1、非常规油气藏多场耦合渗流理论研究进展朱维耀，陈震，尚新春北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083通信作者，E-mail:摘要非常规油气藏是目前世界油气开发的重点领域，由于非常规油气藏的储层条件差，渗流场与应力场、温度场耦合作用，流体的流动更为复杂，以往对多场耦合理论的运用存在简易化和适应性缺陷，工程中缺少理论指导下的更有效的开采工艺与开发方法，制约了这类油气藏的大规模高效开发，亟需对多场耦合渗流力学理论进行深入认识，以对工程问题提供有效指导.从实验认识、理论分析、仿真模拟三个方面阐述了我国非常规油气资源开发领域的多场耦合渗流力学理论的研究现状，重点围绕多尺度介质力学行为特性表征、岩体和
2、流体的温度响应机制、耦合作用的概念及数学模型、多场耦合模拟仿真方法等关键问题的最新成果、认识展开论述.在此基础上对地下真实应力及温度环境的模拟、烃类吸附及置换的热量测试等问题进行分析，建议针对岩石的塑性应变、重复压裂后的应力环境变化、混合烃类的输运模型、以及流动条件随应力和温度变化的模型等科学问题进一步深化.旨在为进一步阐明我国非常规油气藏开发的动用机理、确定高效开发方法提供指导，同时希望能够促进渗流力学的学科发展.关键词非常规油气；多场耦合；非线性流动；跨尺度流动；渗流理论分类号TE122.3Multiphysicalfieldcouplinginunconventionaloilandga
3、sreservoirsZHU Wei-yao，CHEN Zhen，SHANG Xin-chunSchoolofCivilandResourcesEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTResearchinthefieldofoilandgasdevelopmenthasfocusedontheproductionofunconventionalreservoirsallovertheworld.Unconventionalo
4、ilandgasreservoirshavepoorflowconditions,andtheinteractionofflow,stress,andtemperaturefieldsisverycomplex.Therefore,multiphysicalfieldcouplingisessential.Thepreviousapplicationofmultiphysicalfieldcouplingtheoryhasdefectssuchasoversimplificationandinadequateadaptability.Furthermore,thelackofadaptivep
5、roductionpracticesandeffectivedevelopmentplans limits large-scale and efficient development,and there is an urgent necessity to investigate the adaptive multiphysical fieldcouplingtheory.Currently,thecorerheologyinfluidsolidcouplingsettingscanoftenbemeasuredbyatriaxialtestsystemunderhightemperaturea
6、ndpressureconditionscombinedwithflowexperiments.Moreover,thechangesinporesandfracturescanbetestedbymicro-CTandSEM.Inaddition,adsorptionisconsideredanexothermicprocess,anddesorptionisdeemedaheat-absorbingprocess,sothereservoirtemperaturedecreasesatthelocationwheredesorptionoccurs.Therefore,theproduct
7、ionofunconventionaloilandgastriggersaseriesofinteractions.Asthefluidflowsintothewellborethroughthefractures,thepressuredropincreasestheeffectivestress,decreasingtheaverageporeradiusandalteringtheinherentpermeability.Moreover,thechangeofpressurecausesavariationinthemicro-flow effect,significantly imp
8、acting the apparent permeability,and the heat variation during desorption and adsorption alsochangestheflowconditionaswellasthephysicalpropertiesofthefluid.Asaresult,thesephysicalfieldsarecloselyrelated.Aseriesoffully coupled partial differential equations are necessary to define the production proc
9、ess by modeling the dynamic porosity and收稿日期:20220329基金项目:国家自然科学基金资助项目（51974013）工程科学学报，第45卷，第6期：10451056，2023年6月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.6:10451056,June2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.03.29.002;http:/permeability in various flow sectors to distinguish the interactions b
10、etween different zones and physical fields.These complexinteractionsgenerallyneedtobesolvedbynumericalmethods.Thus,asimulatorisneededthatsatisfiestheaccuracyrequirementstomatchtheactualsituation.Moreover,adaptabilitytothedecouplingprocessandacceptablespeedrequiresresearchforhigh-performancecomputing
11、solutionsthatcanperformdistributedorcloudcomputingforalarge-scaleunconventionalreservoirsimulation.Futureresearchisnecessaryforlaboratorymeasurementsunderrealisticstressandtemperatureenvironmentalconditionsoftheformationandhydrocarbonadsorptionexperiments.Thereshouldbefurtherunderstandingofscientifi
12、cissuessuchastheplasticstrainoftheporousrocks,changingstressenvironmentafterrefracturing,andmixedhydrocarbontransportmodelswithvaryingstressandtemperature.ThisarticlefurtherclarifiesthedynamicsanddetermineseffectiveproductionmethodsofunconventionalreservoirsinChinatopromotethedevelopmentofflowmechan
13、ics.KEYWORDSunconventionaloilandgasreservoirs；multiphysicalfieldcoupling；nonlinearflow；multiscaleflow；porousflowtheory随着常规油气田的产能逐渐下降，非常规油气藏的开发成为针对未来巨大能源需求供给的重要新兴课题1.在我国，非常规油气藏的范围包括页岩油气藏、致密油气藏、煤层气藏、油页岩等多种资源类型，在国外还将稠油、油砂、天然气水合物等也纳入非常规油气藏的范畴2.这类油气藏被广泛开发主要归因于水平井钻探和大规模水力压裂（压裂）技术的进步3.尽管已有不少成功的开采案例，但其产量的准确
14、预测仍具有很大的不确定性，这种不确定性源于多物理场耦合作用所导致的渗流场非线性特性加剧4.因此，多场耦合问题是研究非常规油气藏开采的一项重要科学问题.以往对多场耦合理论的运用存在简易化和适应性缺陷，工程中缺少理论指导下的开采工艺与开发方法，制约着这类油气藏的大规模高效开发，亟需对多场耦合渗流力学理论进行深入认识.油气藏的多场耦合是指地下储层中温度场渗 流 场 应 力 场（Thermal-hydrological-mechanical,THM）的相互作用5，是岩层复杂条件中真实行为的抽象反映，是由固体力学、渗流力学、传热传质学等众多工程学科相互交叉而形成的一门边缘学科69.非常规油气藏开采过程中
15、的多场耦合作用理论与工程问题的核心是不同物理场对非均质、非线性渗流场的作用和影响10，对这种影响的实验验证、理论描述及数值模拟是研究中的重点11，具体包括应力场变化对储层渗流条件的影响、温度场变化对渗流条件的影响、多场耦合作用对流体特性的影响，以及各物理场的理论模型之间如何进行耦合和对应的解耦、求解等问题，这些问题的解决都可为现场生产提供重要的理论、工程指导1215.本文旨在了解非常规油气藏开发过程中多场耦合问题的研究现状与发展前景，提出了当前多场耦合渗流力学理论发展所面临的关键问题，针对数值模拟技术的现状、进展和瓶颈进行了探讨，并对多场耦合渗流力学理论及应用的未来发展提出了展望.1非常规油气
16、开采多场耦合作用机制非常规油气藏的流体行为表现为多尺度多相流体（油、气、水）在超低渗透、高度非均质而且强应力敏感的孔隙-裂缝介质中流动.与常规油气藏流动相比，多场耦合作用更加显著，造成高度非线性和复杂的流动过程，并且伴随剧烈的岩石流体相互作用，以及纳微米孔隙及微裂缝的变形1619.随着岩石力学多物理场耦合试验以及各种现代化无损探测手段的发展，对非常规储层在热流固多场作用下的微观演化过程和结构变化的研究逐渐细化，可通过室内实验量化地研究流固耦合作用、温度的变化、有机质特性的变化对流体流动行为的影响规律等20.1.1应力场演化对渗流场的影响应力场演化对渗流场的影响通常采用岩石固有渗透率的变化来表征.在常规油气藏中，应力场的变化对岩石变形和流动能力的影响一般较小，在实践中大多会被忽略20.但在非常规油藏中，应力场的变化所引起的渗透率变化将显著得多21.通常认为，开采过程中流体压力的快速下降将导致有效应力（总应力与流体压力之差）的上升，进而使岩石进一步被压实并减小孔喉尺寸、减弱孔隙的连通性，因此降低渗透率.这一特性也被称作渗透率应力敏感性.研究者们通过将高温高压条件下的三轴试验系统与岩心流动实
