页岩油藏微观孔隙结构表征与微尺度效应对流动的影响机制

The development of shale oil will be one significant way to increase China's energy reserves and production. However, shale oil reservoirs have the characteristics of complex pore structure, the fluid flow in which is non-linear, and porosity & permeability is very low, so it’s difficult to study using traditional lab experiments. In response to the above issues, the multi-component and multi-scale digital core will be constructed based on CT scan, focused ion beam scanning electron microscopes (FIB-SEM) and superposition and coupling algorithm. Then, the pore network model will be extracted to incorporate realistic 3D topologies, the emphasis of which is to identify micro fracture. And the pore structure of shale oil reservoir will be also studied. Effect of micro scale on shale oil flow is going to be explored via Lattice-Boltzmann method and directly solving N-S equation method based on digital core and pore network model. Finally, experiments of nitrogen adsorption, pressure decay, intrusive mercury and displacement for shale samples will be implemented to verify numerical results. This research will uncover the characteristics of pore structure and the mechanism of pore-scale flow in shale reservoirs, which will support theory evidence for the development of shale oil reservoir.

页岩油藏开发将成为我国油气资源新的增长点，页岩油藏孔隙空间构成复杂，流体在其中的流动呈非线性特征，并且孔隙度和渗透率极低，常规室内物理实验较难描述。本课题将首先对页岩岩样进行CT扫描、FIB-SEM扫描等岩石物理实验，基于所获得的图像资料和叠加耦合算法构建多尺度、多组分数字岩心；在此基础上，提取拓扑等效的孔隙网络模型，重点研究微裂缝的识别表征方法，并分析页岩储层的孔隙结构特征；基于前面得到的数字岩心和孔隙网络模型，利用格子-Boltzmann方法和直接求解N-S方程方法，考虑吸附边界层等微尺度效应研究页岩油藏渗流规律，揭示页岩油藏非线性流动机理。最后进行室内岩心氮气吸附实验、压力衰减实验、压汞实验和驱替实验，对比验证数值模拟结果。该课题的研究将揭示页岩油藏微观孔隙结构特征和微观渗流机制，可为页岩油藏的开发提供理论依据。

页岩油藏的储集空间复杂，流体赋存形式多样，在纳微限域空间中的流动受到较强表面作用的影响，流动机制复杂，制约着页岩油藏的高效开发。基于上述问题，本项目基于数字岩心技术，提出了具有创新性的页岩多孔介质模型构建、孔隙结构表征和流动模拟方法，明确了页岩油的基本流动规律，为宏观油气开发提供了理论依据和决策参考。本项目采用数值重建方法建立多尺度多组分页岩数字岩心，整合多尺度页岩孔隙网络模型，并进行了页岩孔隙结构表征与评价。构建了含微裂缝的数字岩心和孔隙网络模型，对裂缝的结构参数进行了定量表征，计算分形维数和渗透率。建立了页岩油多尺度流动模拟研究体系：基于分子动力学模拟研究了干酪根狭缝中的页岩油赋存与流动机理；使用LBM和孔隙网络模型研究了页岩油的可动条件、渗流机理和流动规律；基于均化理论对纳微尺度的研究结果进行尺度升级，并应用到宏观数值模拟。采用扫描电镜对页岩样品进行成像，获取二维图像资料，构建三维数字岩心并提取孔隙网络模型。制造有代表性的页岩模型，研究高温高压条件下的润湿性。使用低温氮气吸附法研究了页岩的微观孔隙结构。项目研究期间，发表论文22篇，其中SCI收录19篇，EI收录1篇。申请国家发明专利7项，申请美国发明专利1项。授权软件著作权2项，参与拟定两项国家和行业标准。受邀担任期刊《Journal of Natural Gas Science and Engineering》副主编、《Journal of Petroleum Science and Engineering》编委。参与主办2020年InterPore年会，举办1次数字岩心国际研讨会，申请获得国家自然科学基金国际合作交流项目3项，获得山东省杰青项目资助。累计培养博士生3名，硕士生8名。