图10 玛湖致密砾岩压裂现场
（图片来自新疆油田）
除CO2压裂技术外，近年来，随着纳米科技的发展，纳米技术也在油气田开发领域被应用。将纳米颗粒配置成纳米流体或纳米乳液注入地层中，除具有表活剂驱的所有优点外，纳米技术提高采收率还具有尺寸小可进入微纳孔隙、降低岩石表面吸附损耗、利用分离压力剥离孔喉与孔隙壁面油膜等优点，是致密油气资源提高采收率的有效手段之一。
纳米乳液是指由水相、油相、表活剂和助表活剂组成的能够自发乳化且热力学稳定的多组分分散体系，具有降黏、润湿改性、降界面张力、耐温耐盐、剥离油膜、强化渗吸等优点，是目前国内外学者重点研究的新型提高采收率技术之一。
分离压力是纳米乳液提高采收率的关键机制之一。分离压力是指微尺度渗流通道下岩石与流体之间的微观相互作用力，由范德华力、静电力、结构力等构成，还被部分学者称作“楔形挤压”效应、“结构分离压力”等。在分离压力的作用下，纳米乳液在致密油气储层（微-纳米渗流通道）中流动时，三相周界处会自发形成楔形结构并具有沿流动相扩展的趋势，使附着在储层岩石表面的油膜被剥离，实现润湿反转、强化渗吸等储层改造效果。目前，分离压力对渗吸过程影响的机制尚未明确，Zou等、Yuan等、Chengara等认为分离压力与毛管力作用方式类似，可直接影响渗流过程；朱维耀团队认为分离压力通过影响边界层流体黏度对渗吸过程起间接影响作用；Hirasaki、Wong等、Habibi等认为分离压力通过改变润湿性的方法影响渗吸过程。尽管目前分离压力影响渗吸过程的明确机制尚未定论，但侯吉瑞团队的纳米黑卡室内实验与现场应用结果表明，分离压力的存在确能在一定程度上为渗吸油水置换提供帮助。
周福建等研发了一种纳米乳液体系（图11），该体系由粒径10 nm左右的纳米胶束分子构成，具有良好的热力学稳定性与分散性，可根据储层岩石表面电性进行结构调整，从而降低应用过程的吸附损失。该纳米乳液体系可以将岩石表面改性为水湿，并保持一定的界面张力（1~3 mN/m），从而大幅改善水相渗吸置换驱油效果。室内实验结果表明，使用该纳米乳液浸泡的岩心采收率（＞50%）远高于常规岩心的渗吸采收率（＜5%）。Liang等对该纳米乳液体系进行了系统研究，通过岩心驱替实验和紫外可见光谱研究，证明了该纳米乳液体系的纳米胶束结构能够最小化岩石表面的吸附损失，在实际应用中具有吸附量小的独特优点。在玛湖致密砾岩油藏进行的四口井的现场试验结果表明，采用纳米乳液压裂液体系的井具有更高的产能，并且纳米乳液进入地层后可随着生产的进行返排至地面，进一步证明了纳米乳液能够渗入地层，实现增能、强化渗吸等作用。
图11 纳米乳液结构示意图
基于纳米乳液的基质深度改性与压裂-提高采收率一体化技术将储层改造技术与提高采收率技术进行了一体化整合，通过压裂、改性、增能、强化渗吸置换等一系列方法实现了对致密油气藏的高效开发，是极具技术优势与现实可行性、应大范围推广应用的高新储层改造与提高采收率技术。
1.5 致密油气藏压裂实时监测技术
目前，体积压裂技术已日渐成熟，但对非常规油气储层改造的实时监测技术尚缺乏系统研究。由于致密油气储层的特殊性，传统监测手段无法准确反映施工过程中的井下事件。因此，需要开发可靠的实时监测技术，以保障致密油气藏压裂施工的顺利进行，并提高增产效果。
随着科技的进步，光纤技术正被逐步应用到各个工业领域。应用于储层改造监测的光纤技术为分布式光纤监测系统，包括分布式声波传感器（Distributed Acoustic Sensor, DAS）和分布式温度传感器（Distributed Temperature Sensor, DTS）。前者可监测井内流体、起裂点、微震事件，从而计算储层改造体积、判断裂缝走向与形态，便于施工调整；后者可监测井周温度动态变化，确定储层改造范围。目前，主流的压裂监测手段主要采用综合应用分布式光纤监测系统及井间微地震监测（DAS DTS 井间微地震），能够更全面、准确地评价储层改造效果。
基于水击压力波型号的压裂诊断技术是近年兴起的压裂诊断技术，具有实时性强、成本低、操作简便等优点，能够满足对井下事件（裂缝）位置进行快速定位的需求。该技术通过在井口安装高频压力信号采集装置，捕捉停泵时的水击压力波信号，通过对该信号进行频谱特性分析来判断井下事件发声位置，从而便于压裂工艺优选与施工参数优化。胡晓东等对水击波的波速反演、信号特征进行了研究，分析了不同压力波波速计算方法、水击波信号降噪方法的差异，为该技术的现场应用提供了理论指导。
借助致密油气储层压裂实时监测技术，现场压裂施工作业人员可实时掌握整个压裂施工作业过程中的井下事件情况（起裂、转向、裂缝扩展），并及时对施工相关作业参数进行实时优化调整，如压裂液体系变黏、暂堵剂投放等，实现了压裂施工作业过程的“可控化”和“智能化”。此外，压裂实时监测技术能够根据当前压力曲线进行人工智能（Artificial Intelligence, AI）预测，一定程度上避免了砂堵等井下事故的发生。
基于高性能的压裂实时监测设备与技术，Halliburton公司推出了油气行业首款智能自动化压裂系统——SmartFleet系统，通过整合压裂施工作业过程中的监测数据、实时三维可视化和实时压裂指令，为施工作业人员提供了压裂实时控制技术。借助该系统，压裂施工作业人员可根据储层实时改造情况进行实时决策，如变黏、投暂堵剂、调参等，实现了储层改造技术智能化。
2 国内外技术差距与建议
当前中国对致密油气资源的开发尚处于探索阶段，尚未形成成熟的技术体系用以开发具有诸多难点的致密油气储层（特别是致密油与页岩油）。整体上，中国致密油气资源储层改造与提高采收率一体化技术以及配套监测方法相较于国外仍处于追赶阶段。
（1）地质方面：国外致密油气储层多为海相沉积，储层物性好，有利于实现复杂体积缝网的建立；而中国致密油气储层多为陆相沉积，薄/互层多、砂体分布情况复杂，对储层改造与提高采收率技术具有较大的考验，亟需径向水平井配合暂堵转向技术以实现多薄层同步开发。
（2）工艺技术方面：目前，国际上普遍采用“水平井 分段多簇 复杂压裂液/支撑剂组合 压裂实时监测”的技术体系进行储层改造，整体上的技术手段差距不大。但中国段内簇数普遍显著低于北美，亟需完善裂缝实时监测与多裂缝同步起裂技术；同时，中国的滑溜水压裂液体系也与北美存在较大差距，其表现为滑溜水体系复杂程度低、过程控制粗糙，尚不满足智能调控需求。
（3）机制研究方面：致密油气储层环境下的流体渗流规律与常规储层具有较大差异，国内外学者通常采用岩心模拟、微流控模拟、数值模拟等技术手段来模拟研究致密油气储层的渗流机制与开发过程，但目前国内在微流控芯片的精细程度上距国外还有一定差距。此外，目前用于致密油气储层压裂改造模拟的商业化数值模拟软件以CMG、Meyer等国外软件为主，国内的相关技术研究仍处于起步阶段，国内较为知名的FrSmart软件有望弥补中国在致密油气储层改造数值模拟技术上的不足。
鉴于中国多数致密油气储层起源于陆相沉积环境，具有非均质性强、渗透性差、薄/互层发育等特点，亟需具有针对性的新技术、新理念来实现高效开发致密油气资源。结合本文分析，认为在致密油气藏精准压裂与提高采收率技术这一领域中，需要对以下内容加强研究。
（1）加强对致密储层水平井钻井工艺技术研究，以期对以薄层为例的各种复杂储层实现“精准钻进”，从而为后续的储层改造、提高采收率等技术的实施提供坚实的基础。
（2）加强对暂堵材料、暂堵转向裂缝扩展规律、暂堵施工监测和压裂施工监测技术的研究，以期在实现高效压裂产生体积缝网的同时，实时掌控地下事件的发展过程，为实现“智能化”和“自动化”压裂提供坚实的材料与技术保障。
（3）加强对纳米乳液等压裂液添加剂的提高采收率机制研究，以期阐明纳米乳液在微纳米通道中的流体运动机制及其对基质的改性机制，从而实现对压裂液配方的优化，进一步提高基质改性效果，加强致密储层改造-提高采收率一体化的应用前景。
3 结束语
中国致密油气储层非均质性强、砂体薄而分散，常规水力压裂技术难以实现高效开发。利用垂直井眼内多口径向水平井并配合水力喷射技术，能够实现分散砂体的同步改造。借助室内实验与现场试验获取的炮眼冲蚀模型，形成极限限流射孔优化方法，能够克服水平井压裂段内非均质性而促进各簇裂缝均匀起裂；针对深井或当地面施工压力受限而无法满足极限限流射孔摩阻要求时，可借助新型绳结式暂堵剂及其在线投放方法，配合压裂曲线实时监测与暂堵效果实时评估方法，保障段内多簇裂缝可控发育进而实现精准压裂改造。当致密储层天然裂缝发育或大排量压裂形成复杂裂缝网络时，利用微支撑剂配合变黏滑溜水压裂不仅能够扩大复杂缝网支撑体积从而提高单井产能，而且使在线智能调控与自动化压裂作业成为可能。针对致密油藏原油流度低、基质偏油湿导致的采收率低等问题，借助CO2前置压裂与纳米乳液体系能够进行原油原位改质与基质深度改性，在满足“双碳”目标实现需求的同时，将提高原油采收率与水力压裂深度融合，实现中国致密油藏的经济高效开发。
END
关于本刊
《前瞻科技》是由中国科学技术协会主管，科技导报社主办、出版的科技智库型自然科学综合类学术期刊，于2022年创刊。
办刊宗旨：围绕国家重大战略任务、科技前沿重要领域和关键核心技术，刊载相关研究成果的综述和述评，促进学术交流，推动科技进步，服务我国经济社会高质量发展。
常设栏目有“前瞻”“综述与述评”“聚焦”“论坛”“文化”“书评”等，其中“前瞻”“综述与述评”为固定栏目，其他为非固定栏目。
期刊官网：www.qianzhankeji.cn
