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·