页岩油赋存状态及油水流动机制研究

The resources of shale oil are abundant, the pore size of the reservoir is nanoscale and the structure is complex. The effects of wettability and roughness are even more pronounced. There coexist oil and water after fracturing, and it is crucial to make sure the flow mechanism of oil and water in the shale. Aiming the problem of unclear understanding of the occurrence and flow mechanism, research on occurrence of shale oil and flow mechanism of oil and water under water environment. Through the combination of laboratory experiments, molecular dynamics simulation and theoretical models, this project analyzes the pore structure characteristics, mineral composition, and wettability, and establishes molecular dynamics model for shale reservoirs and fluids, determines the occurrence state of oils in nanopores considering wettability, and identifies the influencing factors, studies the interaction mechanism of oil-water-shale surfaces, and provides the adsorption critical point, fluid diffusion characteristics, and slip length. Combined with computational fluid dynamics, establishes oil-water flow model with slip boundaries of shale reservoir. Finally, the flow mechanism of oil and water in shale reservoirs that takes surface roughness into account is revealed. It will provides theoretical basis for the development of two-phase flow experiments and the development of shale oil in future.

我国页岩油资源丰富，其储层孔隙尺度为纳米级，结构复杂，表面润湿性和粗糙度的影响更加显著，压裂开采后孔隙中油水共存，搞清油水在页岩中的流动机制至关重要。项目针对目前页岩储层中油的赋存状态、油水流动机制认识不清的问题，开展水环境下页岩油赋存状态及油水流动机制研究。项目在多学科交叉基础上，通过实验模拟、分子动力学模拟、理论研究等技术措施，分析孔隙结构特征、矿物成分和润湿性，建立页岩储层和流体的分子动力学模型，确定考虑润湿性的纳米孔内油的赋存状态，并明确影响因素，给出油-水-页岩表面的相互作用机制、储层中流体的吸附临界点、流体扩散特征和滑移长度，结合计算流体力学，建立考虑表面粗糙度的有滑移边界的页岩储层油水流动模型，最终揭示页岩储层中油水两相的流动机制，为未来两相流实验的开展和页岩油的开发提供理论依据。

中国的原油进口量已接近70%，为保障国家能源战略安全，非常规油气开发已成为研究热点，页岩油巨大的资源量不断引起人们的关注，本项目针对页岩油纳米级孔隙结构，复杂的壁面润湿性以及压裂后油水共存的问题，通过室内实验、分子动力学模拟，分析了页岩储层的孔隙结构特征、矿物成分和润湿性，建立了页岩储层和流体的分子动力学模型，明确了影响页岩油赋存状态的因素，揭示了油-水-页岩表面的相互作用机制，建立了考虑表面粗糙度的有滑移边界的流动模型，揭示了页岩储层中油水两相的流动机制。研究结果表明：（1）代表性页岩样品的平均孔径分布范围为1-18nm，页岩的主要成分为石英和粘土矿物，页岩油主要流体成分为C19，页岩表面润湿性表现为强亲水；（2）页岩油在微纳米孔隙中会形成吸附相和体相，孔隙尺寸影响吸附相和体相的流体分布，随着孔隙尺寸的增大，吸附层密度及厚度增加，本项目页岩壁面为无机质条件，存在一个最小的孔隙尺寸3.2nm，该尺寸下只有吸附相；与压力相比，温度对页岩纳米孔隙中吸附相的影响更大，温度升高体系动能增大，致使近壁面处烷烃更易脱离形成游离态；（3）随着水湿程度减弱，油-水-页岩表面相互作用的主要作用能由静电作用向范德华作用转化；润湿性不同时，水分子在页岩壁面会形成不同数量的对称层状结构，水湿程度越强，吸附层越多，吸附层平均密度越大，吸附层越厚，不同润湿性孔隙中两相区范围存在差异，壁面强亲水时，体相油密度分布呈活塞状，弱亲水时，体相油分布呈陀螺状，混合润湿时，体相油密度分布还受孔隙尺寸的影响；驱动力增加时，油水流动速度增大，壁面亲水性越强，油流速度越低，壁面润湿性对影响滑移长度的影响程度要大于孔隙尺寸；（4）页岩壁面粗糙度影响流体的负滑移，粗糙度增加，无因次滑移长度增大，无因次流量减小。本项目的重要成果将为两相流实验的开展和页岩油的开发提供重要的理论依据。