压敏效应对致密多孔介质微观孔隙结构及流体流动的影响机制

The efficient development of oil and gas reservoirs in tight porous media is one important way to increase China's oil and gas reserves and production. However, tight porous media has the following characteristics: small pore and throat, low permeability, stress sensitivity and the fluid flow in which is non-linear. In response to the above issues, the effect of pressure-sensitive effect on microscopic pore structure deformation and oil & gas flow in tight porous media will be studied based on digital core using pore-scale modelling method. Firstly, different effective stress will be impressed on rock samples, CT scan, scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction experiments will be carried out, the corresponding digital core will be reconstructed and quantitative characterization of pressure-sensitive effects on microscopic pore structure; Secondly, two-phase flow simulation of oil/water, gas/water will be studied to investigate the pressure-sensitive effects on flow caused by microscopic pore structure deformation using the lattice-Boltzmann method; Another modelling method is that taking into account the stress-strain and multiphase flow, COMSOL multi-physics numerical simulation software will be used to study the pressure-sensitive effect on fluid flow in tight porous media. Lastly, indoor core flooding experiments and the pressure mercury experiment will be carried out to verify the two types of simulation results. This study will reveal the mechanism of pressure-sensitive effects on microscopic pore structure and fluid flow in tight porous media, which can support the development of the tight reservoirs.

致密介质中油气藏的高效开发是我国油气增储上产的重要阵地之一，但是致密介质孔隙喉道小、渗透率低、流体在其中的渗流呈非线性，并且应力敏感性强。针对上述问题，课题拟基于数字岩心，采用微观流动模拟方法，阐明压敏效应对致密介质微观孔隙结构形变及油气渗流规律的影响机制。课题拟首先对岩样施加不同有效应力，进行CT扫描、扫描电镜(SEM)、X射线衍射等实验，然后构建数字岩心，定量表征压敏效应对微观孔隙结构的影响；在此基础上，基于数字岩心和格子-Boltzmann方法，模拟油水、气水两相流动，研究压敏效应引起的微观孔隙结构形变对渗流的影响；同时考虑应力应变和多相渗流，利用COMSOL多物理场数值模拟软件进行压敏效应对渗流的影响研究；最后进行室内岩心驱替实验和压汞实验，对比验证两种数值模拟结果。该课题的研究将揭示压敏效应对致密介质油气藏微观孔隙结构和多相渗流的影响机制，为高效开发致密介质油气藏提供支持。

多孔介质的孔喉结构复杂，尤其是致密砂岩等非常规储层，压敏效应会导致相应的孔喉结构发生大幅度变化，因此对孔隙级多孔介质的压敏效应进行系统的研究有重要意义。本课题基于可以真实描述岩石内部结构特征的CT扫描技术，结合数字岩心和孔隙网络模型理论进行分析，获得有效应力变化与孔隙结构的变化关系；同时，建立了孔隙尺度上渗流场-应力场的流固耦合模型。在实验方面，首先，本课题建立了基于CT扫描法构建数字岩心的理论与方法。CT扫描获得岩心的三维图像，经过滤波、二值分割处理得到数字岩心，提取孔隙网络模型，分析岩心的几何结构特征和拓扑结构特征，并进行流动模拟获得绝对渗透率等参数。然后，基于人造砂岩形成了一套基于CT扫描的应力敏感实验及分析方法。根据行业标准，在碳纤维岩心夹持器中进行应力敏感实验，在不同压力下对岩心进行CT扫描，构建不同应力下的数字岩心，进而提取不同应力下的孔隙网络模型，研究相应的孔隙结构特征和渗流规律。最后，将该套方法应用到实际油田的中高渗砂岩和致密砂岩，进行不同类型砂岩的应力敏感实验，并对两种砂岩的应力敏感进行对比分析。在模拟方面，基于不可压缩的N-S方程和Biot应力应变方程，构建了孔隙尺度上流固耦合数学模型，利用有限元方法进行了二维孔隙级流体流动计算，物理模型选用二维规则圆模型、二维不规则圆模型和实际SEM图像模型，得到了渗透率和孔隙度随围压以及流动压差的变化规律。本课题运用Comsol Multiphysics软件进行渗流模拟，得到孔隙空间中速度场和压力场的分布，并研究边界层主要性质对渗流的影响。通过本课题研究，形成了较为完整的基于CT实验的应力敏感评价方法，对油气田开发提高采收率具有重要应用价值。项目执行期间，发表论文17篇，其中，SCI收录9篇，EI收录3篇。已申请国家发明专利7项。成功举办了2次数字岩心分析技术国际研讨会。成果先后获中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖1项（省部级，排名第二）和青岛市科技进步二等奖1项（排名第1）。