朱维耀等：多孔介质细观流动理论研究进展 7 CT、NMR等技术实现多孔介质三维孔隙空间图像 要进一步扩大网络模型的规模，使实验和模拟结 再现技术.Joshi首次提出了利用统计方法重建岩 合进行研究.为此，需要开展细观层面上的纳微米 石孔隙空间网，Quiblier在Joshi的算法基础上，进 尺度流动实验、理论及模拟研究，进一步提高实验 一步发展了非线性算法，建立了三维孔隙空间8测但 手段和技术，搞清流体在分子间微观作用力的影 后来研究人员发现对于只使用孔隙度等不能准确 响下的流动机理，形成微尺度下的流动模型，并以 描述多孔介质的微观孔隙结构，于是又引入了一 此为基础，构建考虑微观作用力的大规模计算机 些新的约束条件，如孔隙通道长度、孔喉信息等⑧叮 仿真模型，与实验结果相互验证，分析微观尺度流 也有研究人员采用模拟退火的方法来进行岩心重 体流动机制以及提高采收率方法尤为重要 构工作，该方法计算过程复杂，仅仅使用在组分较 为简单的岩石孔隙中2-则随后，马尔科夫链-蒙 4多孔介质中的流体动力学机制 特卡洛法(MCMC)被Wu等研究人员应用于研究 石油领域的相关学者在研究细观尺度岩石孔 土壤结构，并拓展到了三维数值岩心的重构，后经 隙中的流体流动时发现，油水两相流体在孔隙喉 些学者的研究发现MCMC法可以精度较高地 道中的流动受到各种力的作用，其相互之间的力 完成均质岩心孔隙结构的重构工作剧纵观岩心 学机制相当复杂：如果从宏观和微观的角度出发 孔隙结构重构技术的发展，目前对于岩心孔隙结 多孔介质中水驱替原油过程中的力学关系可以分 构的重构技术的研究任重而道远，而应用相对成 为宏观力和微观力两大类.本部分主要介绍了细 熟的孔隙网络模型的方法来研究细观多孔介质中 观尺度下油水流动动力学机制的研究现状及发展 的流动问题更加便捷、准确 方向. 3.2考虑微观力作用的孔隙网络模拟 4.1多孔介质中剩余油形成机制 微观网络模型可以作为微观尺度下描述分子 针对页岩等非常规储层多孔介质中剩余油形 之间作用特性的一种仿真模拟手段，可以与室内 成问题，主要需要解决的是细观尺度岩石孔隙中 实验结果高度配合，是研究孔隙介质中微观作用 的油水分布及流动状态.Pak等B]利用CT成像技 的一种有效手段.早在2000年胡雪涛与李允8%就 术，定量可视化地分析了在低、高毛管数下注入润 采用定向渗流理论完成了可以简单模拟微观剩余 湿相（盐水）后，对高非均质性碳酸盐岩中的非润 油分布的随机网络模型的构建工作.Blunt等I87建 湿相（油）的原位结构进行表征.闫伟超与孙建孟四 立可以描述多孔介质中多相流润湿性的孔隙网络 探讨了各种物理实验技术和数值模拟方法在剩余 模型，并简单完成了Berea砂岩中油水相对渗透率 油研究中应用的优缺点.王芳芳等1对剩余油的 的预测工作.徐守余与李红南1等研究了储集层 赋存状态进行了重新划分.目前针对剩余油研究 喉道网络场的变化和对剩余油的影响情况.随后， 多以直接观察为主，但对于其形成机制的定量研 王克文等啊利用孔隙网络模型研究了聚驱后不同 究较少，笔者通过开展多孔介质细观动力学研究， 孔隙结构中剩余油的分布情况.姚军等建立了 建立了考虑固液分子作用、粗糙度影响的微圆管 由孔隙-喉道组成的三维网络模型，完成了对毛细 单相和两相流体流动动力学数学模型，揭示了流 管压力和相对渗透率的求解模型.张鹏伟与胡黎 体在微通道内的流动规律1,3刘：根据建立的微圆管 明刚]考虑岩石孔隙特征参数建立了等效孔隙网络 流动数学模型6，依据质量守恒定律，建立了水驱 模型.目前，对于细观孔隙中的微观力作用对流体 动态网络结构数学模型，该模型不同于准静态网 流动影响的研究，难以真实反映流体在多孔介质 络模型，不仅考虑了黏滞力与毛管力的作用，同时还 中的流动.为了更加准确地刻画细观尺度下孔隙 考虑了岩石骨架与流体之间界面作用对流动规律 中流动问题，笔者建立了考虑微观力作用的油水 的影响，并编程实现了多孔介质中水驱油动态网 两相网络仿真模型，并计算归纳了孔喉特征及压 络模拟，获取了水驱油时孔隙节点的压力变化以 力特征等因素对含水率及相对渗透率的影响规 及网络模型的剩余油分布921，则：同时建立了固液 律，进一步明确了细观孔隙中流体流动的力学特 分子作用下的聚合物驱油动态网络模型，如图5 性.然而，目前的网络仿真研究的模型规模太小， 所示两，模拟研究了聚合物浓度、相对分子量、吸 最大规模也仅在毫米级（小于5mm),与岩心的厘 附层厚度及固液分子作用对剩余油分布的影响， 米级尺度相差很大，难以与岩心实验进行对比研 揭示了聚合物驱油机理，为研究剩余油成因机制 究，不能归纳总结纳微米孔隙中的流动规律.有必 及挖潜剩余油奠定了理论基9CT、NMR 等技术实现多孔介质三维孔隙空间图像 再现技术. Joshi 首次提出了利用统计方法重建岩 石孔隙空间[79] ，Quiblier 在 Joshi 的算法基础上，进 一步发展了非线性算法，建立了三维孔隙空间[80] . 但 后来研究人员发现对于只使用孔隙度等不能准确 描述多孔介质的微观孔隙结构，于是又引入了一 些新的约束条件，如孔隙通道长度、孔喉信息等[81] . 也有研究人员采用模拟退火的方法来进行岩心重 构工作，该方法计算过程复杂，仅仅使用在组分较 为简单的岩石孔隙中[82−84] . 随后，马尔科夫链−蒙 特卡洛法 (MCMC) 被 Wu 等研究人员应用于研究 土壤结构，并拓展到了三维数值岩心的重构，后经 一些学者的研究发现 MCMC 法可以精度较高地 完成均质岩心孔隙结构的重构工作[85] . 纵观岩心 孔隙结构重构技术的发展，目前对于岩心孔隙结 构的重构技术的研究任重而道远，而应用相对成 熟的孔隙网络模型的方法来研究细观多孔介质中 的流动问题更加便捷、准确. 3.2    考虑微观力作用的孔隙网络模拟 微观网络模型可以作为微观尺度下描述分子 之间作用特性的一种仿真模拟手段，可以与室内 实验结果高度配合，是研究孔隙介质中微观作用 的一种有效手段. 早在 2000 年胡雪涛与李允[86] 就 采用定向渗流理论完成了可以简单模拟微观剩余 油分布的随机网络模型的构建工作. Blunt 等[87] 建 立可以描述多孔介质中多相流润湿性的孔隙网络 模型，并简单完成了 Berea 砂岩中油水相对渗透率 的预测工作. 徐守余与李红南[88] 等研究了储集层 喉道网络场的变化和对剩余油的影响情况. 随后， 王克文等[89] 利用孔隙网络模型研究了聚驱后不同 孔隙结构中剩余油的分布情况. 姚军等[90] 建立了 由孔隙−喉道组成的三维网络模型，完成了对毛细 管压力和相对渗透率的求解模型. 张鹏伟与胡黎 明[91] 考虑岩石孔隙特征参数建立了等效孔隙网络 模型. 目前，对于细观孔隙中的微观力作用对流体 流动影响的研究，难以真实反映流体在多孔介质 中的流动. 为了更加准确地刻画细观尺度下孔隙 中流动问题，笔者建立了考虑微观力作用的油水 两相网络仿真模型，并计算归纳了孔喉特征及压 力特征等因素对含水率及相对渗透率的影响规 律，进一步明确了细观孔隙中流体流动的力学特 性. 然而，目前的网络仿真研究的模型规模太小， 最大规模也仅在毫米级（小于 5 mm），与岩心的厘 米级尺度相差很大，难以与岩心实验进行对比研 究，不能归纳总结纳微米孔隙中的流动规律. 有必 要进一步扩大网络模型的规模，使实验和模拟结 合进行研究. 为此，需要开展细观层面上的纳微米 尺度流动实验、理论及模拟研究，进一步提高实验 手段和技术，搞清流体在分子间微观作用力的影 响下的流动机理，形成微尺度下的流动模型，并以 此为基础，构建考虑微观作用力的大规模计算机 仿真模型，与实验结果相互验证，分析微观尺度流 体流动机制以及提高采收率方法尤为重要. 4    多孔介质中的流体动力学机制 石油领域的相关学者在研究细观尺度岩石孔 隙中的流体流动时发现，油水两相流体在孔隙喉 道中的流动受到各种力的作用，其相互之间的力 学机制相当复杂；如果从宏观和微观的角度出发， 多孔介质中水驱替原油过程中的力学关系可以分 为宏观力和微观力两大类. 本部分主要介绍了细 观尺度下油水流动动力学机制的研究现状及发展 方向. 4.1    多孔介质中剩余油形成机制 针对页岩等非常规储层多孔介质中剩余油形 成问题，主要需要解决的是细观尺度岩石孔隙中 的油水分布及流动状态. Pak 等[38] 利用 CT 成像技 术，定量可视化地分析了在低、高毛管数下注入润 湿相（盐水）后，对高非均质性碳酸盐岩中的非润 湿相（油）的原位结构进行表征. 闫伟超与孙建孟[92] 探讨了各种物理实验技术和数值模拟方法在剩余 油研究中应用的优缺点. 王芳芳等[93] 对剩余油的 赋存状态进行了重新划分. 目前针对剩余油研究 多以直接观察为主，但对于其形成机制的定量研 究较少. 笔者通过开展多孔介质细观动力学研究， 建立了考虑固液分子作用、粗糙度影响的微圆管 单相和两相流体流动动力学数学模型，揭示了流 体在微通道内的流动规律[31, 34] ；根据建立的微圆管 流动数学模型[76] ，依据质量守恒定律，建立了水驱 动态网络结构数学模型，该模型不同于准静态网 络模型，不仅考虑了黏滞力与毛管力的作用，同时还 考虑了岩石骨架与流体之间界面作用对流动规律 的影响，并编程实现了多孔介质中水驱油动态网 络模拟，获取了水驱油时孔隙节点的压力变化以 及网络模型的剩余油分布[9, 21, 94] ；同时建立了固液 分子作用下的聚合物驱油动态网络模型，如图 5 所示[74] ，模拟研究了聚合物浓度、相对分子量、吸 附层厚度及固液分子作用对剩余油分布的影响， 揭示了聚合物驱油机理，为研究剩余油成因机制 及挖潜剩余油奠定了理论基[49] . 朱维耀等： 多孔介质细观流动理论研究进展 · 7 ·