2024年, 第9卷, 第3期　
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  重磅发布!9位院士为中国石油科学十佳论文颁奖

  . 2024, 9(3): 0-0.

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  地质力学参数智能预测技术进展与发展方向

  马天寿;张东洋;陆灯云;谢祥锋;刘阳

  . 2024, 9(3): 365-382.

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  随着人工智能技术在油气勘探领域应用的不断深入,地质力学参数预测从传统方法向智能化转型已成为必然趋势.本文系统归纳分析了机器学习算法在岩石力学参数直接与间接预测,地层孔隙压力钻前预测、随钻监测和钻后评估,一维地应力和三维地应力场预测中的应用现状,对比了不同预测任务下的机器学习模型、输入参数、样本数据量、输出参数以及模型预测性能.研究发现:相比于室内试验、现场测试和经验模型计算,机器学习算法在地质力学参数预测方面的准确性、时效性和适用性具有明显优势;集成模型、深度学习模型和物理约束神经网络模型凭借其准确性、鲁棒性、泛化能力和可解释性,已成为当前研究的热点和重点;但现有研究以一维地质力学参数的钻后预测为主,因而无法有效进行钻前和随钻三维地质力学参数预测.为了加快地质力学参数向智能化、数字化转型,本文提出了一种地质力学参数智能预测框架,该框架考虑地震、测井、录井等多源数据对地质力学参数预测的影响,通过数据+物理双驱动的机器学习模型进行三维地质力学参数的预测,并通过正钻井数据进行模型的实时更新,从而实现区域三维地质力学参数的钻前预测、随钻监测以及钻后评估.此外,分析了地质力学参数智能预测面临的关键技术难题:①实现非结构化数据类型的转换,降低数据集复杂度,确保数据的一致性和可比性;②开展多源数据融合研究,构建包括地震、测井、录井、室内试验、现场测试等方面的多源数据集,并进行数据处理、特征选择等工作;③加强机器学习模型研究以提升性能,采用集成模型提升预测精度,融入机理模型和领域知识提升模型鲁棒性和可解释性.
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  基于伍德合金多级压力注入实验的致密砂岩储层孔缝充注序列研究

  刘冀蓬;萧汉敏;姜振学;唐相路;徐明帅

  . 2024, 9(3): 383-393.

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  松辽盆地北部白垩系泉头组扶余致密砂岩储层发育微纳米级孔隙、微裂缝,且孔缝结构复杂,导致成藏期致密油气在不同类型储集空间中的充注顺序不清,增加了致密油气的勘探开发难度.本文针对致密砂岩储层中不同充注压力条件下致密油的充注特征开展定量研究,结合大视域拼接扫描电镜与矿物面扫技术,提出了一种基于孔隙-微裂缝组合的致密油充注规律微观评价方法.研究表明,区内泉头组扶余致密砂岩储层主要发育 3种孔缝组合类型:粒间孔-黏土矿物收缩缝、粒间孔-脆性矿物粒间缝及黏土矿物晶间孔-收缩缝组合.通过将具有高温流变性质的伍德合金在不同压力下注入岩心,可以观察到合金在不同孔缝组合类型中的注入随注入压力提升而表现出有序性,粒间孔、缝的充注优先级明显高于黏土矿物相关孔缝,伍德合金的注入效率呈明显的先快速增大后缓慢增大最终趋于稳定的抛物线形态.依据伍德合金与原油的性质特征,将注入压力进行了等效转化,还原了地层条件下致密油的微观充注过程,据此建立了致密储层孔缝序列充注模式.在高源储压差条件下,致密油能够充注至纳米级的黏土矿物晶间孔-收缩缝中,随源储压差降低,致密油逐渐难以充注至纳米级孔缝中.当源储压差降至最低时,致密油仅能通过渗吸的方式通过宽大的孔间连通喉道进入微米级粒间孔及连通性较好的铸模孔中.本研究将流体注入与可视化技术相结合进行致密储层的储集空间多尺度评价,为致密储层微观甜点评价及高效开发提供参考.
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  柴达木盆地第四纪更新世气候变化及其对有机质富集的影响

  刘晓雪;姜振学;唐相路;徐明帅;邵泽宇;朱军

  . 2024, 9(3): 394-407.

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  有机质是泥页岩生气的基础,研究柴达木盆地第四纪更新世气候变化及其对有机质富集的影响对于柴达木盆地生物成因气的勘探开发至关重要.本文选取柴达木盆地第四系更新统泥页岩为研究对象,通过主微量元素分析和饱和烃色谱分析等实验手段,从古湿度和古温度两个方面阐明了第四纪更新世气候变化特征,进而从生物生产力和有机质保存条件两个方面分析了气候变化对有机质富集的影响,建立了柴达木盆地第四纪更新世有机质沉积模式.结果表明:(1)第四纪更新世早—中期,气候温凉湿润,草本植物茂盛,草本植物富含纤维素、半纤维素、糖、淀粉和果胶,提高了水体表层的生物生产力;降水量大,水体分层性好,较强的水体分层还可使水体下层的还原性增强,有利于从上层沉积下来的有机物的保存,从而有利于沉积有机物的富集;且温度相对较低,抑制了产甲烷菌的活动,有利于有机质的保存;(2)更新世晚期,在新构造运动下,青藏高原隆升,气候变得干旱,气温上升,木本植物比例增大,产甲烷菌可利用的营养物质减少,生物生产力下降;水体分层性减弱,上层富氧水体和下层贫氧水体混合,导致下层水体还原性被破坏,从上层沉降下来的沉积有机物被破坏,不利于沉积有机物的保存;且温度相对较高,产甲烷菌消耗了大量的有机质,不利于有机质的保存.研究成果对研究区生物成因气的勘探开发具有理论和实践意义.
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  哈拉哈塘油田塔河北区块奥陶系断裂发育特征及断控区储层类型与分布预测

  陈利新;王胜雷;姜振学;朱光有;苏洲;侯佳凯

  . 2024, 9(3): 408-421.

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  塔里木盆地哈拉哈塘油田奥陶系碳酸盐岩储层非均质性复杂,亟需开展评价预测研究.本文基于哈拉哈塘油田地质及地震资料,开展了碳酸盐岩缝洞储层归位、储层空间展布、储层与断裂的匹配关系、井间连通性研究.在此基础上,依据实钻、测录井资料及生产动态分析,开展了断控区碳酸盐岩储层缝洞雕刻.研究结果表明:哈拉哈塘油田断裂系统发育包括加里东早-中时期、加里东晚期-海西早期、海西晚期、燕山期 4 个阶段;断裂走向和断裂发育的多期次性是断裂系统的通源性的主控因素;断块水平滑移的增大将使走滑断裂具有较好的连通性;断裂的平面扩溶宽度受断裂活动强度以及深部通源分支断层发育程度控制.此外,为明确潜山岩溶区、层间岩溶区、断控岩溶区碳酸盐岩储层的空间形态与分布特征,开展了针对性的储层预测,以反演成果为主,结合属性、沉积、钻井等资料,对储层进行多属性综合预测.预测结果显示,哈拉哈塘油田塔河北区块的潜山岩溶区断裂带的通源性、连通性及扩溶性整体较好,有利于大型溶蚀孔-缝-洞储集体的形成,储层平面展布呈连片特征,储层质量最优,是未来油气勘探开发的重点区域.研究认识揭示了哈拉哈塘油田塔河北区块奥陶系断裂发育特征及断控区有利储层的分布区域,以期为有效指导深层-超深层断控区碳酸盐岩油气勘探与开发工作提供依据.
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  多源断控岩溶型溶洞训练数据集构建和生成对抗网络三维建模应用

  胡迅;侯加根;刘钰铭

  . 2024, 9(3): 422-433.

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  目前,尚未存在全面的断控岩溶型溶洞训练数据集用于深度学习建模.本文采用基于露头资料、地震数据、可靠的地质模型以及基于目标的方法研制了断控岩溶型溶洞原型模型,对不同来源的原型模型集进行组合、旋转、裁剪和优选操作来构建可靠且多样的断控岩溶型溶洞相训练数据集,同时构建相应的虚拟井和概率体训练数据集,作为训练条件化生成对抗网络的数据输入.将训练好的生成器卷积神经网络应用于塔河油田TH12330 井区,生成的多个断控岩溶型溶洞地质模型符合地质模式,吻合条件井、概率体数据,且与构造、裂缝和累产基本一致.本研究探索了断控岩溶型溶洞多源训练数据集的构建并在实际应用中取得了显著成果,同时也为其它类型储层深度学习建模中构建可靠且多样化的训练数据集提供了新思路.
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  深部地下空间储能安全与应急保障技术现状与发展趋势

  张来斌;胡瑾秋;肖尚蕊;吴明远

  . 2024, 9(3): 434-448.

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  伴随"三深引领"的科技攻关目标,我国油气资源勘探正由浅表地层向深部地层进发,千米级深部地下工程建设已成常态.随着深地工程的探索,枯竭油气藏、盐穴、采空区等可利用的深部地下空间涌现,深部地下空间在大规模能源储存利用上已被证明具有储量大、分布广、安全性高、经济成本低和环境友好等优势,深部地下空间工业化储能应用是优化我国能源储存结构、保障国家能源储存战略需求的有力手段.然而,我国对深部地下空间储能安全与应急保障技术研究起步较晚,目前常用的地面油气储存手段受限于地理环境、工程建设以及运输方式等条件,同时地面油气储备库事故存在致因因素复杂、关联性强、受灾波及范围广等安全难题,深部地下空间能源安全储存迫在眉睫.当下我国对深部地下空间储能的利用聚焦于枯竭油气藏的再开发,现有的深地安全保障技术落后于深地储能基础设施安全保障的现实需求.因此,本文系统性总结了深地储气、储氢、碳封存以及压缩空气蓄能等深地储能技术研究现状,以能源行业绿色转型兼备战略能源安全储存为目标,强调能源储存、碳封存以及资源深度开采的三位一体,提出了深地空间储能利用双碳循环架构.同时系统性辨识了深地储能设备设施面临的风险,涵盖深地储能设计期、施工期、运行期和废弃期的全生命周期,揭示我国深地储能安全与应急保障技术发展需求、发展难点,构建了深地储能全生命周期安全与应急保障技术框架,提出我国 2024-2050 年期间深部地下空间储能安全与应急保障技术发展建议,为完善我国深部地下空间储能安全与应急保障技术体系提供参考.
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  当前渗流力学理论遇到的挑战与对策思考

  窦宏恩;李彦辉;张蕾;王洪亮

  . 2024, 9(3): 449-464.

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  本文详细阐述了渗流力学经典理论——达西定律的发展历程及其适用条件,并从Navier-Stokes(N-S)方程推导出了达西定律在多孔介质中的毛细管渗流和裂缝渗流中的数学表达式.文章指出了当前达西定律应用中存在的 8 大问题,并综合分析了渗流力学理论在油气田开发中的主要挑战.针对这些挑战,本文提出了一系列对策和思考.文章强调指出:构建多尺度、多物理场耦合模型并借助AI科学计算是揭示油气储层复杂真实流动机制,填补目前理论空白的必由之路.建议指出:进一步发展核磁共振、电镜扫描及智能数据与图像处理等高精度实验技术,以直观展现流体在储层中的流动行为和过程.最后,建议综合运用实验研究、新理论模型建立和AI科学研究方法(AI for Science),突破油气渗流力学理论中目前遇到的挑战.研究成果可为我国高校、科研机构和研究者开展石油科学理论研究和课题立项提供重要参考,同时可为我国油气资源可持续进行科学和技术战略规划提供强有力的技术支撑.
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  干热岩长期生产过程中天然裂缝损伤对导流能力演变影响研究

  许富强;宋先知;石宇;李爽

  . 2024, 9(3): 465-475.

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  干热岩型地热是我国地热资源的重要组成部分,其开发利用对实现"双碳"目标具有重要意义.干热岩储层岩体以花岗岩为主,因其岩性致密,通常采用增强型地热系统(EGS)进行开发.作为循环工质流动换热的主要通道,人工裂缝和天然裂缝形变将造成导流能力演变,进而影响热储取热性能.现有导流能力研究对象多为人工裂缝,且多围绕基质弹性变形开展,并未考虑天然裂缝损伤影响.为揭示天然裂缝损伤作用效果,团队自主研发设计了高温高压岩心注采多场耦合实验平台,分析论证了实验系统的可靠性,设计了对应实验方案与实验流程.采用天然裂缝贯穿岩样,研究了常温下注采压差随排量和围压的变化规律,分析了高温下天然裂缝损伤特征,对比了不同排量,温差和注入方式下天然裂缝损伤对导流能力演变的影响.实验表明,冷流体注入导致天然裂缝体积较初始时刻显著增加,且破坏方式以弱胶结失效为主,在无围压条件下,损伤将引起裂缝隙宽和缝长增大,提升裂缝连通性,有助于改变裂缝导流能力,故压裂和取热方案设计中应对天然裂缝加以考虑;注采压差随围压和排量增大而增加,最大增幅可达 0.6 MPa;高温生产下,注采压差改变量和导流能力演化率变化量最大值分别可达1.11 MPa和 26.59%.较大排量和温差下,裂缝损伤特征更为明显.相较于连续注入,间歇注入方式下裂缝损伤程度更为显著.利用灰色关联分析得到了主控因素为温差,即热应力是造成裂缝附加导流能力演变的主要原因.本研究证明了天然裂缝损伤在干热岩长期生产过程中分析的必要性,为工程现场施工提供了一定指导.
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  渗透率各向异性对地热电池高效储能发电系统的影响

  甘泉;刘艳婷;马跃强;汪涛;胡大伟;郅胜

  . 2024, 9(3): 476-486.

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  在当前能源转型的大背景下,清洁能源利用的创新技术市场日益扩大.地热电池储能发电技术有望解决太阳能、风能等可再生能源间歇性问题,受到清洁能源领域的关注.地热电池储能系统利用沉积地层中形成的低渗透率、低孔隙度的盖层和基层以及高渗透率、高孔隙度的中间储层实现热水的储存.这些热水创造了一个高温地热储层,已有研究表明这些储热可以高效回收,甚至可能实现长期甚至季节性的存储.在沉积结构中,其物理特征等方面存在十分明显各向异性,其中渗透率各向异性在流体的流动过程中发挥着重要作用.因此,研究渗透率各向异性对储能产能的影响至关重要.本研究利用TOUGHREACT-FLAC3D耦合软件建立了地热储能温度场—渗流场—应力场(THM)多场耦合模型,模拟了 4 种渗透率各向异性的情况,并分析了 4 种条件下热水注入和生产中热水流动路径、温度和压力的分布以及发电效率.结果表明:(1)渗透率各向异性对注采过程中压力的演变有强烈的影响,压力锋面在渗透率大的方向快速移动,而且各向异性越小,储层等效渗透率越大,注入热水需要的压力越小.(2)热水流动优先在渗透率大的方向流动,温度和压力的传播与热水流动方向一致,但是温度分布主要由流体流动的方向决定,在流动过程中热水用于加热初始环境中较冷的岩石和水造成热量损失,所以渗透率各向异性对储层温度的分布情况影响较小.(3)储层的岩石在高温热水的作用下发生膨胀,其孔隙压力恢复值随温度的升高逐渐高于储层初始的孔隙压力(12 MPa).(4)在进行的 30个注采循环结束后渗透率各向异性为 1000 时产生的电量最高可以达到 5.2 MW.因此,在地热电池储能系统进行选取时,选择水平方向与垂直方向渗透率各向异性大的储层产能效率更高.
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  深层页岩气井气水两相缝网参数反演方法

  张娇娇;黄世军;赵凤兰;方思冬

  . 2024, 9(3): 487-502.

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  深层页岩气藏的开发离不开大规模的体积压裂技术,而缝网参数反演方法是压裂效果评价、产能动态分析的一种重要手段.现有的缝网参数反演方法忽略了支撑剂不均匀分布和气水两相渗流对深层页岩气藏开发的影响,导致参数反演误差较大,且难以区分"近井支撑裂缝"和"远井未支撑裂缝"对产能的贡献.针对这一问题,基于动态分析方法,建立了考虑多重非线性流动机理和未完全支撑裂缝的深层页岩储层气水两相缝网参数反演方法.反演方法建立过程中基于线性流模型假设,将压后的复杂裂缝网络等效为支撑裂缝区、压裂改造内区、未支撑裂缝区和压裂改造外区 4 个区域,采用变量替换、摄动变换、逐次替换等手段处理气体高压物性参数、超临界吸附、应力敏感、非达西渗流和气水两相渗流引起的非线性.利用数值模拟模型验证了本文方法的可靠性,并选取四川盆地 4 口深层页岩气井进行了应用分析.结果表明,建立的深层页岩气水两相缝网参数反演方法考虑了气液同产对产能预测和参数反演的影响,实现了支撑与未支撑裂缝半长和渗透率等参数的定量区分,为准确计算深层页岩气产量、评价压裂效果提供了理论指导.
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  耐高温可加重酸性交联压裂液的研发与性能评价

  许航;周福建;杨飒飒;李源;朱丽燕;姚二冬

  . 2024, 9(3): 503-512.

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  针对高温深层油气藏埋藏深,地层破裂压力高、压裂施工难度大的问题,开展耐高温可加重压裂液研究.通过室内实验自主合成了一种耐温抗盐的聚合物稠化剂TS-700 和适用于酸性交联的有机锆交联剂OZ-60,优化了添加剂加量,形成了一种耐温 180℃可加重酸性交联压裂液体系.研究了加重压裂液黏度、减阻、延迟交联规律,并评价了耐温抗剪切性能、悬砂性能、破胶及岩心伤害性能和管柱腐蚀能力.结果表明,该体系在酸性条件下进行交联,通过调整交联剂加量和pH,交联时间可控在 3～12 min;高温有利于黏度提升,加重降低了基液黏度,密度为 1.20 g/cm3 的加重压裂液配方在 180℃条件下剪切 120 min后,保留黏度仍大于 70 mPa·s.加重剂会在一定程度上降低压裂液的减阻性能,但在不同稠化剂加量下的加重压裂液减阻率仍可达 68.04%以上,满足有效降低长距离井筒中摩阻损失的要求.交联压裂液在常温和 100℃条件下均展现出优异的悬砂效果,支撑剂沉降速率低.破胶与岩心伤害实验结果表明,交联体系在 0.03%破胶剂加量下即可实现完全破胶,破胶液对致密岩心伤害率仅为 19.42%.高温高压动态腐蚀实验结果表明,全配方压裂液对N80 和 13Cr钢材具有较低的腐蚀速率,能够保障现场压裂管柱的安全性.
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  砂岩双轴压缩应力状态下的拉伸强度的实验研究

  鞠盈彤;陈勉;杨帅

  . 2024, 9(3): 513-524.

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  岩石材料的拉伸强度对于井壁稳定校核计算是一个比较重要的基础参数.一般的,对于金属材料,可以通过拉伸试验机来直接获得抗拉强度;但是对于岩土类材料,这种方法从第一步制样上可行性就较差.在实验室内获得岩石抗拉强度最常用的方法是巴西劈裂法,这是一种间接获得岩石单轴抗拉强度的方法,目前被ISRM(国际岩石力学协会)推荐并得到了广泛的应用.但这种方法也存在一定的局限性:首先,由于无法还原岩石的初始压实状态,因此在校核超深层岩石的拉伸强度时会有偏差;此外,这种方法的前提假设是岩石在线弹性阶段过后直接发生脆性破坏,这与砂岩实际变形规律不符.基于以上问题,本文从屈服理论出发,通过双轴压缩实验的方法确定了砂岩在地下的真实拉伸屈服强度以及极限拉伸强度,实验表明砂岩的屈服强度随围压增大而增大,符合岩石材料越致密强度越高的普遍认识.通过拟合外推可以得到等效的砂岩单轴拉伸屈服强度,与巴西实验数据结果非常接近,验证了这种方法获得带围压下砂岩拉伸屈服强度的可靠性.通过研究双轴压缩应力状态下砂岩的拉伸强度,可以为卸载工况下砂岩发生拉伸破坏提供更准确的校核依据,为砂岩井壁稳定提供理论与实验支撑.
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  煤层气藏相对渗透率动态计算方法研究

  黄天昊;汪志明;曾泉树;蔡先璐;戴安娜

  . 2024, 9(3): 525-534.

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  为获取煤层气藏气水相对渗透率实际变化特征,进一步深化对煤层气藏气水产出规律的认知,构建了结合煤层气藏实时动用情况的煤层气藏相对渗透率动态计算方法.该方法首先通过多煤层全过程耦合流动模型对目标单煤层或多煤层进行产量历史拟合,获得储层和流体的基本物性参数.而后,基于得到的基本物性参数开展煤层气井全生产周期产能预测,同时,根据储层压降漏斗的实时扩展规律对储层参数进行平均化处理,并结合流体的实际运移情况计算煤层气藏气—水相对渗透率曲线.研究结果表明:本文提出的煤层气藏相对渗透率动态计算方法可在对煤层气藏内部动用情况实时定量分析的基础上,动态计算煤层气藏实际气水相对渗透率.通过本文提出的方法计算得到的气相相对渗透率曲线上存在反转点,其反应储层中的解吸气开始稳定、连续的供应.若不考虑储层压降漏斗实际扩展规律,对储层参数进行全域平均,计算得到的煤层气藏气水相对渗透率将偏低.对于多煤层气藏,窜流效应导致的层间流体质量交换和储层压力下降不可忽略,生产3 y时气相窜流量与产气量比值可达 0.57,水相窜流量与产水量的比值可达 0.69.忽略窜流量条件下计算得到的煤层气藏气水相对渗透率偏低,仅为考虑窜流量条件下的 42.89%和 24.40%.在煤层气井实际生产过程中,含水饱和度保持在较高值,大于40%,受高含水饱和度的制约,煤层气藏气相相对渗透率值较低,小于 0.2.