張雪齡 鄺頌雅 師渝滔 朱維耀 王燕令 吳學(xué)紅 牛 聰

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 河南鄭州 450002；2.北京科技大學(xué)土木與資源學(xué)院 北京 100084; 3.鄭州輕工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境工程學(xué)院 河南鄭州 450002)

致密油是繼頁(yè)巖氣之后全球非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)的又一新熱點(diǎn)，也是我國(guó)非常規(guī)石油資源最現(xiàn)實(shí)的領(lǐng)域和未來(lái)石油勘探重要的接替領(lǐng)域。致密油是特指覆壓基質(zhì)滲透率小于或等于0.1 mD的砂巖或碳酸鹽巖儲(chǔ)層中的石油，單井一般無(wú)自然產(chǎn)能，采用壓裂、水平井等措施可獲得工業(yè)產(chǎn)量[1]。實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)我國(guó)致密砂巖油儲(chǔ)層以納米級(jí)孔隙為主，孔隙直徑范圍10～1 000 nm，主體為50～900 nm，是典型的納微米級(jí)孔隙介質(zhì)[2]。這些介質(zhì)是儲(chǔ)層原油的主要儲(chǔ)存空間，也是原油進(jìn)行滲流運(yùn)動(dòng)的主要場(chǎng)所，因此弄清楚納微米孔隙介質(zhì)內(nèi)的滲流規(guī)律和輸運(yùn)特性，對(duì)有效開(kāi)采納微米孔隙介質(zhì)基質(zhì)中的原油，開(kāi)發(fā)利用致密油具有重要的實(shí)際意義。

達(dá)西定律成功地解釋了大部分中高滲透油藏的流動(dòng)機(jī)理，但致密油層的油藏特征和滲流特征與中高滲透油層明顯不同。因此,本文針對(duì)致密油儲(chǔ)層基質(zhì)中的油藏特征和滲流特性及其機(jī)理和影響因素展開(kāi)綜述，并對(duì)致密油基質(zhì)內(nèi)滲流特性研究的發(fā)展趨勢(shì)提出建議。

1 國(guó)內(nèi)外典型致密油藏特征對(duì)比

全球致密油資源豐富，主要集中在北美、亞太、中亞及拉丁美洲等地區(qū)。國(guó)外致密油勘探開(kāi)發(fā)較早，以美國(guó)為典型。中國(guó)致密油開(kāi)發(fā)較晚，最早通稱(chēng)為低滲油藏，2010年以后廣泛稱(chēng)為致密油[2]。表1給出了中美致密油藏主要區(qū)別，可以看出，與美國(guó)海相致密儲(chǔ)層相比，我國(guó)主要是陸相儲(chǔ)層，儲(chǔ)層面積變化較大，源層厚度大且變化大，有機(jī)碳含量及成熟度偏高。此外，我國(guó)致密油儲(chǔ)層類(lèi)型多樣，物性差，非均質(zhì)性強(qiáng)，儲(chǔ)層壓力正常或較低，高壓儲(chǔ)層較少，而美國(guó)致密油儲(chǔ)層為異常高壓油藏[3]。

表1 中美致密油藏主要區(qū)別[1-4]Table 1 Major differences between Chinese and American tight oil reservoirs[1-4]

表2給出了中外典型盆地致密油藏的特征，各盆地的巖性、孔隙度、滲透率、資源規(guī)模和源層厚度差別較大。此外，不同盆地巖石的脆性和應(yīng)力差異較大，鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7儲(chǔ)層巖石脆性約為40%，應(yīng)力差較小，約為4～7 MPa；準(zhǔn)噶爾盆地蘆草溝致密油層巖石脆性較高，應(yīng)力差一般小于6 MPa；松遼盆地扶余致密油層具有較強(qiáng)的塑性，應(yīng)力差在10 MPa左右。高脆性有利于網(wǎng)狀裂縫的形成，主應(yīng)力差是控制裂縫走向的關(guān)鍵因素之一。

表2 中外典型致密油藏特征[1-4]Table 2 Characteristics of typical tight oil reservoirs at home and abroad[1-4]

2 致密油納微米孔隙介質(zhì)低速滲流特征

國(guó)內(nèi)外對(duì)多孔介質(zhì)滲流規(guī)律的研究可追溯到20世紀(jì)，B.A.弗洛林觀測(cè)到水在土壤中的滲流存在啟動(dòng)壓力；隨后許多學(xué)者的研究也表明低滲透巖心內(nèi)的滲流已偏離傳統(tǒng)的達(dá)西滲流定律，呈現(xiàn)出下凹型的具有啟動(dòng)壓力梯度的非線(xiàn)性滲流特征[5-6]，如圖1中的④所示；但有少數(shù)學(xué)者對(duì)啟動(dòng)壓力梯度產(chǎn)生了質(zhì)疑，認(rèn)為是不具有啟動(dòng)壓力梯度的非線(xiàn)性特征[7-8]，如圖1中的②所示；也有學(xué)者認(rèn)為是具有啟動(dòng)壓力梯度的線(xiàn)性特征[9]，如圖1中的③所示。

圖1 多種典型滲流特征圖像Fig.1 Various typical seepage feature images

2.1 具有啟動(dòng)壓力梯度的非達(dá)西滲流特征

致密油藏相比于傳統(tǒng)的低滲透油藏，孔隙介質(zhì)的孔喉更狹小，孔隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，滲透率低，導(dǎo)致滲流阻力更大，原油難以驅(qū)動(dòng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)大量的室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)證實(shí)，致密油藏孔隙介質(zhì)內(nèi)的液體輸運(yùn)普遍表現(xiàn)為具有啟動(dòng)壓力梯度的低速非線(xiàn)性滲流特征。

表3是不同學(xué)者在啟動(dòng)壓力測(cè)量上所做的實(shí)驗(yàn)，這些是對(duì)啟動(dòng)壓力存在的有力證明。Hao等[17]認(rèn)為油水兩相的啟動(dòng)壓力要大于單相的，這是由于毛管壓力和賈敏效應(yīng)的存在；劉雪芬[18]的穩(wěn)態(tài)流量試驗(yàn)得到單相水和油的滲流曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)它們都存在下凹的非線(xiàn)性段；章星 等[19]通過(guò)CO2混相驅(qū)也得到了同樣類(lèi)似的曲線(xiàn)。這些研究都表明致密油基質(zhì)內(nèi)流動(dòng)具有典型的非達(dá)西滲流特征。同時(shí)，不少研究者給出了典型的低速非達(dá)西滲流的理論模型。如非線(xiàn)性滲流的通用模型[20]、考慮屈服應(yīng)力的非線(xiàn)性滲流模型[21]以及考慮液體和固體之間微觀作用的黏度修正滲流新模型[22]等。

表3 不同學(xué)者所做的啟動(dòng)壓力梯度的測(cè)量Table 3 The measurement of starting pressure gradient by different researchers

2.2 邊界層理論

很多學(xué)者認(rèn)為，低速低滲透油藏的滲流特征曲線(xiàn)之所以偏離達(dá)西定律，是由于滲流邊界層的影響。邊界層理論是指在微小通道內(nèi)的流體分為體相流體和邊界層流體，其中體相流體不受壁面的影響，邊界層流體受到壁面的影響近似不動(dòng)[20-21]。徐紹良、岳湘安 等[23-24]通過(guò)去離子水的微管流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，得到邊界層流體對(duì)滲流特性的影響，且管徑越小影響越大，邊界層厚度隨著壓力增大而變薄(但不會(huì)降低到零)；Wang等[25]采用分形理論也證明了不動(dòng)邊界層影響了致密儲(chǔ)層的液體滲透率，且在低壓力梯度下更為明顯。此后進(jìn)一步的微圓管單相流動(dòng)試驗(yàn)都得到了非線(xiàn)性流動(dòng)現(xiàn)象，并用邊界層理論很好的解釋了此現(xiàn)象[26-28]。隨后田虓豐 等[29]運(yùn)用修正耗散粒子動(dòng)力學(xué)的方法解釋了邊界層的機(jī)理并分析了邊界層厚度的影響因素，Xiong等[30]采用數(shù)值模擬方法證實(shí)了邊界層的影響不可忽略，邊界層理論在致密儲(chǔ)層中得到較為廣泛的應(yīng)用。

2.3 可動(dòng)流體及喉道下限

致密儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔喉半徑較小，賦存于巖層中的流體又可分為可動(dòng)流體和束縛流體。除了邊界層理論外，也有部分學(xué)者認(rèn)為產(chǎn)生非線(xiàn)性流動(dòng)是由于存在不可動(dòng)的束縛流體，主要對(duì)儲(chǔ)集層擬啟動(dòng)壓力梯度有顯著的影響。當(dāng)可動(dòng)流體飽和度越小，邊界層的厚度越大，使得低滲透儲(chǔ)集層有效滲流空間大大減小，產(chǎn)生了較高的擬啟動(dòng)壓力[31]?？蓜?dòng)流體的特征非常復(fù)雜，主要賦存在亞微米和納米孔隙中[32]。目前一些研究還表明致密巖心基質(zhì)內(nèi)可動(dòng)流體存在喉道直徑下限，即當(dāng)喉道半徑縮小到可動(dòng)流體與束縛流體轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)巖心內(nèi)的流體不能被驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)象[33]。表4給出了不同研究者對(duì)可動(dòng)流體下限的研究成果，為油藏評(píng)價(jià)提供了參考依據(jù)，并為非線(xiàn)性滲流的孔隙下限研究提供了準(zhǔn)確的尺度大小。

表4 不同研究者對(duì)可動(dòng)流體下限的研究Table 4 The research of lower limit of movable fluid by different researchers

3 致密油儲(chǔ)層基質(zhì)非線(xiàn)性滲流的影響因素

對(duì)于致密油孔隙介質(zhì)的流動(dòng)特征，大量研究學(xué)者就其形成機(jī)理和產(chǎn)生的本質(zhì)原因開(kāi)展了廣泛的研究工作。目前認(rèn)為產(chǎn)生非線(xiàn)性滲流特征的原因主要有3個(gè)方面：一是致密油儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和孔喉尺寸的微/納米級(jí)特征；二是巖心內(nèi)流體的性質(zhì)，主要包括納微米孔隙中流體的相態(tài)、非牛頓性、微可壓縮性和極性；三是流體-巖石骨架間相互作用，主要包括應(yīng)力敏感性、液-固間的作用力，這些作用使流體的流動(dòng)特征發(fā)生了改變。

3.1 致密油儲(chǔ)層孔隙介質(zhì)結(jié)構(gòu)

致密油儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)是指非均質(zhì)基質(zhì)中孔隙和喉道的幾何形狀、孔喉半徑大小及其相互連通關(guān)系。孔喉半徑的大小對(duì)滲透率和滲流特征有直接的影響。不同地區(qū)巖樣的巖心壓汞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，孔喉半徑比與滲透率呈負(fù)相關(guān)，平均孔喉半徑與滲透率呈正相關(guān)[11,37-38]。此外,啟動(dòng)壓力與巖心最大孔喉半徑呈冪律關(guān)系[11]，而且低滲透巖心多孔介質(zhì)的孔喉細(xì)微、孔喉比大、比表面積大等物理?xiàng)l件導(dǎo)致流體在巖心內(nèi)的滲流出現(xiàn)微尺度流動(dòng)效應(yīng)，楊仁鋒 等[39]認(rèn)為這是導(dǎo)致滲流出現(xiàn)啟動(dòng)壓力和非線(xiàn)性的根本原因之一。

由于納微米孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺度狹小，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段很難直接改變巖心孔隙結(jié)構(gòu)，因此有部分研究者[40-41]通過(guò)構(gòu)建孔隙網(wǎng)絡(luò)模型或數(shù)字巖心，改變形狀因子、配位數(shù)、孔喉比等結(jié)構(gòu)參數(shù)，模擬孔隙結(jié)構(gòu)變化對(duì)滲流規(guī)律的影響。

3.2 流體性質(zhì)

3.2.1納微米孔隙內(nèi)流體相態(tài)

致密油藏納微米孔隙介質(zhì)中的相態(tài)變化與常規(guī)儲(chǔ)層表現(xiàn)不同。儲(chǔ)層流體在同一個(gè)PVT物性下的相態(tài)變化過(guò)程中，當(dāng)壓力低于飽和壓力時(shí)，對(duì)于常規(guī)孔隙較大的儲(chǔ)層，一部分溶解氣會(huì)釋放出來(lái)；而在納米尺寸的孔隙中，氣體氣泡不易溢出[42]，這主要是因?yàn)橐纬尚∏实臍馀荩瑑?nèi)表面需要比外表面有一個(gè)更大的壓強(qiáng)差，因此納米孔隙中更難形成氣泡，氣體一般以溶解氣的形式存在。如表5所示，納米級(jí)孔隙空間中流體的相行為會(huì)發(fā)生一些改變，普遍認(rèn)為孔隙尺寸在10 nm以下時(shí)，泡點(diǎn)壓力會(huì)隨著孔隙尺寸的減小而降低，并且油藏條件距離臨界點(diǎn)越遠(yuǎn)，泡點(diǎn)壓力下降得越顯著；孔隙尺寸在高于100 nm時(shí)，相態(tài)規(guī)律與宏觀尺寸相同，尺寸對(duì)相態(tài)的影響可以忽略。

3.2.2流體的非牛頓性

致密儲(chǔ)層基質(zhì)巖心內(nèi)的流體主要是原油，它是一種典型的非牛頓流體。Swartzendruber[48]發(fā)現(xiàn)水在飽和多孔介質(zhì)內(nèi)的速度壓力梯度曲線(xiàn)偏離了達(dá)西定律，這是因?yàn)轲ね恋V物的影響使得流體的性質(zhì)變成了非牛頓性。非牛頓流體的滲流阻力會(huì)不斷發(fā)生變化，如黏彈性驅(qū)替劑滲流阻力隨黏彈性強(qiáng)度的增強(qiáng)而變大，冪律型流體的滲流阻力隨冪指數(shù)減小或稠度系數(shù)減小而降低[49]。姜瑞忠 等[21]認(rèn)為由于在油藏中的原油等流體存在屈服應(yīng)力的特性，從而在管流中產(chǎn)生了流動(dòng)速度偏離泊肅葉的流動(dòng)，并結(jié)合邊界層理論解釋了啟動(dòng)壓力梯度和非線(xiàn)性滲流產(chǎn)生的根本原因；Yang 等[50]把張應(yīng)力引入本構(gòu)方程，建立了描述流變性和流動(dòng)特征更加準(zhǔn)確的新模型，驗(yàn)證了上述結(jié)論。Zhang等[51]從理論上分析了靜電力與賓漢性同時(shí)存在時(shí)納微米管流中出現(xiàn)啟動(dòng)壓力梯度和可動(dòng)半徑下限的現(xiàn)象，這主要是由流體的賓漢性引起的，并受流體與固壁的靜電作用力影響。

表5 孔隙尺寸對(duì)液體相態(tài)行為的研究Table 5 Study of pore size on liquid phase behavior

3.2.3流體微可壓縮性

實(shí)際液體均具有微可壓縮性，而油藏儲(chǔ)層一般處于高壓及低速流動(dòng)，尤其是油藏中的液體一般含有較多的溶解氣，液體的可壓縮性更加明顯。微可壓縮流體的流速分布會(huì)明顯偏離拋物線(xiàn)分布[52]。針對(duì)層流中的微可壓縮黏性流體，Venerus[53]通過(guò)正則攝動(dòng)法，發(fā)現(xiàn)由于流體的慣性和體積黏度變化,壓降和阻力系數(shù)使壓力和速度分布明顯偏離了不可壓縮流。張娜 等[54]采用多尺度混合有限元方法，發(fā)現(xiàn)考慮流體的可壓縮性時(shí)能夠更精確的反映油藏特征。Zhang等[36,55]進(jìn)行了考慮液固界面作用的微可壓縮流體的滲流理論分析，進(jìn)一步證明了流體的微可壓縮性在納微尺度的非線(xiàn)性流動(dòng)過(guò)程中發(fā)揮重要影響。

3.2.4流體的極性

除了原油，地層液體中還含有大量的地層水等極性流體，極性流體中的離子同帶電固體壁面的靜電吸引作用產(chǎn)生了雙電層，并且在外界壓力驅(qū)動(dòng)時(shí)流動(dòng)阻力增大，表觀黏度增大，從而產(chǎn)生了電黏效應(yīng)[56]。Mirantsev[57]采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)比分析了納米通道內(nèi)極性和非極性流體流動(dòng)特征，得出兩者的平均速度和出口速度剖面有所差異，可見(jiàn)流體極性對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生了差異性的影響。吳九柱 等[58]采用極性不同的去離子水和異丙醇分別在不同管徑的微管中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明流體極性越強(qiáng)，極性離子同固體壁面的相互作用越強(qiáng)，流動(dòng)阻力越大。李卓 等[59]對(duì)不同離子濃度和導(dǎo)電率的去離子水和自來(lái)水在微通道內(nèi)的流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果也表明極性流體的電黏效應(yīng)對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生了較大影響。因此，流體極性對(duì)流動(dòng)的影響不可忽略。

3.3 流體-巖石骨架間相互作用

與宏觀尺度孔隙相比，納微米尺度孔隙具有百萬(wàn)倍大的表面積-體積比，因此在納微米尺度孔隙中流體與巖石的接觸面積大大增加，引起的表面效應(yīng)是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，并且隨著尺度降低，表面力相對(duì)比質(zhì)量力的作用越來(lái)越重要。流體-巖石骨架的相互作用可以表現(xiàn)為應(yīng)力敏感性和液固界面的作用力。

3.3.1應(yīng)力敏感性

應(yīng)力敏感性是指多孔介質(zhì)孔隙體積(孔隙度)、滲透率隨有效應(yīng)力變化而改變的特征。巖心多孔介質(zhì)存在應(yīng)力敏感性的原因是應(yīng)力的變化改變了孔隙結(jié)構(gòu)特征，對(duì)于低滲透巖心，有效壓力增大時(shí)，孔喉結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，小孔道閉合，進(jìn)而影響滲流特征[60]。具有應(yīng)力敏感性的巖心滲透率受孔隙壓力的影響，滲透率隨驅(qū)替壓力的增大而增大，壓力增大到某一值后滲透率不再發(fā)生變化[61]，楊孝 等[62]和鐘高潤(rùn) 等[63]對(duì)致密儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的結(jié)果，且應(yīng)力敏感性隨著儲(chǔ)層物性變差而增強(qiáng)。對(duì)于存在應(yīng)力敏感性的巖層，由于外界條件變化導(dǎo)致儲(chǔ)層物性改變，進(jìn)而對(duì)滲流特征產(chǎn)生直接的影響。

3.3.2液固界面作用力

1) 界面張力和毛管力。

界面張力和表面張力的本質(zhì)是一致的，表面層中的液體分子都受到指向液體內(nèi)部的吸引力作用，表面的液體分子通過(guò)表面張力使其保持平衡，因此表面張力是使液體表面處于拉伸狀態(tài)的一種力；同理，液體與固體表面接觸，其界面產(chǎn)生的力叫液-固相間的界面張力，它是作用在單位長(zhǎng)度液體界面上的收縮力。界面張力在表面浸潤(rùn)、物理吸附毛細(xì)現(xiàn)象中起著重要的作用，當(dāng)液體內(nèi)部的內(nèi)聚力小于液固相間的附著力時(shí)會(huì)產(chǎn)生潤(rùn)濕現(xiàn)象，反之為非潤(rùn)濕現(xiàn)象。當(dāng)流體與小尺寸的固體通道接觸時(shí)會(huì)形成毛管力，產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象，并且孔隙尺寸越小，毛管力越突出。因此，對(duì)于納微米孔隙尺寸的儲(chǔ)層，可以利用作為動(dòng)力的毛管力進(jìn)行滲吸采油，將孔隙內(nèi)的非潤(rùn)濕相置換出來(lái)。當(dāng)潤(rùn)濕表面完全浸潤(rùn)固壁面后，流體會(huì)粘附于固體壁面，形成一層類(lèi)似不動(dòng)邊界層[23]，對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生較強(qiáng)影響。李中鋒 等[64]認(rèn)為界面張力能引起流動(dòng)偏離達(dá)西定律。

2) 液-固范德華力。

分子之間的范德華力由取向力、誘導(dǎo)力、色散力組成[65]，具有疊加性，從而產(chǎn)生分子團(tuán)之間的長(zhǎng)程作用力Lifishitz van der Waals(LW)，其作用范圍可達(dá)到微米級(jí)別[66]。李洋 等[26]發(fā)現(xiàn)在微圓管實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生非線(xiàn)性流動(dòng)現(xiàn)象,認(rèn)為是液體和固壁分子之間的范德華力引起了不動(dòng)邊界層；有學(xué)者采用分子動(dòng)力學(xué)分析了納米管道內(nèi)范德華力對(duì)流動(dòng)的影響[67]，還有學(xué)者認(rèn)為液固范德華力會(huì)引起流體黏度在壁面附近快速增加，從而使速度明顯偏離泊肅葉分布[68-70]。Wang等[71]建立了液固范德華力兩相分析模型；張雪齡[36]分析了微可壓縮潤(rùn)濕流體受固壁的長(zhǎng)程范德華力影響的微圓管流動(dòng)模型，并求出近似解析解，結(jié)果顯示流動(dòng)阻力明顯增大，速度明顯降低。Liu[72]發(fā)現(xiàn)在納微圓管中流體會(huì)出現(xiàn)異常的流動(dòng)行為，分析其是由于分子作用力和靜電力產(chǎn)生的。

3) 液-固靜電力。

液-固靜電力是極性液體與帶電的固壁面之間產(chǎn)生的靜電力，由此產(chǎn)生了雙電層(EDL)，并且在外加驅(qū)動(dòng)壓力的情況下形成了流動(dòng)電勢(shì)，由于離子不平衡從而產(chǎn)生了感應(yīng)電勢(shì)，其作用方向與流動(dòng)方向相反，也叫電黏滯力[69]。許多學(xué)者對(duì)液固靜電力進(jìn)行了廣泛深入的研究：Yang等[73]分析了電解質(zhì)溶液和帶電壁面之間產(chǎn)生EDL，將EDL的電勢(shì)場(chǎng)引入到流體力學(xué)N-S方程中并求解，得到流速明顯偏離了泊肅葉公式計(jì)算的流速[74]，且隨著雙電層厚度的增大，表觀黏度呈現(xiàn)先增大再逐漸降低的趨勢(shì)[75]；劉凱輝 等[76]和龔磊 等[77]分別用有限元法和Fluent軟件對(duì)雙電層作用下的壓力驅(qū)動(dòng)流進(jìn)行了分析，獲得了流速的數(shù)值解和EDL對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)流的阻力效應(yīng)。在納微米圓管中的流動(dòng)，由于EDL作用引起的動(dòng)電現(xiàn)象降低了流速，但外加電場(chǎng)和增加礦化度會(huì)提高采收率[34]。Zhang W 等[78]認(rèn)為液固靜電力會(huì)影響流體的速度降低，但不會(huì)改變流速與壓力梯度的線(xiàn)性關(guān)系；張雪齡 等[51]認(rèn)為在賓漢性的作用下，液固靜電力會(huì)加劇流動(dòng)的非線(xiàn)性特征。

上述研究工作都為流體在納微米孔隙內(nèi)的流動(dòng)提供了重要的參考依據(jù)，說(shuō)明流體-骨架的相互作用對(duì)納微米孔隙介質(zhì)內(nèi)的流體流動(dòng)產(chǎn)生了復(fù)雜的影響。

4 致密油儲(chǔ)層基質(zhì)非線(xiàn)性滲流特性研究的發(fā)展趨勢(shì)

目前研究致密油的滲流特征主要集中在理論分析、數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方面，其中理論分析計(jì)算主要集中在力學(xué)的基礎(chǔ)理論研究，數(shù)值模擬主要集中在三維數(shù)字巖心的構(gòu)建，而實(shí)驗(yàn)測(cè)試趨向于更小尺度下高精度的測(cè)量。

4.1 力學(xué)基礎(chǔ)理論計(jì)算

當(dāng)今滲流力學(xué)的發(fā)展出現(xiàn)了多種低速非達(dá)西或非線(xiàn)性模型，但大部分來(lái)源于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的歸納總結(jié)，或建立的非線(xiàn)性流動(dòng)模型沒(méi)有切實(shí)的理論依據(jù)，因此應(yīng)該加強(qiáng)從基礎(chǔ)理論出發(fā)探究低速非線(xiàn)性流動(dòng)產(chǎn)生的根本原因。由于致密油藏的巖石孔隙空間狹小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接研究起來(lái)較為困難復(fù)雜，因此可以從簡(jiǎn)單的長(zhǎng)直圓管模型入手，研究清楚其內(nèi)部的基本流動(dòng)規(guī)律后再逐步深入到復(fù)雜孔隙中。如Zhang等[36]考慮液固界面相互作用，將長(zhǎng)程范德華力引入到微可壓縮流體的流體動(dòng)力學(xué)方程，通過(guò)渦流函數(shù)和攝動(dòng)方法求解，得到了速度和壓力的近似解析解，就是一個(gè)很好的探索。

4.2 更精確的實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段

目前通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究致密油巖心內(nèi)部的滲流特征，主要集中在巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、納微圓管實(shí)驗(yàn)與可視化實(shí)驗(yàn)等方面。微圓管實(shí)驗(yàn)是通過(guò)測(cè)試微圓管兩端的動(dòng)態(tài)壓差和流速的相對(duì)變化來(lái)探究多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)時(shí)所受到的微觀力種類(lèi)及其作用范圍，進(jìn)而可間接推導(dǎo)分析致密儲(chǔ)層滲流特征。目前微圓管實(shí)驗(yàn)最低尺度僅達(dá)到1 μm級(jí)別，更小尺度的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)未見(jiàn)報(bào)道。Liu等[72]采用納米芯片可視化技術(shù)研究了寬25 μm、深500 nm的納米通道中的油水兩相流動(dòng)過(guò)程，觀察到異常的流動(dòng)行為和上端壓力。關(guān)于啟動(dòng)壓力的測(cè)量也存在爭(zhēng)議，如果能夠從實(shí)驗(yàn)精度上突破更低流量和壓力的測(cè)量，將為解決這一爭(zhēng)論問(wèn)題提供有力的證據(jù)。

4.3 更準(zhǔn)確的數(shù)值模擬方法

致密油儲(chǔ)層孔隙狹小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要借助數(shù)值模擬的手段研究其流動(dòng)規(guī)律。目前，孔隙介質(zhì)的數(shù)值模擬方法有很多，如格子玻爾茲曼方法(LBM)[79]、分子動(dòng)力學(xué)模擬(MD)[80]、粒子耗散動(dòng)力學(xué)模擬(DPD)[81]、量子模擬[82]、分形幾何表征、孔隙網(wǎng)絡(luò)模型(PNM)。其中，孔隙網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)值模擬(PNM)是一種發(fā)展較為成熟的方法，已經(jīng)可以很好地模擬巖心內(nèi)的各種滲流過(guò)程，但是其計(jì)算結(jié)果的精度仍有待提高，具體體現(xiàn)在更高精度的數(shù)字巖心、更合理的等價(jià)拓?fù)淇紫毒W(wǎng)絡(luò)模型和流動(dòng)模擬模型的構(gòu)建。

1) 在數(shù)字巖心的構(gòu)建方面， Lin等[41]采用微CT和電子顯微鏡協(xié)同構(gòu)建的碳酸鹽巖雙孔隙數(shù)字巖心，就是數(shù)字巖心在精度上的創(chuàng)新；Du等[83]基于FE-SEM和圖像處理技術(shù)，精確度可以達(dá)到10 nm，這是當(dāng)前的精度極限。

2) 在等價(jià)拓?fù)淇紫毒W(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建中，現(xiàn)有較成熟的方法是中軸法和最大球法，但在接觸角的表征和孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的驗(yàn)證仍存在問(wèn)題。一方面，接觸角是流體-流體-固體間分子相互作用的尺度關(guān)系，它受到流體-巖石組分的化學(xué)和物理復(fù)雜性以及壓力和溫度等的強(qiáng)烈影響，當(dāng)前的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型尚未開(kāi)發(fā)出一種合適的接觸角的表征方法。另一方面，孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的驗(yàn)證也是一大難題。Yang 等[84]采用微觀模型實(shí)驗(yàn)對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)孔隙網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)所有測(cè)試的孔隙尺度的匹配水平在75%左右，這是迄今最好的驗(yàn)證；其他巖心尺度的參數(shù)，如初始/原生水飽和度和油相滲透率的匹配程度在15%～60%。因此，在納微尺度的復(fù)雜幾何形狀中的流體結(jié)構(gòu)和驅(qū)替機(jī)理的驗(yàn)證，以及孔隙尺度參數(shù)對(duì)孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的影響精度及其驗(yàn)證也是需要面對(duì)的挑戰(zhàn)。

3) 在流動(dòng)模型的構(gòu)建上，跨尺度的通用模擬方法則是當(dāng)前面臨的重要挑戰(zhàn)。王沫然 等[85]通過(guò)孔-場(chǎng)跨尺度模擬算法模擬了現(xiàn)場(chǎng)尺度的納微米孔隙內(nèi)氣體滲流，在氣井流入動(dòng)態(tài)和衰減曲線(xiàn)分析方面具有很好的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)意義，但在致密油多孔介質(zhì)中還面臨很多挑戰(zhàn)。