·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·