迎接氣藏新時代
——記中國石油大學副教授石軍太

迎接氣藏新時代
——記中國石油大學副教授石軍太

本刊記者 劉婉茹

專家簡介：

石軍太，中國石油大學（北京）副教授，油氣田開發工程碩士生導師。校級培育團隊“氣藏工程教學團隊”成員，SPE會員，中國石油學會會員，Energy & Fuel、Fuel、Journal of Petroleum Science and Engineering、International Journal of Computational Methods、Petroleum Science Technology等高水平國際期刊審稿人。

主要研究方向為：復雜常規氣藏（凝析氣藏、低滲氣藏等）和非常規氣藏（煤層氣藏、頁巖氣藏等）相態特征、滲流機理及產能預測方面的研究。目前負責2項國家自然科學基金、2項國家科技重大專項子課題、1項中國石油大學（北京）科研啟動基金、2項油田攻關橫向課題；參與1項國家自然科學重大基金、1項國家自然科學基金、3項國家“973”子課題，3項國家科技重大專項項目、多項氣藏開發橫向項目。

至今發表論文40多篇，其中被SCI、EI和ISTP檢索30多篇（JCR二區3篇、三區1篇，EI收錄論文31篇），發表論文被SCI引用超過20次；并參與編寫著作2部；已提交申請國家發明專利3項；獲得省部級科技進步獎一等獎1項。2012年6月榮獲中國石油大學（北京）青年拔尖人才稱號，博士論文被評為2013年度中國石油大學（北京）優秀博士論文。

隨著世界經濟的發展，石油危機的沖擊和煤、石油所帶來的環境污染問題日益嚴重，使能源結構逐步發生變化。天然氣在能源的大舞臺上逐漸開始擔任重要的角色，如今它已被國際列為世界三大支柱能源之一。另外，作為一種清潔能源，它對地球環境的改善起到了至關重要的作用，在環境與經濟并重的時代背景下，天然氣的開采已成為世界各國發展計劃中的要點。

數十年來，縱深挖掘、橫向勘探之后，中國天然氣勘探開發的主體對象由原來的常規氣層逐步向凝析、低滲、超深層等復雜常規氣藏及煤層、頁巖層等非常規氣藏轉變。“大力發展復雜氣藏和非常規氣藏技術，精確找到油氣層并盡可能多地開采天然氣，是現在及將來很長一段時間的研究重點。”石軍太說。

與氣藏“相戀”

“國內常規氣藏技術已經發展得很完善，甚至并不輸于國外，且常規氣層中的天然氣也被開發了大部分。但是在復雜、非常規氣藏方面，還有很多不足的地方。”出于這個原因，石軍太從碩士期間起就義無反顧地踏上了氣藏科研之路，但是他最初選擇石油專業，只因愛挑戰的性格。

石軍太天資聰慧，從小學到到高中一直出類拔萃，經常在考試中獨占鰲頭。2002年，他以優異的成績考入中國石油大學石油工程專業。回憶過往，石軍太說：“報考的時候，老師跟我說石油工程這個專業發展前景廣闊，但可能工作環境會很艱苦，我決定試試。”就這樣，他與“油氣”打交道的生活開始了。

在對石油工程專業有些了解之后，他漸漸對“地底下的東西”著了迷。憑借出眾的成績，他被保送本校碩博連讀，師從李相方。李相方教授曾任中國石油大學石油天然氣工程學院院長，國家安全生產監督管理總局非煤礦山安全生產技術支撐專家，并曾獲國家能源科技進步獎一等獎等多個獎項，是中國石油天然氣領域的一線專家。在他的引導下，石軍太的知識貯備和科研能力都更勝一籌，“這期間我還接受了由美國最大的公立學校之一——德克薩斯大學奧斯汀分校與母校的博士聯合培養，開闊了眼界。”2013年，石軍太的博士論文被評為中國石油大學優秀博士論文，為這段學習生涯畫上了圓滿的句號。

畢業后，石軍太選擇留校任教，之所以選擇駐留在了北京，只因他認為這里是更有益于做事情的地方。“北京是名副其實的科技之城，信息暢通、科技資源豐富，對于想從事科研的我，這里很合適。”

石軍太的研究工作是圍繞復雜氣藏和非常規氣藏開展的，這是當今中國天然氣開發的一個瓶頸，要想利用好天然氣資源，這個坎必須要邁過去。“當下常規的氣藏已經開發的差不多了，剩下的復雜氣藏和非常規氣藏開發的成本都較高，收益卻低，甚至有些氣藏例如凝析氣藏都采不出來，我們的工作就是去解決這個問題。”

石軍太告訴記者，他們工作的另一個重點是要預測油氣井的產量，這并不是只得到一個簡單的數值，而是要清楚地知道一口井能穩產幾年，期間高產值的持續時間，低產值的持續時間，產量遞減的速率都需要預測清楚。“其次，我們還要研究導致一口井產量低的因素是什么？我們將找一些方法去改善它。”

從碩士期間至今，他已經積極參與主持多項國家基金委、科技部、國家“973”計劃、氣藏開發橫向等項目，始終活躍在非常規、復雜氣藏工程的科研第一線，雖然今年的石軍太才32歲，但他已經在該領域提出了不少具有“首次性”的結論。

入選科學中國人（2015)年度人物

開發方式探索者

我國凝析氣田儲量豐富，但由于不同氣田地質構造、孔滲、凝析油含量與氣水分布差異大，決定了開發方式的復雜性，又由于凝析氣藏開發理論不完善，致使我國凝析氣藏開采方式較單一，因此造成一些氣田開發效果較差。

“彈性開采凝析油采收率較低，而注氣開發雖然效果較好，但可能經濟效益較差”，石軍太解釋說，不少凝析氣藏在彈性開發多年后再轉變為注氣開發，存在轉入時機不佳的問題，此外適合注氣開發的凝析氣藏有限，因而對凝析氣藏有效開發方式及相關技術的需求十分緊迫。

石軍太專攻難點，與合作者在國家自然科學基金項目、國家“973”項目、國家“863”項目等多個項目的資助下，系統地對凝析氣藏展開了研究。“我們不僅建立了二維微觀孔隙網絡凝析氣相變實驗模型，而且用微米級玻璃粉作為填充介質構筑的三維夾珠凝析氣相變實驗模型，它們可用于直接觀測凝析氣在孔隙介質中的相態變化過程。”另外，他們還建立了考慮毛細作用和吸附作用的凝析油氣體系相態數學模型，并且研究了多孔介質中毛管力和吸附作用對凝析氣相態的影響機理。

值得一提的還有，石軍太發現了一個對凝析油臨界流動飽和度影響很大的因素，即凝析氣藏儲層孔喉半徑的分布特征。而在方法論方面，他們則建立了考慮凝析氣藏油氣相滲四維性變化特征的產能試井方法和不穩定試井解釋方法，并提出了凝析氣藏全壽命周期的組合開發方式及參數優化方法。

該成果發表SCI論文2篇，EI文章1篇，核心文章3篇。2014年，石軍太因該研究成果榮獲中國石油和化學工業聯合會科學技術獎一等獎。經中國石油和化學工業聯合會組織專家鑒定，該成果被一致認為總體達到國際先進水平。

“如今，我們科技成果已經在我國牙哈凝析氣田、柯克亞凝析氣田、吉拉克凝析氣田、雅克拉凝析氣田、大澇壩凝析氣田等共9個油田得到了應用。”石軍太自豪地告訴記者，經改造后凝析氣藏產能普遍提高，穩產、上產效果較好。采用全壽命周期組合開發方式，與衰竭開發方式相比，提高采收率20%以上，總計直接經濟效益25.4億人民幣，為國家增加稅收4.3億人民幣。

在凝析氣藏有所收獲后，石軍太開始“轉戰”煤層氣。我國煤層氣資源豐富，居世界第三，但利用很不充分，2013年國家能源局下發《煤層氣產業政策》，希望改變煤層氣沉寂的發展態勢，清理煤層氣產業制度障礙，有志于將煤層氣產業發展成為重要的新興能源產業，煤層氣相關的科學研究刻不容緩。石軍太對煤層氣產出機理及開發模式展開了全面的研究。“我們對煤儲層基質孔隙分類、煤儲層中氣水變化特征、基質孔隙中甲烷的動力學行為、煤層氣解吸模型、擴散模型、滲流模型和產氣模型進行了綜述和評論。”

他發現煤層氣在生產過程中吸附氣會變為解吸氣，少量的解吸氣會溶解并在儲層孔隙水中擴散，而大量的解吸氣聚集成泡或成柱在煤基質孔隙中非達西滲流，而自由氣則從煤基質孔隙竄流至割理-裂隙系統。“除此之外，還有兩個現象，一是自由氣會從割理—裂隙系統達西滲流至井筒；二是在低媒階中，自由氣會從煤基質孔隙非達西滲流至井筒。”石軍太補充說。

這些發現可為煤層氣開發提供理論依據，為煤層氣數值模擬提供理論基礎，還對煤層氣產氣規律的認識具有指導意義。另外，石軍太建立的煤層氣井數值模擬模型，解釋了煤層氣井產氣量長期不降的現象，可用于煤層氣井的產氣預測。該成果發表在《石油勘探與開發》和《中國科學：物理學力學天文學》國內知名期刊上及SPE國際會議上。

對于煤層氣，石軍太還有些其他的想法。“我國的煤層氣開發有兩個難點，其一是煤層中有水，阻礙氣體解吸和傳輸；其二是很多地域的煤層屬于構造煤，滲透性很差。有關煤層氣解吸方面我認為兩個方法特別好，一是給井筒加溫，因為氣體在高溫下吸附量低、低溫下吸附量高，所以給井筒加溫將有助于氣體排放；二是添加表面活性劑，加速排水，促使它的解吸”，雖然這兩個新型方法尚待驗證，但他說“思路轉變才能產生新技術”。

石軍太

微溶膠“達人”

對于油氣藏的開發，除了開采方式是關鍵外，還有一個要點就是提高采收率，其中一種方法就是微溶膠調剖。“各種水溶聚合物合成的微溶膠被用于高含水油田的深部調剖和堵水。要是利用得當，可以提高石油采收率并降低廢水產出，很具研究價值。”于是，石軍太決定對此開展研究。

由于現有的各種微溶膠的特征描述與實際情況差別較大，石軍太決定重新來過，他們系統地研究了懸浮溶膠、預膠粘顆粒、改變相滲的微溶膠、pH值敏感性微溶膠和溫度敏感性微溶膠的特征和適用性。“在有了一些準確的基礎數據之后，我們又探討了兩種CDG，即預膠粘CDG和地下合成CDG的區別。”據此，他們發現預膠粘CDG和改變相滲的微溶膠在儲層中傳輸的過程中比較穩定，將預膠粘CDG和改變相滲的微溶膠歸為預膠粘微溶膠。

這只是邁出了一小步，在預膠粘微溶膠上，石軍太還希望得到進一步的突破，比如建立模型。通過成功開發預膠粘微溶膠粘度模型，他們得出了一個重要結果：預膠粘微溶膠粘度是預膠粘微溶膠濃度和剪切速度的函數。“這意味著，與現有模型相比，它可適用于更大濃度范圍的微溶膠粘度預測。”口說無憑，目前該模型已被文獻中的實驗數據所證實。

預膠粘微溶膠機械滯留模型，也是他們貢獻的一個創新點。該模型可根據孔隙大小分布，預膠粘微溶膠不會進入未被水波及的小孔隙內，而是吸附在已被水波及的大孔隙表面，或在大孔隙的吼道處形成水力橋塞，以達到降低高滲部位滲透率，使后續注入的水沿著小孔道流動，驅出小孔隙中殘留的油，提高波及效率，從而達到提高采收率的效果。

科研成果只有轉化成產品才能更直接地發揮力量、體現價值。石軍太深諳此理，他與合作者一同編寫程序，將預膠粘微溶膠粘度模型和機械滯留模型載入了UT石油系的三維化學驅軟件UTCHEM中，運行實例并進行了結果分析，初步的數值模擬實例表明載有這兩個模型的UTCHEM，可準確預測預膠粘微溶膠提高采收率的過程。以上預膠粘微溶膠粘度模型和機械滯留模型也可載入其他數值模擬器中，用于預膠粘微溶膠提高采收率過程的預測和評價。目前，嵌入此模型的UTCHEM軟件已廣泛用于膠粘微溶膠提高采收率的模擬。

該成果的兩篇代表作發表在了SCI二區期刊Energy & Fuels和多孔介質國際會議上，獲得了Energy & Fuels多位審稿人的好評，被同行高度評價為“填補了空白”，以及“幫助了顆粒溶膠發展”等。

2013年，在國家自然科學基金的支持下，石軍太又針對致密氣藏等復雜氣藏和煤層氣、頁巖氣等非常規氣藏中微米及納米基質孔隙中的解吸傳遞機理及其產氣預測這一學術問題，展開了細致深入的探索，最終得到了諸多成果。

“首先這個研究揭示了致密儲層基質孔隙中的傳遞機理并提出了全尺度滲透率模型，該模型填補了目前過渡擴散范圍內無傳遞模型的空缺，可適用于整個努森數范圍的氣體傳遞。”石軍太介紹說。

感受到解決實際問題所帶來的樂趣，石軍太再接再厲，建立了致密儲層多段壓裂水平井不穩定試井數學模型和解釋方法，通過試井手段可以識別出無效壓裂段，并預測出每一有效壓裂段對整個產能的貢獻。“這是為了解決目前致密氣和頁巖氣多段壓裂水平井產氣剖面很難識別的問題。”

而在對致密儲層多段壓裂水平井直井段、斜井段和水平井段考慮液滴大小和形狀變化之后，他們還通過所建起的臨界攜液模型，得出了斜井段最難攜液的結論，揭示出壓裂水平井井筒中排液困難是壓裂液返排率較的原因之一，為有效釋放致密儲層壓裂水平井產能提供了措施依據。

把事情做到極致

憑借優異的表現，2012年，石軍太被評為“青年拔尖人才”。可在他眼中，以往成績只是積淀，現在和未來才是重點。“我將在兩個方向開展研究，首先是研究不同級別尺度介質中氣體的傳輸機理，耦合跨尺度的傳輸機理，建立橫跨納米孔解吸和傳輸、到微孔擴散、再到天然裂縫滲流、最后到人工裂縫中滲流或酸蝕孔眼中管流的跨尺度傳輸產氣模型，并數值求解形成模擬器，這可用于將來非常規氣藏的動態數值模擬。”石軍太說。此外，他還準備通過理論分析、數值模擬、室內實驗和礦場實驗四種方法探究阻止產量提升的主控因素，據此提出并論證不同的增產提高氣體采收率的方法。

石軍太很重視國際學術交流活動，他認為科技決不能閉門造車。“每年我平均要參加兩次國際會議，我覺得這一點不可或缺。通過交流，一方面我們可以學習別人；另一方面還能宣傳自己。剛開始出去的時候，一說中國石油大學別人基本都沒聽過，而這兩年憑借科技創新和宣傳，中國石油大學在世界上已經有一些知名度了。”

對一位在高校從事科研工作的學者來說，石軍太一直堅持科研與教學并重。他現在教授《氣藏工程》和《氣液兩相流》兩門課程，門下有11個研究生，其中3個是留學生。石軍太十分重視學生的個人意愿，一心一意為學生著想，對于畢業后想工作的學生，石軍太會重點培養他們的工作技能，而對于想搞研究的學生，他則會將教學的重點放在學術上。

但是在某些方面，石軍太卻是名副其實的嚴師。“我要求我的學生研一畢業起碼發表一篇文章，這是一個硬性要求。因為這直接關乎他們的未來。我也經常讓他們做科研項目，多實踐，不能光讀書。”

當被記者問及能否給當下青年人點建議的時候，石軍太立馬說出了三點：“一是術業有專攻，選擇了一行就一定要舍得投入時間和精力來把它做好，做到極致；二是要多思考，做事情不能蜻蜓點水，走馬觀花。一溜煙過去了等于什么也沒做，要做就做深入；三是要會給生活中的事情排序，把重要的事情排在前面，相對不重要的排在后面，懂得主次，在時間緊迫的時候著力做重要的事。”

挖掘氣藏潛力，改革能源結構，這是中國發展必須邁出的一步，石軍太和其他氣藏科研人員，將一同助力中國，迎接氣藏新時代！