编者按：中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室的沈伟军副研究员及其合作者联合攻关，成功提出了致密油高效开发的一种新技术。本刊特此介绍这个研究团队的成果，以飨读者。

致密油高效开发的一个新技术

沈伟军

石油是一种黏稠的深褐色液体，它的形成是一个漫长而复杂的过程，需要经历数百万年乃至数亿年之久的地质过程和化学反应。石油作为一种宝贵的能源资源，对于人类的生产活动具有重要的意义。石油的可用作燃料（用于各种类型汽车、拖拉机、轮船、军舰、飞机、火箭、锅炉、火车等动力机械）、润滑油（包括各类滑动、转动、滚动的机械或仪器）以及溶剂（用于橡胶、油漆、皮革、油布等工业），因此人们称之为“工业的血液”。当然，在近代生活中，由于代步工具的现代化，石油也步入了普通居民的日常生活。中国和全球一样，依然保持着对石油的强劲需求。

图1 中国城市街道的车水马龙景象（图片来源：网络）

然而，石油这类化石能源资源是不可再生的，大规模应用必然导致资源的逐渐枯竭。随着常规石油资源的减少，非常规石油成为未来可挖潜的重要对象。非常规石油一般是指超重原油、油砂油、致密油、页岩油，等等。这类石油的一个显著特点储层致密（常以发育大量微纳米级孔喉为特征），用传统技术无法获得自然工业产量，需用新技术改善储层渗透率或流体粘度才能经济开采的石油。

这里介绍中国科学院力学研究所沈伟军研究团队和中国石油勘探开发研究院联合攻关研究成功的一种开发致密油的新技术。那么，什么是致密油呢？我们先介绍一个概念：“覆压基质渗透率”，它是指模拟地层条件压力下岩石允许流体通过的能力，是表征岩石本身传导流体能力的参数（常用单位为毫达西,1毫达西=10^-3微米²）。像致密砂岩、致密碳酸盐岩等覆压基质中油气的渗透率小于或等于0.1×10^-5微米²（作为比较，空气渗透率小于1×10^-3微米²）。这样，我们就可以来说什么是致密油啦！它就是指储集在这类极低渗透率储集层中的石油[1]。我国致密油藏储层主要特点为陆相沉积，顾名思义，陆相是沉积相的一类，和海相相对，即在陆地地区形成的沉积。致密油层在纵向上和平面上分布十分不均匀，储量丰度较高，通常赋存于地层深部致密沉积岩中（1800～4500 m）（图2）。在致密的储层当中，孔隙大小以及连通性都明显低于常规中高渗油气储层，油气渗流阻力大，需要进行人工储层改造，增大渗流面积。致密储层主要是大面积分布的物性极差的储层，生油层与储层紧密联系；致密油由于储层渗透率极低，无法获得自然产能，需要利用水平井和多级压裂等密集型技术才能实现经济开采。

图2 常规石油、天然气与非常规油气空间分布示意图（图片来源：参考文献[2]）

近年来，我们研究团队在室内研究成功了线注线采技术，它作为一种新的开发方式，极有可能成为致密油藏高效开发的“革命性”技术。线注线采开发技术最初启蒙于国外智能井的概念，这里的智能井就是在井中安装了可获得井下油气生产信息的传感器、数据传输系统和控制设备，并可在地面进行数据收集和决策分析的油井。而水平井同步压裂技术和同步/异步注采技术则为线注线采开发提供了理论基础与技术储备。线注线采开发技术是相对于传统的直井点状注水、水平井线状采油方式，采用压裂裂缝间注采的一种新技术。根据实施措施井数目的不同,线注线采开发方式可以分为两种模式：第一种是同井缝间注采，另外一种是异井缝间注采。“同井缝间注采”的原理是通过找到地下压裂裂缝，在裂缝间进行注采的技术。“异井线注线采”的原理则是基于两口或以上水平井，利用井下智能控制与检测装置，在布置平行的2 口或多口压裂井，注采裂缝交替排布，采油和注水交替进行（图3）。

图3 异井线注线注采方式（图片来源：自制）

那么，在实验室里如何研究这种新技术呢？显然，常规小岩心（长度大约是5厘米，直径大约在2.5 厘米左右）驱替实验是难以有效模拟线注线采过程的，这里的“驱替实验”是指一定温度和压力条件下，用油或水以一定的流量，利用渗透作用，置换水或油的实验。我们研究团队基于自主研发设计的大尺度物理模拟实验系统（图4），建立了致密油藏线注线采物理模拟方法。我们的大尺度物理模拟实验系统由驱替系统（驱替泵中间容器等）、环压增压系统（一台伺服泵和一台精确控制泵）、压力与电阻采集系统、控制系统和计量系统（采样器和量筒）构成。平板岩心（最大长宽高分别为50cm, 50cm, 3cm）应选取目标油藏所在地的岩石露出地面的部分（行业术语为“露头”），通过线切割机制造人工裂缝，利用封装胶对岩心封装，然后进行抽真空（即抽出岩石中的空气），并利用抽真空所产生的压力将油或水“吸入”岩石中，使油或水能够充分饱和。

图4 高温高压大尺度物理模拟实验系统（图片来源：参考文献[3]）

在这个高压大尺度物理模拟实验系统中，我们研究团队研究了不同注采间距、注采裂缝长度对水平井情况中线注线采注水开发过程的影响作用。我们的研究发现：致密油藏水平井采用异井线注线采时，在相同的注入压力梯度0.11兆帕/米情况下，50厘米×50米×3厘米模型I和50厘米×40厘米×3厘米模型II的水驱油效率不同，这里的“水驱油”是指注入水驱出原油的采油方式。实验结果表明：模型II的驱油效率较高，为32.91%。模型II的注采间距为18厘米，相比而言，模型I的间距是23厘米。图5是物理模拟试验中驱油水的流动示意图，其中示出两条注入裂缝和单条采出裂缝，而上下两块平板代表水平井的筒壁。线注线采水驱油过程中，注入水首先沿着注入裂缝向采出裂缝方向对称均匀地压力传导，实现均匀地注水推进。这时，模型中注入裂缝两端处相对于采出裂缝不同纵向位置处的压力呈“V”字型，且关于采出裂缝对称分布。在水平井异井线注线采注水中，不同裂缝长度驱油效率是不同的，试验中分别采用了注采裂缝长度为36厘米，41厘米和46厘米的不同模型。结果表明：注采裂缝越长，驱油效率越高。此外，我们的实验还揭示，致密油藏体积压裂水平井线注线采开发过程中，油水呈现区别于径向流的线性流动。在所谓的“径向流”中，流体在平面上从四周向中心井点汇集或从中心井点向四周发散；而在所谓的“线性流”中，流体做渗流流动时全部流线为互相平行的直线；在实际生产井的井底附近，基本上都是径向流动方式。由于渗流距离小于常规井网注采井排距，使得渗流阻力（多孔介质对渗流的阻力）大幅度降低，从而有效增大了水驱油波及范围，相比于衰竭式开发驱油效率至少提高8个百分点。

图5 致密油藏水力压裂水平井线注线采流动示意（图片来源：参考文献[3]）

上述这项研究工作将为我国致密油藏高效开发提供了重要的理论基础和关键技术支撑，为该类低渗储层的高效开发和能量补充具有重要的借鉴作用，也将有力助推我国陆相页岩油技术革命。

参考文献

1.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．致密油地质评价方法：GB/T34906-2017[S]. 北京: 中国标准出版社, 2017.