迎接氣藏新時代
——記中國石油大學副教授石軍太

本刊記者 劉婉茹

專家簡介：

石軍太，中國石油大學（北京）副教授，油氣田開發(fā)工程碩士生導師。校級培育團隊“氣藏工程教學團隊”成員，SPE會員，中國石油學會會員，Energy & Fuel、Fuel、Journal of Petroleum Science and Engineering、International Journal of Computational Methods、Petroleum Science Technology等高水平國際期刊審稿人。

主要研究方向為：復雜常規(guī)氣藏（凝析氣藏、低滲氣藏等）和非常規(guī)氣藏（煤層氣藏、頁巖氣藏等）相態(tài)特征、滲流機理及產(chǎn)能預測方面的研究。目前負責2項國家自然科學基金、2項國家科技重大專項子課題、1項中國石油大學（北京）科研啟動基金、2項油田攻關橫向課題；參與1項國家自然科學重大基金、1項國家自然科學基金、3項國家“973”子課題，3項國家科技重大專項項目、多項氣藏開發(fā)橫向項目。

至今發(fā)表論文40多篇，其中被SCI、EI和ISTP檢索30多篇（JCR二區(qū)3篇、三區(qū)1篇，EI收錄論文31篇），發(fā)表論文被SCI引用超過20次；并參與編寫著作2部；已提交申請國家發(fā)明專利3項；獲得省部級科技進步獎一等獎1項。2012年6月榮獲中國石油大學（北京）青年拔尖人才稱號，博士論文被評為2013年度中國石油大學（北京）優(yōu)秀博士論文。

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，石油危機的沖擊和煤、石油所帶來的環(huán)境污染問題日益嚴重，使能源結(jié)構(gòu)逐步發(fā)生變化。天然氣在能源的大舞臺上逐漸開始擔任重要的角色，如今它已被國際列為世界三大支柱能源之一。另外，作為一種清潔能源，它對地球環(huán)境的改善起到了至關重要的作用，在環(huán)境與經(jīng)濟并重的時代背景下，天然氣的開采已成為世界各國發(fā)展計劃中的要點。

數(shù)十年來，縱深挖掘、橫向勘探之后，中國天然氣勘探開發(fā)的主體對象由原來的常規(guī)氣層逐步向凝析、低滲、超深層等復雜常規(guī)氣藏及煤層、頁巖層等非常規(guī)氣藏轉(zhuǎn)變?！按罅Πl(fā)展復雜氣藏和非常規(guī)氣藏技術，精確找到油氣層并盡可能多地開采天然氣，是現(xiàn)在及將來很長一段時間的研究重點?！笔娞f。

與氣藏“相戀”

“國內(nèi)常規(guī)氣藏技術已經(jīng)發(fā)展得很完善，甚至并不輸于國外，且常規(guī)氣層中的天然氣也被開發(fā)了大部分。但是在復雜、非常規(guī)氣藏方面，還有很多不足的地方。”出于這個原因，石軍太從碩士期間起就義無反顧地踏上了氣藏科研之路，但是他最初選擇石油專業(yè)，只因愛挑戰(zhàn)的性格。

石軍太天資聰慧，從小學到到高中一直出類拔萃，經(jīng)常在考試中獨占鰲頭。2002年，他以優(yōu)異的成績考入中國石油大學石油工程專業(yè)?；貞涍^往，石軍太說：“報考的時候，老師跟我說石油工程這個專業(yè)發(fā)展前景廣闊，但可能工作環(huán)境會很艱苦，我決定試試?！本瓦@樣，他與“油氣”打交道的生活開始了。

在對石油工程專業(yè)有些了解之后，他漸漸對“地底下的東西”著了迷。憑借出眾的成績，他被保送本校碩博連讀，師從李相方。李相方教授曾任中國石油大學石油天然氣工程學院院長，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局非煤礦山安全生產(chǎn)技術支撐專家，并曾獲國家能源科技進步獎一等獎等多個獎項，是中國石油天然氣領域的一線專家。在他的引導下，石軍太的知識貯備和科研能力都更勝一籌，“這期間我還接受了由美國最大的公立學校之一——德克薩斯大學奧斯汀分校與母校的博士聯(lián)合培養(yǎng)，開闊了眼界?！?013年，石軍太的博士論文被評為中國石油大學優(yōu)秀博士論文，為這段學習生涯畫上了圓滿的句號。

畢業(yè)后，石軍太選擇留校任教，之所以選擇駐留在了北京，只因他認為這里是更有益于做事情的地方。“北京是名副其實的科技之城，信息暢通、科技資源豐富，對于想從事科研的我，這里很合適?！?/p>

石軍太的研究工作是圍繞復雜氣藏和非常規(guī)氣藏開展的，這是當今中國天然氣開發(fā)的一個瓶頸，要想利用好天然氣資源，這個坎必須要邁過去?！爱斚鲁Ｒ?guī)的氣藏已經(jīng)開發(fā)的差不多了，剩下的復雜氣藏和非常規(guī)氣藏開發(fā)的成本都較高，收益卻低，甚至有些氣藏例如凝析氣藏都采不出來，我們的工作就是去解決這個問題?！?/p>

石軍太告訴記者，他們工作的另一個重點是要預測油氣井的產(chǎn)量，這并不是只得到一個簡單的數(shù)值，而是要清楚地知道一口井能穩(wěn)產(chǎn)幾年，期間高產(chǎn)值的持續(xù)時間，低產(chǎn)值的持續(xù)時間，產(chǎn)量遞減的速率都需要預測清楚?！捌浯?，我們還要研究導致一口井產(chǎn)量低的因素是什么？我們將找一些方法去改善它?！?/p>

從碩士期間至今，他已經(jīng)積極參與主持多項國家基金委、科技部、國家“973”計劃、氣藏開發(fā)橫向等項目，始終活躍在非常規(guī)、復雜氣藏工程的科研第一線，雖然今年的石軍太才32歲，但他已經(jīng)在該領域提出了不少具有“首次性”的結(jié)論。

入選科學中國人（2015)年度人物

開發(fā)方式探索者

我國凝析氣田儲量豐富，但由于不同氣田地質(zhì)構(gòu)造、孔滲、凝析油含量與氣水分布差異大，決定了開發(fā)方式的復雜性，又由于凝析氣藏開發(fā)理論不完善，致使我國凝析氣藏開采方式較單一，因此造成一些氣田開發(fā)效果較差。

“彈性開采凝析油采收率較低，而注氣開發(fā)雖然效果較好，但可能經(jīng)濟效益較差”，石軍太解釋說，不少凝析氣藏在彈性開發(fā)多年后再轉(zhuǎn)變?yōu)樽忾_發(fā)，存在轉(zhuǎn)入時機不佳的問題，此外適合注氣開發(fā)的凝析氣藏有限，因而對凝析氣藏有效開發(fā)方式及相關技術的需求十分緊迫。

石軍太專攻難點，與合作者在國家自然科學基金項目、國家“973”項目、國家“863”項目等多個項目的資助下，系統(tǒng)地對凝析氣藏展開了研究?！拔覀儾粌H建立了二維微觀孔隙網(wǎng)絡凝析氣相變實驗模型，而且用微米級玻璃粉作為填充介質(zhì)構(gòu)筑的三維夾珠凝析氣相變實驗模型，它們可用于直接觀測凝析氣在孔隙介質(zhì)中的相態(tài)變化過程?！绷硗?，他們還建立了考慮毛細作用和吸附作用的凝析油氣體系相態(tài)數(shù)學模型，并且研究了多孔介質(zhì)中毛管力和吸附作用對凝析氣相態(tài)的影響機理。

值得一提的還有，石軍太發(fā)現(xiàn)了一個對凝析油臨界流動飽和度影響很大的因素，即凝析氣藏儲層孔喉半徑的分布特征。而在方法論方面，他們則建立了考慮凝析氣藏油氣相滲四維性變化特征的產(chǎn)能試井方法和不穩(wěn)定試井解釋方法，并提出了凝析氣藏全壽命周期的組合開發(fā)方式及參數(shù)優(yōu)化方法。

該成果發(fā)表SCI論文2篇，EI文章1篇，核心文章3篇。2014年，石軍太因該研究成果榮獲中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會科學技術獎一等獎。經(jīng)中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會組織專家鑒定，該成果被一致認為總體達到國際先進水平。

“如今，我們科技成果已經(jīng)在我國牙哈凝析氣田、柯克亞凝析氣田、吉拉克凝析氣田、雅克拉凝析氣田、大澇壩凝析氣田等共9個油田得到了應用。”石軍太自豪地告訴記者，經(jīng)改造后凝析氣藏產(chǎn)能普遍提高，穩(wěn)產(chǎn)、上產(chǎn)效果較好。采用全壽命周期組合開發(fā)方式，與衰竭開發(fā)方式相比，提高采收率20%以上，總計直接經(jīng)濟效益25.4億人民幣，為國家增加稅收4.3億人民幣。

在凝析氣藏有所收獲后，石軍太開始“轉(zhuǎn)戰(zhàn)”煤層氣。我國煤層氣資源豐富，居世界第三，但利用很不充分，2013年國家能源局下發(fā)《煤層氣產(chǎn)業(yè)政策》，希望改變煤層氣沉寂的發(fā)展態(tài)勢，清理煤層氣產(chǎn)業(yè)制度障礙，有志于將煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展成為重要的新興能源產(chǎn)業(yè)，煤層氣相關的科學研究刻不容緩。石軍太對煤層氣產(chǎn)出機理及開發(fā)模式展開了全面的研究?！拔覀儗γ簝踊|(zhì)孔隙分類、煤儲層中氣水變化特征、基質(zhì)孔隙中甲烷的動力學行為、煤層氣解吸模型、擴散模型、滲流模型和產(chǎn)氣模型進行了綜述和評論。”

他發(fā)現(xiàn)煤層氣在生產(chǎn)過程中吸附氣會變?yōu)榻馕鼩?，少量的解吸氣會溶解并在儲層孔隙水中擴散，而大量的解吸氣聚集成泡或成柱在煤基質(zhì)孔隙中非達西滲流，而自由氣則從煤基質(zhì)孔隙竄流至割理-裂隙系統(tǒng)?！俺酥?，還有兩個現(xiàn)象，一是自由氣會從割理—裂隙系統(tǒng)達西滲流至井筒；二是在低媒階中，自由氣會從煤基質(zhì)孔隙非達西滲流至井筒。”石軍太補充說。

這些發(fā)現(xiàn)可為煤層氣開發(fā)提供理論依據(jù)，為煤層氣數(shù)值模擬提供理論基礎，還對煤層氣產(chǎn)氣規(guī)律的認識具有指導意義。另外，石軍太建立的煤層氣井數(shù)值模擬模型，解釋了煤層氣井產(chǎn)氣量長期不降的現(xiàn)象，可用于煤層氣井的產(chǎn)氣預測。該成果發(fā)表在《石油勘探與開發(fā)》和《中國科學：物理學力學天文學》國內(nèi)知名期刊上及SPE國際會議上。

對于煤層氣，石軍太還有些其他的想法?！拔覈拿簩託忾_發(fā)有兩個難點，其一是煤層中有水，阻礙氣體解吸和傳輸；其二是很多地域的煤層屬于構(gòu)造煤，滲透性很差。有關煤層氣解吸方面我認為兩個方法特別好，一是給井筒加溫，因為氣體在高溫下吸附量低、低溫下吸附量高，所以給井筒加溫將有助于氣體排放；二是添加表面活性劑，加速排水，促使它的解吸”，雖然這兩個新型方法尚待驗證，但他說“思路轉(zhuǎn)變才能產(chǎn)生新技術”。

石軍太

微溶膠“達人”

對于油氣藏的開發(fā)，除了開采方式是關鍵外，還有一個要點就是提高采收率，其中一種方法就是微溶膠調(diào)剖?！案鞣N水溶聚合物合成的微溶膠被用于高含水油田的深部調(diào)剖和堵水。要是利用得當，可以提高石油采收率并降低廢水產(chǎn)出，很具研究價值?！庇谑?，石軍太決定對此開展研究。

由于現(xiàn)有的各種微溶膠的特征描述與實際情況差別較大，石軍太決定重新來過，他們系統(tǒng)地研究了懸浮溶膠、預膠粘顆粒、改變相滲的微溶膠、pH值敏感性微溶膠和溫度敏感性微溶膠的特征和適用性。“在有了一些準確的基礎數(shù)據(jù)之后，我們又探討了兩種CDG，即預膠粘CDG和地下合成CDG的區(qū)別。”據(jù)此，他們發(fā)現(xiàn)預膠粘CDG和改變相滲的微溶膠在儲層中傳輸?shù)倪^程中比較穩(wěn)定，將預膠粘CDG和改變相滲的微溶膠歸為預膠粘微溶膠。

這只是邁出了一小步，在預膠粘微溶膠上，石軍太還希望得到進一步的突破，比如建立模型。通過成功開發(fā)預膠粘微溶膠粘度模型，他們得出了一個重要結(jié)果：預膠粘微溶膠粘度是預膠粘微溶膠濃度和剪切速度的函數(shù)?！斑@意味著，與現(xiàn)有模型相比，它可適用于更大濃度范圍的微溶膠粘度預測。”口說無憑，目前該模型已被文獻中的實驗數(shù)據(jù)所證實。

預膠粘微溶膠機械滯留模型，也是他們貢獻的一個創(chuàng)新點。該模型可根據(jù)孔隙大小分布，預膠粘微溶膠不會進入未被水波及的小孔隙內(nèi)，而是吸附在已被水波及的大孔隙表面，或在大孔隙的吼道處形成水力橋塞，以達到降低高滲部位滲透率，使后續(xù)注入的水沿著小孔道流動，驅(qū)出小孔隙中殘留的油，提高波及效率，從而達到提高采收率的效果。

科研成果只有轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品才能更直接地發(fā)揮力量、體現(xiàn)價值。石軍太深諳此理，他與合作者一同編寫程序，將預膠粘微溶膠粘度模型和機械滯留模型載入了UT石油系的三維化學驅(qū)軟件UTCHEM中，運行實例并進行了結(jié)果分析，初步的數(shù)值模擬實例表明載有這兩個模型的UTCHEM，可準確預測預膠粘微溶膠提高采收率的過程。以上預膠粘微溶膠粘度模型和機械滯留模型也可載入其他數(shù)值模擬器中，用于預膠粘微溶膠提高采收率過程的預測和評價。目前，嵌入此模型的UTCHEM軟件已廣泛用于膠粘微溶膠提高采收率的模擬。

該成果的兩篇代表作發(fā)表在了SCI二區(qū)期刊Energy & Fuels和多孔介質(zhì)國際會議上，獲得了Energy & Fuels多位審稿人的好評，被同行高度評價為“填補了空白”，以及“幫助了顆粒溶膠發(fā)展”等。

2013年，在國家自然科學基金的支持下，石軍太又針對致密氣藏等復雜氣藏和煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)氣藏中微米及納米基質(zhì)孔隙中的解吸傳遞機理及其產(chǎn)氣預測這一學術問題，展開了細致深入的探索，最終得到了諸多成果。

“首先這個研究揭示了致密儲層基質(zhì)孔隙中的傳遞機理并提出了全尺度滲透率模型，該模型填補了目前過渡擴散范圍內(nèi)無傳遞模型的空缺，可適用于整個努森數(shù)范圍的氣體傳遞?！笔娞榻B說。

感受到解決實際問題所帶來的樂趣，石軍太再接再厲，建立了致密儲層多段壓裂水平井不穩(wěn)定試井數(shù)學模型和解釋方法，通過試井手段可以識別出無效壓裂段，并預測出每一有效壓裂段對整個產(chǎn)能的貢獻?！斑@是為了解決目前致密氣和頁巖氣多段壓裂水平井產(chǎn)氣剖面很難識別的問題?！?/p>

而在對致密儲層多段壓裂水平井直井段、斜井段和水平井段考慮液滴大小和形狀變化之后，他們還通過所建起的臨界攜液模型，得出了斜井段最難攜液的結(jié)論，揭示出壓裂水平井井筒中排液困難是壓裂液返排率較的原因之一，為有效釋放致密儲層壓裂水平井產(chǎn)能提供了措施依據(jù)。

把事情做到極致

憑借優(yōu)異的表現(xiàn)，2012年，石軍太被評為“青年拔尖人才”?？稍谒壑校酝煽冎皇欠e淀，現(xiàn)在和未來才是重點?！拔覍⒃趦蓚€方向開展研究，首先是研究不同級別尺度介質(zhì)中氣體的傳輸機理，耦合跨尺度的傳輸機理，建立橫跨納米孔解吸和傳輸、到微孔擴散、再到天然裂縫滲流、最后到人工裂縫中滲流或酸蝕孔眼中管流的跨尺度傳輸產(chǎn)氣模型，并數(shù)值求解形成模擬器，這可用于將來非常規(guī)氣藏的動態(tài)數(shù)值模擬。”石軍太說。此外，他還準備通過理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)實驗和礦場實驗四種方法探究阻止產(chǎn)量提升的主控因素，據(jù)此提出并論證不同的增產(chǎn)提高氣體采收率的方法。

石軍太很重視國際學術交流活動，他認為科技決不能閉門造車?！懊磕晡移骄獏⒓觾纱螄H會議，我覺得這一點不可或缺。通過交流，一方面我們可以學習別人；另一方面還能宣傳自己。剛開始出去的時候，一說中國石油大學別人基本都沒聽過，而這兩年憑借科技創(chuàng)新和宣傳，中國石油大學在世界上已經(jīng)有一些知名度了?！?/p>

對一位在高校從事科研工作的學者來說，石軍太一直堅持科研與教學并重。他現(xiàn)在教授《氣藏工程》和《氣液兩相流》兩門課程，門下有11個研究生，其中3個是留學生。石軍太十分重視學生的個人意愿，一心一意為學生著想，對于畢業(yè)后想工作的學生，石軍太會重點培養(yǎng)他們的工作技能，而對于想搞研究的學生，他則會將教學的重點放在學術上。

但是在某些方面，石軍太卻是名副其實的嚴師?！拔乙笪业膶W生研一畢業(yè)起碼發(fā)表一篇文章，這是一個硬性要求。因為這直接關乎他們的未來。我也經(jīng)常讓他們做科研項目，多實踐，不能光讀書?！?/p>

當被記者問及能否給當下青年人點建議的時候，石軍太立馬說出了三點：“一是術業(yè)有專攻，選擇了一行就一定要舍得投入時間和精力來把它做好，做到極致；二是要多思考，做事情不能蜻蜓點水，走馬觀花。一溜煙過去了等于什么也沒做，要做就做深入；三是要會給生活中的事情排序，把重要的事情排在前面，相對不重要的排在后面，懂得主次，在時間緊迫的時候著力做重要的事。”

挖掘氣藏潛力，改革能源結(jié)構(gòu)，這是中國發(fā)展必須邁出的一步，石軍太和其他氣藏科研人員，將一同助力中國，迎接氣藏新時代！