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(fā)重點實驗室,北京 102206;2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院,北京 102206;3.中國石油大學(xué)(北京) 非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院,北京 102249

1 頁巖油研究現(xiàn)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(fā)的重點領(lǐng)域[1]。借鑒美國頁巖革命的成功經(jīng)驗,我國于2010年前后啟動了頁巖油勘探開發(fā)工作[2]。我國頁巖油資源豐富,總地質(zhì)儲量高達476.4億噸,經(jīng)濟技術(shù)可采總量高達159.7億噸,分布區(qū)域覆蓋20個省和自治區(qū)[3-4],居世界第三位,是建成千萬噸級產(chǎn)量油田最現(xiàn)實的戰(zhàn)略接替資源[5]。

頁巖油可分為狹義和廣義兩類[6],與常規(guī)油藏相比,具有自生自儲、分布范圍不受構(gòu)造高點控制、儲層物性差等特點,而且頁巖油無自然產(chǎn)能,必須經(jīng)過大規(guī)模人工壓裂改造才能實現(xiàn)經(jīng)濟、有效開發(fā)[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(zhì)性,導(dǎo)致油在頁巖納米孔中的運移極為復(fù)雜,加劇了開發(fā)難度。另外值得關(guān)注的是,頁巖油是典型的源儲一體、滯留聚集、連續(xù)分布的石油聚集,富有機質(zhì)頁巖既是生油層也是儲集層,在孔隙結(jié)構(gòu)、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(zhàn)[9-11]。

目前,頁巖油滲流機理研究主要基于室內(nèi)實驗和計算模擬兩類方法開展,兩類方法各有利弊,如何結(jié)合兩類方法的優(yōu)點,探究頁巖油藏不同尺度耦合滲流機理,進而構(gòu)建能夠準確表征頁巖油多相多尺度流動特征的數(shù)學(xué)模型是研究中的主要問題。在孔隙尺度上,傳統(tǒng)的實驗方法往往無法實現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng)用于各大領(lǐng)域,能夠從孔隙尺度上研究頁巖油單相與油水兩相滲流規(guī)律。在巖心尺度上,目前的研究尚缺乏同時考慮基質(zhì)和裂縫的滲流數(shù)學(xué)模型,且考慮的因素不夠全面。因此,可在目前廣泛應(yīng)用的毛管束模型和分形理論的基礎(chǔ)上,增加考慮滑移和密度/黏度非均質(zhì)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(shù)學(xué)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(gòu)建頁巖油滲流模型,定量表征頁巖油滲流規(guī)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(jié)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(fā)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(guī)儲層相比有較大的差異,頁巖儲層礦物組成復(fù)雜,孔隙類型多樣,廣泛發(fā)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(zhì)頁巖源儲共生,生烴能力強,部分頁巖紋層和微裂縫發(fā)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(yīng)和應(yīng)力敏感的耦合[15]。因此,針對頁巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)特征和流動特征,不同學(xué)者采用室內(nèi)實驗的手段,表征頁巖儲層的孔隙結(jié)構(gòu)特征,探究頁巖儲層流體的賦存與運移規(guī)律。

2.1 孔隙結(jié)構(gòu)表征實驗方法

目前用于測定頁巖儲層結(jié)構(gòu)和孔滲關(guān)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(qū)高分辨率鏡下觀測/成像技術(shù)[18-21],如聚焦離子束拋光—電鏡掃描技術(shù)(FIB-SEM)、場發(fā)射掃描(FE-SEM)結(jié)合能譜分析(EDS)、微納米CT成像技術(shù)等;流體法技術(shù)[22-25],如高壓壓汞法(MICP)、N2和CO2低壓吸附法等;射線法技術(shù)[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(jīng)發(fā)現(xiàn),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(tài)油氣占比較高,開發(fā)難度較大;微米級儲集空間內(nèi)賦存的頁巖油應(yīng)為主要開發(fā)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(fā)潛力。

對頁巖孔隙結(jié)構(gòu)和孔滲關(guān)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(chǔ),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(xiàn)頁巖孔隙結(jié)構(gòu)的精確表征,因此采用多種實驗測量方法結(jié)合的方式進行頁巖儲層結(jié)構(gòu)的全尺度表征成為目前的發(fā)展趨勢。目前較為系統(tǒng)的頁巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)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(shù)觀察并描述孔隙類型、孔隙形態(tài)及不同礦物相之間的關(guān)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(fā)展階段,微流控方法是目前研究微尺度流體輸運規(guī)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(fā)展,納米尺度輸運規(guī)律的實驗測量更加精確?；谖⒘骺貙嶒灧椒?國內(nèi)外學(xué)者研究了納米狹縫內(nèi)大分子示蹤劑的擴散現(xiàn)象以及納米通道內(nèi)輕組分烷烴的相變規(guī)律[32-33];測量了100 nm矩形通道內(nèi)單相水和氣水兩相的流動規(guī)律,觀測到層流和環(huán)空流等不同流態(tài)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(xiàn)象的有效手段,能夠測量微納尺度流體運移過程中出現(xiàn)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(zhì)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(jié)構(gòu),而且微流控實驗研究尺度小,對于強非均質(zhì)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(xiàn)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(jù)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(xué)顯微鏡精度的限制,多相流體在光學(xué)顯微鏡下只能可視化區(qū)分有限的物理現(xiàn)象,無法精確獲取化學(xué)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(dǎo)致滲流實驗難度大、周期長。關(guān)于頁巖巖心滲流實驗研究的報道較少,多數(shù)為頁巖氣儲層中氣體流動能力的實驗研究,僅有少數(shù)關(guān)于頁巖油流動能力評價與流動模式的相關(guān)實驗研究。桑茜等[36-37]設(shè)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(fā)現(xiàn)頁巖油彈性開采可動性差,吸附、互溶態(tài)油不可動。部分學(xué)者采用低速滲流實驗,分析了國內(nèi)外典型頁巖區(qū)塊低速非達西滲流規(guī)律,發(fā)現(xiàn)頁巖油低速滲流特征主要受固液邊界層效應(yīng)、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(fā)現(xiàn)頁巖油滲流特征主要由邊界層和應(yīng)力敏感的耦合作用決定[15,41-42]。通過核磁共振、自發(fā)滲吸實驗[43-44],發(fā)現(xiàn)頁巖油巖心滲透率具有較強的應(yīng)力敏感特點,無機質(zhì)大孔隙內(nèi)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(jié)構(gòu)表征及油氣可動性評價,關(guān)于頁巖油滲流規(guī)律與流動模式的認識還不深入,對吸附態(tài)和互溶態(tài)油氣可動性的認識還不統(tǒng)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(chuàng)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(shù)

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(fù)雜,一些在常規(guī)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(dǎo)地位,導(dǎo)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(guī)的流體力學(xué)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(zhì)性對流動行為的影響,將單納米孔隙頁巖油流動擴展到復(fù)雜多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)流動,進一步研究非均質(zhì)潤濕、孔隙幾何結(jié)構(gòu)等復(fù)雜參數(shù)對表觀滲透率的影響機制[46-47]。

現(xiàn)階段,多孔介質(zhì)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(shù)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(jié)點的參數(shù),包括格子玻爾茲曼方法(LBM)和計算流體力學(xué)(CFD)方法等;間接模擬法主要是基于三維數(shù)字巖心的孔隙網(wǎng)絡(luò)模擬(PNM)方法[48],將巖心的孔隙結(jié)構(gòu)抽提成孔隙網(wǎng)絡(luò)模型,利用逾滲算法求解孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中每個節(jié)點的壓力場、飽和度場等參數(shù)。

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(guī)律。與傳統(tǒng)的計算流體力學(xué)方法相比,該方法突破了連續(xù)性假設(shè)的限制。因其具備物理背景清晰、易于處理復(fù)雜邊界等優(yōu)勢,近年來被廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)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(xù)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(shù);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(tài)反彈邊界和非平衡外推邊界等)。微納尺度液體流動的區(qū)域基本處于連續(xù)流區(qū)域,流動特征參數(shù)為雷諾數(shù)(Re),而微納尺度氣體流動區(qū)域處于滑移流或過渡區(qū),流動特征參數(shù)為克努森數(shù)(Kn)。

3.1.2 頁巖油LBM流動模擬研究進展

LBM因易于處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)下流體流動,被認為是目前模擬微尺度流動最具潛力的數(shù)學(xué)方法之一。該方法在研究頁巖油流動中的技術(shù)難點主要是如何準確考慮黏度非均質(zhì)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)雜多樣的運移[53]。

在頁巖當中,有機和無機介質(zhì)的不同分布構(gòu)成了多孔介質(zhì)[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(yīng)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(xiàn)從單孔向納米多孔介質(zhì)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(yīng)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(xiàn)象的納米級單管內(nèi)的氣體流動規(guī)律。ZHAO等[47]研究了考慮吸附和滑移效應(yīng)的單相頁巖油流動規(guī)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(yīng)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(zhì)的問題,單一尺度的模擬方法通常無法實現(xiàn)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(jié)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(yīng)對流體運移的影響規(guī)律,定量表征滑移、吸附等微觀機理;再將其應(yīng)用到LBM模擬方法中,實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)模型(PNM)是運用規(guī)則形狀對復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)實現(xiàn)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(gòu)成。近年來,隨著數(shù)字巖心技術(shù)的不斷完善,從真實的巖心當中抽提孔隙空間信息,構(gòu)建與之對應(yīng)的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型,來獲取儲層物性參數(shù)并進行滲流模擬成為了研究的熱點。數(shù)字巖心和孔隙網(wǎng)絡(luò)流動模擬方法相結(jié)合是目前微觀滲流研究的重要發(fā)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(zhì)滲流模擬和多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的表征提供堅實的技術(shù)支撐。儲層巖石的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型先后經(jīng)歷了幾個重要的發(fā)展階段,即毛管束模型[59]、二維毛管網(wǎng)絡(luò)模型[60]、三維隨機孔隙網(wǎng)絡(luò)模型[61]和基于巖心掃描的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型重構(gòu)[8,62]。相對于前幾個階段的模型,孔隙網(wǎng)絡(luò)更貼近于實際巖心,更能真實地還原其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

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

基于數(shù)字巖心和孔隙網(wǎng)絡(luò)模型進行微觀滲流模擬研究的技術(shù)路線如圖2所示[64-65]。從數(shù)字巖心中抽提孔隙網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建與真實巖心相符的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型。抽提孔隙網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)模型的微觀滲流模擬技術(shù)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(gòu)成了多孔介質(zhì)滲流理論,宏觀的滲流理論通常指以介質(zhì)連續(xù)性假設(shè)和達西方程為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)多孔滲流理論?；跀?shù)字巖心的孔隙網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用廣泛的孔隙網(wǎng)絡(luò)流動模擬方法是統(tǒng)計物理中的逾滲模型和孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)合,具有計算效率高、考慮邊界層效應(yīng)等復(fù)雜機理較為便捷的優(yōu)勢,在微尺度滲流模擬中廣泛應(yīng)用。

孔隙網(wǎng)絡(luò)模擬方法是分析微尺度流動影響因素及規(guī)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(zhì)和裂縫的滲透率預(yù)測模型,還可以構(gòu)建同時考慮有機孔和無機孔的頁巖多尺度孔隙網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用于頁巖油滲透率預(yù)測及滲流影響因素分析中[64-65,71-73]。CUI等[74]根據(jù)頁巖有機質(zhì)和無機質(zhì)孔隙孔徑分布特征,提出了一種隨機的頁巖多尺度孔隙網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建方法,能夠適當區(qū)分有機孔隙和無機孔隙,并在準靜態(tài)流動模擬方法的基礎(chǔ)上考慮滑移效應(yīng),預(yù)測了頁巖油水兩相相對滲透率。WANG等[75]將MD和PNM結(jié)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(zhì)中的孔隙對頁巖表觀滲透率的影響比與干酪根相關(guān)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(tài)和納米約束效應(yīng)、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(jié)構(gòu)參數(shù),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(shù)

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(jīng)典的達西定律,表現(xiàn)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(guī)律,建立考慮微尺度效應(yīng)的滲流數(shù)學(xué)模型,對頁巖油藏的有效開發(fā)及提高采收率有著重要的指導(dǎo)意義。

頁巖/致密儲層復(fù)雜滲流機理包括低速非達西滲流規(guī)律、應(yīng)力敏感、毛管力及相滲曲線變化等。對于非達西滲流規(guī)律,早期研究發(fā)現(xiàn)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(yù)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(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的孔喉結(jié)構(gòu)變化以及流體本身的流變性質(zhì)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(yīng)是造成非線性滲流的主要原因。由于頁巖廣泛發(fā)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(chǎn)生較強的相互作用,存在明顯的邊界層效應(yīng),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(nèi)外學(xué)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(xiàn)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(nèi)去離子水的流動實驗結(jié)果研究了邊界層厚度的變化規(guī)律,認為邊界層流體厚度是壓力梯度和孔徑的函數(shù)。劉德新等[88]、李中鋒等[80]基于流體在微圓管內(nèi)的流動實驗結(jié)果,通過擬合與推導(dǎo)得到了邊界層厚度的定量表征關(guān)系式。

在邊界層研究的基礎(chǔ)上,許多學(xué)者提出了描述低滲透油儲層非線性滲流特征的數(shù)學(xué)模型(表1)。目前,用于描述非線性滲流的數(shù)學(xué)模型主要有分段模型、多參數(shù)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(fā)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(shù)學(xué)模型及特點

多參數(shù)模型的方程形式通常為連續(xù)性方程,避免了滲流階段的劃分問題。多參數(shù)模型的建立方法主要分為兩大類:一類是根據(jù)非線性滲流曲線特征和函數(shù)、導(dǎo)數(shù)的物理意義建立,如鄧英爾[86]、黃延章等[84-85]提出的三參數(shù)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(yīng)力,通過在毛管束模型中引入屈服應(yīng)力并考慮毛細管邊界層理論,建立了相應(yīng)的多參數(shù)模型。多參數(shù)模型應(yīng)用范圍廣,但基礎(chǔ)假設(shè)條件過于理想,對于低滲透儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征考慮并不充分。

為了更全面地考慮多孔介質(zhì)的幾何特征及其對非線性滲流的影響,許多學(xué)者將多孔介質(zhì)分形理論與邊界層理論相結(jié)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(shù),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(xué)描述頁巖復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu),進而考慮邊界層等效應(yīng),研究流體的輸運規(guī)律。分形模型的優(yōu)勢是每個參數(shù)均有明確的物理意義,能夠更充分地考慮孔隙結(jié)構(gòu)對滲流的影響。但現(xiàn)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(guī)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(jié)構(gòu)并構(gòu)建數(shù)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(dǎo)致的納米尺度效應(yīng)及其他特殊的流體輸運現(xiàn)象?，F(xiàn)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(dǎo)致部分頁巖有機質(zhì)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(yù)測存在偏差,進而影響滲流規(guī)律研究,需要通過提高實驗精度或深度學(xué)習(xí)算法進行優(yōu)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(zhì)中的流動過程時,將復(fù)雜多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)簡化為簡單的球棍結(jié)構(gòu),忽略了復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)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(chǎn)生很大的計算量,不適合用于大規(guī)模的流動模擬。對于頁巖油藏,現(xiàn)有的流動模擬以單相流居多,兩相流較少;以單一介質(zhì)建模居多,多重介質(zhì)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(yīng)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(yīng)的滲流數(shù)學(xué)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(fù)雜的儲層孔隙結(jié)構(gòu),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(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型尚不能完全反映真實多孔介質(zhì)的性質(zhì),對于復(fù)雜孔隙連通性和結(jié)構(gòu)特征的描述尚不準確;同時,針對頁巖儲層的滲流數(shù)學(xué)模型仍需進一步考慮滑移邊界條件、吸附解吸、黏度非均質(zhì)性、混合潤濕等問題。

5.2 發(fā)展趨勢

(1)鑒于頁巖油藏復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)及其對滲流的影響,未來仍然需要有效的技術(shù)手段來開展不同礦物組成、富有機質(zhì)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(nèi)實驗的基礎(chǔ)上,通過深度學(xué)習(xí)或人工智能等算法,建立能夠考慮更多細節(jié)信息的頁巖多尺度孔隙結(jié)構(gòu)表征方法。

(2)目前納米孔隙流動通常采用分子動力學(xué)模擬方法,如何進行尺度升級,將納米尺度的研究成果應(yīng)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(jié)構(gòu)精確表征的基礎(chǔ)上,充分考慮邊界吸附/滑移、密度/黏度非均質(zhì)性、微納米尺度運移機制、賦存狀態(tài)和納米約束效應(yīng)、混合潤濕性等機理,分別構(gòu)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(xiàn)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(jié)構(gòu)精確表征的基礎(chǔ)上,構(gòu)建考慮復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)、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(shù)學(xué)模型。此外,目前巖心尺度滲流數(shù)學(xué)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(yīng)用尚有距離,未來需進一步深入相關(guān)研究。

6 結(jié)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(yōu)缺點,應(yīng)根據(jù)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(xiàn)多相、多尺度滲流耦合,使研究結(jié)果更加準確可靠。

(2)現(xiàn)階段表征孔隙結(jié)構(gòu)特征的實驗方法已經(jīng)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(shù)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(zhì)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(jié)構(gòu)中的吸附/滑移機制,將單個納米孔隙頁巖油流動擴展到復(fù)雜多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)流動,準確構(gòu)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(shù)學(xué)模型。充分考慮復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)、邊界吸附/滑移、流體黏度/密度非均質(zhì)性等因素的影響,建立能夠準確表征多相、多尺度的滲流數(shù)學(xué)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(guī)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(shè)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(shè)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.