迎接气藏新时代——记中国石油大学副教授石军太

迎接气藏新时代
——记中国石油大学副教授石军太

本刊记者 刘婉茹

专家简介：

石军太，中国石油大学（北京）副教授，油气田开发工程硕士生导师。校级培育团队“气藏工程教学团队”成员，SPE会员，中国石油学会会员，Energy & Fuel、Fuel、Journal of Petroleum Science and Engineering、International Journal of Computational Methods、Petroleum Science Technology等高水平国际期刊审稿人。

主要研究方向为：复杂常规气藏（凝析气藏、低渗气藏等）和非常规气藏（煤层气藏、页岩气藏等）相态特征、渗流机理及产能预测方面的研究。目前负责2项国家自然科学基金、2项国家科技重大专项子课题、1项中国石油大学（北京）科研启动基金、2项油田攻关横向课题；参与1项国家自然科学重大基金、1项国家自然科学基金、3项国家“973”子课题，3项国家科技重大专项项目、多项气藏开发横向项目。

至今发表论文40多篇，其中被SCI、EI和ISTP检索30多篇（JCR二区3篇、三区1篇，EI收录论文31篇），发表论文被SCI引用超过20次；并参与编写著作2部；已提交申请国家发明专利3项；获得省部级科技进步奖一等奖1项。2012年6月荣获中国石油大学（北京）青年拔尖人才称号，博士论文被评为2013年度中国石油大学（北京）优秀博士论文。

随着世界经济的发展，石油危机的冲击和煤、石油所带来的环境污染问题日益严重，使能源结构逐步发生变化。天然气在能源的大舞台上逐渐开始担任重要的角色，如今它已被国际列为世界三大支柱能源之一。另外，作为一种清洁能源，它对地球环境的改善起到了至关重要的作用，在环境与经济并重的时代背景下，天然气的开采已成为世界各国发展计划中的要点。

数十年来，纵深挖掘、横向勘探之后，中国天然气勘探开发的主体对象由原来的常规气层逐步向凝析、低渗、超深层等复杂常规气藏及煤层、页岩层等非常规气藏转变。“大力发展复杂气藏和非常规气藏技术，精确找到油气层并尽可能多地开采天然气，是现在及将来很长一段时间的研究重点。”石军太说。

与气藏“相恋”

“国内常规气藏技术已经发展得很完善，甚至并不输于国外，且常规气层中的天然气也被开发了大部分。但是在复杂、非常规气藏方面，还有很多不足的地方。”出于这个原因，石军太从硕士期间起就义无反顾地踏上了气藏科研之路，但是他最初选择石油专业，只因爱挑战的性格。

石军太天资聪慧，从小学到到高中一直出类拔萃，经常在考试中独占鳌头。2002年，他以优异的成绩考入中国石油大学石油工程专业。回忆过往，石军太说：“报考的时候，老师跟我说石油工程这个专业发展前景广阔，但可能工作环境会很艰苦，我决定试试。”就这样，他与“油气”打交道的生活开始了。

在对石油工程专业有些了解之后，他渐渐对“地底下的东西”着了迷。凭借出众的成绩，他被保送本校硕博连读，师从李相方。李相方教授曾任中国石油大学石油天然气工程学院院长，国家安全生产监督管理总局非煤矿山安全生产技术支撑专家，并曾获国家能源科技进步奖一等奖等多个奖项，是中国石油天然气领域的一线专家。在他的引导下，石军太的知识贮备和科研能力都更胜一筹，“这期间我还接受了由美国最大的公立学校之一——德克萨斯大学奥斯汀分校与母校的博士联合培养，开阔了眼界。”2013年，石军太的博士论文被评为中国石油大学优秀博士论文，为这段学习生涯画上了圆满的句号。

毕业后，石军太选择留校任教，之所以选择驻留在了北京，只因他认为这里是更有益于做事情的地方。“北京是名副其实的科技之城，信息畅通、科技资源丰富，对于想从事科研的我，这里很合适。”

石军太的研究工作是围绕复杂气藏和非常规气藏开展的，这是当今中国天然气开发的一个瓶颈，要想利用好天然气资源，这个坎必须要迈过去。“当下常规的气藏已经开发的差不多了，剩下的复杂气藏和非常规气藏开发的成本都较高，收益却低，甚至有些气藏例如凝析气藏都采不出来，我们的工作就是去解决这个问题。”

石军太告诉记者，他们工作的另一个重点是要预测油气井的产量，这并不是只得到一个简单的数值，而是要清楚地知道一口井能稳产几年，期间高产值的持续时间，低产值的持续时间，产量递减的速率都需要预测清楚。“其次，我们还要研究导致一口井产量低的因素是什么？我们将找一些方法去改善它。”

从硕士期间至今，他已经积极参与主持多项国家基金委、科技部、国家“973”计划、气藏开发横向等项目，始终活跃在非常规、复杂气藏工程的科研第一线，虽然今年的石军太才32岁，但他已经在该领域提出了不少具有“首次性”的结论。

入选科学中国人（2015)年度人物

开发方式探索者

我国凝析气田储量丰富，但由于不同气田地质构造、孔渗、凝析油含量与气水分布差异大，决定了开发方式的复杂性，又由于凝析气藏开发理论不完善，致使我国凝析气藏开采方式较单一，因此造成一些气田开发效果较差。

“弹性开采凝析油采收率较低，而注气开发虽然效果较好，但可能经济效益较差”，石军太解释说，不少凝析气藏在弹性开发多年后再转变为注气开发，存在转入时机不佳的问题，此外适合注气开发的凝析气藏有限，因而对凝析气藏有效开发方式及相关技术的需求十分紧迫。

石军太专攻难点，与合作者在国家自然科学基金项目、国家“973”项目、国家“863”项目等多个项目的资助下，系统地对凝析气藏展开了研究。“我们不仅建立了二维微观孔隙网络凝析气相变实验模型，而且用微米级玻璃粉作为填充介质构筑的三维夹珠凝析气相变实验模型，它们可用于直接观测凝析气在孔隙介质中的相态变化过程。”另外，他们还建立了考虑毛细作用和吸附作用的凝析油气体系相态数学模型，并且研究了多孔介质中毛管力和吸附作用对凝析气相态的影响机理。

值得一提的还有，石军太发现了一个对凝析油临界流动饱和度影响很大的因素，即凝析气藏储层孔喉半径的分布特征。而在方法论方面，他们则建立了考虑凝析气藏油气相渗四维性变化特征的产能试井方法和不稳定试井解释方法，并提出了凝析气藏全寿命周期的组合开发方式及参数优化方法。

该成果发表SCI论文2篇，EI文章1篇，核心文章3篇。2014年，石军太因该研究成果荣获中国石油和化学工业联合会科学技术奖一等奖。经中国石油和化学工业联合会组织专家鉴定，该成果被一致认为总体达到国际先进水平。

“如今，我们科技成果已经在我国牙哈凝析气田、柯克亚凝析气田、吉拉克凝析气田、雅克拉凝析气田、大涝坝凝析气田等共9个油田得到了应用。”石军太自豪地告诉记者，经改造后凝析气藏产能普遍提高，稳产、上产效果较好。采用全寿命周期组合开发方式，与衰竭开发方式相比，提高采收率20%以上，总计直接经济效益25.4亿人民币，为国家增加税收4.3亿人民币。

在凝析气藏有所收获后，石军太开始“转战”煤层气。我国煤层气资源丰富，居世界第三，但利用很不充分，2013年国家能源局下发《煤层气产业政策》，希望改变煤层气沉寂的发展态势，清理煤层气产业制度障碍，有志于将煤层气产业发展成为重要的新兴能源产业，煤层气相关的科学研究刻不容缓。石军太对煤层气产出机理及开发模式展开了全面的研究。“我们对煤储层基质孔隙分类、煤储层中气水变化特征、基质孔隙中甲烷的动力学行为、煤层气解吸模型、扩散模型、渗流模型和产气模型进行了综述和评论。”

他发现煤层气在生产过程中吸附气会变为解吸气，少量的解吸气会溶解并在储层孔隙水中扩散，而大量的解吸气聚集成泡或成柱在煤基质孔隙中非达西渗流，而自由气则从煤基质孔隙窜流至割理-裂隙系统。“除此之外，还有两个现象，一是自由气会从割理—裂隙系统达西渗流至井筒；二是在低媒阶中，自由气会从煤基质孔隙非达西渗流至井筒。”石军太补充说。

这些发现可为煤层气开发提供理论依据，为煤层气数值模拟提供理论基础，还对煤层气产气规律的认识具有指导意义。另外，石军太建立的煤层气井数值模拟模型，解释了煤层气井产气量长期不降的现象，可用于煤层气井的产气预测。该成果发表在《石油勘探与开发》和《中国科学：物理学力学天文学》国内知名期刊上及SPE国际会议上。

对于煤层气，石军太还有些其他的想法。“我国的煤层气开发有两个难点，其一是煤层中有水，阻碍气体解吸和传输；其二是很多地域的煤层属于构造煤，渗透性很差。有关煤层气解吸方面我认为两个方法特别好，一是给井筒加温，因为气体在高温下吸附量低、低温下吸附量高，所以给井筒加温将有助于气体排放；二是添加表面活性剂，加速排水，促使它的解吸”，虽然这两个新型方法尚待验证，但他说“思路转变才能产生新技术”。

石军太

微溶胶“达人”

对于油气藏的开发，除了开采方式是关键外，还有一个要点就是提高采收率，其中一种方法就是微溶胶调剖。“各种水溶聚合物合成的微溶胶被用于高含水油田的深部调剖和堵水。要是利用得当，可以提高石油采收率并降低废水产出，很具研究价值。”于是，石军太决定对此开展研究。

由于现有的各种微溶胶的特征描述与实际情况差别较大，石军太决定重新来过，他们系统地研究了悬浮溶胶、预胶粘颗粒、改变相渗的微溶胶、pH值敏感性微溶胶和温度敏感性微溶胶的特征和适用性。“在有了一些准确的基础数据之后，我们又探讨了两种CDG，即预胶粘CDG和地下合成CDG的区别。”据此，他们发现预胶粘CDG和改变相渗的微溶胶在储层中传输的过程中比较稳定，将预胶粘CDG和改变相渗的微溶胶归为预胶粘微溶胶。

这只是迈出了一小步，在预胶粘微溶胶上，石军太还希望得到进一步的突破，比如建立模型。通过成功开发预胶粘微溶胶粘度模型，他们得出了一个重要结果：预胶粘微溶胶粘度是预胶粘微溶胶浓度和剪切速度的函数。“这意味着，与现有模型相比，它可适用于更大浓度范围的微溶胶粘度预测。”口说无凭，目前该模型已被文献中的实验数据所证实。

预胶粘微溶胶机械滞留模型，也是他们贡献的一个创新点。该模型可根据孔隙大小分布，预胶粘微溶胶不会进入未被水波及的小孔隙内，而是吸附在已被水波及的大孔隙表面，或在大孔隙的吼道处形成水力桥塞，以达到降低高渗部位渗透率，使后续注入的水沿着小孔道流动，驱出小孔隙中残留的油，提高波及效率，从而达到提高采收率的效果。

科研成果只有转化成产品才能更直接地发挥力量、体现价值。石军太深谙此理，他与合作者一同编写程序，将预胶粘微溶胶粘度模型和机械滞留模型载入了UT石油系的三维化学驱软件UTCHEM中，运行实例并进行了结果分析，初步的数值模拟实例表明载有这两个模型的UTCHEM，可准确预测预胶粘微溶胶提高采收率的过程。以上预胶粘微溶胶粘度模型和机械滞留模型也可载入其他数值模拟器中，用于预胶粘微溶胶提高采收率过程的预测和评价。目前，嵌入此模型的UTCHEM软件已广泛用于胶粘微溶胶提高采收率的模拟。

该成果的两篇代表作发表在了SCI二区期刊Energy & Fuels和多孔介质国际会议上，获得了Energy & Fuels多位审稿人的好评，被同行高度评价为“填补了空白”，以及“帮助了颗粒溶胶发展”等。

2013年，在国家自然科学基金的支持下，石军太又针对致密气藏等复杂气藏和煤层气、页岩气等非常规气藏中微米及纳米基质孔隙中的解吸传递机理及其产气预测这一学术问题，展开了细致深入的探索，最终得到了诸多成果。

“首先这个研究揭示了致密储层基质孔隙中的传递机理并提出了全尺度渗透率模型，该模型填补了目前过渡扩散范围内无传递模型的空缺，可适用于整个努森数范围的气体传递。”石军太介绍说。

感受到解决实际问题所带来的乐趣，石军太再接再厉，建立了致密储层多段压裂水平井不稳定试井数学模型和解释方法，通过试井手段可以识别出无效压裂段，并预测出每一有效压裂段对整个产能的贡献。“这是为了解决目前致密气和页岩气多段压裂水平井产气剖面很难识别的问题。”

而在对致密储层多段压裂水平井直井段、斜井段和水平井段考虑液滴大小和形状变化之后，他们还通过所建起的临界携液模型，得出了斜井段最难携液的结论，揭示出压裂水平井井筒中排液困难是压裂液返排率较的原因之一，为有效释放致密储层压裂水平井产能提供了措施依据。

把事情做到极致

凭借优异的表现，2012年，石军太被评为“青年拔尖人才”。可在他眼中，以往成绩只是积淀，现在和未来才是重点。“我将在两个方向开展研究，首先是研究不同级别尺度介质中气体的传输机理，耦合跨尺度的传输机理，建立横跨纳米孔解吸和传输、到微孔扩散、再到天然裂缝渗流、最后到人工裂缝中渗流或酸蚀孔眼中管流的跨尺度传输产气模型，并数值求解形成模拟器，这可用于将来非常规气藏的动态数值模拟。”石军太说。此外，他还准备通过理论分析、数值模拟、室内实验和矿场实验四种方法探究阻止产量提升的主控因素，据此提出并论证不同的增产提高气体采收率的方法。

石军太很重视国际学术交流活动，他认为科技决不能闭门造车。“每年我平均要参加两次国际会议，我觉得这一点不可或缺。通过交流，一方面我们可以学习别人；另一方面还能宣传自己。刚开始出去的时候，一说中国石油大学别人基本都没听过，而这两年凭借科技创新和宣传，中国石油大学在世界上已经有一些知名度了。”

对一位在高校从事科研工作的学者来说，石军太一直坚持科研与教学并重。他现在教授《气藏工程》和《气液两相流》两门课程，门下有11个研究生，其中3个是留学生。石军太十分重视学生的个人意愿，一心一意为学生着想，对于毕业后想工作的学生，石军太会重点培养他们的工作技能，而对于想搞研究的学生，他则会将教学的重点放在学术上。

但是在某些方面，石军太却是名副其实的严师。“我要求我的学生研一毕业起码发表一篇文章，这是一个硬性要求。因为这直接关乎他们的未来。我也经常让他们做科研项目，多实践，不能光读书。”

当被记者问及能否给当下青年人点建议的时候，石军太立马说出了三点：“一是术业有专攻，选择了一行就一定要舍得投入时间和精力来把它做好，做到极致；二是要多思考，做事情不能蜻蜓点水，走马观花。一溜烟过去了等于什么也没做，要做就做深入；三是要会给生活中的事情排序，把重要的事情排在前面，相对不重要的排在后面，懂得主次，在时间紧迫的时候着力做重要的事。”

挖掘气藏潜力，改革能源结构，这是中国发展必须迈出的一步，石军太和其他气藏科研人员，将一同助力中国，迎接气藏新时代！