综述：非常规水库中微纳尺度渗流的进展：实验、模拟及建模方法

《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Advances in micro-nano scale seepage in unconventional reservoirs: Experiments, simulations, and modeling perspectives

本文系统综述了非常规油气资源开发中微纳米孔隙系统流体行为及界面科学机制，分析表征技术、传输现象及建模方法，强调界面效应主导的纳米尺度相行为与多物理场耦合流动行为对高效开发的重要性。

　　

魏雄|吕伟峰|段向刚|霍润石|徐英英|沈睿|叶立友|孙明彦|余哲|宁泽安|夏德宇|肖丹婷|邢宇航

中国石油勘探开发研究院，北京100083

摘要

全球能源格局正在向非常规油气资源战略转型，这些资源主要存在于由微观和纳米级孔隙主导的复杂多尺度孔隙系统中。其成本效益开发的一个主要瓶颈是对这些尺度上碳氢化合物传输机制的理解有限。本文首先系统评估了非常规储层中的孔隙网络结构，并根据其在定性识别和定量分析方面的优势对现有的孔隙表征技术进行了分类。准确描述孔隙形态和连通性被认为是进行微观和纳米尺度流动的物理实验和数值模拟的基础。随后，本文从分子力学角度强调了在纳米尺度限制下出现的独特传输现象和相行为。在这种受限环境中，油气两相系统表现出与宏观行为显著不同的物理特性和相变——例如气体稀薄化、油相界面效应以及汽液平衡。最后，本文回顾了微观和纳米尺度流动的物理和计算建模方法，分析了各自的优点和局限性，以期为开发系统的传输模型提供参考。我们得出结论，未来的非常规资源开发模型必须纳入多物理场和多尺度效应，包括复杂的应力场、孔隙结构异质性和多相相互作用。这样的综合框架将为构建预测性数学模型提供支持，从而促进非常规储层的有效开发。

引言

非常规油气资源的有效开发改变了全球碳氢化合物供应格局，逐渐塑造了世界的能源结构[1]。目前，全球商业开发的非常规油气资源主要包括致密气、煤层气、页岩气和致密油（包括页岩油）。据估计，全球非常规油气总地质资源约为5156.1亿吨，其中技术可回收资源约为794.9亿吨[2]、[3]、[4]。其中，可回收的非常规石油资源约为420.9亿吨，而可回收的非常规天然气资源总量约为469万亿立方米（相当于373.9亿吨石油当量）[2]、[3]、[5]。

美国、阿根廷和中国等国家在非常规资源开发方面取得了显著进展。非常规生产现在在全球碳氢化合物供应中发挥着关键作用，在某些情况下甚至超过了传统资源。例如，2024年，美国的总碳氢化合物产量为17亿吨石油当量（6.7亿吨原油和12928亿立方米天然气），其中非常规资源占67%。仅致密油和页岩气的产量就达到了11.4亿吨石油当量。同年，阿根廷的总碳氢化合物产量为7349万吨石油当量（3501万吨原油和483亿立方米天然气），非常规资源贡献了61%（其中致密油、页岩油、致密气和页岩气各占4460万吨石油当量）[2]、[3]。中国也在非常规资源开发方面取得了显著进展。致密砂岩气产量达到682亿立方米，页岩气产量为257亿立方米，煤层气（包括煤层气）产量为138亿立方米。在石油领域，页岩油产量为600万吨，油页岩产量为150万吨，重油产量为1700万吨。非常规天然气现在占全国天然气总产量的44%，非常规石油约占石油总产量的12%。因此，非常规碳氢化合物已成为传统油气资源的重要替代品[3]、[4]。

典型的非常规碳氢化合物储层具有低孔隙度和低渗透性，其孔隙结构主要处于微观-纳米尺度[6]。这种极端的微观-纳米尺度空间限制从根本上改变了流体行为[7]，使界面现象从次要因素转变为主导因素。在这些尺度上，表面积与体积的比率非常大[8]，流体与孔壁之间的相互作用——受胶体和界面科学原理支配——决定了资源回收的各个方面。从气体在有机表面的吸附状态储存[9]、[10]，到受限流体的相行为以及提取过程中的复杂多相流动动力学，范德华相互作用、静电力和结构力等界面力成为主导因素。因此，复杂的气体储存机制和多尺度、多物理场流动行为是高效开发面临的核心挑战[11]、[12]，其本质上是界面现象的表现。因此，从界面科学的角度理解微观-纳米孔隙中的流体传输机制对于提高这些储层的回收率至关重要。

微观-纳米孔隙网络是流体迁移的主要途径，从微观孔隙延伸到宏观裂缝[13]。在纳米限制下，界面相互作用显著增强，成为控制气体储存和相行为的主要因素[14]。由于孔隙尺寸与非常规碳氢化合物储层中流体分子的特征长度相当，强烈的限制效应、耦合传输机制和多物理场相互作用极大地复杂化了物理建模和实验解释[11]、[12]。结合实验和数值方法的综合方法是必要的，以考虑多孔介质中的复杂孔隙连通性和多物理场耦合，从而开发出能够准确描述多尺度、多机制流动行为的综合数学模型。

本文系统总结了非常规储层中微观-纳米尺度传输研究的最新进展，重点关注四个关键方面：（1）微观-纳米孔隙网络和流动路径的表征；（2）纳米限制下的微观效应和相行为；（3）微观-纳米尺度流动模拟方法和理论模型；（4）微观-纳米尺度上的传输机制和数学建模。通过始终强调这些主题中界面现象的作用，本文旨在提供一个基于胶体和界面科学的坚实理论基础，为非常规碳氢化合物资源的高效开发提供方法论支持。

节选

非常规储层中多尺度孔隙系统的挑战

随着碳氢化合物勘探和生产的日益转向非常规储层，目标地层的质量逐渐下降。孔隙喉部尺寸从微米级减小到纳米级，渗透率从约100 mD降至约0.0001 mD，自然生产力降至可忽略的水平。因此，储层流体的存在状态、流动机制、提取方法和整体开发都发生了显著变化

微观效应

在宏观流动系统中，表面力的影响通常可以忽略不计。然而，在微观尺度上，这些力被显著放大，并可能超过体积依赖的惯性力[76]。从根本上说，表面力来源于分子间相互作用，这些相互作用由Lennard-Jones势能描述。该势能将相互作用能量表示为分子间距离r的函数，如图9中的曲线所示

微观和纳米尺度流动的物理和数值模拟方法

通过实验研究部分证实了连续介质假设在微观和纳米尺度上的有效性，目前共识认为经典流体动力学仍然适用于大于约1 μm的流动通道。然而，在纳米尺度范围（<1 μm）进行物理实验仍然极具挑战性，特别是在1–10 nm范围内。下面总结了最近解决这些限制的实验进展。

结论与展望

本文首先对非常规储层中的微观和纳米尺度孔隙结构进行了表征，并系统地将方法分为定性和定量方法。这些技术的原理和应用进行了全面总结，为阐明微观-纳米尺度流动路径的特征提供了基础。随着非常规油气资源的持续开发，关于流动机制的研究也在逐步发展

CRediT作者贡献声明

魏雄：撰写——原始草稿，监督，资金获取，概念构思。吕伟峰：撰写——审稿与编辑，验证，方法论，概念构思。段向刚：撰写——原始草稿，资源获取，方法论，调查。霍润石：撰写——原始草稿，方法论，调查，形式分析。徐英英：撰写——原始草稿，方法论，调查，形式分析。沈睿：撰写——原始草稿，方法论，调查。叶立友：

未引用参考文献

[172]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究由CNPC基础与前瞻性科学技术项目：“页岩油和气开发机制及体积开发技术研究”（2023ZZ08）资助。特别是来自国家石油资源与工程重点实验室的吴克柳教授对本文的撰写提供了重要建议。我们非常感谢他在本文中的工作。