工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 中国页岩气开发理论与技术研究进展 朱维耀陈震宋智勇吴建发李武广岳明 Research progress in theories and technologies of shale gas development in China ZHU Wei-yao,CHEN Zhen,SONG Zhi-yong,WU Jian-fa,LI Wu-guang.YUE Ming 引用本文： 朱维耀，陈震，宋智勇，吴建发，李武广，岳明.中国页岩气开发理论与技术研究进展.工程科学学报，2021,43(10)：1397- 1412.doi:10.13374/.issn2095-9389.2020.11.10.003 ZHU Wei-yao,CHEN Zhen,SONG Zhi-yong.WU Jian-fa,LI Wu-guang,YUE Ming.Research progress in theories and technologies of shale gas development in China[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(10):1397-1412.doi: 10.13374.issn2095-9389.2020.11.10.003 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.11.10.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 复杂压裂缝网页岩气储层压力传播动边界研究 Moving boundary analysis of fractured shale gas reservoir 工程科学学报.2019,41(11)：1387 https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.06.21.002 中牟区块过渡相页岩气藏产能分析及压裂参数优选 Production analysis and fracturing parameter optimization of shale gas from Zhongmou Block in southern North China Basin 工程科学学报.2020.42(12：1573htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.04.10.002 基于微观机理的页岩气运移分析 Micro-mechanism analysis of shale gas migration 工程科学学报.2018,40(2)136htps:doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.02.002 中国致密油藏开发理论研究进展 Research progress on tight oil exploration in China 工程科学学报.2019,41(9外：1103htps:/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.09.001 钢铁行业烧结烟气多污染物协同净化技术研究进展 A critical review on the research progress of multi-pollutant collaborative control technologies of sintering flue gas in the iron and steel industry 工程科学学报.2018.40(7)：767 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.07.001 管道内气液两相流流激力研究进展 Research progress of fluctuating force caused by internal gas-liquid flow 工程科学学报.2021,43(1)：129htps:/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.07.14.001
中国页岩气开发理论与技术研究进展 朱维耀 陈震 宋智勇 吴建发 李武广 岳明 Research progress in theories and technologies of shale gas development in China ZHU Wei-yao, CHEN Zhen, SONG Zhi-yong, WU Jian-fa, LI Wu-guang, YUE Ming 引用本文: 朱维耀, 陈震, 宋智勇, 吴建发, 李武广, 岳明. 中国页岩气开发理论与技术研究进展[J]. 工程科学学报, 2021, 43(10): 1397- 1412. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.10.003 ZHU Wei-yao, CHEN Zhen, SONG Zhi-yong, WU Jian-fa, LI Wu-guang, YUE Ming. Research progress in theories and technologies of shale gas development in China[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(10): 1397-1412. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.10.003 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.10.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 复杂压裂缝网页岩气储层压力传播动边界研究 Moving boundary analysis of fractured shale gas reservoir 工程科学学报. 2019, 41(11): 1387 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.21.002 中牟区块过渡相页岩气藏产能分析及压裂参数优选 Production analysis and fracturing parameter optimization of shale gas from Zhongmou Block in southern North China Basin 工程科学学报. 2020, 42(12): 1573 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.10.002 基于微观机理的页岩气运移分析 Micro-mechanism analysis of shale gas migration 工程科学学报. 2018, 40(2): 136 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.02.002 中国致密油藏开发理论研究进展 Research progress on tight oil exploration in China 工程科学学报. 2019, 41(9): 1103 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.001 钢铁行业烧结烟气多污染物协同净化技术研究进展 A critical review on the research progress of multi-pollutant collaborative control technologies of sintering flue gas in the iron and steel industry 工程科学学报. 2018, 40(7): 767 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.001 管道内气液两相流流激力研究进展 Research progress of fluctuating force caused by internal gas-liquid flow 工程科学学报. 2021, 43(1): 129 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.14.001
工程科学学报.第43卷，第10期：1397-1412.2021年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.10:1397-1412,October 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.10.003;http://cje.ustb.edu.cn 中国页岩气开发理论与技术研究进展 朱维耀，陈震)，宋智勇，吴建发)，李武广》，岳明) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)中国石油西南油气田公司页岩气研究院，成都6100513)中国石油西南油气田公 司，成都610051 ☒通信作者，E-mail:weiyaook@sina.com 摘要中国的页岩气田属于非常规气藏，采用体积压裂工程技术才可以实现有效开采.不过，页岩储层与一般储层的性质 不同，纳米级孔隙大量分布.其孔隙和渗透率十分微小，同时还分布有微裂缝，气体在其中的流动具有解吸、扩散、滑脱和渗 流等多种微观机理，并且呈现出基质-微裂缝-人工裂缝的跨尺度多流态流动.常规的油气开发理论与技术并不适用于页岩 气藏，因此需要有针对性的研究，并建立页岩气开发的理论与技术，才能实现我国页岩气藏的高效地开发.从页岩气流动的 基本规律出发，总结了页岩气流动的多流态-多尺度-多场耦合输运机理和渗流规律，归纳了考虑解吸-扩散-滑移一渗流的多 尺度非线性渗流统一方程，给出了多尺度全流态图版.通过页岩气多级压裂水平井多区耦合非线性渗流理论、多场耦合非线 性渗流理论，形成页岩气藏流场区域储量动用与开发动态变化规律，针对我国页岩气特点构建了页岩气产量递减模型.基于 上述理论提出了开发设计方法，提出了我国储层分级评价及优选目标评价方法，并且建立了适合我国储层的分级评价及优选 目标方法与指标，对中国页岩气压裂开发工艺适应性技术进展进行了归纳总结.在此基础上，对未来页岩气高效开发理论的 发展方向进行了展望，以期对我国页岩气理论和技术研究提供指导. 关键词页岩气：非线性渗流：纳微米流动：多区耦合：渗流理论 分类号TE122.3 Research progress in theories and technologies of shale gas development in China ZHU Wei-yao CHEN Zhen,SONG Zhi-yong,WU Jian-fa,LI Wu-guang.YUE Ming) 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Shale Gas Research Institute,Petro China Southwest Oil Gasfield Company,Chengdu 610051,China 3)Petro China Southwest Oil&Gasfield Company,Chengdu610051,China Corresponding author,E-mail:weiyaook@sina.com.cn ABSTRACT The shale gas reservoirs in China are unconventional gas reservoirs that have been developed with volumetric fracturing engineering technologies to achieve effective production.However,shale reservoirs differ from conventional reservoirs in that they have widely distributed nanoscale pores,low porosity and permeability,and widely distributed microfractures.Shale reservoirs have various gas flow mechanisms,including desorption,diffusion,slippage,and seepage,which result in a cross-scale and multifluid coexistence flow through matrix microfractures and artificial fractures.Conventional oil and gas development theories and technologies are not directly applicable to shale gas reservoirs.Therefore,to establish shale development theories and technologies and realize the efficient development of shale gas reservoirs in China,targeted research is required.This article summarized the basic laws of shale gas flow,the multifluid,multiscale,and multifield coupled transport mechanism and porous flow laws of shale gas flow,and the multiscale and nonlinear unified flow equation based on desorption,diffusion,slippage,and porous flow.The full multiscale flow pattern was also provided.The multizone and multifield coupling nonlinear porous flow theories for multistage fractured horizontal shale gas wells were 收稿日期：2020-11-10 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2013CB228002):国家自然科学基金资助项目(51974013)
中国页岩气开发理论与技术研究进展 朱维耀1) 苣，陈 震1)，宋智勇1)，吴建发2)，李武广3)，岳 明1) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083 2) 中国石油西南油气田公司页岩气研究院, 成都 610051 3) 中国石油西南油气田公 司, 成都 610051 苣通信作者， E-mail: weiyaook@sina.com 摘 要 中国的页岩气田属于非常规气藏，采用体积压裂工程技术才可以实现有效开采. 不过，页岩储层与一般储层的性质 不同，纳米级孔隙大量分布，其孔隙和渗透率十分微小，同时还分布有微裂缝，气体在其中的流动具有解吸、扩散、滑脱和渗 流等多种微观机理，并且呈现出基质−微裂缝−人工裂缝的跨尺度多流态流动. 常规的油气开发理论与技术并不适用于页岩 气藏，因此需要有针对性的研究，并建立页岩气开发的理论与技术，才能实现我国页岩气藏的高效地开发. 从页岩气流动的 基本规律出发，总结了页岩气流动的多流态−多尺度−多场耦合输运机理和渗流规律，归纳了考虑解吸−扩散−滑移−渗流的多 尺度非线性渗流统一方程，给出了多尺度全流态图版. 通过页岩气多级压裂水平井多区耦合非线性渗流理论、多场耦合非线 性渗流理论，形成页岩气藏流场区域储量动用与开发动态变化规律，针对我国页岩气特点构建了页岩气产量递减模型. 基于 上述理论提出了开发设计方法，提出了我国储层分级评价及优选目标评价方法，并且建立了适合我国储层的分级评价及优选 目标方法与指标，对中国页岩气压裂开发工艺适应性技术进展进行了归纳总结. 在此基础上，对未来页岩气高效开发理论的 发展方向进行了展望，以期对我国页岩气理论和技术研究提供指导. 关键词 页岩气；非线性渗流；纳微米流动；多区耦合；渗流理论 分类号 TE122.3 Research progress in theories and technologies of shale gas development in China ZHU Wei-yao1) 苣 ，CHEN Zhen1) ，SONG Zhi-yong1) ，WU Jian-fa2) ，LI Wu-guang3) ，YUE Ming1) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Shale Gas Research Institute, Petro China Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610051, China 3) Petro China Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610051, China 苣 Corresponding author, E-mail: weiyaook@sina.com.cn ABSTRACT The shale gas reservoirs in China are unconventional gas reservoirs that have been developed with volumetric fracturing engineering technologies to achieve effective production. However, shale reservoirs differ from conventional reservoirs in that they have widely distributed nanoscale pores, low porosity and permeability, and widely distributed microfractures. Shale reservoirs have various gas flow mechanisms, including desorption, diffusion, slippage, and seepage, which result in a cross-scale and multifluid coexistence flow through matrix microfractures and artificial fractures. Conventional oil and gas development theories and technologies are not directly applicable to shale gas reservoirs. Therefore, to establish shale development theories and technologies and realize the efficient development of shale gas reservoirs in China, targeted research is required. This article summarized the basic laws of shale gas flow, the multifluid, multiscale, and multifield coupled transport mechanism and porous flow laws of shale gas flow, and the multiscale and nonlinear unified flow equation based on desorption, diffusion, slippage, and porous flow. The full multiscale flow pattern was also provided. The multizone and multifield coupling nonlinear porous flow theories for multistage fractured horizontal shale gas wells were 收稿日期: 2020−11−10 基金项目: 国家重点基础研究发展计划（973 计划）资助项目（2013CB228002）；国家自然科学基金资助项目（51974013） 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期：1397−1412，2021 年 10 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 10: 1397−1412, October 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.10.003; http://cje.ustb.edu.cn
·1398 工程科学学报，第43卷，第10期 established to detect the production range and development dynamics of flow field zone reserves in shale gas reservoirs.A production decline model for shale gas production was developed based on the characteristics of China's shale gas reservoirs.Based on the abovementioned theory,development design methods and classification and optimization target evaluation methods that are suitable for China's shale gas reservoirs have been proposed.The progress of the adaptability technology for China's shale gas fracturing development process was summarized.The future developmental direction of efficient shale gas development theory was forecasted on this basis to provide guidance for shale gas theory and technology research in China. KEY WORDS shale gas;nonlinear porous flow:nano-micron flow;multi-sector coupling;porous flow theory 我国页岩气储量十分丰富，目前探明储量已 1.1吸附-解吸机理 突破1万亿立方米山，估计储量达36.1万亿立方 由于页岩气储层具有自生自储的特征，它本 米，居世界首位.但作为典型的非常规油气藏，页 身富含有机质甲烷分子可大量吸附在这些有机 岩气的孔隙十分微小.孔隙直径通常在100~200nm 质的表面，以吸附气的形式赋存于储层之中忉当 间，渗透率小于0.1×10-3μm2,并随机分布微裂缝四 开井降压开采后，压力的降低可以导致部分气体 甲烷气体在如此微小的孔隙之中流动将与常规储 分子解吸，变为游离气.页岩气藏中吸附气量可达 层的流动具有显著的差别.具体表现在：流动偏离 总储集气量的20%~60%图 线性规律，为非达西流动，由于孔隙尺度微小，流 此前页岩气的吸附实验研究主要集中在 动的过程中将存在着滑脱效应、努森扩散等多种 5~15MPa的低压范围，很少涉及到超临界状态， 流态；此外，由于甲烷分子吸附在有机质表面，故 过剩吸附量与绝对吸附量基本相等.不同的页岩 降压开采时还会发生气体解吸现象)这些机理共 岩心样本往往具有不同的吸附特征，可用不同的 同作用于页岩气的传输过程之中.同时，页岩气从 吸附模型进行描述.如1995年，Zhang等通过实验 微裂缝流向人工裂缝的特性也导致页岩气的流动 发现了Langmuir模型可以准确地拟合页岩气在单 更加复杂刊，这一过程包括纳微米孔隙、微裂缝、 一温度下的吸附例.笔者利用江苏珂地公司的页岩 裂缝、水平井筒等一系列不同流动介质内的多流 气吸附测试仪也验证了龙马溪组的页岩岩心甲烷 态复杂流动.因此，相较于常规油气而言，对页岩 吸附符合Langmuir模型uo.郭为等也认为Langmuir 气藏工程的理论研究的深度和广度要求更高，技 模型与解吸式模型能很好地描述等温吸附和解吸 术难点也更为集中.其开发理论的快速发展可为 过程四.张志英和杨盛波四更利用经过修正的双 我国的油气行业带来更大的进步.本文从以上这 Langmuir模型，对页岩气的吸附及解吸滞后现象 些方面入手，从微观尺度流动机理出发，归纳总结 进行了描述.此外，Yu等ll通过对Marcellus页岩 不同流动机理的研究现状，以及以不同流动机理 的吸附实验研究，认为BET模型对其吸附特征的 研究为基础的页岩气开发非线性渗流理论、开发 描述更好.但总体而言，目前普遍采用Langmuir 指标预测方法和中国页岩气开发适应性技术等内 模型来描述页岩气的吸附-解吸行为. 容，对页岩气开发的研究进展进行了归纳，分析了 而在深层高压条件下，测定的将是气体的过 页岩气开发相关研究的发展脉络，总结了各个方 剩吸附量.目前有研究者发现高压时吸附曲线具 向的关键研究问题和重要成果，并介绍了其进一 有先上升后下降的趋势-，端祥刚等)和周尚 步的发展趋势，包含本课题组的最新研究成果，对 文等通过高压条件下的吸附-解吸实验，验证了 页岩气开发的进一步深入研究提供支撑 这种情况，表明了高压等温吸附曲线随压力变化 1 页岩气多流态跨尺度传输流动机理 存在最大过剩吸附量（图1），对应压力为临界解吸 压力，推导了相关数学模型.而陈花等则认为 页岩中纳米级孔隙占主导地位，是页岩气的 TOCH模型对高温甲烷吸附实验数据拟合精度最 主要储集空间，储层中微裂缝和压裂裂缝是流体 高这些研究对于下一步的深层页岩气开发尤 流通的主要通道的，这导致页岩气储层中流体的流 为重要 动包括解吸、扩散及多孔介质中的跨尺度流动，其 通过页岩吸附一解吸实验，表明页岩吸附气量 流动机制不符合达西定律，且涵盖连续流、滑移流 可随着温度升高而大幅降低.温度从40℃升高 等多种流态.所以，需要对页岩气流动的各种流态 到60℃时，吸附气量平均减少42.6%10实际上， 进行分析，以便形成页岩多流态非线性渗流理论 吸附-解吸为不完全可逆过程.因为甲烷分子吸附
established to detect the production range and development dynamics of flow field zone reserves in shale gas reservoirs. A production decline model for shale gas production was developed based on the characteristics of China's shale gas reservoirs. Based on the abovementioned theory, development design methods and classification and optimization target evaluation methods that are suitable for China's shale gas reservoirs have been proposed. The progress of the adaptability technology for China's shale gas fracturing development process was summarized. The future developmental direction of efficient shale gas development theory was forecasted on this basis to provide guidance for shale gas theory and technology research in China. KEY WORDS shale gas；nonlinear porous flow；nano-micron flow；multi-sector coupling；porous flow theory 我国页岩气储量十分丰富，目前探明储量已 突破 1 万亿立方米[1] ，估计储量达 36.1 万亿立方 米，居世界首位. 但作为典型的非常规油气藏，页 岩气的孔隙十分微小，孔隙直径通常在 100～200 nm 间，渗透率小于 0.1×10−3 μm2 ，并随机分布微裂缝[2] . 甲烷气体在如此微小的孔隙之中流动将与常规储 层的流动具有显著的差别. 具体表现在：流动偏离 线性规律，为非达西流动，由于孔隙尺度微小，流 动的过程中将存在着滑脱效应、努森扩散等多种 流态；此外，由于甲烷分子吸附在有机质表面，故 降压开采时还会发生气体解吸现象[3] . 这些机理共 同作用于页岩气的传输过程之中. 同时，页岩气从 微裂缝流向人工裂缝的特性也导致页岩气的流动 更加复杂[4] ，这一过程包括纳微米孔隙、微裂缝、 裂缝、水平井筒等一系列不同流动介质内的多流 态复杂流动. 因此，相较于常规油气而言，对页岩 气藏工程的理论研究的深度和广度要求更高，技 术难点也更为集中. 其开发理论的快速发展可为 我国的油气行业带来更大的进步. 本文从以上这 些方面入手，从微观尺度流动机理出发，归纳总结 不同流动机理的研究现状，以及以不同流动机理 研究为基础的页岩气开发非线性渗流理论、开发 指标预测方法和中国页岩气开发适应性技术等内 容，对页岩气开发的研究进展进行了归纳，分析了 页岩气开发相关研究的发展脉络，总结了各个方 向的关键研究问题和重要成果，并介绍了其进一 步的发展趋势，包含本课题组的最新研究成果，对 页岩气开发的进一步深入研究提供支撑. 1 页岩气多流态跨尺度传输流动机理 页岩中纳米级孔隙占主导地位，是页岩气的 主要储集空间，储层中微裂缝和压裂裂缝是流体 流通的主要通道[5] . 这导致页岩气储层中流体的流 动包括解吸、扩散及多孔介质中的跨尺度流动，其 流动机制不符合达西定律，且涵盖连续流、滑移流 等多种流态. 所以，需要对页岩气流动的各种流态 进行分析，以便形成页岩多流态非线性渗流理论. 1.1 吸附‒解吸机理 由于页岩气储层具有自生自储的特征，它本 身富含有机质[6] . 甲烷分子可大量吸附在这些有机 质的表面，以吸附气的形式赋存于储层之中[7] . 当 开井降压开采后，压力的降低可以导致部分气体 分子解吸，变为游离气. 页岩气藏中吸附气量可达 总储集气量的 20%～60% [8] . 此前页岩气的吸附实验研究主要集中 在 5～15 MPa 的低压范围，很少涉及到超临界状态， 过剩吸附量与绝对吸附量基本相等. 不同的页岩 岩心样本往往具有不同的吸附特征，可用不同的 吸附模型进行描述. 如 1995 年，Zhang 等通过实验 发现了 Langmuir 模型可以准确地拟合页岩气在单 一温度下的吸附[9] . 笔者利用江苏珂地公司的页岩 气吸附测试仪也验证了龙马溪组的页岩岩心甲烷 吸附符合 Langmuir 模型[10] . 郭为等也认为 Langmuir 模型与解吸式模型能很好地描述等温吸附和解吸 过程[11] . 张志英和杨盛波[12] 更利用经过修正的双 Langmuir 模型，对页岩气的吸附及解吸滞后现象 进行了描述. 此外，Yu 等[13] 通过对 Marcellus 页岩 的吸附实验研究，认为 BET 模型对其吸附特征的 描述更好. 但总体而言，目前普遍采用 Langmuir 模型来描述页岩气的吸附−解吸行为. 而在深层高压条件下，测定的将是气体的过 剩吸附量. 目前有研究者发现高压时吸附曲线具 有先上升后下降的趋势[14−16] ，端祥刚等[17] 和周尚 文等[18] 通过高压条件下的吸附‒解吸实验，验证了 这种情况，表明了高压等温吸附曲线随压力变化 存在最大过剩吸附量（图 1），对应压力为临界解吸 压力 ，推导了相关数学模型. 而陈花等则认为 TOCH 模型对高温甲烷吸附实验数据拟合精度最 高[19] . 这些研究对于下一步的深层页岩气开发尤 为重要. 通过页岩吸附−解吸实验，表明页岩吸附气量 可随着温度升高而大幅降低. 温度从 40 ℃ 升高 到 60 ℃ 时，吸附气量平均减少 42.6% [10] . 实际上， 吸附−解吸为不完全可逆过程. 因为甲烷分子吸附 · 1398 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期
朱维耀等：中国页岩气开发理论与技术研究进展 ·1399 2.0 岩心裂缝宽度逐渐增大，气体渗流阻力减小，滑脱 Maximum excess 1.6 adsorption 效应有所减弱.经测试，滑脱主要发生在页岩基质 孔隙中，基质中的滑脱因子是裂缝中的10倍四 1.2 1.3扩散机理 0.8 页岩气的扩散主要是纳微米孔隙中的Knudsen Critical 扩散.即气体分子在较为狭小的孔隙中输运时，分 desorption High voltage test data pressure Langmuir fitted value 子运动平均自由程与孔径几乎相差无几，分子以 10 20 30 40 50 60 无规则碰撞孔壁的形式输运通过实验结果可 Pressure/MPa 观察到，扩散系数对温度的敏感程度超强，呈现较 图1最大过剩吸附量和临界解吸压) 好的指函数递增关系.当温度从25℃增至85℃， Fig.1 Maximum excess adsorption capacity and critical desorption pressurelm 扩散系数快速增加，总体平均提高约8.36倍.而且， 温度越高，扩散系数增加的速度也越快（图3）2 时，散失分子速度，释放一定能量，因此大量分子 与之相对，有效应力则对页岩扩散系数有明显的 在解吸时没有足够能量挣脱固壁的吸引力，无法 抑制作用，二者呈现较好的指函数递减关系.随着 解吸，从而产生解吸滞后吸附效应，形成滞后环 有效应力从11MPa增加至19MPa时，扩散系数 (图2)而且孔道结构越复杂，分子能量补充越 下降了64.5%（图4）可见，分子热运动的活跃 迟缓，滞后程度将越高8- 程度直接影响着扩散系数的大小. 3.0 2 18 16 -Sample 1 Sample 2 14 2.0 12 10 1.0 6 0.5 -Adsorption curve Desorption curve 0 6912151821 24 士 Balance pressure/MPa 20 40 60 80 100 Temperature/℃ 图2在同一温度下的吸附-解吸曲线 Fig.2 Adsorption-desorption curve at the same temperature 图3扩散系数与温度的变化关系 Fig.3 Relationship between diffusion coefficient and temperature 1.2滑脱机理 9 对于致密的页岩储层多孔介质，滑脱效应尤 +Sample1·Sample2 为显著.大量实验和理论研究证实了，气体在页岩 气储层中的渗流受制于滑脱效应，并由此贡献一 个气体流量的附加通量，与不存在滑脱的情况相 比，气体分子在壁面的滑脱会降低气体的流动压 83 力差2o.Javadpour等通过计算页岩中的气体特性 参数Knudsen数（简记为Kn数），对页岩气的流态 10 12 14 16 18 20 进行划分，发现页岩中的气体流态处于滑脱流和 Effective stress/MPa 过渡流区.实际上，受制于气体流动通道的压力 图4扩散系数与有效应力的变化关系叫 和孔径宽度范围，滑脱效应的强弱有所不同.根据 Fig.4 Relationship between diffusion coefficient and effective stress 笔者所做的室内实验显示，当储层孔隙压力小于 1.4页岩气基质-裂缝多尺度渗流规律 1.5MPa时，滑脱效应明显，滑脱对渗透率的影响 页岩气藏的基质孔隙处于纳米尺度，气体传 较大；当储层孔隙压力大于1.5MPa时，滑脱效应 输主要为连续流动、滑脱流动和过渡流动，需要考 则不明显.从储层深度来考虑，即较深的页岩储层 虑纳微米效应对气体输运的非线性影响而且， 可以不需要考虑滑脱效应的影响，而对于较浅的 页岩储层中存在一定数量的微米级孔隙和大量的 页岩储层来说，滑脱效应则不可忽视.此外，随着 微裂缝，以及完井工程实现的大尺度人工裂缝和
时，散失分子速度，释放一定能量，因此大量分子 在解吸时没有足够能量挣脱固壁的吸引力，无法 解吸，从而产生解吸滞后吸附效应，形成滞后环 （图 2） [16] . 而且孔道结构越复杂，分子能量补充越 迟缓，滞后程度将越高[18−19] . Balance pressure/MPa Adsorption capacity/(mL·g−1 ) 0 3 6 9 12 15 18 21 24 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 Adsorption curve Desorption curve 图 2 在同一温度下的吸附−解吸曲线[16] Fig.2 Adsorption‒desorption curve at the same temperature[16] 1.2 滑脱机理 对于致密的页岩储层多孔介质，滑脱效应尤 为显著. 大量实验和理论研究证实了，气体在页岩 气储层中的渗流受制于滑脱效应，并由此贡献一 个气体流量的附加通量，与不存在滑脱的情况相 比，气体分子在壁面的滑脱会降低气体的流动压 力差[20] . Javadpour 等通过计算页岩中的气体特性 参数 Knudsen 数（简记为 Kn 数），对页岩气的流态 进行划分，发现页岩中的气体流态处于滑脱流和 过渡流区[21] . 实际上，受制于气体流动通道的压力 和孔径宽度范围，滑脱效应的强弱有所不同. 根据 笔者所做的室内实验显示，当储层孔隙压力小于 1.5 MPa 时，滑脱效应明显，滑脱对渗透率的影响 较大；当储层孔隙压力大于 1.5 MPa 时，滑脱效应 则不明显. 从储层深度来考虑，即较深的页岩储层 可以不需要考虑滑脱效应的影响，而对于较浅的 页岩储层来说，滑脱效应则不可忽视. 此外，随着 岩心裂缝宽度逐渐增大，气体渗流阻力减小，滑脱 效应有所减弱. 经测试，滑脱主要发生在页岩基质 孔隙中，基质中的滑脱因子是裂缝中的 10 倍[22] . 1.3 扩散机理 页岩气的扩散主要是纳微米孔隙中的 Knudsen 扩散. 即气体分子在较为狭小的孔隙中输运时，分 子运动平均自由程与孔径几乎相差无几，分子以 无规则碰撞孔壁的形式输运[23] . 通过实验结果可 观察到，扩散系数对温度的敏感程度超强，呈现较 好的指函数递增关系. 当温度从 25 ℃ 增至 85 ℃， 扩散系数快速增加，总体平均提高约 8.36 倍. 而且， 温度越高，扩散系数增加的速度也越快（图 3） [24] . 与之相对，有效应力则对页岩扩散系数有明显的 抑制作用，二者呈现较好的指函数递减关系. 随着 有效应力从 11 MPa 增加至 19 MPa 时，扩散系数 下降了 64.5%（图 4） [24] . 可见，分子热运动的活跃 程度直接影响着扩散系数的大小. Sample 1 Sample 2 Diffusion coefficient/(10−6·cm2·s−1 ) 20 40 60 Temperature/℃ 80 100 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 图 3 扩散系数与温度的变化关系[24] Fig.3 Relationship between diffusion coefficient and temperature[24] Diffusion coefficient/(10−7·cm2·s−1 ) 10 12 14 Effective stress/MPa 16 20 18 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Sample 1 Sample 2 图 4 扩散系数与有效应力的变化关系[24] Fig.4 Relationship between diffusion coefficient and effective stress[24] 1.4 页岩气基质−裂缝多尺度渗流规律 页岩气藏的基质孔隙处于纳米尺度，气体传 输主要为连续流动、滑脱流动和过渡流动，需要考 虑纳微米效应对气体输运的非线性影响[25] . 而且， 页岩储层中存在一定数量的微米级孔隙和大量的 微裂缝，以及完井工程实现的大尺度人工裂缝和 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0 Maximum excess adsorption Critical desorption pressure High voltage test data Langmuir fitted value 0 10 20 30 Pressure/MPa Excess adsorption capacity/(m3·t−1 ) 40 50 60 图 1 最大过剩吸附量和临界解吸压力[17] Fig.1 Maximum excess adsorption capacity and critical desorption pressure[17] 朱维耀等： 中国页岩气开发理论与技术研究进展 · 1399 ·
·1400 工程科学学报，第43卷，第10期 次生裂缝网络，而此类孔隙的尺度往往相对较大， 为了更好地量化微小孔隙对气体流动的影 也需要对其中的页岩气流动状态进行研究所 响，宋付权等2利用纳米氧化铝膜，发明了纳米级 以，页岩气的流动本质上是一个多尺度导致多流 孔径的气体流动实验方法和装置（图7）.通过纳米 态的问题 管束中的气体渗流规律实验，可以看到气体在纳 1.4.】页岩基质纳微米孔隙非线性渗流规律 微米孔隙中的非线性流动特性：当孔径在14.51μm 通过电镜扫描，可见页岩基质岩样中发育有 左右时，气体的实验流量与泊肃叶公式的理论流 大量的纳米级孔隙（图5）通过页岩岩心的渗流 量相符合；但是当孔径降低到5.03m以下时，气 规律曲线可以看出，页岩气流动具有非达西渗流 体的实验流量显然高于泊肃叶理论计算流量，但 特征，表现出启动压力梯度的特点，其渗流曲线为 两者相差不大；可以看到，随着孔径降低到纳米级 明显的非线性特征（图6）流速越大所需压差越 别，实验流量与泊肃叶理论预测的流量偏离程度 大，且非线性增加.随着渗透率的增加，曲线的非 越来越高，孔径小于100nm时，实验流量可比理论 线性逐渐减弱，而后则趋向达西流 流量高1至2个数量级（图8）2由此可见，页岩 气在基质中的流动受纳微米效应的影响显著，随 着孔隙直径增大，这种影响逐渐减弱，最终趋向于 线性流动 Macropores h Residual OM+Clay Ma 200nm 200nm I um 图5基质页岩纳米孔隙 图7纳米多孔氧化铝膜.(a)12.6nm孔径：(b)89.2nm孔径 Fig.5 Nanopores in shale matrix7 Fig.7 Nanoporous alumina membrane:(a)pore diameter of 12.6 nm; (b)pore diameter of 89.2 nm 0.014 1.4.2页岩气微裂缝介质线性流动规律 0.012 页岩中纳米级孔隙占主导地位，是页岩气的 0.010 主要储集空间，储层中微裂缝和压裂裂缝是流体 0.008 流通的主要通道.页岩储层的复杂层理、裂缝性 0.006 0.004 特征决定了压裂可能形成更为复杂的裂缝或裂缝 Sample 2 0.002 ◆Sample3 网络，在人工压裂缝中存在大量的没有支撑剂支 Sample 4 0 撑的微裂缝，这些微裂缝对于页岩气产能具有较 20 406080100120140160180200 Squared difference of pressure/MPa? 大贡献3别马东旭等通过对巴西劈裂实验进行 图6基质岩心渗流规律曲线@ 改进，结合CT扫描裂缝特征、声发射实时监测技 Fig.6 Porous flow curves of matrix coresto 术，进行了页岩岩心裂缝扩展分析和多尺度渗流 2 (a) -Theoretical value (b) Theoretical value ◆ ◆Experimental value Experimental value 3 2 ◆ 0 0 2 4 0 0.05 0.10 0.15 0.20 Difference of pressure/MPa Difference of pressure/MPa 图8实验流量与泊肃叶理论流量的比较(a)5.03m孔径：(b)89.2nm孔径网 Fig.8 Comparison ofexperimental flow and poiseuille's theoretical calculation:(a)pore diameter of 5.03 m (b)pore diameter of89.2 nm
次生裂缝网络，而此类孔隙的尺度往往相对较大， 也需要对其中的页岩气流动状态进行研究[26] . 所 以，页岩气的流动本质上是一个多尺度导致多流 态的问题. 1.4.1 页岩基质纳微米孔隙非线性渗流规律 通过电镜扫描，可见页岩基质岩样中发育有 大量的纳米级孔隙（图 5） [27] . 通过页岩岩心的渗流 规律曲线可以看出，页岩气流动具有非达西渗流 特征，表现出启动压力梯度的特点，其渗流曲线为 明显的非线性特征（图 6） [10] . 流速越大所需压差越 大，且非线性增加. 随着渗透率的增加，曲线的非 线性逐渐减弱，而后则趋向达西流. Macropores Residual OM+Clay 200 nm Macropore 图 5 基质页岩纳米孔隙[27] Fig.5 Nanopores in shale matrix[27] 0.014 0.012 0.010 0.008 0.006 Gas flow/(mL·min−1 ) 0.004 0.002 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4 Squared difference of pressure/MPa2 图 6 基质岩心渗流规律曲线[10] Fig.6 Porous flow curves of matrix cores[10] 为了更好地量化微小孔隙对气体流动的影 响，宋付权等[28] 利用纳米氧化铝膜，发明了纳米级 孔径的气体流动实验方法和装置（图 7）. 通过纳米 管束中的气体渗流规律实验，可以看到气体在纳 微米孔隙中的非线性流动特性：当孔径在 14.51 μm 左右时，气体的实验流量与泊肃叶公式的理论流 量相符合；但是当孔径降低到 5.03 μm 以下时，气 体的实验流量显然高于泊肃叶理论计算流量，但 两者相差不大；可以看到，随着孔径降低到纳米级 别，实验流量与泊肃叶理论预测的流量偏离程度 越来越高，孔径小于 100 nm 时，实验流量可比理论 流量高 1 至 2 个数量级（图 8） [28] . 由此可见，页岩 气在基质中的流动受纳微米效应的影响显著，随 着孔隙直径增大，这种影响逐渐减弱，最终趋向于 线性流动. (a) (b) 200 nm 1 μm 图 7 纳米多孔氧化铝膜. （a）12.6 nm 孔径；（b）89.2 nm 孔径[28] Fig.7 Nanoporous alumina membrane: (a) pore diameter of 12.6 nm; (b) pore diameter of 89.2 nm[28] 1.4.2 页岩气微裂缝介质线性流动规律 页岩中纳米级孔隙占主导地位，是页岩气的 主要储集空间，储层中微裂缝和压裂裂缝是流体 流通的主要通道. 页岩储层的复杂层理、裂缝性 特征决定了压裂可能形成更为复杂的裂缝或裂缝 网络，在人工压裂缝中存在大量的没有支撑剂支 撑的微裂缝，这些微裂缝对于页岩气产能具有较 大贡献[29−31] . 马东旭等通过对巴西劈裂实验进行 改进，结合 CT 扫描裂缝特征、声发射实时监测技 术，进行了页岩岩心裂缝扩展分析和多尺度渗流 2 1 0 4 3 2 1 0 0 2 4 Difference of pressure/MPa Difference of pressure/MPa 6 0 0.05 0.10 0.20 0.15 Theoretical value Experimental value Theoretical value Experimental value Gas flow/(10−9 kg·s−1 ) Gas flow/(10−5 kg·s−1 ) (a) (b) 图 8 实验流量与泊肃叶理论流量的比较. （a）5.03 μm 孔径；（b）89.2 nm 孔径[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] · 1400 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期