报告：储层多孔介质波动渗流力学研究进展与挑战

作者与发表信息

本文由蒲春生、郑黎明和刘静共同撰写，作者分别隶属于中国石油大学（青岛）石油工程学院、中国石油大学重质油国家重点实验室，以及燕山大学车辆与能源学院。文章发表于《地球科学（Earth Science）》第42卷第8期，发表时间为2017年8月。文中引用格式为：“蒲春生，郑黎明，刘静，2017. 储层多孔介质波动渗流力学研究进展与挑战. 地球科学，42（8）：1247-1262”。

研究背景

学科领域与研究必要性

本文属于渗流力学与油气田工程领域的综合性综述文章，探讨的是在复杂油气藏（包括低渗透、特低渗透、稠油及超稠油、小断块、薄油层、高含水油藏等）中低频波动强化采油技术的作用机制及其学术进展。石油工业的技术革新对开发低效复杂油藏提出新需求，这种技术可以以高效、低成本、不伤害油层和不污染环境的方式提高采收率。然而，实际应用过程中，低频波动强化采油技术效果具有波动性，理论支持的不足限制了其广泛应用。这促使研究人员开展关于“波动渗流力学（vibration coupled seepage mechanics）”的基础研究。

研究核心问题与目标

波动渗流力学是弹性波传播理论与传统渗流力学的交叉学科，其核心在于揭示弹性波作用下储层多孔介质中微观力学机制如何影响宏观渗流行为。研究主要目标是： 1. 总结该领域国内外研究的最新成果。 2. 分析波动渗流力学存在的主要挑战。 3. 展望该领域未来需要解决的重点学术问题。

研究方法与内容框架

本文围绕波动渗流力学的理论框架及研究进展展开，从理论价值、关键科学问题及工程应用方面进行了多角度分析，涵盖了以下几个主要主题：

波动渗流力学的定义与适用性

波动渗流力学是考虑弹性波作用对多孔介质中流体动态行为影响的理论，与传统的孔隙介质弹性波传播理论有所区别。后者主要聚焦于地震勘探中单次短时弹性波传播，目标是预测地层构造特性，而前者更强调持续施加的人工弹性波对储层内流体分布及动力学行为的作用影响，适用于多阶段的油藏生产优化。

理论交叉分析

本文从相似性与区别两个角度比较了波动渗流力学与孔隙介质弹性波理论： - 相似性：两者均研究附加波压力对渗流影响，并假设液体运动符合Darcy定律，共用宏观与微观尺度的力学模型和理论框架，比如毛细管模型和介质模型。 - 不同点： - 初始条件：波动渗流力学需考虑已有流体渗流场；弹性波理论假设没有初始宏观压差。 - 流体模式：波动渗流力学结合达西流和非达西流，而弹性波理论仅考虑流体广义达西流动。 - 应用场景：波动渗流力学主要服务于油气藏生产，弹性波理论则更广泛应用于地质勘探和岩土工程。

国内外理论进展

1. 实验基础与微观作用机制

通过实验揭示弹性波引起的储层孔隙结构、渗透性、原油粘度变化等微观机制，包括： - 降低液面张力，增大油相流动性。 - 改善气、液相分布，增强储层渗透性能。

2. 模型发展

• 简易渗流模型：早期模型将振动作为压力边界条件引入Darcy方程，研究振动对渗透率的影响，例如Luo模型（1996）考虑了波动压力对介质孔隙压力的动态影响。
• 宏观介质模型：
  • Biot模型（1956）：建立流固耦合方程，研究低频波对孔隙液体流体性能的作用，进一步发展为Bisq等模型，模拟射流效应及剑桥土力学范式下的地基振动。
  • 连续介质理论模型：针对复杂岩土环境，提出基于混合物理论的多孔介质模型，用于描述多组分介质的动态耦合行为。
• 毛细管模型：分析单毛管中微观流体行为与脱附机制。在毛细管尺度下，研究发现振动条件下的高频波改变量化流体间相互作用。

3. 数学与数值方法

数值计算方法在波动渗流力学的重要地位逐渐显现，通过有限差分、有限元等方法离散复杂方程。此外，利用Fourier、Laplace等变换理论分析微分运动方程，对波动传递的物理过程进行了模拟。

核心贡献与研究价值

科学价值

1. 揭示储层增产机制：波动渗流力学为低频波动强化采油技术提供理论基础，解释了相关实验现象。
2. 推动交叉学科发展：理论发展促进了渗流力学与弹性波传播理论融合，特别是岩土工程与油气田开发方面变得更紧密。
3. 学术创新：在模型改进、实验校正与理论演化等方面促进新一代力学模型诞生。

工程意义

1. 优化油气田增产技术： 提高波动强化采油稳定性和采收率。
2. 指导油藏生产参数选择： 提供动力学机制分析框架，为处于复杂地质条件下的储层施工设计决策支持。

本文亮点

1. 结合理论与实际：综合微观实验与宏观模型，提供了从局部到整体的理论思路。
2. 系统性讨论波动渗流力学研究现状与挑战。
3. 引入多模型对比，明确波动渗流力学的创新点与问题方向。

未来展望

作者提出波动渗流力学领域仍面临若干挑战，包括： - 微观作用机制的进一步实验验证。 - 宏观模型对复杂地质特征的自适应能力提升。 - 为多场耦合过程（如波动和化学驱联合增产）提供理论支持。

本文为后续研究者明确了研究方向，同时强调理论系统化和多学科合作对于推动这一领域的重要性。