页岩油多尺度运移机制及数值模拟

Shale oil is some kind of unconventional petroleum resource preserving in rich organic shale formation and other thin interbedded reservoirs. Due to nano-scale porous structure, natural fractures and diversity of shale fluid occurrence, traditional seepage flow theory is inadequacy to describe the process of flow in shale porous media, it is imperative to study shale fluid transport mechanism at micro-scale and macro flow simulation method. This project intends to study the micro-structure of shale porous media and nanopore characteristics by using SEM combined with gas adsorption method, meanwhile, we conduct the one dimensional shale core flow experiment to study flow characteristics of hydrocarbon fluids. In other hands, based on the molecular dynamics simulation and nano-tube flow model, we can obtain hydrocarbon migration mechanism and apparent permeability model with respect to different types of nano-meter porous media. Furthermore, we introduce adsorption, desorption mechanism and stress sensitivity to model one dimensional shale oil flow model, study and calibrate the fluid transport parameters with physics experiment; finally, multiple fractured horizontal well coupling flow model are developed, with considering natural fractures, organic matter and multi-scale fracture network. Moreover, stimulation mechanism is studied based on the coupling flow simulation model. We eventually develop a multi-scale numerical simulation theory and method in shale oil reservoir, which could provide theoretical basis and technical support for effective development of shale oil reservoir.

页岩油是指赋存于富有机质泥页岩及其他岩性薄夹层的石油资源。页岩储层具有纳米级孔隙、微裂缝发育及流体赋存形式多样等特点，传统渗流理论无法描述页岩油的流动过程，需要对页岩油微观尺度的运移机制及宏观流动数值模拟方法展开研究。本课题利用扫描电镜结合气体吸附等方法对页岩孔喉微观结构以及纳米孔隙进行表征，开展页岩岩心流动实验，研究储层孔隙不同应力条件及赋存方式下烃类流体的流动特征；并基于分子动力学模拟和纳米管流动模型，研究不同类型纳米孔隙中烃类流体结构与运移机制，构建页岩油表观渗透率模型。在此基础上，考虑吸附/解吸及应力敏感等因素，建立页岩油一维流动模型，得到输运特征参数并结合物理实验进行修正；最后，考虑页岩储层裂缝发育、有机质分布及多尺度裂缝网络，建立页岩油体积压裂水平井耦合流动模型，探索不同开发方式增产机理。最终形成一套页岩油多尺度数值模拟理论与方法，为页岩油储层有效开发提供理论依据和技术支持。

页岩油是指赋存于富有机质泥页岩及其他岩性薄夹层的石油资源。页岩储层具有纳米级孔隙、微裂缝发育及流体赋存形式多样等特点，传统渗流理论无法描述页岩油的流动过程。为准确描述页岩油藏的多尺度流动特征，本项目开展了页岩油流动物理模拟实验、微观及岩心尺度的页岩油流动模拟及页岩油多尺度渗流数值模拟系列研究。首先综合利用扫描电镜等方法对页岩孔喉微观结构以及纳米孔隙进行表征，搭建了页岩岩心驱替实验平台并开展了页岩岩心流动实验，明确了储层孔隙页岩多尺度孔隙中流体的流动特征；同时利用分子动力学模拟揭示了不同类型（有机孔、无机孔）微纳孔隙中的流体运移机制，确定了微尺度效应影响下固液作用、液液作用对流体运移的影响，明确了边界层厚度、滑移长度等关键参数并分析了固体表面润湿性及粗糙度的影响规律；然后考虑物理吸附和速度滑移，推导了液态烃类在无机孔和有机孔的流动模型，研究了液态烃类在微纳米孔隙运移规律，分析了吸附效应和速度滑移等机理对运移规律影响，并引入有机孔含量参数、多孔介质结构参数(孔隙度和迂曲度)和应力敏感性，建立了岩心尺度综合考虑无机多孔介质和有机多孔介质耦合数学模型，提出了页岩油表观渗透率计算方法。进一步考虑页岩储层的多尺度孔隙空间分布特征，构建了综合考虑不同尺度介质流体多种运移机制和流体多尺度传质非均质性特征的双重分形扩散方程，建立了考虑页岩储层裂缝发育及有机质分布特征，有机质吸附、无机质滑移流动和裂缝渗流的多重介质渗流数学模型，得到了体积压裂有效改造体积识别方法和有效孔隙度/渗透率表征方法，可应用于页岩油藏压裂水平井的生产动态分析。本项目所提出的页岩油多尺度流动模拟方法为我国陆相页岩油的有效开发提供了坚实的理论支撑，相关理论研究成果已在长庆油田长7页岩油，胜利油田纯梁致密油以及大港油田孔二段页岩油等多个油区进行了应用，平均提高采收率达3.9%以上，具有较高的应用推广价值。