业标准《SY/ T 5358 ― 2010 储层敏感性流动 实验评价方法》增加了定内压(孔隙压力)的实验方 法,该方法在机理上更加符合实际生产过程[40] . 结 合有效应力方程计算应力敏感程度,以此评价储集 层应力敏感性. 徐新丽[41] 研究裂缝岩心应力敏感 性,研究表明微裂缝岩心的应力敏感程度很弱,渗透 率变化率低于 30% ,敏感曲线分为 2 个阶段:第玉 阶段渗透率下降幅度超过 20% ,主要是以发生微裂 缝受压闭合的拟塑性变形为主;第域阶段渗透率下 降幅度低于 10% ,该阶段主要以岩石骨架颗粒本体 被压缩的弹性形变为主,实际储层的净应力多处于 该阶段;杨孝等[42]利用铸体薄片、恒压和恒速压汞、 场发射扫描电镜、微米 CT 成像等测试手段,表明塑 性组分含量、填隙物类型及其含量、孔喉尺度是长 7 致密油储层应力敏感性不同的主要控制因素. 于俊红等通过改进的巴西劈裂方法对岩心进行 人工造缝(图 1(a)) [43] ,利用单轴试验机缓慢对其 施加载荷,可以在不破坏岩心整体构型的情况下,得 到人造微裂缝. 笔者依靠此方法进行致密油岩心人 工造缝,经压裂后岩心的渗透率可达 18 ~ 109 mD. 对致密岩心 37#、40#分别在微裂缝改造前后分别进 行应力敏感性测试,使用不同有效应力条件下的渗 透率 K 与初始渗透率 Ki比值来表示应力敏感程度, 图 1(b)、图 1(c)分别为致密岩心与带微裂缝致密 岩心应力敏感测试结果,结果表明带裂缝岩心相较 与基质岩心具有更强的应力敏感性,其平均应力敏 感指数为 98郾 7% . 大量实验均证实了应力敏感作用对油气开发产 量的影响,尤其是基质渗透率较低,天然裂缝大量发 育作为油藏渗透率主要贡献者,开发过程中应力敏 感的影响因素更为明显. 目前实验上对于应力敏感 的基本规律认识已较为统一,但是目前针对应力敏 感实验结果存在着不同类型的评价方法,包括幂律 模型、指数模型、二项式模型以及对数模型等[44鄄鄄45] . 在数值模拟过程中应用不同的应力敏感数学模型将 对数值计算结果产生明显的影响. 因此,从物理基 本规律出发的应力敏感评价方法是亟待解决的 问题. ·1108·
朱维耀等：中国致密油藏开发理论研究进展 ·1109· (a 1.0 +岩心37# +岩心37# 0.8 +岩心40# 0.8 +岩心40# 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 5 10 15 20 25 10 15 20 25 有效应力MPa 有效应力/MPa 图1新型应力敏感方法及测试结果.(a)改进巴西劈裂实验：(b)致密岩心应力敏感：(c)含微裂缝致密岩心应力敏感 Fig.I A novel experimental method for determining stress sensitivity:(a)improved Brazilian splitting test;(b)stress sensitivity of tight core;(c) stress sensitivity of tight core with microfractures 4.3致密储层油水两相渗吸机理 注水吞吐过程中加入表活剂在一定程度上也有利于 油田开发过程中由于毛管力及重力引发的油水 采收率的提高[ss6 两相自发渗吸现象，最早起源于底水油藏和裂缝性 目前，渗吸采油机理实验主要集中在小尺度岩 油藏开发的研究中[46~47】，后来在低渗-特低渗油藏 心，主要研究采收率宏观相关影响因素[7-s8],为成 开发过程中注水吞吐作为一种地层能量补充方式与 功指导现场施工提供了有利依据[9-60).但是由于 提高采收率技术，导致了渗吸现象在石油天然气行 实验设备的限制，定量研究渗吸强度与流体运动规 业的持续研究.所谓自发渗吸是多孔介质在毛细管 律的研究较少 力驱动下自发地吸入某种润湿液体的过程，在石油 5致密油藏多级压裂水平井开发非线性渗 工程、土木工程、建筑材料、工程地质等方面皆有广 泛的研究.笔者[4】利用常规室内渗吸实验和先进 流模型 的核磁共振技术，系统地研究了低渗透裂缝性砂岩 围绕水平井井筒及多段多簇压裂裂缝的渗流理 油藏中以上各种因素对渗吸的影响程度.结果表 论是目前致密油藏开发过程中最为关心的理论方向 明，渗吸速度与基质-裂缝接触面的位置、基质-裂 之一，而且由于多尺度流动介质以及多场耦合关系， 缝系统流体特性参数、润湿性、老化时间有关.动态 所需建立的渗流数学模型表现为强非线性.正确的 渗吸结果则还与驱替速度，油水黏度比、界面张力等 产能模型将为井网模式设计（包括井距、段数段间 有关[49].DuPrey[s],Li和Hornetst1认为渗吸采收程 距、簇数簇间距等)，压裂工艺优化（入地液量、加砂 度与毛管力与重力的比值(Bond数)有关，因此驱替 比、排量、注入流程等)等提供有力的支撑以便实现 介质界面张力存在临界值使得自发渗吸采出程度最 最大的开发经济效益.目前围绕多级压裂水平产能 高.屈雪峰等[2]基于长7致密油藏的静态渗吸实 模型开展了大量的研究，包括低渗-特低渗油气藏， 验也得出了相同的结论，并得出最佳渗吸采收率时 页岩油气等非常规油气藏领域.正确的模型必须合 的Bond数倒数值约为1. 理考虑油藏地质条件及工艺措施，为关键物理机制 在致密油藏开发过程中，致密油自发渗吸提高 提供合理的数学描述.前面已经提到，致密油藏多 采收率的效果受到多种工艺参数及地质条件的影 级压裂水平井开发中，基质启动压力梯度、油水两相 响.静态渗吸实验表明，基质渗透率越高，渗吸采出 渗吸以及应力敏感效应是关键影响因素，国内外研 程度越高，而岩心渗透率越高，一般孔隙半径越大， 究者逐步建立了完善的考虑以上3种因素的产能方 毛管压力越小，渗吸驱动力越弱.根据孔隙结构分 程.苏玉亮等[6们通过引入基质与裂缝间的毛管力 析，这主要是由于高渗岩心孔喉连通性较强，扩大了 来修正窜流项以表征渗吸作用.魏漪等[62]、郝明强 渗吸范围].同时核磁共振研究表明，在特定压力 等[6]都针对致密储层基质，通过考虑启动压力梯度 下，渗吸作用具有最小孔喉半径，小于该半径的孔隙 和应力敏感效应的广义达西定律推导得到了压裂水 内的原油无法被渗吸采出.在致密油开发过程中， 平井产能计算方法 逆向渗吸为主要作用，王向阳等[]认为逆向渗吸采 而在另一方面，体积压裂所形成的复杂裂缝网 油效果很弱，且渗透率越低，逆向渗吸置换效果越 络结构特征的描述与表征的数学描述一直是影响产 差.基于表活剂在降低油水界面张力方面的作用， 能模型精度的制约因素，流体在不同尺度的流动通
朱维耀等: 中国致密油藏开发理论研究进展 图 1 新型应力敏感方法及测试结果. (a)改进巴西劈裂实验;(b)致密岩心应力敏感;(c)含微裂缝致密岩心应力敏感 Fig. 1 A novel experimental method for determining stress sensitivity: (a) improved Brazilian splitting test; (b) stress sensitivity of tight core; (c) stress sensitivity of tight core with microfractures 4郾 3 致密储层油水两相渗吸机理 油田开发过程中由于毛管力及重力引发的油水 两相自发渗吸现象,最早起源于底水油藏和裂缝性 油藏开发的研究中[46鄄鄄47] ,后来在低渗鄄鄄 特低渗油藏 开发过程中注水吞吐作为一种地层能量补充方式与 提高采收率技术,导致了渗吸现象在石油天然气行 业的持续研究. 所谓自发渗吸是多孔介质在毛细管 力驱动下自发地吸入某种润湿液体的过程,在石油 工程、土木工程、建筑材料、工程地质等方面皆有广 泛的研究. 笔者[48] 利用常规室内渗吸实验和先进 的核磁共振技术,系统地研究了低渗透裂缝性砂岩 油藏中以上各种因素对渗吸的影响程度. 结果表 明,渗吸速度与基质鄄鄄 裂缝接触面的位置、基质鄄鄄 裂 缝系统流体特性参数、润湿性、老化时间有关. 动态 渗吸结果则还与驱替速度,油水黏度比、界面张力等 有关[49] . DuPrey [50] ,Li 和 Horne [51]认为渗吸采收程 度与毛管力与重力的比值(Bond 数)有关,因此驱替 介质界面张力存在临界值使得自发渗吸采出程度最 高. 屈雪峰等[52] 基于长 7 致密油藏的静态渗吸实 验也得出了相同的结论,并得出最佳渗吸采收率时 的 Bond 数倒数值约为 1. 在致密油藏开发过程中,致密油自发渗吸提高 采收率的效果受到多种工艺参数及地质条件的影 响. 静态渗吸实验表明,基质渗透率越高,渗吸采出 程度越高,而岩心渗透率越高,一般孔隙半径越大, 毛管压力越小,渗吸驱动力越弱. 根据孔隙结构分 析,这主要是由于高渗岩心孔喉连通性较强,扩大了 渗吸范围[53] . 同时核磁共振研究表明,在特定压力 下,渗吸作用具有最小孔喉半径,小于该半径的孔隙 内的原油无法被渗吸采出. 在致密油开发过程中, 逆向渗吸为主要作用,王向阳等[54] 认为逆向渗吸采 油效果很弱,且渗透率越低,逆向渗吸置换效果越 差. 基于表活剂在降低油水界面张力方面的作用, 注水吞吐过程中加入表活剂在一定程度上也有利于 采收率的提高[55鄄鄄56] . 目前,渗吸采油机理实验主要集中在小尺度岩 心,主要研究采收率宏观相关影响因素[57鄄鄄58] ,为成 功指导现场施工提供了有利依据[59鄄鄄60] . 但是由于 实验设备的限制,定量研究渗吸强度与流体运动规 律的研究较少. 5 致密油藏多级压裂水平井开发非线性渗 流模型 围绕水平井井筒及多段多簇压裂裂缝的渗流理 论是目前致密油藏开发过程中最为关心的理论方向 之一,而且由于多尺度流动介质以及多场耦合关系, 所需建立的渗流数学模型表现为强非线性. 正确的 产能模型将为井网模式设计(包括井距、段数段间 距、簇数簇间距等),压裂工艺优化(入地液量、加砂 比、排量、注入流程等)等提供有力的支撑以便实现 最大的开发经济效益. 目前围绕多级压裂水平产能 模型开展了大量的研究,包括低渗鄄鄄特低渗油气藏, 页岩油气等非常规油气藏领域. 正确的模型必须合 理考虑油藏地质条件及工艺措施,为关键物理机制 提供合理的数学描述. 前面已经提到,致密油藏多 级压裂水平井开发中,基质启动压力梯度、油水两相 渗吸以及应力敏感效应是关键影响因素,国内外研 究者逐步建立了完善的考虑以上 3 种因素的产能方 程. 苏玉亮等[61] 通过引入基质与裂缝间的毛管力 来修正窜流项以表征渗吸作用. 魏漪等[62] 、郝明强 等[63]都针对致密储层基质,通过考虑启动压力梯度 和应力敏感效应的广义达西定律推导得到了压裂水 平井产能计算方法. 而在另一方面,体积压裂所形成的复杂裂缝网 络结构特征的描述与表征的数学描述一直是影响产 能模型精度的制约因素,流体在不同尺度的流动通 ·1109·
·1110 工程科学学报，第41卷，第9期 道存在不同的流动机制.为了简化求解难度，取得 条裂缝中间的储层被完全压裂，中间位置存在不 产能方程的解析公式，目前最为通用的方法是将 渗透边界，在不渗透边界与裂缝之间考虑为双重介 压裂后储层分区进行描述，根据流动通道的尺寸， 质的不稳定渗流的数学模型.笔者团队基于此种方 大致分为人工裂缝改造区域，裂缝与基质共存的 法，对低渗-特低渗以及致密油藏进行了大量的产 裂缝控制区，以及裂缝未能扩展波及到的基质流 能公式研究[6s-6).同时，笔者曾在此基础上提出三 动区.姚军等[64]建立了储层未改造区域存在启动 大区五小区的裂缝网络描述方法进行产能公式研 压力梯度时的压裂水平井试井数学模型，认为两 究，如图2所示 (a) Ⅱ-1主改造区 :Ⅱ-2次改造区 Ⅲ水平井筒 Ⅲ区基质区 动用区 :「-1未改造区未动用区 图2分区耦合模型.(a)传统三区流动模型：(b)三大区五小区模型 Fig.2 Coupled modeling of different zones:(a)traditional flow model of three zones;(b)flow model of three large zones,including five small zones 对于建立的致密油藏水平井体积压裂非线性渗 社会各学科领域的专家学者集思广益和石油行业工 流偏微分方程或积分方程分区模型，目前的求解难 作者的努力攻关.目前，针对以上所述的基本问题， 点在于裂缝控制区缝网形态数学描述以及进行解析 笔者建议从以下方面开展深化研究. 公式推导.推导过程需要对体积压裂的复杂缝网结 (1)致密油开发方法中，最为常用的多级压裂 构做理想化的处理，需要使用严格的数学公式对裂 水平井衰竭式开发方法目前面临着后续能量补充缺 缝形态进行描述，能够处理的裂缝形态均较为规则. 失，纳微米级孔喉基质有效动用困难，理论采收率较 近年来，更多的学者将分形几何学应用到石油天然 低的瓶颈.合理的地层能量补充方法以及致密储层 气工程领域，其中一个重要方向是地下缝网分布的 有效动用方式是亟需解决的两大根本难题.根据国 描述[-9].笔者曾基于树状分叉分形理论表征体 外开发经验及理论研究成果，空气泡沫驱、C0,驱可 积压裂复杂裂缝形态[]，但是目前存在着相关参数 作为未来发展方向进行进一步攻关 如变形系数、分形维数等获取困难的缺陷.总体来 (2)致密油藏开发中涉及多相流体在多尺度流 说，分形等新兴几何学等将为复杂缝网的描述提供 动介质中的流动，目前对于启动压力梯度、储层应力 强有力的理论支撑，是未来研究的重点方向 敏感以及油水渗吸在实验基础上的定性分析取得了 而在另一方面，现代数值计算方法的兴起和运 较为统一的认识.但是相应的定量研究以及理论基 算能力的飞速提升对通过数值方法精确求解产能提 础研究还存在明显的不足之处，尤其是如何合理可 供了更大的可能性0].数值计算方法可以处理 靠的进行以上机理的数学描述以提高数值计算的精 更为复杂的裂缝形态以及更多的流体相，而不必进 度，还需要进一步的深化研究 行严格的数学推导.客观上由于储层数据的获取困 (3)持续不断新型工艺技术的提出将会使多级 难以及生产数据的不精确性，导致地质模型的建立 压裂水平井开发致密油藏渗流模型具有更强的非线 存在相应的误差同时模型的精确度验证也存在困 性，需要流动规律理论建模上的持续研究，同时也提 难.主观上，目前整个石油天然气行业对于数值模 高了模型求解的难度.非均匀裂缝网络几何描述的 型计算精度要求的不严格也延缓着该方向的快速 困难极大的制约着理论解析产能公式的提出，分形 发展 等新兴几何学的应用以及新的微分、积分方程求解 方法是其未来发展方向.现代计算机运算能力的不 6结论与展望 断提升，导致数值计算是今后产能计算不可忽视的 致密油在未来中国油气开发中将占据越来越重 重要力量，但是需要注意数值计算求解准确度的分 要的地位，为实现致密油的大规模高效开发，需要全 析与验证等方面的研究
工程科学学报,第 41 卷,第 9 期 道存在不同的流动机制. 为了简化求解难度,取得 产能方程的解析公式, 目前最为通用的方法是将 压裂后储层分区进行描述, 根据流动通道的尺寸, 大致分为人工裂缝改造区域, 裂缝与基质共存的 裂缝控制区,以及裂缝未能扩展波及到的基质流 动区. 姚军等[64]建立了储层未改造区域存在启动 压力梯度时的压裂水平井试井数学模型,认为两 条裂缝中间的储层被完全压裂,中间位置存在不 渗透边界,在不渗透边界与裂缝之间考虑为双重介 质的不稳定渗流的数学模型. 笔者团队基于此种方 法,对低渗鄄鄄特低渗以及致密油藏进行了大量的产 能公式研究[65鄄鄄67] . 同时,笔者曾在此基础上提出三 大区五小区的裂缝网络描述方法进行产能公式研 究,如图 2 所示. 图 2 分区耦合模型. (a) 传统三区流动模型;(b)三大区五小区模型 Fig. 2 Coupled modeling of different zones: ( a) traditional flow model of three zones; ( b) flow model of three large zones, including five small zones 对于建立的致密油藏水平井体积压裂非线性渗 流偏微分方程或积分方程分区模型,目前的求解难 点在于裂缝控制区缝网形态数学描述以及进行解析 公式推导. 推导过程需要对体积压裂的复杂缝网结 构做理想化的处理,需要使用严格的数学公式对裂 缝形态进行描述,能够处理的裂缝形态均较为规则. 近年来,更多的学者将分形几何学应用到石油天然 气工程领域,其中一个重要方向是地下缝网分布的 描述[68鄄鄄69] . 笔者曾基于树状分叉分形理论表征体 积压裂复杂裂缝形态[66] ,但是目前存在着相关参数 如变形系数、分形维数等获取困难的缺陷. 总体来 说,分形等新兴几何学等将为复杂缝网的描述提供 强有力的理论支撑,是未来研究的重点方向. 而在另一方面,现代数值计算方法的兴起和运 算能力的飞速提升对通过数值方法精确求解产能提 供了更大的可能性[70鄄鄄71] . 数值计算方法可以处理 更为复杂的裂缝形态以及更多的流体相,而不必进 行严格的数学推导. 客观上由于储层数据的获取困 难以及生产数据的不精确性,导致地质模型的建立 存在相应的误差同时模型的精确度验证也存在困 难. 主观上,目前整个石油天然气行业对于数值模 型计算精度要求的不严格也延缓着该方向的快速 发展. 6 结论与展望 致密油在未来中国油气开发中将占据越来越重 要的地位,为实现致密油的大规模高效开发,需要全 社会各学科领域的专家学者集思广益和石油行业工 作者的努力攻关. 目前,针对以上所述的基本问题, 笔者建议从以下方面开展深化研究. (1)致密油开发方法中,最为常用的多级压裂 水平井衰竭式开发方法目前面临着后续能量补充缺 失,纳微米级孔喉基质有效动用困难,理论采收率较 低的瓶颈. 合理的地层能量补充方法以及致密储层 有效动用方式是亟需解决的两大根本难题. 根据国 外开发经验及理论研究成果,空气泡沫驱、CO2驱可 作为未来发展方向进行进一步攻关. (2)致密油藏开发中涉及多相流体在多尺度流 动介质中的流动,目前对于启动压力梯度、储层应力 敏感以及油水渗吸在实验基础上的定性分析取得了 较为统一的认识. 但是相应的定量研究以及理论基 础研究还存在明显的不足之处,尤其是如何合理可 靠的进行以上机理的数学描述以提高数值计算的精 度,还需要进一步的深化研究. (3)持续不断新型工艺技术的提出将会使多级 压裂水平井开发致密油藏渗流模型具有更强的非线 性,需要流动规律理论建模上的持续研究,同时也提 高了模型求解的难度. 非均匀裂缝网络几何描述的 困难极大的制约着理论解析产能公式的提出,分形 等新兴几何学的应用以及新的微分、积分方程求解 方法是其未来发展方向. 现代计算机运算能力的不 断提升,导致数值计算是今后产能计算不可忽视的 重要力量,但是需要注意数值计算求解准确度的分 析与验证等方面的研究. ·1110·
朱维耀等：中国致密油藏开发理论研究进展 ·1111· 参考文献 [12]Ren Y,Cao H,Yao F C,et al.Brittleness and fracability pre- [1]Tong X G,Zhang G Y,Wang Z M,et al.Distribution and poten- diction for tight oil reservoir in Jimsar Sag,Junggar Basin.Oil tial of global oil and gas resources.Petrol Explor Der,2018.45 Geophys Prosp,2018,53(3):511 (4):727 (任岩，曹宏，姚逢昌，等.吉木萨尔致密油储层脆性及可压 (童晓光，张光亚，王兆明，等.全球油气资源潜力与分布. 裂性预测.石油地球物理勘探，2018,53(3)：511) 石油勘探与开发，2018,45(4)：727) [13]Fan J M.Yang Z Q,Li W B,et al.Assessment of fracturing [2]BP Group.Statistical Reviee of World Energy 2018 [R/OL].ht- treatment of horizontal wells using SRV technique for Chang-7 tps://www.bp.com/en/global/corporate/energy-cconomics/sta- tight oil reservoir in Ordos Basin.J China Univ Petrol Ed Nat tistical-review-of-world-energy/downloads.html Sc,2015,39(4):103 [3]Zhang J F,Bi H B,Xu H,et al.New progress and reference sig- (樊建明，杨子清，李卫兵，等.鄂尔多斯盆地长7致密油水 nificance of overseas tight oil exploration and development.Acta 平井体积压裂开发效果评价及认识.中国石油大学学报：自 Petrol Sin,2015,36(2):127 然科学版，2015,39(4)：103) (张君峰，毕海滨，许浩，等.国外致密油勘探开发新进展及 [14]Guo JC.Tao L,Zeng F H.Optimization of refracturing timing 借鉴意义.石油学报，2015,36(2)：127) for horizontal wells in tight oil reservoirs:a case study of Creta- [4]Zou C N,Zhu R K,Bai B,et al.Significance,geologic charac- ceous Qingshankou Formation,Songliao Basin,NE China.Petrol teristies,resource potential and future challenges of tight oil and Explor Dev,2019,46(1):146 shale oil.Bull Mineral Petrol Geochem,2015,34(1):3 (郭建春，陶亮，曾凡辉.致密油储集层水平井重复压裂时 (邹才能，朱如凯，白斌，等.致密油与页岩油内涵、特征、潜 机优化一以松辽盆地白垩系青山口组为例.石油勘探与开 力及挑战.矿物岩石地球化学通报，2015,34(1)：3) 发.2019,46(1)：146) [5]Du J H,Liu H,Ma D S,et al.Discussion on effective develop- [15]Yassin M R,Habibi A,Zolfaghari A,et al.An experimental ment techniques for continental tight oil in China.Petrol Explor study of nonequilibrium carbon dioxide/oil interactions.SPE, Dem,2014,41(2):198 2018,23(5):1768 (杜金虎，刘合，马德胜，等.试论中国陆相致密油有效开发 [16]Dong P F,Puerto M,Jian G Q,et al.Low-IFT foaming system 技术.石油勘探与开发，2014,41(2)：198) for enhanced oil recovery in highly heterogeneous/fractured oil- [6]Hu S Y,Zhu R K,Wu S T,et al.The exploration and develop- wet carbonate reservoirs.SPE /2018,23(6):2243 ment of continental tight oil in China under the background of low [17]Huang D Z,Xiang D,Wang C S.A feasibility analysis of water- oil price.Petrol Explor Dev,2018,45(4):1 flood swallowing-spitting oil production.Drill Prod Technol, (胡素云，朱如凯，吴松涛，等.低油价背景下中国陆相致密 2003,26(4):17 油的效益脚探开发.石油勘探与开发，2018,45(4)：1) (黄大志，向丹，王成善.油田注水吞吐采油的可行性分析 [7]Zhu X M,Pan R,Zhu S F,et al.Research progress and core is- 钻采工艺，2003,26(4)：17) sues in tight reservoir exploration.Earth Sci Front,2018,25(2): [18]Tao D H,Zhan X H.Gao J W,et al.Study and practice of cy- 141 clic water injection in Mazhong tight oil reservoir in the Santanghu (朱筱敏，潘荣，朱世发，等.致密储层研究进展和热点问题 Basin.Oil Drill Prod Technol,2018,40(5):614 分析.地学前缘，2018,25(2)：141) (陶登海，詹雪函，高数文，等.三塘湖盆地马中致密油藏注 [8]Jia CZ,Zou C N,LiJZ,et al.Assessment criteria,main types, 水吞吐探索与实践.石油钻采工艺，2018,40(5)：614) basic features and resource prospeets of the tight oil in China.Aca [19]Wang X Z.Dang HL.Gao T.Method of moderate water injec- Petrol Sin,2012.33(3):343 tion and its application in ultra-low permeability oil reservoirs of (贾承造，邹才能，李建忠，等。中国致密油评价标准，主要类 Yanchang Oilfield,NW China.Petrol Explor Dev,2018,45 型，基本特征及资源前景.石油学报，2012,33(3)：343) (6):1026 [9]Qu JX,Ding X J,Zha M,et al.Geochemical characterization of (王香增，党海龙，高涛.延长油田特低渗油藏适度温和注 Lucaogou formation and its correlation of tight oil accumulation in 水方法与应用.石油脚探与开发，2018,45(6)：1026) Jimsar Sag of Junggar Basin,Northwestem China.J Petrol Explor [20]Zhao L J.Applications of oil producing technology of huff and Prod Technol,2017,7(3):699 puff infection of microbe in low permeable oilfields.Petrol Drill [10]Xu Z J,Liu L F,Wang T G,et al.Characteristics and control- Tech,2005,33(3):61 ling factors of lacustrine tight oil reservoirs of the Triassic Yan- (赵丽娟.微生物采油技术在低渗透油田的应用.石油钻探 chang Formation Chang 7 in the Ordos Basin,China.Marine 技术，2005,33(3)：61) Petrol Geol,2017,82:265 [21]Kumar V,Paraschivoiu M,Nigam K D P.Single-phase fluid [11]Huang D,Yang G,Wei T Q,et al.Recognition of high yield flow and mixing in microchannels.Chem Eng Sci,2011,66 and stable yield factors of Daanzhai tight oil,Guihua oilfield.J (7):1329 Southucest Petrol Univ Sci Technol Ed,2015,37(5):23 [22]Kandlikar S G.Fundamental issues related to flow boiling in (黄东，杨光，韦腾强，等.川中桂花油田大安寨段致密油高 minichannels and microchannels.Exp Therm Fluid Sci,2002, 产稳产再认识.西南石油大学学报：自然科学版)，2015,37 26(24):389 (5):23) [23]Li Y,Lei Q,Liu X G,et al.Characteristics of micro scale non-
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