朱維耀，陳 震，宋智勇，吳建發(fā)，李武廣，岳 明

1) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083 2) 中國(guó)石油西南油氣田公司頁(yè)巖氣研究院,成都 610051 3) 中國(guó)石油西南油氣田公司,成都 610051

我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量十分豐富，目前探明儲(chǔ)量已突破1 萬(wàn)億立方米[1]，估計(jì)儲(chǔ)量達(dá)36.1 萬(wàn)億立方米，居世界首位.但作為典型的非常規(guī)油氣藏，頁(yè)巖氣的孔隙十分微小，孔隙直徑通常在100～200 nm間，滲透率小于0.1×10?3μm2，并隨機(jī)分布微裂縫[2].甲烷氣體在如此微小的孔隙之中流動(dòng)將與常規(guī)儲(chǔ)層的流動(dòng)具有顯著的差別.具體表現(xiàn)在：流動(dòng)偏離線性規(guī)律，為非達(dá)西流動(dòng)，由于孔隙尺度微小，流動(dòng)的過(guò)程中將存在著滑脫效應(yīng)、努森擴(kuò)散等多種流態(tài)；此外，由于甲烷分子吸附在有機(jī)質(zhì)表面，故降壓開(kāi)采時(shí)還會(huì)發(fā)生氣體解吸現(xiàn)象[3].這些機(jī)理共同作用于頁(yè)巖氣的傳輸過(guò)程之中.同時(shí)，頁(yè)巖氣從微裂縫流向人工裂縫的特性也導(dǎo)致頁(yè)巖氣的流動(dòng)更加復(fù)雜[4]，這一過(guò)程包括納微米孔隙、微裂縫、裂縫、水平井筒等一系列不同流動(dòng)介質(zhì)內(nèi)的多流態(tài)復(fù)雜流動(dòng).因此，相較于常規(guī)油氣而言，對(duì)頁(yè)巖氣藏工程的理論研究的深度和廣度要求更高，技術(shù)難點(diǎn)也更為集中.其開(kāi)發(fā)理論的快速發(fā)展可為我國(guó)的油氣行業(yè)帶來(lái)更大的進(jìn)步.本文從以上這些方面入手，從微觀尺度流動(dòng)機(jī)理出發(fā)，歸納總結(jié)不同流動(dòng)機(jī)理的研究現(xiàn)狀，以及以不同流動(dòng)機(jī)理研究為基礎(chǔ)的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)非線性滲流理論、開(kāi)發(fā)指標(biāo)預(yù)測(cè)方法和中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)適應(yīng)性技術(shù)等內(nèi)容，對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的研究進(jìn)展進(jìn)行了歸納，分析了頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)相關(guān)研究的發(fā)展脈絡(luò)，總結(jié)了各個(gè)方向的關(guān)鍵研究問(wèn)題和重要成果，并介紹了其進(jìn)一步的發(fā)展趨勢(shì)，包含本課題組的最新研究成果，對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的進(jìn)一步深入研究提供支撐.

1 頁(yè)巖氣多流態(tài)跨尺度傳輸流動(dòng)機(jī)理

頁(yè)巖中納米級(jí)孔隙占主導(dǎo)地位，是頁(yè)巖氣的主要儲(chǔ)集空間，儲(chǔ)層中微裂縫和壓裂裂縫是流體流通的主要通道[5].這導(dǎo)致頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中流體的流動(dòng)包括解吸、擴(kuò)散及多孔介質(zhì)中的跨尺度流動(dòng)，其流動(dòng)機(jī)制不符合達(dá)西定律，且涵蓋連續(xù)流、滑移流等多種流態(tài).所以，需要對(duì)頁(yè)巖氣流動(dòng)的各種流態(tài)進(jìn)行分析，以便形成頁(yè)巖多流態(tài)非線性滲流理論.

1.1 吸附-解吸機(jī)理

由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有自生自儲(chǔ)的特征，它本身富含有機(jī)質(zhì)[6].甲烷分子可大量吸附在這些有機(jī)質(zhì)的表面，以吸附氣的形式賦存于儲(chǔ)層之中[7].當(dāng)開(kāi)井降壓開(kāi)采后，壓力的降低可以導(dǎo)致部分氣體分子解吸，變?yōu)橛坞x氣.頁(yè)巖氣藏中吸附氣量可達(dá)總儲(chǔ)集氣量的20%～60%[8].

此前頁(yè)巖氣的吸附實(shí)驗(yàn)研究主要集中在5～15 MPa 的低壓范圍，很少涉及到超臨界狀態(tài)，過(guò)剩吸附量與絕對(duì)吸附量基本相等.不同的頁(yè)巖巖心樣本往往具有不同的吸附特征，可用不同的吸附模型進(jìn)行描述.如1995 年，Zhang 等通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了Langmuir 模型可以準(zhǔn)確地?cái)M合頁(yè)巖氣在單一溫度下的吸附[9].筆者利用江蘇珂地公司的頁(yè)巖氣吸附測(cè)試儀也驗(yàn)證了龍馬溪組的頁(yè)巖巖心甲烷吸附符合Langmuir 模型[10].郭為等也認(rèn)為L(zhǎng)angmuir模型與解吸式模型能很好地描述等溫吸附和解吸過(guò)程[11].張志英和楊盛波[12]更利用經(jīng)過(guò)修正的雙Langmuir 模型，對(duì)頁(yè)巖氣的吸附及解吸滯后現(xiàn)象進(jìn)行了描述.此外，Yu 等[13]通過(guò)對(duì)Marcellus 頁(yè)巖的吸附實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為BET 模型對(duì)其吸附特征的描述更好.但總體而言，目前普遍采用Langmuir模型來(lái)描述頁(yè)巖氣的吸附?解吸行為.

而在深層高壓條件下，測(cè)定的將是氣體的過(guò)剩吸附量.目前有研究者發(fā)現(xiàn)高壓時(shí)吸附曲線具有先上升后下降的趨勢(shì)[14?16]，端祥剛等[17]和周尚文等[18]通過(guò)高壓條件下的吸附-解吸實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了這種情況，表明了高壓等溫吸附曲線隨壓力變化存在最大過(guò)剩吸附量（圖1），對(duì)應(yīng)壓力為臨界解吸壓力，推導(dǎo)了相關(guān)數(shù)學(xué)模型.而陳花等則認(rèn)為T(mén)OCH 模型對(duì)高溫甲烷吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合精度最高[19].這些研究對(duì)于下一步的深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)尤為重要.

圖1 最大過(guò)剩吸附量和臨界解吸壓力[17]Fig.1 Maximum excess adsorption capacity and critical desorption pressure[17]

通過(guò)頁(yè)巖吸附?解吸實(shí)驗(yàn)，表明頁(yè)巖吸附氣量可隨著溫度升高而大幅降低.溫度從40 ℃升高到60 ℃時(shí)，吸附氣量平均減少42.6%[10].實(shí)際上，吸附?解吸為不完全可逆過(guò)程.因?yàn)榧淄榉肿游綍r(shí)，散失分子速度，釋放一定能量，因此大量分子在解吸時(shí)沒(méi)有足夠能量掙脫固壁的吸引力，無(wú)法解吸，從而產(chǎn)生解吸滯后吸附效應(yīng)，形成滯后環(huán)（圖2）[16].而且孔道結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，分子能量補(bǔ)充越遲緩，滯后程度將越高[18?19].

圖2 在同一溫度下的吸附?解吸曲線[16]Fig.2 Adsorption-desorption curve at the same temperature[16]

1.2 滑脫機(jī)理

對(duì)于致密的頁(yè)巖儲(chǔ)層多孔介質(zhì)，滑脫效應(yīng)尤為顯著.大量實(shí)驗(yàn)和理論研究證實(shí)了，氣體在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中的滲流受制于滑脫效應(yīng)，并由此貢獻(xiàn)一個(gè)氣體流量的附加通量，與不存在滑脫的情況相比，氣體分子在壁面的滑脫會(huì)降低氣體的流動(dòng)壓力差[20].Javadpour 等通過(guò)計(jì)算頁(yè)巖中的氣體特性參數(shù)Knudsen 數(shù)（簡(jiǎn)記為Kn 數(shù)），對(duì)頁(yè)巖氣的流態(tài)進(jìn)行劃分，發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖中的氣體流態(tài)處于滑脫流和過(guò)渡流區(qū)[21].實(shí)際上，受制于氣體流動(dòng)通道的壓力和孔徑寬度范圍，滑脫效應(yīng)的強(qiáng)弱有所不同.根據(jù)筆者所做的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示，當(dāng)儲(chǔ)層孔隙壓力小于1.5 MPa 時(shí)，滑脫效應(yīng)明顯，滑脫對(duì)滲透率的影響較大；當(dāng)儲(chǔ)層孔隙壓力大于1.5 MPa 時(shí)，滑脫效應(yīng)則不明顯.從儲(chǔ)層深度來(lái)考慮，即較深的頁(yè)巖儲(chǔ)層可以不需要考慮滑脫效應(yīng)的影響，而對(duì)于較淺的頁(yè)巖儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，滑脫效應(yīng)則不可忽視.此外，隨著巖心裂縫寬度逐漸增大，氣體滲流阻力減小，滑脫效應(yīng)有所減弱.經(jīng)測(cè)試，滑脫主要發(fā)生在頁(yè)巖基質(zhì)孔隙中，基質(zhì)中的滑脫因子是裂縫中的10 倍[22].

1.3 擴(kuò)散機(jī)理

頁(yè)巖氣的擴(kuò)散主要是納微米孔隙中的Knudsen擴(kuò)散.即氣體分子在較為狹小的孔隙中輸運(yùn)時(shí)，分子運(yùn)動(dòng)平均自由程與孔徑幾乎相差無(wú)幾，分子以無(wú)規(guī)則碰撞孔壁的形式輸運(yùn)[23].通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可觀察到，擴(kuò)散系數(shù)對(duì)溫度的敏感程度超強(qiáng)，呈現(xiàn)較好的指函數(shù)遞增關(guān)系.當(dāng)溫度從25 ℃增至85 ℃，擴(kuò)散系數(shù)快速增加，總體平均提高約8.36 倍.而且，溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)增加的速度也越快（圖3）[24].與之相對(duì)，有效應(yīng)力則對(duì)頁(yè)巖擴(kuò)散系數(shù)有明顯的抑制作用，二者呈現(xiàn)較好的指函數(shù)遞減關(guān)系.隨著有效應(yīng)力從11 MPa 增加至19 MPa 時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)下降了64.5%（圖4）[24].可見(jiàn)，分子熱運(yùn)動(dòng)的活躍程度直接影響著擴(kuò)散系數(shù)的大小.

圖3 擴(kuò)散系數(shù)與溫度的變化關(guān)系[24]Fig.3 Relationship between diffusion coefficient and temperature[24]

圖4 擴(kuò)散系數(shù)與有效應(yīng)力的變化關(guān)系[24]Fig.4 Relationship between diffusion coefficient and effective stress[24]

1.4 頁(yè)巖氣基質(zhì)?裂縫多尺度滲流規(guī)律

頁(yè)巖氣藏的基質(zhì)孔隙處于納米尺度，氣體傳輸主要為連續(xù)流動(dòng)、滑脫流動(dòng)和過(guò)渡流動(dòng)，需要考慮納微米效應(yīng)對(duì)氣體輸運(yùn)的非線性影響[25].而且，頁(yè)巖儲(chǔ)層中存在一定數(shù)量的微米級(jí)孔隙和大量的微裂縫，以及完井工程實(shí)現(xiàn)的大尺度人工裂縫和次生裂縫網(wǎng)絡(luò)，而此類孔隙的尺度往往相對(duì)較大，也需要對(duì)其中的頁(yè)巖氣流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究[26].所以，頁(yè)巖氣的流動(dòng)本質(zhì)上是一個(gè)多尺度導(dǎo)致多流態(tài)的問(wèn)題.

1.4.1 頁(yè)巖基質(zhì)納微米孔隙非線性滲流規(guī)律

通過(guò)電鏡掃描，可見(jiàn)頁(yè)巖基質(zhì)巖樣中發(fā)育有大量的納米級(jí)孔隙（圖5）[27].通過(guò)頁(yè)巖巖心的滲流規(guī)律曲線可以看出，頁(yè)巖氣流動(dòng)具有非達(dá)西滲流特征，表現(xiàn)出啟動(dòng)壓力梯度的特點(diǎn)，其滲流曲線為明顯的非線性特征（圖6）[10].流速越大所需壓差越大，且非線性增加.隨著滲透率的增加，曲線的非線性逐漸減弱，而后則趨向達(dá)西流.

圖5 基質(zhì)頁(yè)巖納米孔隙[27]Fig.5 Nanopores in shale matrix[27]

圖6 基質(zhì)巖心滲流規(guī)律曲線[10]Fig.6 Porous flow curves of matrix cores[10]

為了更好地量化微小孔隙對(duì)氣體流動(dòng)的影響，宋付權(quán)等[28]利用納米氧化鋁膜，發(fā)明了納米級(jí)孔徑的氣體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法和裝置（圖7）.通過(guò)納米管束中的氣體滲流規(guī)律實(shí)驗(yàn)，可以看到氣體在納微米孔隙中的非線性流動(dòng)特性：當(dāng)孔徑在14.51 μm左右時(shí)，氣體的實(shí)驗(yàn)流量與泊肅葉公式的理論流量相符合；但是當(dāng)孔徑降低到5.03 μm 以下時(shí)，氣體的實(shí)驗(yàn)流量顯然高于泊肅葉理論計(jì)算流量，但兩者相差不大；可以看到，隨著孔徑降低到納米級(jí)別，實(shí)驗(yàn)流量與泊肅葉理論預(yù)測(cè)的流量偏離程度越來(lái)越高，孔徑小于100 nm 時(shí)，實(shí)驗(yàn)流量可比理論流量高1 至2 個(gè)數(shù)量級(jí)（圖8）[28].由此可見(jiàn)，頁(yè)巖氣在基質(zhì)中的流動(dòng)受納微米效應(yīng)的影響顯著，隨著孔隙直徑增大，這種影響逐漸減弱，最終趨向于線性流動(dòng).

圖7 納米多孔氧化鋁膜.（a）12.6 nm 孔徑；（b）89.2 nm 孔徑[28]Fig.7 Nanoporous alumina membrane:(a) pore diameter of 12.6 nm;(b) pore diameter of 89.2 nm[28]

圖8 實(shí)驗(yàn)流量與泊肅葉理論流量的比較.（a）5.03 μm 孔徑；（b）89.2 nm 孔徑[28]Fig.8 Comparison of experimental flow and poiseuille’s theoretical calculation:(a) pore diameter of 5.03 μm;(b) pore diameter of 89.2 nm[28]

1.4.2 頁(yè)巖氣微裂縫介質(zhì)線性流動(dòng)規(guī)律

頁(yè)巖中納米級(jí)孔隙占主導(dǎo)地位，是頁(yè)巖氣的主要儲(chǔ)集空間，儲(chǔ)層中微裂縫和壓裂裂縫是流體流通的主要通道.頁(yè)巖儲(chǔ)層的復(fù)雜層理、裂縫性特征決定了壓裂可能形成更為復(fù)雜的裂縫或裂縫網(wǎng)絡(luò)，在人工壓裂縫中存在大量的沒(méi)有支撐劑支撐的微裂縫，這些微裂縫對(duì)于頁(yè)巖氣產(chǎn)能具有較大貢獻(xiàn)[29?31].馬東旭等通過(guò)對(duì)巴西劈裂實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)合CT 掃描裂縫特征、聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，進(jìn)行了頁(yè)巖巖心裂縫擴(kuò)展分析和多尺度滲流實(shí)驗(yàn)測(cè)量.測(cè)量結(jié)果顯示，巖心經(jīng)過(guò)造縫試驗(yàn)，其孔隙度變化不大，然而滲透率卻大幅增加，特別是對(duì)于貫穿縫巖樣，其滲透率可增大近500 倍；微裂縫中的流體流動(dòng)具有線性達(dá)西滲流特征，可以用達(dá)西定律進(jìn)行描述；隨著裂縫滲透率增加，滲流流量增加的幅度也越大（圖9）[32].

圖9 微裂縫中氣體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量[32]Fig.9 Experimental measurement of gas flow in microcracks[32]

根據(jù)裂縫形態(tài)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)可知，隨著微裂縫開(kāi)度或長(zhǎng)度增加，滲透率可呈指數(shù)增加.如裂縫寬度由0.015 cm 增大到0.035 cm 時(shí)，滲透率可增大20 倍；裂縫長(zhǎng)度從0.55 cm 增大到3.15 cm 時(shí)，滲透率可增大2.3～67 倍，平均17 倍.這說(shuō)明微裂縫對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)采具有重大作用.

1.4.3 頁(yè)巖人工裂縫達(dá)西?高速非達(dá)西滲流規(guī)律

人工裂縫的開(kāi)度通常較大，其中流體的流動(dòng)狀態(tài)不僅可以是達(dá)西流，也可以是高速非達(dá)西流.可根據(jù)雷諾數(shù)，判斷頁(yè)巖氣在人工裂縫內(nèi)的流動(dòng)是否屬于高速非達(dá)西流動(dòng)：

其中，Re為雷諾數(shù)；μ為氣體黏度，Pa·s；v為氣體流速，m·s?1；K為多孔介質(zhì)滲透率，m2；ρ為氣體密度，kg·m?3；φ為多孔介質(zhì)孔隙度.

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可獲得臨界雷諾數(shù)為0.2～0.3，雷諾數(shù)超出此范圍時(shí)，人工裂縫中的流動(dòng)屬于高速非達(dá)西流.如果頁(yè)巖儲(chǔ)層厚度為20 m，裂縫寬度為1 cm，單段壓裂3 簇，每簇2 條裂縫，則當(dāng)壓裂水平井的單段產(chǎn)氣量大于9000 m3·d?1時(shí)，流動(dòng)為高速非達(dá)西流動(dòng).

2 頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)非線性滲流理論

如前所述，頁(yè)巖氣的流動(dòng)跨越基質(zhì)?微裂縫?人工裂縫多種介質(zhì)，不同的尺度下可呈現(xiàn)不同的流動(dòng)特征.因此，頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)伴隨著多尺度多流態(tài)問(wèn)題，可以利用分區(qū)的方式，對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中的多尺度特征進(jìn)行歸納研究，形成多重介質(zhì)模型，從而構(gòu)建頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)滲流理論.

2.1 頁(yè)巖氣多尺度流動(dòng)表征

針對(duì)頁(yè)巖氣在不同尺度下所反映的不同機(jī)理、不同流態(tài)進(jìn)行分類，通常采用Kn 數(shù)來(lái)判定氣體在不同尺度的孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)狀態(tài)[33]，繪制流態(tài)理論圖版，并對(duì)其流態(tài)進(jìn)行分析.主要?jiǎng)澐譃檫B續(xù)流（達(dá)西流）、滑脫流（滑脫效應(yīng)）、過(guò)渡流（滑脫效應(yīng)與氣體擴(kuò)散）和自由分子流（Knudsen 擴(kuò)散）.如圖10 所示[10]，納米級(jí)孔隙的流動(dòng)多以過(guò)渡流、滑移流為主，而壓力增高可使其部分轉(zhuǎn)換為連續(xù)流.當(dāng)孔隙直徑d大于 50 μm 時(shí)（如在裂縫介質(zhì)中），流體流動(dòng)均為連續(xù)流動(dòng)；而對(duì)于典型的頁(yè)巖儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙和壓力范圍而言（儲(chǔ)層在壓力為10～20 MPa，孔隙直徑為10～300 nm），氣體流動(dòng)基本上屬于滑移流.

圖10 頁(yè)巖氣流動(dòng)多流態(tài)圖版[10]Fig.10 Multimode flow pattern of shale gas[10]

考慮到頁(yè)巖氣的流動(dòng)通過(guò)基質(zhì)?微裂縫?人工裂縫等不同介質(zhì)，因此將呈現(xiàn)為跨尺度多流態(tài)流動(dòng)，這種輸運(yùn)機(jī)理導(dǎo)致常規(guī)的達(dá)西定律不能描述頁(yè)巖氣在多尺度孔徑下的流動(dòng)，需要提出新的包含納微米流動(dòng)機(jī)理的新型流動(dòng)方程.這類方程包括兩種，一種是Javadpour[34]、Wu 等[35?36]和Ertekin等[37]通過(guò)將不同流態(tài)通量代數(shù)相加的方式，提出了納微米孔體相氣體傳輸模型，這類模型通常很難考慮流態(tài)間的耦合效應(yīng)；另一種是基于Beskok?Karniadakis 模型（B?K 模 型），該模型以Kn 數(shù)為納微米效應(yīng)主要參數(shù)，得出了多孔介質(zhì)連續(xù)流動(dòng)、滑移和擴(kuò)散條件下的滲透率的變化，從而得到滲流速度為[38]：

其中，K0為多孔介質(zhì)固有滲透率，m2；x為兩個(gè)滲流截面間的距離，m；α為稀疏因子；b為滑移系數(shù)，通常被指定為?1.稀疏因子α是唯一的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，由Beskok?Karniadakis 給出[38]：

然而，這一模型僅適用于納米級(jí)孔，并不能表征頁(yè)巖氣多尺度的流動(dòng)特征，且經(jīng)驗(yàn)系數(shù)過(guò)多，又主要依賴于Kn 數(shù)來(lái)計(jì)算，儲(chǔ)層實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，得到儲(chǔ)層內(nèi)各處的Kn 數(shù)實(shí)際上是不可能的.Civan 等的結(jié)果也與之類似[39?41].Deng 等通過(guò)將B?K 模型做級(jí)數(shù)展開(kāi)進(jìn)行改進(jìn)，形成頁(yè)巖氣跨尺度流動(dòng)統(tǒng)一滲流模型，消除了Kn 數(shù)，其中的努森擴(kuò)散系數(shù)及滑移效應(yīng)參數(shù)均可在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)獲得，其計(jì)算結(jié)果通過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[42]：

其中，DK為氣體的努森擴(kuò)散系數(shù)，m2·s?1.

這一方程可揭示吸附·解吸、擴(kuò)散、滑移和滲流作用下的多尺度流動(dòng)規(guī)律，適用于從納米級(jí)孔隙到裂縫中的不同尺度下流動(dòng)特性的計(jì)算，在納米級(jí)孔隙中，流動(dòng)具有非線性特征，而在微裂縫中，該方程則退化為達(dá)西定律，呈現(xiàn)出線性特征（圖11）[42].因此，實(shí)現(xiàn)了對(duì)頁(yè)巖氣多尺度?多流態(tài)的流動(dòng)特性的精確計(jì)算.

圖11 納微米孔隙及微裂縫中的流動(dòng)規(guī)律比較[42]Fig.11 Comparison of flow laws in nano/micropores and microcracks[42]

2.2 頁(yè)巖氣壓裂水平井開(kāi)發(fā)多區(qū)耦合滲流模型

2.2.1 “人造氣藏”物理特性及區(qū)域結(jié)構(gòu)

利用水平井對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層進(jìn)行分段體積壓裂，勢(shì)必造成儲(chǔ)層區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)縫網(wǎng)結(jié)構(gòu).與常規(guī)油氣的徑向流不同，縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)將影響滲流區(qū)域內(nèi)的壓力分布.由于近井地帶分布裂縫，造成儲(chǔ)層非均質(zhì)，壓降漏斗不再是圓形而是橢圓形，橢圓長(zhǎng)軸為壓裂縫網(wǎng)分布方向.在距離井筒位置足夠遠(yuǎn)的區(qū)域，即壓裂改造區(qū)域的邊界部分，其壓力分布等值線已近似規(guī)則圓形，流線也近似指向共同中心.為此，可將頁(yè)巖氣流動(dòng)進(jìn)行分區(qū)研究.根據(jù)上述分析，可將頁(yè)巖氣的流動(dòng)分為三大區(qū)域：I 改造區(qū)（主改造區(qū)、次改造區(qū)）、II 未改造區(qū)（未改造動(dòng)用區(qū)、未改造未動(dòng)用區(qū)）、III 水平井筒區(qū)（圖12）[10].在這種分區(qū)結(jié)構(gòu)中，頁(yè)巖氣由未改造區(qū)流入改造區(qū)，再由改造區(qū)流入水平井筒區(qū)，形成頁(yè)巖氣儲(chǔ)層完整的流動(dòng)體系.

圖12 頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)分區(qū)耦合示意圖[10]Fig.12 Schematic of sector coupling during shale gas reservoir development[10]

2.2.2 頁(yè)巖氣水平井壓裂開(kāi)發(fā)非線性滲流數(shù)學(xué)模型

在頁(yè)巖儲(chǔ)層非線性開(kāi)發(fā)滲流理論研究方面，國(guó)外對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層多尺度非線性、多場(chǎng)耦合滲流理論的綜合研究并不能很好地適用于中國(guó)的頁(yè)巖儲(chǔ)層.總體來(lái)講，國(guó)外對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)模型的研究考慮的機(jī)理耦合因素較少.因此研究人員們提出了適用于頁(yè)巖氣的非線性滲流模型，如2013 年以來(lái)，Yao 等[43]、Wu 等[44?47]基于雙重或三重連續(xù)型介質(zhì)，分別建立了基質(zhì)和裂縫運(yùn)動(dòng)方程，形成了一系列多重介質(zhì)流動(dòng)模型.

然而，由于頁(yè)巖氣流動(dòng)的非線性極強(qiáng)，導(dǎo)致數(shù)學(xué)求解的難度很大，上述研究極少有采用數(shù)學(xué)方法求解頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)非線性模型解析解的研究，而主要都是基于多重介質(zhì)模型的數(shù)值求解.這類數(shù)值解法求解成本較大、不確定性大，而且難以量化確定各種流動(dòng)因素的影響.筆者根據(jù)前述頁(yè)巖氣跨尺度流動(dòng)統(tǒng)一滲流模型，以及頁(yè)巖氣流動(dòng)區(qū)域分區(qū)耦合物理模型，建立了不同分區(qū)內(nèi)的流動(dòng)方程，通過(guò)方程聯(lián)立消除相鄰兩區(qū)的中間變量，進(jìn)而求解得到了頁(yè)巖氣體積壓裂開(kāi)發(fā)的穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài)壓力分布和產(chǎn)量數(shù)學(xué)模型，通過(guò)將頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程的改造區(qū)與非改造區(qū)進(jìn)行耦合，揭示了人工改造縫網(wǎng)區(qū)域與未改造可動(dòng)用區(qū)域流場(chǎng)和產(chǎn)量變化規(guī)律[48?49].

直井開(kāi)發(fā)的頁(yè)巖氣單相非線性流動(dòng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型為：

其中，q為氣體產(chǎn)量，m3·s?1，；pe為儲(chǔ)層初始?jí)毫?，Pa；pw為井底壓力，Pa；Kf為裂縫滲透率，m2；wf為裂縫寬度，m；hf為裂縫高度，m；pm為改造區(qū)與非改造區(qū)相交處壓力，Pa；psc為標(biāo)態(tài)壓力，Pa；T為地層溫度，K；Z為氣體壓縮因子；Zsc為氣體標(biāo)態(tài)壓縮因子；Tsc為標(biāo)態(tài)溫度，K；re為供給半徑，m；xf為裂縫半長(zhǎng)，m；h為儲(chǔ)層高度，m；qd為解吸氣源項(xiàng)，m3；λ為人工裂縫表觀系數(shù)，表達(dá)式如下：

而qd按照Langmuir 模型計(jì)算，其表達(dá)式為[50]：

其中，Vm為L(zhǎng)angmuir 體積，m3·kg?1；pL為L(zhǎng)angmuir壓力，Pa.

水平井多段壓裂開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)的穩(wěn)態(tài)模型為：

其中，F(xiàn)為穩(wěn)流系數(shù)，表達(dá)式如下：

其中，

式中，a為裂縫橢圓形區(qū)長(zhǎng)半軸，m；b為裂縫橢圓形區(qū)短半軸，m；pm2為改造區(qū)的邊界壓力，Pa；KN為縫網(wǎng)區(qū)滲透率，m2，可依照滲透率分形等效方法進(jìn)行計(jì)算[51].

通過(guò)上述數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了不同縫網(wǎng)區(qū)域大小的影響：隨著改造區(qū)半徑增大，壓力曲線的變化坡度基本一致，但改造區(qū)邊界處的壓力值將升高，因此生產(chǎn)壓差變大（圖13）[52]；計(jì)算不同縫網(wǎng)區(qū)滲透率大小的影響，可以發(fā)現(xiàn)縫網(wǎng)區(qū)裂縫滲透率增加時(shí)，改造區(qū)地層壓力曲線坡度變緩，說(shuō)明地層壓力下降減慢，但未改造區(qū)的地層壓力基本不變（圖14）[52].可見(jiàn)，儲(chǔ)層壓裂的規(guī)模和有效性直接影響頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的能量供給能力.

圖13 不同縫網(wǎng)區(qū)域大小的影響[52]Fig.13 Influence of different fracture network sector sizes[52]

圖14 縫網(wǎng)區(qū)裂縫滲透率的影響[52]Fig.14 Influence of fracture permeability of the fracture network sector[52]

今后，需要繼續(xù)研究將微裂縫與人工裂縫加以區(qū)別的強(qiáng)非線性滲流模型，并分析地應(yīng)力對(duì)兩種裂縫的影響.頁(yè)巖氣開(kāi)采的數(shù)學(xué)模擬勢(shì)必需要非線性更強(qiáng)的多場(chǎng)耦合模型的求解、多維流動(dòng)的求解、多相流動(dòng)的求解等，同時(shí)隨著工程技術(shù)研究的深入，此前很少注意到的因素往往越來(lái)越受到重視，例如，目前已有報(bào)道指出了裂縫網(wǎng)絡(luò)支撐劑的分布情況也將對(duì)流動(dòng)造成影響[53]，這是此前的滲流理論中很少考慮的問(wèn)題.其中有些問(wèn)題即使在常規(guī)油氣藏理論領(lǐng)域也仍然是研究的難點(diǎn)，因此頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的研究需要與數(shù)學(xué)及工程的前沿技術(shù)更緊密地結(jié)合.

3 頁(yè)巖氣藏工程的開(kāi)發(fā)指標(biāo)預(yù)測(cè)

3.1 頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)有效驅(qū)動(dòng)邊界預(yù)測(cè)方法

由于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層納微米孔隙界面層微觀力作用明顯，壓力擾動(dòng)的傳播不能瞬時(shí)到達(dá)無(wú)窮遠(yuǎn)，具有與低滲油藏類似的動(dòng)邊界壓力傳播特性，且頁(yè)巖氣流動(dòng)具有更強(qiáng)的非線性滲流特性.因此，頁(yè)巖氣在不穩(wěn)定滲流過(guò)程中的壓力擾動(dòng)隨時(shí)間逐漸向外傳播，其邊界條件也是一個(gè)動(dòng)邊界問(wèn)題.通過(guò)頁(yè)巖氣非線性滲流數(shù)學(xué)模型，可以計(jì)算得到基質(zhì)區(qū)儲(chǔ)層壓力擾動(dòng)傳播影響動(dòng)邊界隨時(shí)間變化的關(guān)系為[54?55]：

其中，re(t)為動(dòng)邊界半徑，m；qsc為地面條件下的氣體產(chǎn)量，m3·s?1；c為氣體壓縮系數(shù)，Pa?1.

如果考慮頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)為多區(qū)耦合過(guò)程，可采用下式計(jì)算單一裂縫所擴(kuò)展的動(dòng)邊界隨時(shí)間的變化關(guān)系：

根據(jù)上式計(jì)算可知，壓力擾動(dòng)傳播影響動(dòng)邊界隨時(shí)間增加向外擴(kuò)展.在同一時(shí)刻滲透率越大，壓力擾動(dòng)傳播影響動(dòng)邊界越遠(yuǎn)（圖15）[55].而經(jīng)壓裂后的頁(yè)巖氣井，基質(zhì)向裂縫滲流滲流阻力大，初期氣體供給速度較慢，壓力波向外傳播速度快；生產(chǎn)中后期基質(zhì)的泄氣范圍逐漸增大，壓力波向外傳播速度逐漸減小并趨于穩(wěn)定（圖16）[55].

圖15 不同滲透率下未壓裂井動(dòng)邊界曲線[55]Fig.15 Moving boundary curves of wells at different permeabilities without any fracture[55]

圖16 不同滲透率下單一裂縫井動(dòng)邊界曲線[55]Fig.16 Moving boundary curves of wells at different permeabilities with a single fracture[55]

3.2 頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)產(chǎn)量預(yù)測(cè)方法

在常規(guī)氣藏的勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，準(zhǔn)確分析氣井的開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)特征，計(jì)算氣藏的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)量對(duì)于該氣藏的合理開(kāi)發(fā)至關(guān)重要.頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)的產(chǎn)量預(yù)測(cè)可以分為經(jīng)驗(yàn)方法、滲流方法.經(jīng)驗(yàn)方法主要應(yīng)用傳統(tǒng)氣藏工程中的遞減分析方法對(duì)頁(yè)巖氣產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，但頁(yè)巖儲(chǔ)層的固有特點(diǎn)使得頁(yè)巖氣井與常規(guī)氣藏的氣井有不同的產(chǎn)量遞減規(guī)律.由于頁(yè)巖氣藏滲透率極小，常規(guī)的遞減曲線法對(duì)其產(chǎn)能預(yù)測(cè)有較大的誤差，筆者通過(guò)劃分多個(gè)時(shí)間段分別采用Arps 方法分析的方式，近似耦合形成一整套頁(yè)巖氣井產(chǎn)量遞減的整體性描述和預(yù)測(cè)模型[56].該模型已在4 個(gè)頁(yè)巖氣區(qū)塊共189 口井應(yīng)用，產(chǎn)能預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際產(chǎn)能符合率高達(dá)85%以上.

滲流方法是指通過(guò)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)非線性滲流理論所推導(dǎo)的產(chǎn)量，推導(dǎo)的難度較大，但具有計(jì)算精度高的優(yōu)點(diǎn).在頁(yè)巖氣多區(qū)耦合開(kāi)發(fā)過(guò)程中，同樣引入復(fù)合區(qū)模型，進(jìn)行多區(qū)耦合聯(lián)立求解.可以得到對(duì)單條人工壓裂縫而言，其頁(yè)巖氣單相流動(dòng)的非穩(wěn)態(tài)產(chǎn)能為：

其中，Ki為第i條裂縫的滲透率，m2；μi為第i條裂縫處的氣體黏度，Pa·s；ci為第i條裂縫處的氣體壓縮因子，Pa?1.

當(dāng)考慮水平井多段壓裂開(kāi)發(fā)時(shí)，需要進(jìn)行多條裂縫的產(chǎn)量疊加，即

其中，qj為單條裂縫的產(chǎn)量，m3·s?1.

通過(guò)對(duì)產(chǎn)量的預(yù)測(cè)可以看到，當(dāng)井底流壓一定的情況下，產(chǎn)量在200 d 以內(nèi)下降較快.生產(chǎn)時(shí)間超過(guò)300 d 時(shí)產(chǎn)氣量下降幅度較慢，產(chǎn)量逐漸穩(wěn)定.產(chǎn)氣量隨著生產(chǎn)壓差的增加而增大，整體非穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)曲線呈現(xiàn)為“L”形（圖17）[42].

圖17 不同縫網(wǎng)區(qū)域大小對(duì)產(chǎn)量的影響[42]Fig.17 Influence of different fracture network sector sizes on production[42]

同時(shí)，產(chǎn)量隨著縫網(wǎng)復(fù)雜程度的增加而提高.如隨著裂縫級(jí)數(shù)的增加，產(chǎn)氣量增大（圖18）[42].

圖18 裂縫段數(shù)的影響[42]Fig.18 Influence of the number of fracture stages[42]

目前，該數(shù)學(xué)模型已編寫(xiě)相關(guān)商業(yè)軟件，應(yīng)用于滲流力學(xué)研究所等單位，與現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采數(shù)據(jù)擬合效果較好（圖19）[52]，與CMG 等數(shù)值模擬軟件計(jì)算結(jié)果的誤差小于15%[52].

圖19 采氣井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)擬合曲線[52]Fig.19 Production history matching curve of the gas recovery well[52]

國(guó)外的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)研究多基于數(shù)值模擬方法，如多重介質(zhì)模擬機(jī)離散裂縫模擬等，與上述頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)理論所提出的解析解有很大不同.本文所介紹的解析解完全避免了數(shù)值模擬所需的大量人力和時(shí)間成本，可以更為方便地進(jìn)行影響因素分析，而且兩者擬合程度很高.

目前，對(duì)于頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)的預(yù)測(cè)模型多基于單相甲烷.實(shí)際上，頁(yè)巖氣壓裂開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要注入大量的壓裂液，地層之中的流動(dòng)實(shí)際上為氣?水兩相流.通常，兩相流動(dòng)與單相流動(dòng)的區(qū)別很大，因此，有必要考慮含水的存在.同時(shí)，含水頁(yè)巖的物性往往會(huì)與干燥頁(yè)巖有巨大差別，體現(xiàn)在頁(yè)巖的孔、滲變化，巖石力學(xué)參數(shù)的變化等方面.尤其是在深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，地應(yīng)力的作用凸顯，含水的影響變得很重要，有必要加以模擬計(jì)算.在此基礎(chǔ)上，下一步需要對(duì)含水及應(yīng)力作用于縫網(wǎng)的特性加以考慮，形成考慮流固耦合及多場(chǎng)耦合作用機(jī)理的頁(yè)巖氣水平井開(kāi)發(fā)滲流數(shù)學(xué)模型，以便更加精確地對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)進(jìn)行模擬計(jì)算.

4 中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)適應(yīng)性技術(shù)

在頁(yè)巖氣理論的基礎(chǔ)上，還需進(jìn)一步發(fā)展頁(yè)巖氣適應(yīng)性技術(shù).目前，國(guó)外的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)技術(shù)無(wú)法直接借鑒，也不能完全用以指導(dǎo)中國(guó)的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā).這主要是由于，國(guó)外的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙度通常在10%以下，而在國(guó)內(nèi)通常是5%以下，兩者的成藏條件與儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)都不相同.中國(guó)的頁(yè)巖氣開(kāi)采研究面臨著孔徑更小、納微米效應(yīng)更加凸顯、多尺度非線性影響更大的復(fù)雜問(wèn)題[57?59].需要在適應(yīng)性研究中有所創(chuàng)新進(jìn)步，以形成適應(yīng)我國(guó)頁(yè)巖氣特點(diǎn)的開(kāi)發(fā)技術(shù).

4.1 頁(yè)巖儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)及優(yōu)選目標(biāo)評(píng)價(jià)方法

此前，我國(guó)沒(méi)有頁(yè)巖氣田適應(yīng)性分級(jí)評(píng)價(jià)和有利目標(biāo)優(yōu)選方法，導(dǎo)致含氣富集區(qū)難以定位.同時(shí)，國(guó)外經(jīng)驗(yàn)不適用于我國(guó)儲(chǔ)層.其主要原因在于：（1）我國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)次數(shù)多且劇烈，保存條件不如北美；（2）我國(guó)頁(yè)巖氣藏埋深淺于3000 m 的相對(duì)較少，部分頁(yè)巖儲(chǔ)層埋深可超過(guò)5000 m，而美國(guó)的優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖資源埋深范圍通常介于1000～3500 m.因此，有必要發(fā)展我國(guó)的適應(yīng)性分級(jí)評(píng)價(jià)及優(yōu)選目標(biāo)評(píng)價(jià)方法.

4.1.1 頁(yè)巖儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

此前的國(guó)外油氣研究人員在頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中形成了一系列儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法，選擇的評(píng)價(jià)參數(shù)大體一致，通過(guò)結(jié)合我國(guó)海相頁(yè)巖氣開(kāi)采工作，已提出了一套頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)參數(shù)與閾值.與國(guó)外油氣公司的評(píng)價(jià)方法相比，重點(diǎn)增加了對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層保存條件的評(píng)價(jià).這一方法優(yōu)選了4 個(gè)指標(biāo)作為分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并按優(yōu)選程度分為3 類[60?62]，如表1 所示.

表1 頁(yè)巖儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[62]Table 1 Classification and evaluation criteria for shale reservoirs[62]

目前我國(guó)頁(yè)巖氣的分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要基于對(duì)含氣量及鉆采成功率的認(rèn)識(shí)，多方法綜合評(píng)價(jià)體系尚在起始階段.接下來(lái)，應(yīng)進(jìn)一步加入經(jīng)濟(jì)、環(huán)境評(píng)價(jià)方法，擴(kuò)展儲(chǔ)層的分級(jí)評(píng)價(jià)方法體系.

4.1.2 有利開(kāi)發(fā)目標(biāo)優(yōu)選方法與指標(biāo)

有利開(kāi)發(fā)目標(biāo)的優(yōu)選旨在定位地質(zhì)上的頁(yè)巖氣富集區(qū)以及工程上易于實(shí)施的目標(biāo).目前在西南地區(qū)頁(yè)巖氣田所廣泛應(yīng)用的優(yōu)選方法采用了單因素分析多因素綜合疊加法，分別形成了優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖厚度、壓力系數(shù)、埋深以及地面條件4 張基礎(chǔ)地質(zhì)圖件，在此基礎(chǔ)上疊加這4 幅圖件，重疊的有利區(qū)范圍即為最終優(yōu)選出的開(kāi)發(fā)有利目標(biāo)（表2）[63?65].

表2 頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)有利目標(biāo)優(yōu)選指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)[65]Table 2 Preferred indicators and standards for favorable targets for shale gas development[65]

不過(guò)，目前對(duì)頁(yè)巖氣有利目標(biāo)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)的研究還僅限于海相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，并且只針對(duì)淺?中埋深的地層，對(duì)于陸相儲(chǔ)層以及深層-超深層的頁(yè)巖儲(chǔ)層尚需進(jìn)一步探索研究.目前頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)已逐漸向深層?超深層進(jìn)發(fā)，其物理、化學(xué)特性均與淺?中埋深的儲(chǔ)層有所不同，對(duì)其主要特征進(jìn)行研究應(yīng)是下一步的重點(diǎn)研究方向.

4.2 頁(yè)巖氣限壓控制產(chǎn)量快速遞減開(kāi)發(fā)方法

我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)采呈現(xiàn)典型的“L 型”曲線遞減規(guī)律，初始產(chǎn)量高，但遞減非常快，單井第一年產(chǎn)量遞減率一般為60%～70%.針對(duì)我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)階段產(chǎn)量衰減速率快的問(wèn)題，通過(guò)頁(yè)巖氣多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)和模擬研究，發(fā)現(xiàn)了流固耦合作用和井底積液是減弱氣體滲流能力的主控因素.此前采用美國(guó)的放壓開(kāi)采方法導(dǎo)致氣井產(chǎn)量遞減過(guò)快，效益井大幅度下降，嚴(yán)重影響了開(kāi)發(fā)規(guī)模和上產(chǎn).為此，筆者基于已有的頁(yè)巖氣非線性滲流理論，根據(jù)基質(zhì)?裂縫多區(qū)域流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征和產(chǎn)氣排液規(guī)律，提出階梯性地降低、調(diào)整開(kāi)采壓力，并采用“燜井→控壓→穩(wěn)定→連續(xù)”的排采制度，形成了階梯降壓的頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)方法[10]，通過(guò)限壓降低了應(yīng)力場(chǎng)變化和壓裂液聚集成橋塞作用的影響，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)大多區(qū)域多流態(tài)流場(chǎng)貢獻(xiàn)、控制井底積液，高效抑制頁(yè)巖氣產(chǎn)量遞減.通過(guò)模擬可以看到，采用限壓控制產(chǎn)量快速遞減開(kāi)發(fā)方法后，頁(yè)巖氣的產(chǎn)量遞減情況得到大幅改善（圖20）.

圖20 采用階梯降壓開(kāi)發(fā)效果對(duì)比圖Fig.20 Comparison of the effect of using the step-gradient reducing pressure development method

現(xiàn)在的適應(yīng)性開(kāi)發(fā)技術(shù)研究還僅限于3000 m以淺的頁(yè)巖儲(chǔ)層，而我國(guó)許多頁(yè)巖儲(chǔ)層的埋深都超過(guò)3000 m，對(duì)于這些儲(chǔ)層而言，其應(yīng)力敏感性和溫度場(chǎng)的影響將更加顯著，已有的適應(yīng)性技術(shù)也不能完全適用于這類頁(yè)巖儲(chǔ)層.需要針對(duì)深層頁(yè)巖氣藏的特點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的進(jìn)一步研究.

4.3 中國(guó)頁(yè)巖氣壓裂開(kāi)發(fā)工藝適應(yīng)性技術(shù)

北美地區(qū)的頁(yè)巖氣藏具有天然優(yōu)勢(shì)，其頁(yè)巖儲(chǔ)層厚度大、埋深相對(duì)較淺，而且地面條件多在平原地帶，附近有豐富水源；我國(guó)頁(yè)巖氣藏則埋深大、厚度小，地面環(huán)境多為丘陵，取水不易，而目前通常水力壓裂所需用水每次至少是1×104m3.種種復(fù)雜條件制約著我國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層的開(kāi)采效果，也迫使我國(guó)發(fā)展了適應(yīng)性的頁(yè)巖氣壓裂開(kāi)采技術(shù).

4.3.1 逐步走向深層的頁(yè)巖儲(chǔ)層水平井鉆井技術(shù)

目前，國(guó)外通常在鉆井過(guò)程中使用三維旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向閉環(huán)系統(tǒng)，這種工具可以更方便地操作轉(zhuǎn)向臂并對(duì)井壁的連續(xù)作用力實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向作用[66]，具有摩阻與扭矩小、鉆速高、井眼軌跡平滑和易調(diào)控等特點(diǎn)[67].我國(guó)南方海相頁(yè)巖氣田根據(jù)地質(zhì)特征和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工藝特點(diǎn)，對(duì)水平段選擇旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向施工，加上耐高溫螺桿、定向聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）鉆頭等自主研發(fā)的工具，保證了測(cè)井、下套管一次性到位，大大加快了鉆完井周期[68]，目前已形成了水平井優(yōu)快鉆完井技術(shù)，鉆井周期從此前的4 個(gè)月縮至不到3 個(gè)月[69]，2018 年1 月17 日，川慶鉆探在威202H13?6 井創(chuàng)造了27.6 d 的最短鉆完井記錄[70].我國(guó)對(duì)于淺?中埋深頁(yè)巖儲(chǔ)層的鉆完井工程技術(shù)已經(jīng)非常成熟，下一步應(yīng)著重發(fā)展深層鉆完井的技術(shù).

針對(duì)水平段頁(yè)巖儲(chǔ)集層摩阻大和易垮難題，我國(guó)已自主研發(fā)了兩套油基鉆井液，國(guó)內(nèi)油基鉆井液最高耐溫150 ℃,油水體積比為90∶10，可實(shí)現(xiàn)高效回收利用.但與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)油基鉆井液的耐溫性相對(duì)較低，油水比偏高[71]，需要進(jìn)一步研究疏油材料，提高巖壁親水疏油性能，有效解決鉆井液毛細(xì)管吸力引起井壁失穩(wěn)問(wèn)題.另一方面，高性能水基鉆井液試驗(yàn)已在我國(guó)取得初步成效，鉆井液費(fèi)用比進(jìn)口鉆井液降低21%[72]，在提升環(huán)境友好度的同時(shí)節(jié)約了成本.但水基鉆井液的最大難點(diǎn)在于井壁穩(wěn)定問(wèn)題，必須加大抑制劑的研究，降低水的表面張力，防止巖層表面水化[73].

通過(guò)水平井井眼軌跡控制，保證了水平井軌跡沿著甜點(diǎn)區(qū)約20 m 厚的高壓封存箱中鉆進(jìn)[74].水平井長(zhǎng)通常優(yōu)化控制在1500 m 左右，但已有超長(zhǎng)水平井的作業(yè)，目前初步形成了以“個(gè)性化鉆頭＋配套鉆井提速工具＋優(yōu)質(zhì)鉆井液體系”為主體的超長(zhǎng)水平段鉆井技術(shù)，水平段長(zhǎng)度達(dá)到2810 m，而周期較此前縮短了50%[75].西南油氣田通過(guò)精準(zhǔn)建立地質(zhì)導(dǎo)向模型,使用高性能地質(zhì)導(dǎo)向工具，形成了超深井作業(yè)，目前鉆井深度最深達(dá)4245 m[76].這些技術(shù)為下一步的深層頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)提供了必要基礎(chǔ).

4.3.2 頁(yè)巖井場(chǎng)“工廠化”作業(yè)模式

我國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層的地面條件受井場(chǎng)空間小、水源短缺等限制，對(duì)此我國(guó)逐步形成了“鉆井、壓裂、生產(chǎn)”甚至結(jié)合“地質(zhì)”的一體化“工廠化”生產(chǎn)模式[77]，使壓裂液混配、壓裂作業(yè)、采氣都集中在一定范圍之內(nèi)，極大地縮小了占用空間，在節(jié)約土地、水源、材料、人工和保護(hù)環(huán)境等方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用[78].

目前，威202、威204 等區(qū)塊已形成了水平井“工廠化”部署及地質(zhì)工程一體化設(shè)計(jì)與實(shí)踐[79].水平井鉆井平臺(tái)周期較此前可節(jié)約15～20 d，機(jī)械鉆速增幅達(dá)到127%，每米鉆井費(fèi)用成本降低50%以上，提速效果明顯[80].天然氣在出井之后直接進(jìn)行除砂、分離、計(jì)量后再輸運(yùn)至氣站.在地面工程方面，建立了壓裂返排液地面處理技術(shù)，形成了壓裂液反排再利用，通過(guò)地面大排量實(shí)時(shí)混配，使采出液的重復(fù)利用率達(dá)到90%，降低成本的同時(shí)解決了井場(chǎng)空間受限及清水資源缺乏的問(wèn)題.這些作業(yè)模式大幅度加快了頁(yè)巖氣井的投產(chǎn)進(jìn)度.但僅就目前而言，我國(guó)頁(yè)巖開(kāi)發(fā)區(qū)的管網(wǎng)仍相對(duì)不發(fā)達(dá)，基礎(chǔ)設(shè)施投入成本比北美地區(qū)要高出很多，打井成本也較高，需要進(jìn)一步發(fā)展適應(yīng)于我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)采的技術(shù).

4.3.3 頁(yè)巖氣壓裂工藝設(shè)計(jì)及地質(zhì)?工程一體化技術(shù)

頁(yè)巖氣藏屬于“人工氣藏”，壓裂是其開(kāi)發(fā)的核心[81].水平井同步壓裂、拉鏈?zhǔn)綁毫押椭貜?fù)壓裂技術(shù)是目前水平井壓裂提高頁(yè)巖氣產(chǎn)能的關(guān)鍵[82].同步壓裂是指大致平行的兩口或兩口以上的井同時(shí)進(jìn)行水力壓裂改造，增大井間改造體積和復(fù)雜程度的技術(shù)[83]，與常規(guī)壓裂方式相比，同步壓裂井破裂壓力突破更早，生產(chǎn)率和套管壓力更高、更穩(wěn)定[84].運(yùn)用該技術(shù)，中石化涪陵焦石壩頁(yè)巖氣田實(shí)現(xiàn)了2.36 倍產(chǎn)量的提升[82].通過(guò)結(jié)合拉鏈?zhǔn)綁毫鸭夹g(shù)，可實(shí)現(xiàn)任意段數(shù)的壓裂，段與段之間的時(shí)間周期為2～3 h，尤其適用于工廠化一體化作業(yè)[85].目前，長(zhǎng)寧H3 平臺(tái)H3?1 井、H3?2 井實(shí)施拉鏈?zhǔn)綁毫眩瓿?4 段加砂壓裂，平均每天壓裂達(dá)3.16 段[86].重復(fù)壓裂技術(shù)是指在開(kāi)采一定時(shí)間之后，裂縫受地層應(yīng)力影響，發(fā)生閉合情況，此時(shí)通過(guò)重復(fù)壓裂形成新的裂縫擴(kuò)展，使裂縫重新打開(kāi)或轉(zhuǎn)向，增大人工改造體積，恢復(fù)甚至增大產(chǎn)能.北美地區(qū)的重復(fù)壓裂實(shí)踐表明，該技術(shù)可使單井EUR（估算最終產(chǎn)量）提高30%～50%[87].目前，重復(fù)壓裂技術(shù)在我國(guó)尚處于先導(dǎo)試驗(yàn)階段，但今后會(huì)有重要發(fā)展前景.

我國(guó)南方海相頁(yè)巖氣的壓裂作業(yè)具有大排量（壓裂施工排量一般超過(guò)10 m3·min?1）、大液量（單段壓裂用液量一般為2000～6000 m3）的特征.為確定最優(yōu)的壓裂規(guī)模、間距等參數(shù)，提高儲(chǔ)層動(dòng)用及改造效果，逐步形成了以“橋塞分段，分簇限流射孔，高、低黏滑溜水體系，組合粒徑支撐劑，連續(xù)與分段加砂結(jié)合，大排量，大液量和大砂量”為指導(dǎo)的頁(yè)巖氣水平井主體壓裂技術(shù)，確立了地質(zhì)工程一體化研究、一體化設(shè)計(jì)、一體化實(shí)施的推行方案.目前，長(zhǎng)寧?威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)已經(jīng)依此進(jìn)行產(chǎn)能建設(shè)，建成了25×108m3的年產(chǎn)氣能力[88].未來(lái)，探索最優(yōu)水平段長(zhǎng)、最佳壓裂關(guān)鍵參數(shù)可進(jìn)一步提高頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益.

目前，對(duì)于我國(guó)淺?中埋深的頁(yè)巖儲(chǔ)層，其鉆采和壓裂技術(shù)日漸成熟，可實(shí)現(xiàn)效益開(kāi)發(fā)，處于持續(xù)上產(chǎn)階段.但對(duì)于埋深超過(guò)3500 m 的深層?超深層頁(yè)巖氣田，當(dāng)前仍處于試驗(yàn)先導(dǎo)階段，應(yīng)在叢式井、一趟鉆、磁導(dǎo)向鉆井和電加熱開(kāi)采等關(guān)鍵工程技術(shù)方面進(jìn)行創(chuàng)新，探索關(guān)鍵參數(shù)對(duì)開(kāi)發(fā)效果的影響，并合理建立地下立體井網(wǎng)，追求“少井高產(chǎn)”和高采收率.

5 結(jié)論

綜上，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的物性條件決定了其開(kāi)發(fā)機(jī)理的復(fù)雜性，對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)理論研究的深化有助于進(jìn)一步完善頁(yè)巖氣的開(kāi)采工作，應(yīng)整合現(xiàn)有理論成果并進(jìn)一步深入探索，以強(qiáng)化頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)理論的研究.具體包括以下幾個(gè)方面：

（1）在多尺度流動(dòng)機(jī)理方面，已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)和理論等方面普遍認(rèn)識(shí)到了頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的解吸、擴(kuò)散和滑脫等機(jī)理頁(yè)巖基質(zhì)滲流具有擴(kuò)散、滑移、解吸、滲流多種流動(dòng)的非線性滲流特征；頁(yè)巖微裂縫表現(xiàn)出達(dá)西滲流特征；在人工裂縫內(nèi)的流動(dòng)屬于高速非達(dá)西流動(dòng).

（2）在頁(yè)巖氣多尺度流動(dòng)滲流理論方面，通過(guò)考慮不同尺度下的多流態(tài)流動(dòng)，已建立反映全過(guò)程的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層多尺度流動(dòng)統(tǒng)一模型，涵蓋了從納米孔到裂縫尺度下的流動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)頁(yè)巖氣多尺度?多流態(tài)的流動(dòng)特性的精確計(jì)算.

（3）在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)氣藏工程方法方面，已通過(guò)多級(jí)壓裂水平井滲流三區(qū)物理模型，得到頁(yè)巖氣直井/水平井的穩(wěn)態(tài)/非穩(wěn)態(tài)壓裂開(kāi)發(fā)產(chǎn)能數(shù)學(xué)模型解析解，構(gòu)建了多級(jí)壓裂水平井產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法，形成了頁(yè)巖氣多區(qū)耦合非線性滲流理論，揭示了人工改造縫網(wǎng)區(qū)域與未改造可動(dòng)用區(qū)域的流場(chǎng)和產(chǎn)量變化規(guī)律.

（4）在我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)適應(yīng)性技術(shù)方面，已提出了我國(guó)儲(chǔ)層分級(jí)評(píng)價(jià)及優(yōu)選目標(biāo)評(píng)價(jià)方法，并針對(duì)我國(guó)頁(yè)巖氣特點(diǎn)構(gòu)建了頁(yè)巖氣產(chǎn)量遞減模型.對(duì)于我國(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)量遞減快的問(wèn)題，提出了頁(yè)巖氣限壓控制產(chǎn)量快速遞減開(kāi)發(fā)方法.針對(duì)我國(guó)頁(yè)巖氣田復(fù)雜的地面條件以及大規(guī)模壓裂工藝的需求，形成了頁(yè)巖氣壓裂開(kāi)發(fā)工藝適應(yīng)性技術(shù).在今后，應(yīng)進(jìn)一步針對(duì)我國(guó)深層頁(yè)巖氣的特性，進(jìn)行適應(yīng)性開(kāi)發(fā)技術(shù)的研究.