頁巖油微觀滲流機理研究進展

王鳴川,王 燃,岳 慧,張 薇,王付勇,陳志強

1.中國石化頁巖油氣勘探開發重點實驗室,北京 102206;2.中國石化 石油勘探開發研究院,北京 102206;3.中國石油大學(北京) 非常規油氣科學技術研究院,北京 102249

1 頁巖油研究現狀

隨著美國頁巖革命的成功,頁巖油作為一種新型能源登上了歷史舞臺,成為油氣勘探開發的重點領域[1]。借鑒美國頁巖革命的成功經驗,我國于2010年前后啟動了頁巖油勘探開發工作[2]。我國頁巖油資源豐富,總地質儲量高達476.4億噸,經濟技術可采總量高達159.7億噸,分布區域覆蓋20個省和自治區[3-4],居世界第三位,是建成千萬噸級產量油田最現實的戰略接替資源[5]。

頁巖油可分為狹義和廣義兩類[6],與常規油藏相比,具有自生自儲、分布范圍不受構造高點控制、儲層物性差等特點,而且頁巖油無自然產能,必須經過大規模人工壓裂改造才能實現經濟、有效開發[5,7]。頁巖油藏中孔隙和黏土礦物類型多樣,孔隙直徑多為微納米級別,孔喉連通性差[8];不同類型孔隙如有機孔、無機孔、層理縫等潤濕性不同;固—液分子間相互作用力引起了壁面滑移和流體黏度/密度的非均質性,導致油在頁巖納米孔中的運移極為復雜,加劇了開發難度。另外值得關注的是,頁巖油是典型的源儲一體、滯留聚集、連續分布的石油聚集,富有機質頁巖既是生油層也是儲集層,在孔隙結構、儲集特點、賦存機理、運移機制等方面同樣尚未完全明確,進而給頁巖油滲流特征研究帶來了巨大的挑戰[9-11]。

目前,頁巖油滲流機理研究主要基于室內實驗和計算模擬兩類方法開展,兩類方法各有利弊,如何結合兩類方法的優點,探究頁巖油藏不同尺度耦合滲流機理,進而構建能夠準確表征頁巖油多相多尺度流動特征的數學模型是研究中的主要問題。在孔隙尺度上,傳統的實驗方法往往無法實現微觀結構的可視化和定量表征,且存在價格昂貴、耗時長、研究尺度單一和需要多種實驗手段相結合等缺點。而計算模擬作為一種重要的微觀滲流理論的研究手段已被廣泛地應用于各大領域,能夠從孔隙尺度上研究頁巖油單相與油水兩相滲流規律。在巖心尺度上,目前的研究尚缺乏同時考慮基質和裂縫的滲流數學模型,且考慮的因素不夠全面。因此,可在目前廣泛應用的毛管束模型和分形理論的基礎上,增加考慮滑移和密度/黏度非均質性等因素,同時考慮有機孔、無機孔、黏土孔隙以及層理縫,建立能夠準確表征多相多組分的巖心尺度滲流數學模型。綜上所述,深入研究頁巖油微觀多尺度滲流機理,對準確構建頁巖油滲流模型,定量表征頁巖油滲流規律并明確其主控因素具有重要意義[12]。本文從孔隙和巖心2個尺度總結概括了近年來頁巖油滲流機理的研究進展,提出了頁巖油微觀滲流研究的發展趨勢。

2 滲流機理實驗方法

頁巖儲層的儲集空間特征與常規儲層相比有較大的差異,頁巖儲層礦物組成復雜,孔隙類型多樣,廣泛發育微納米級孔隙,孔徑分布具有多尺度的特征。而且富有機質頁巖源儲共生,生烴能力強,部分頁巖紋層和微裂縫發育。另外,在油源充足的情況下頁巖的含油性明顯受控于孔隙度,直徑大于20 nm的孔隙是其主要的賦存空間[13-14],頁巖儲層流體的滲流特征主要取決于邊界層效應和應力敏感的耦合[15]。因此,針對頁巖儲層的孔隙結構特征和流動特征,不同學者采用室內實驗的手段,表征頁巖儲層的孔隙結構特征,探究頁巖儲層流體的賦存與運移規律。

2.1 孔隙結構表征實驗方法

目前用于測定頁巖儲層結構和孔滲關系的實驗方法較多且不同方法的測量范圍差異較大[16-17],主要包括微區高分辨率鏡下觀測/成像技術[18-21],如聚焦離子束拋光—電鏡掃描技術(FIB-SEM)、場發射掃描(FE-SEM)結合能譜分析(EDS)、微納米CT成像技術等;流體法技術[22-25],如高壓壓汞法(MICP)、N2和CO2低壓吸附法等;射線法技術[26-28],如小角X射線散射(SAXS)、小角中子散射(SANS)和超小角中子散射(USANS)以及核磁共振[29]等(圖1)。大量實驗研究已經發現,頁巖中孔隙的孔徑屬于納米級和微米級。納米級孔隙中吸附態油氣占比較高,開發難度較大;微米級儲集空間內賦存的頁巖油應為主要開發對象[30-31],我國陸相及海陸過渡相頁巖儲層的孔徑分布主要集中于30～70 nm之間,具有較大的開發潛力。

對頁巖孔隙結構和孔滲關系的精確描述是研究頁巖儲層中流體賦存和運移機制的基礎,然而由于頁巖孔徑分布范圍較大,通?？缭?～4個量級(圖1),難以通過單一測量方法實現頁巖孔隙結構的精確表征,因此采用多種實驗測量方法結合的方式進行頁巖儲層結構的全尺度表征成為目前的發展趨勢。目前較為系統的頁巖儲層孔隙結構分析的實驗方法是首先利用氦氣法測量頁巖巖心的總孔隙度;再采用高壓壓汞及氣體吸附實驗得到頁巖全尺度孔徑分布;然后利用掃描電鏡等圖像分析技術觀察并描述孔隙類型、孔隙形態及不同礦物相之間的關系;最后采用原子力顯微鏡對頁巖孔隙表面粗糙度進行表征。

2.2 微尺度流動實驗方法

微尺度流動的實驗研究方法目前還處在發展階段,微流控方法是目前研究微尺度流體輸運規律最常用的實驗方法。近年來,隨著微流控和納流控芯片的發展,納米尺度輸運規律的實驗測量更加精確?；谖⒘骺貙嶒灧椒?國內外學者研究了納米狹縫內大分子示蹤劑的擴散現象以及納米通道內輕組分烷烴的相變規律[32-33];測量了100 nm矩形通道內單相水和氣水兩相的流動規律,觀測到層流和環空流等不同流態的變化[34];研究了頁巖儲層中的提高采收率機制[35]。

雖然微流控實驗是表征納米級流體現象的有效手段,能夠測量微納尺度流體運移過程中出現的滑移、相變等機理,但仍存在很大的局限性。微流控實驗成本高且操作難度大,采用的微納米級芯片多為理想材料或二氧化硅等單一介質材料,因此難以有效表征頁巖儲層中不同礦物表面的真實結構,而且微流控實驗研究尺度小,對于強非均質性儲層代表性較弱,難以模擬高溫高壓的地層條件。另外,微流控芯片實驗的精確度受納米通道刻蝕的影響,現有的微流控芯片難以同時在3個維度上均達到納米級,目前還沒有充分的證據表明非納米級的第三維度對微納米級流動的影響可以忽略。除了芯片刻蝕的局限性,微流控實驗觀測納米級流體流動也受到光學顯微鏡精度的限制,多相流體在光學顯微鏡下只能可視化區分有限的物理現象,無法精確獲取化學信息。

2.3 巖心尺度流動實驗方法

巖心流動實驗是研究巖心尺度流體可動性與流動模式的最直接有效的方式。目前針對頁巖的巖心實驗主要分為兩方面,分別是頁巖油氣儲集性能研究和頁巖油氣流動性能研究。頁巖儲層具有低孔、低滲的特點,導致滲流實驗難度大、周期長。關于頁巖巖心滲流實驗研究的報道較少,多數為頁巖氣儲層中氣體流動能力的實驗研究,僅有少數關于頁巖油流動能力評價與流動模式的相關實驗研究。桑茜等[36-37]設計了頁巖油可動性評價的實驗方法,評價了頁巖油的極限可動性和彈性開采可動性,發現頁巖油彈性開采可動性差,吸附、互溶態油不可動。部分學者采用低速滲流實驗,分析了國內外典型頁巖區塊低速非達西滲流規律,發現頁巖油低速滲流特征主要受固液邊界層效應、滑移長度和滲流通道的影響[38-40]。通過高溫高壓頁巖油滲流實驗,發現頁巖油滲流特征主要由邊界層和應力敏感的耦合作用決定[15,41-42]。通過核磁共振、自發滲吸實驗[43-44],發現頁巖油巖心滲透率具有較強的應力敏感特點,無機質大孔隙內的油氣資源易被動用。

目前針對頁巖儲層巖心尺度的物理模擬實驗多為孔隙結構表征及油氣可動性評價,關于頁巖油滲流規律與流動模式的認識還不深入,對吸附態和互溶態油氣可動性的認識還不統一,吸附溶解油的動用條件尚不清晰,缺乏油氣水多相流動的物理模擬實驗,還需創新實驗方法,提高實驗精度。

3 孔隙尺度滲流機理計算模擬技術

微尺度流動實驗方法在研究頁巖油孔隙尺度流動機理方面存在局限,因此主要采用孔隙級流動模擬方法。在頁巖儲層中分子與孔隙壁面之間的作用較甲烷分子更加復雜,一些在常規油藏中可以忽略的因素(如壁面滑移、吸附、固—液間分子作用力、表面力和靜電力等),逐漸在流動中上升到了主導地位,導致頁巖油在有機和無機納米孔中的賦存機理和運移機制不明晰,常規的流體力學理論也不再完全適用[45]。目前研究的難點在于如何準確考慮邊界滑移和密度/黏度非均質性對流動行為的影響,將單納米孔隙頁巖油流動擴展到復雜多孔介質結構流動,進一步研究非均質潤濕、孔隙幾何結構等復雜參數對表觀滲透率的影響機制[46-47]。

現階段,多孔介質的流動模擬方法可分為直接模擬法和間接模擬法,直接模擬法基于巖心掃描圖像或數字巖心,采用納維—斯托克斯(Navier-Stokes)方程或離散玻爾茲曼(Boltzmann)方程求解每個節點的參數,包括格子玻爾茲曼方法(LBM)和計算流體力學(CFD)方法等;間接模擬法主要是基于三維數字巖心的孔隙網絡模擬(PNM)方法[48],將巖心的孔隙結構抽提成孔隙網絡模型,利用逾滲算法求解孔隙網絡結構中每個節點的壓力場、飽和度場等參數。

3.1 LBM模擬的基本原理與研究進展

3.1.1 LBM基本原理

LBM方法是一種介觀尺度上的流動模擬方法,該方法基于分子動理論,通過玻爾茲曼方程或離散玻爾茲曼方程來描述流體粒子的運動規律。與傳統的計算流體力學方法相比,該方法突破了連續性假設的限制。因其具備物理背景清晰、易于處理復雜邊界等優勢,近年來被廣泛應用于頁巖油氣的微觀流動模擬中。

格子玻爾茲曼方程包含流體離子的離散速度集合、格子結構和演化方程3個要素。演化方程又稱格子玻爾茲曼方程,可以看作是連續玻爾茲曼方程的離散形式。格子玻爾茲曼方程可由下式來表示[49]:

fi(x+eiΔt,t+Δt)-fi(x,t)=Ω(fi)

式中:fi為離散速度空間i方向上的分布函數;x為粒子的空間位置;ei為i方向的速度;t為無因次時間;Δt為時間步長;Ω為碰撞矩陣。

在利用LBM方法進行微尺度流動模擬時通常需要解決2個基本問題:松弛時間τ的表達式以及微尺度流動的邊界條件(較為常用的有周期性邊界、反彈邊界、非平衡態反彈邊界和非平衡外推邊界等)。微納尺度液體流動的區域基本處于連續流區域,流動特征參數為雷諾數(Re),而微納尺度氣體流動區域處于滑移流或過渡區,流動特征參數為克努森數(Kn)。

3.1.2 頁巖油LBM流動模擬研究進展

LBM因易于處理復雜結構下流體流動,被認為是目前模擬微尺度流動最具潛力的數學方法之一。該方法在研究頁巖油流動中的技術難點主要是如何準確考慮黏度非均質和邊界滑移影響[50]。不同于頁巖氣,頁巖油分子的平均自由程小得多,會導致強烈的液—固和液—液相互作用[51-52],而固—液分子相互作用會導致滑移邊界和界面液體黏度的變化。因此,努森擴散、表面擴散和解吸附[52]等天然氣運移機制不適用于頁巖油復雜多樣的運移[53]。

在頁巖當中,有機和無機介質的不同分布構成了多孔介質[38,46]。流體在親水性無機孔隙和在親油的有機孔隙中傳輸機制不同。充分考慮液—固滑移、液—液滑移以及液—固和液—液分子相互作用引起的非均相黏度等納米級效應的影響,可以有效模擬孔隙尺度下的頁巖油單相流和油水兩相流,實現從單孔向納米多孔介質的跨越[46,54-56]。FATHI等[57]提出了考慮朗繆爾(Langmuir)滑移邊界的LBM方法,研究了考慮滑移效應的頁巖氣單相流動。ZHANG等[58]、姚軍等[49]分別采用LBM方法模擬考慮表面擴散、吸附、滑移等微觀現象的納米級單管內的氣體流動規律。ZHAO等[47]研究了考慮吸附和滑移效應的單相頁巖油流動規律,證實了LBM方法在頁巖油流動研究中的適用性。用于模擬多相流動的LBM模型主要包括Shan-Chen模型、自由能模型、顏色模型等,目前考慮微尺度效應的頁巖儲層多相流動的LBM模擬研究較少。由于頁巖油流動存在跨尺度傳質的問題,單一尺度的模擬方法通常無法實現對頁巖油流動機理的準確表征,因此多采用與多尺度模擬方法相結合的方式。首先采用分子模擬方法明確單個微納米孔隙中的固液相互作用及納米尺度效應對流體運移的影響規律,定量表征滑移、吸附等微觀機理;再將其應用到LBM模擬方法中,實現從納米尺度到孔隙尺度的升級。

3.2 PNM基本原理與研究進展

3.2.1 PNM基本原理

孔隙網絡模型(PNM)是運用規則形狀對復雜孔隙結構實現可視化表征的一種重要手段,該模型主要由代表巖石中較大孔隙空間的孔隙和代表連接孔隙細長空間的喉道兩部分構成。近年來,隨著數字巖心技術的不斷完善,從真實的巖心當中抽提孔隙空間信息,構建與之對應的孔隙網絡模型,來獲取儲層物性參數并進行滲流模擬成為了研究的熱點。數字巖心和孔隙網絡流動模擬方法相結合是目前微觀滲流研究的重要發展方向之一,該方法作為一種高效、可靠的方法,可為多孔介質滲流模擬和多尺度孔隙結構的表征提供堅實的技術支撐。儲層巖石的孔隙網絡模型先后經歷了幾個重要的發展階段,即毛管束模型[59]、二維毛管網絡模型[60]、三維隨機孔隙網絡模型[61]和基于巖心掃描的孔隙網絡模型重構[8,62]。相對于前幾個階段的模型,孔隙網絡更貼近于實際巖心,更能真實地還原其內部結構。

孔隙網絡模型是一種通過多個孔喉參數來表征孔隙結構的技術手段,它比傳統的毛管束面模型更加接近真實巖石的拓撲性質,可以充分反映孔隙空間、連通性等特點,是預測滲透率和滲流模擬的基礎。根據所建網絡模型的拓撲特征,可將三維孔隙網絡模型分為隨機拓撲孔隙網絡模型和真實拓撲孔隙網絡模型兩類。其中,真實拓撲孔隙網絡模型建立在數字巖心基礎之上,具有與數字巖心孔隙空間等價的拓撲結構,更方便于進行微觀滲流模擬研究[63]。

基于數字巖心和孔隙網絡模型進行微觀滲流模擬研究的技術路線如圖2所示[64-65]。從數字巖心中抽提孔隙網絡模型,可以得到巖石孔隙和喉道的位置、半徑、體積等信息,進而構建與真實巖心相符的孔隙網絡模型。抽提孔隙網絡模型的方法有最大球法、居中軸線法、多向掃描法和沃羅諾伊(Voronoi)多面體法[66],其中最大球法[67-69]和居中軸線法[66,70]最為常用。

圖2 基于孔隙網絡模型的微觀滲流模擬技術路線

3.2.2 PNM研究進展

微觀滲流理論和宏觀滲流理論共同構成了多孔介質滲流理論,宏觀的滲流理論通常指以介質連續性假設和達西方程為基礎的傳統多孔滲流理論?；跀底謳r心的孔隙網絡流動模擬方法是進行微觀滲流模擬的重要方法之一。目前應用廣泛的孔隙網絡流動模擬方法是統計物理中的逾滲模型和孔隙網絡模型的結合,具有計算效率高、考慮邊界層效應等復雜機理較為便捷的優勢,在微尺度滲流模擬中廣泛應用。

孔隙網絡模擬方法是分析微尺度流動影響因素及規律的重要研究手段,運用該方法不僅可以分別建立適用于基質和裂縫的滲透率預測模型,還可以構建同時考慮有機孔和無機孔的頁巖多尺度孔隙網絡模型,進而建立適合于頁巖儲層的單相流和兩相流動模擬方法,應用于頁巖油滲透率預測及滲流影響因素分析中[64-65,71-73]。CUI等[74]根據頁巖有機質和無機質孔隙孔徑分布特征,提出了一種隨機的頁巖多尺度孔隙網絡模型構建方法,能夠適當區分有機孔隙和無機孔隙,并在準靜態流動模擬方法的基礎上考慮滑移效應,預測了頁巖油水兩相相對滲透率。WANG等[75]將MD和PNM結合起來建立了頁巖中氣體流動的多尺度框架,證明了位于無機基質中的孔隙對頁巖表觀滲透率的影響比與干酪根相關的孔隙更為顯著。此外,充分考慮微納尺度運移機制、賦存狀態和納米約束效應、雙重潤濕性和頁巖儲層孔隙空間特征,不僅可以求解孔隙結構參數,同時還可以有效研究單相和油水兩相流動行為的影響因素[76-77]。

4 巖心尺度滲流機理計算模擬技術

頁巖儲層孔隙處于微納米尺度,其毛細管力更強,儲層中流體流動不再遵循經典的達西定律,表現出了非線性滲流等特殊流動機理[78-83]。因此,如何在微納米尺度下定量表征邊界層,分析其主控因素及其對流動的影響,明確多因素影響下的微觀流動機理和宏觀滲流規律,建立考慮微尺度效應的滲流數學模型,對頁巖油藏的有效開發及提高采收率有著重要的指導意義。

頁巖/致密儲層復雜滲流機理包括低速非達西滲流規律、應力敏感、毛管力及相滲曲線變化等。對于非達西滲流規律,早期研究發現在低壓力梯度條件下,致密油/頁巖油的流速遠低于達西定律的預測,并且存在一個流體開始流動的門限壓力值,進而提出了啟動壓力梯度的概念。吸附層、邊界層等界面作用、低速滲流時流體與巖石發生的物理化學反應導致的孔喉結構變化以及流體本身的流變性質等,都可能造成低滲透儲層中的非達西滲流。目前的研究普遍認為,微納米孔隙中流體的邊界層效應是造成非線性滲流的主要原因。由于頁巖廣泛發育微納米孔喉,孔喉比表面較大,孔隙壁面與流體分子之間產生較強的相互作用,存在明顯的邊界層效應,邊界層在微納米孔喉中的占比不可忽略。研究表明,邊界層在100 nm孔隙中的占比可高達75%。隨著邊界層厚度增加,有效喉道半徑急劇減小,滲流阻力增加。因此,在致密/頁巖油藏中考慮邊界層的影響以及邊界層厚度的量化表征尤為重要。

國內外學者對低滲透儲層中的非線性滲流機理研究較多。黃延章等[84-85]研究了低滲透儲層非線性流動機理,提出了邊界流體與體相流體的概念,認為邊界層是造成非線性滲流的主要原因。鄧英爾等[86]基于毛細管理論分析了固液界面現象及分子間相互作用,認為固液界面作用是造成非線性滲流的主要原因。徐紹良等[87]采用毛細管內去離子水的流動實驗結果研究了邊界層厚度的變化規律,認為邊界層流體厚度是壓力梯度和孔徑的函數。劉德新等[88]、李中鋒等[80]基于流體在微圓管內的流動實驗結果,通過擬合與推導得到了邊界層厚度的定量表征關系式。

在邊界層研究的基礎上,許多學者提出了描述低滲透油儲層非線性滲流特征的數學模型(表1)。目前,用于描述非線性滲流的數學模型主要有分段模型、多參數模型以及分形模型3種形式。其中,分段模型是最早用于描述非線性滲流的模型,這類模型將流動劃分為無流動、非線性流動和擬線性流動3個階段,不同的方程形式描述不同的流動階段,當壓力梯度小于最小啟動壓力梯度時,流體不發生流動;當壓力梯度大于等于最小啟動壓力梯度且小于最大啟動壓力梯度時,流體開始流動,為非線性滲流階段;當壓力梯度大于等于最大啟動壓力梯度時,為線性流動[95,99]。分段模型形式簡單,然而在壓力梯度較小時,分段模型可能造成較大的誤差。

表1 非線性滲流數學模型及特點

多參數模型的方程形式通常為連續性方程,避免了滲流階段的劃分問題。多參數模型的建立方法主要分為兩大類:一類是根據非線性滲流曲線特征和函數、導數的物理意義建立,如鄧英爾[86]、黃延章等[84-85]提出的三參數模型;另一類通?；诿苁Ｐ偷玫?如時宇等[93]、姜瑞忠等[81]認為低滲透油藏中流體存在屈服應力,通過在毛管束模型中引入屈服應力并考慮毛細管邊界層理論,建立了相應的多參數模型。多參數模型應用范圍廣,但基礎假設條件過于理想,對于低滲透儲層孔隙結構特征考慮并不充分。

為了更全面地考慮多孔介質的幾何特征及其對非線性滲流的影響,許多學者將多孔介質分形理論與邊界層理論相結合,建立了用于描述非線性滲流的分形模型[100-103]。研究證實頁巖儲層的宏觀物性參數,如孔隙度、滲透率、比表面積等也具有良好的分形特征,可采用分形幾何學描述頁巖復雜的孔隙結構,進而考慮邊界層等效應,研究流體的輸運規律。分形模型的優勢是每個參數均有明確的物理意義,能夠更充分地考慮孔隙結構對滲流的影響。但現有的分形模型對于非線性滲流機理的考慮還不夠全面。

5 問題和展望

5.1 存在的問題

(1)目前在頁巖儲層孔隙尺度滲流規律研究中亟需解決的問題主要有兩方面,分別是如何精確表征頁巖儲層孔隙結構并構建數字巖心,以及如何在孔隙級流動研究中考慮由頁巖多礦物相、多尺度特征導致的納米尺度效應及其他特殊的流體輸運現象?，F有的圖像分析實驗方法在掃描圖像的分辨率上存在一定的局限性,導致部分頁巖有機質納米小孔隙無法從掃描圖像中直接提取,使得頁巖孔隙度和連通性的預測存在偏差,進而影響滲流規律研究,需要通過提高實驗精度或深度學習算法進行優化。在孔隙尺度滲流當中,采用間接模擬方法如PNM研究流體在多孔介質中的流動過程時,將復雜多孔介質結構簡化為簡單的球棍結構,忽略了復雜孔隙結構的影響,直接影響到模擬的準確性;采用LBM方法研究流動模擬時會產生很大的計算量,不適合用于大規模的流動模擬。對于頁巖油藏,現有的流動模擬以單相流居多,兩相流較少;以單一介質建模居多,多重介質耦合建模較少,納米級孔隙—微米級孔隙—微裂縫的多尺度耦合建模方法不成熟,孔隙級模擬中對于吸附、滑移等微尺度效應的考慮尚有待完善。

(2)在頁巖儲層非線性滲流當中,基于毛管束模型建立考慮邊界層效應的滲流數學模型是主要的研究手段。目前常用的方法是采用多重分形理論描述復雜的儲層孔隙結構,采用邊界層理論描述非線性滲流機理,將二者耦合求解。但是現有的數學模型尚不能完全反映真實多孔介質的性質,對于復雜孔隙連通性和結構特征的描述尚不準確;同時,針對頁巖儲層的滲流數學模型仍需進一步考慮滑移邊界條件、吸附解吸、黏度非均質性、混合潤濕等問題。

5.2 發展趨勢

(1)鑒于頁巖油藏復雜的孔隙結構及其對滲流的影響,未來仍然需要有效的技術手段來開展不同礦物組成、富有機質納米孔隙的實驗和建模研究,提高圖像掃描精度,完善圖像處理算法。在高精度室內實驗的基礎上,通過深度學習或人工智能等算法,建立能夠考慮更多細節信息的頁巖多尺度孔隙結構表征方法。

(2)目前納米孔隙流動通常采用分子動力學模擬方法,如何進行尺度升級,將納米尺度的研究成果應用于孔隙尺度滲流研究方面需要深入探討。另外,在頁巖儲層孔隙結構精確表征的基礎上,充分考慮邊界吸附/滑移、密度/黏度非均質性、微納米尺度運移機制、賦存狀態和納米約束效應、混合潤濕性等機理,分別構建有機孔、無機孔、黏土孔隙以及層理縫的滲流控制方程是未來的研究趨勢。

(3)在非線性滲流研究中,對于頁巖儲層的特殊性考慮還不全面,而且現有的研究大多面向的是單相流,對于兩相流的研究尚未完全成熟。今后的研究中,可在頁巖孔隙結構精確表征的基礎上,構建考慮復雜孔隙結構、混合潤濕及微尺度流動機理的頁巖油單相與油水兩相滲流數學模型。此外,目前巖心尺度滲流數學方程研究雖有較大進展,但與真實滲流之間仍有差距,離油藏尺度的應用尚有距離,未來需進一步深入相關研究。

6 結論

(1)本文從孔隙和巖心2個尺度梳理了近年來頁巖油微觀滲流機理的研究進展?？傮w來看,實驗方法和計算模擬方法相輔相成,使頁巖油微觀流動機理研究取得了較大的進展。但這些方法仍各有優缺點,應根據需要選擇合適的方法開展研究。在必要時可以組合運用不同的方法,實現多相、多尺度滲流耦合,使研究結果更加準確可靠。

(2)現階段表征孔隙結構特征的實驗方法已經較為成熟,可為研究頁巖油藏微納米尺度滲流機理提供技術支持?？紫冻叨攘鲃訖C理實驗研究存在較大局限,主要采用以LBM為代表的直接法和以PNM為代表的間接法來表征;但目前對于多重介質耦合PNM滲流模擬研究較少,對于兩相滲流模擬尚不成熟。采用計算模擬方法準確表征頁巖油在真實多孔結構中的吸附/滑移機制,將單個納米孔隙頁巖油流動擴展到復雜多孔介質結構流動,準確構建有機孔、無機孔、黏土孔以及層理縫的流動控制方程是亟待解決的核心問題。

(3)巖心尺度滲流機理研究實驗方面由于難度大、周期長而相對較少,計算模擬方面主要借鑒低滲透儲層非線性滲流研究成果,考慮頁巖儲層的特殊性,基于毛管束模型和分形理論,建立頁巖油滲流數學模型。充分考慮復雜孔隙結構、邊界吸附/滑移、流體黏度/密度非均質性等因素的影響,建立能夠準確表征多相、多尺度的滲流數學模型,明確頁巖油表觀滲透率影響因素與油水兩相非線性滲流規律是未來研究的重點。

致謝:感謝審稿專家和編輯提出的建設性意見和建議!

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors’Contributions

王鳴川參與論文設計、寫作和修改;王燃,岳慧,張薇,王付勇,陳志強參與論文寫作和修改。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed and the manuscript was drafted and revised by WANG Mingchuan. WANG Ran, YUE Hui, ZHANG Wei, WANG Fuyong and CHEN Zhiqiang also participated in drafting and revising the manuscript. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.