頁巖氣開采機理研究進展

陳天宇

(東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

頁巖氣是指賦存于富有機質泥頁巖及其夾層中，以吸附或游離狀態為主要存在方式的非常規天然氣，成分以甲烷為主。頁巖氣是一種清潔、高效的能源資源和化工原料，主要用于民用和工業燃料，化工和發電等。據統計，世界頁巖氣的資源量為6361283×1012m3，相當于煤層氣和致密砂巖氣的總和。主要分布在北美、中亞、中國、中東和北非、拉丁美洲、原蘇聯等地區[1]。

1821年，美國在紐約泥盆紀富含有機質的Dunkirk頁巖中完鉆了第一口頁巖氣井，是最早進行頁巖氣勘探開發的國家。20世紀30年代，由于認識到了含氣頁巖存在基質和裂隙雙重孔隙結構，Dunkirk頁巖儲層每年增鉆上百至上千口頁巖氣井，推動著頁巖氣研究迅速發展。尤其是20世紀80年代以來，由于認識到了頁巖氣吸附機理，美國頁巖氣的勘探開發得到了快速發展。北美地區已發現頁巖氣盆地近30個，發現Barnett等6套高產頁巖層，使得在20世紀90年代，含氣頁巖在美國已達到商業化開采程度，其年產量占據美國主要能源產量的29%[2]。

國外頁巖氣開發、研究實踐表明，頁巖氣開采機理的準確認識是頁巖氣得以成功開采的關鍵，是頁巖氣儲層數值模擬的基礎，是研究頁巖氣賦存、運移、產出規律和確定頁巖儲層特征、頁巖氣井作業制度與產量之間關系的有效手段，同時可以作為頁巖氣資源開發潛力評價和開發方案優化提供科學依據，對于頁巖氣的開采起著至關重要的作用。

中國是繼美國和加拿大之后，正式開始頁巖氣資源勘探開發的國家。截至2011年底，我國石油企業開展了15口頁巖氣直井壓裂試氣，其中9口見氣。雖然頁巖氣勘探開發取得初步進展，但與常規天然氣和煤層氣相比，我國頁巖氣勘探開發仍處于起步階段，未進入生產階段，其根本原因在于中國系統、深入的頁巖氣開采機理研究還非常薄弱。現有的研究多集中于頁巖氣勘探和選區評價[3-6]，致使目前的開采機理研究嚴重滯后于勘探生產實踐。鑒于此，本文從頁巖氣儲層概念化物理模型、頁巖氣開采理論模型、頁巖氣開采模擬技術三個方面展開深入分析，對國內外頁巖氣開采機理的研究進行總結和分析，以期為我國頁巖氣開采機理研究提供參考。

1 頁巖氣儲層概念化物理模型研究

合理的頁巖儲層概念化物理模型是開展頁巖氣開采理論研究的基礎。頁巖為多重孔隙、裂隙系統巖石，根據頁巖的不同微觀結構可建立不同的含氣頁巖概念化物理模型。

針對頁巖儲層建模的問題，很多學者針對不同微觀結構的儲層提出了相應的方法。Kucuk 和Sawyer(1980)、Carlson和 Mercer(1991)、Ozkan、Raghavan和Apaydin(2010)、Leahy-Dios、Das、Agarwal等(2011)分別利用雙孔單滲、雙孔雙滲模型描述頁巖儲層[7-10]。在這些模型中，儲層被劃分為兩種介質，一種是具有高孔隙度、低滲透率的基質塊，一種是低孔隙度、高滲透率的裂隙網絡。基質與基質之間無流體交換，基質與裂隙之間、裂隙和裂隙之間存在流體交換。這類模型常假設基質系統中無自由氣體，裂隙系統無吸附氣體；且常假設從有機質到裂隙中的流體可以忽略，因此可以將有機質和基質合并為一個區域。

雖然這種頁巖的建模方法已得到普遍認可，但是Reeves和Pekot 2001年發現采用上述雙重介質模型進行有限儲層的生產數據預測時，常出現預測氣產量過高，水產量過低的問題。而且從歷史擬合中得到的儲層參數，常和測量到的滲透率、氣體吸附數據不符合[11]。

實際低滲透頁巖中高產氣量暗示一部分產氣量來自頁巖基質。部分氣體分子在基質內以自由氣體狀態存在，把這部分氣體合并在基質中的吸附態，或者合并在裂隙中的游離氣體中，都不能正確的反應這部分氣體對生產的影響。將這部分氣體合并在裂隙中，導致預測產氣量過高；合并為基質孔隙中的吸附態，導致預測產量過低，因此要求儲層物理模型中具備除孔隙系統和裂隙系統外的第三套多孔系統的存在。

根據Wang和Reed (2009)的觀察，頁巖氣儲層可以抽象為三孔概念模型[12]。三孔概念模型將雙孔模型中每個基質單元概念化為由納達西滲透率組成的次基質及其次基質周圍的微裂隙網絡和大孔組成。每個基質塊可以認為是雙重孔隙基質。次基質由微孔有機質和非有機物質組成，在其中的氣體流動機理主要是擴散和解吸。采用這種概念模型，需要擴展已有的瞬態和擬穩態雙孔模型，以解釋第三套多孔系統。Dehghanpour和Shirdel (2011)年認為如果考慮水力裂隙作為氣體流通到井筒的主要通道，整個系統可以描述為四孔模型[13]。程遠方、董丙響、時賢等(2012)借鑒了適用于非常規煤層氣藏的雙重孔隙介質模型和考慮溶洞情況的三重孔隙介質模型，建立頁巖氣藏三孔雙滲模型[14]。

我國含氣頁巖沉積環境復雜，含氣頁巖沉積成因以及相應的礦物成分與國外含氣頁巖均有所不同，由此導致其孔隙、裂隙系統也與國外儲層有所不同，我國頁巖氣開采機理的正確認識必須首先建立適合中國頁巖氣儲層巖石微觀結構的物理模型。

2 頁巖氣開采理論模型研究

頁巖氣開采理論研究早期，國外學者提出了解析和半解析方法以模擬頁巖氣儲層內的流體流動。Gringarten(1971)和Standord(1974)發展了一些早期的通過單垂直裂隙和單水平裂隙的流體流動解析模型[15-16]，Blasingame和Poe(1993)改進了單垂直裂隙半解析模型[17]。Bello和Wattenbarger(2008)、Ilk和Blasingame(2008)、Anderson、Nobakht和Moghadam(2010)也提出了相關的解析和半解析模型[18-20]。Morales和Navarro(2012)，基于美國主要頁巖氣盆地的統計分析，建立了一個綜合的儲層模擬模型[21]，這類預測主要依據對參數的正確獲得，使得產氣量可以被準確預測。

盡管這些模型比數值模擬計算速度快，但是由于這些解析方法用擬壓力函數將非線性綜合在氣體粘度、壓縮系數和壓縮因子中，而不是真正的求解真實氣體流動方程，導致這些經驗模型不能正確處理頁巖氣儲層的高非線性行為。另外還存在其他限制，例如不能正確反映氣體從基質的解吸過程、多相流體流動、多尺度各向異性、非理想復雜的裂隙網絡等特性。

隨著對頁巖氣產出機理的不斷探索，出現了描述甲烷在頁巖中賦存、流動規律的理論，主要為線性滲流理論、擴散理論、吸附理論，其中吸附理論還包括即時吸附理論和時變吸附理論。即時吸附模型的孔隙體積為常規定義中的孔隙體積，吸附解吸過程在基質孔隙系統中用源匯項來代表。在時變吸附模型中，模擬單元在孔隙中包含自由氣體，在頁巖巖石中包含吸附氣體。巖石由模擬單元代表，孔隙體積由連接模擬單元代表。巖石單元內不允許達西流動。常規單元的孔隙體積現在代表巖石體積，巖石體積中虛構的微孔空間流動由擴散流動方程描述。

Michel、Sigal和Civan (2011)利用改進的運移方程，描述非達西滲透介質的氣體流動，這個方法考慮了分子在孔隙壁的碰撞，對所有流動狀態都有效，這寫流動狀態包括了達西流、滑脫、轉移、自由分子流動[22]。

頁巖氣儲層巖石致密，孔喉半徑多為10nm和1μm左右，納米級的孔喉直徑導致了非達西流動。Soeder(1986)采用了7448.5ft深圍壓為3000psi的頁巖試樣進行了滲透試驗測定。氣體滲透率在1000psi時為19.6μD，80psi時滲透率增至54μD[23]，表明氣體分子自由路徑和滑脫效應隨孔隙壓降低而增加。同時說明了頁巖中氣體流動存在非線性滲流階段，因此必須將滑脫效應引入頁巖產出理論中。

Andrade、Civan和Devegowda (2010)修正了不適用于頁巖儲層三個假設：①系統的即時平衡；②流體運移完全通過達西定律描述；③相對滲透率不依賴與流動速率。利用毛管平衡理論、潤濕性理論、結合數學模型：平衡方程、達西定律、毛管力邊界條件、飽和度端點標定、Civan邊界條件、相對滲透率和毛管力(均作為有效飽和度函數)建立了不做上述三個假設的數學模型[24]。

Freeman、Moridis 和Blasingame (2010)用干氣模型結合各類擴散模型描述了頁巖中的非達西流動，認為頁巖氣在儲層中的流動機理中存在克林肯伯格效應。隨后，Freeman將干氣模型代入TOUGH代碼，檢驗了低滲透下努森擴散對流動氣體組分的影響[25]。

Freeman、Moridis (2010)建立了可以解釋頁巖氣各種生產特性的數學模型，該模型對于存在水力裂隙的壓裂水平井，裂隙中流體流動采用Forchheimer定律。模型中綜合考慮了滑脫效應，產量對壓力的依賴性，多組分擴散、努森流動、解吸對產氣量的影響，同時考慮了水的出現帶來的相對滲透率和潤濕性，以及氣體溶解和相體改變[26]。

李曉強、周志宇、馮光等對含氣頁巖基質中流體的流動進行了詳細的描述，改進了壓裂頁巖氣藏的產能模型[27]。

于榮澤、張曉偉、卞亞南等(2012)描述了頁巖氣在頁巖儲層中流動的解吸附、擴散和滲流過程，分析了相應的影響因素和適用條件[28]。

李亞洲、李勇明、羅攀等(2013)考慮了基質顆粒間存在的游離氣，在模型中引入了基質孔隙系統中的流動，建立了相應的頁巖氣滲流方程[29]。

現有的頁巖氣開采理論研究多只基于氣體在儲層中的流動規律建立模型，較少考慮到地應力對含氣頁巖流動的影響。中國含氣頁巖儲層埋深較大，其所處的應力環境較為復雜，地應力引起頁巖氣儲層巖石的孔隙度和滲透率均發生變化。在開采過程中，隨著頁巖氣的產出，儲層中的氣體壓力降低，使得骨架所承受的有效應力增加，頁巖氣儲層被壓縮產生變形，其孔隙度和滲透率隨之降低，滲透率的改變使得產量發生變化。中國頁巖氣開采機理的研究必須考慮地應力的影響，建立適合中國頁巖氣開采機理的理論模型。

3 頁巖氣開采模擬技術研究

美國斯倫貝謝公司建立了New Albany頁巖儲存運移的概念模型，New Albany頁巖有機質中含有吸附氣，基質中含自由氣，裂隙中含有自由水。所設計的頁巖氣產能數值模擬求解軟件，先模擬基質、裂隙中吸附氣體、自由氣體的吸附和運移，利用即時基質運移模型描述氣體從基質運移到裂隙的物理過程。一旦氣體進入裂隙系統，軟件開始計算裂隙中氣、水飽和度和氣、水流動規律。

美國猶他大學開發的軟件Advanced Reactive Transport simulator(ARTS)[30]基于離散裂隙網絡建模方法，可以模擬油、氣采收過程，包括注水、蒸汽驅、二氧化碳注入、蒸汽輔助重力驅方法。在ARTS中，巖土力學模塊是單獨的模塊，該模塊的信息可以通過內置數據傳遞與其他模塊共享。ARTS包括流動模塊(含黑油模型)、熱模塊、多孔彈性巖土力學模塊。黑油模型的控制方程為質量守恒方程。熱模塊中控制方程為能量守恒方程和質量守恒方程。平衡方程采用巖土中常規平衡方程。并采用有效應力原理描述孔隙壓力的改變。采用多孔彈性模型作為默認的應力-應變本構模型。考慮了溫度應力，將溫度應力作為一個附加項。巖土力學模型沒有特別的裂隙模型，因為所有的裂隙信息從離散裂隙網絡中被集合在壓力信息中。軟件中假設巖石為靜力狀態，即裂隙可以改變，但是不擴展。采用有限元方法求解巖土力學控制方程。

在ARTS中耦合參數為孔隙度和滲透率，孔隙度和滲透率為體積應變的函數，用這些方程將變形和應力的改變引入流體流動模型中。

在ARTS中，有弱耦合和強耦合兩種方法。弱耦合方法，巖土力學的計算在外部進行，如利用3DEC在外部計算，然后將計算結果做成關系表或者函數，輸入以修改儲層物理屬性，再利用這些關系表或者函數進行流體計算。強耦合則在內部求解巖土力學問題，流體部分和巖土力學部分可以同時求解，也可以分開求解。

斯倫貝謝商業軟件Eclipse中存在頁巖氣模擬模塊。在這個模塊中假設一些氣體吸附在頁巖表面，另外一些氣體作為自由氣體賦存在基質孔隙結構內。認為基質含氣、不含水，裂隙含氣、水。擁有即時吸附和時變吸附兩種吸附模型。

Zuber、Frantz和Gatens (1994)正確描述頁巖生產的求解器包括以下幾方面：①介質和裂隙雙重結構；②基質流體非穩態流動特征；③基質中包含吸附和自由氣體；④裂隙系統中氣、水兩相流動。據此開發了SHALEGASTM軟件[31]，軟件求解也是一旦氣體進入裂隙系統，調用裂隙系統中的氣、水飽和度。其內部模型和煤層氣相似。

德克薩斯A&M大學基于TOUGH+模擬器開發了非常規氣體模擬器TAMSIM[32]。

Fan、Thompson 和Robinson (2010)開發了三維、組分、動態的頁巖氣儲層模擬器。具有雙孔雙滲儲層模型，可以描述通過基質和自然裂隙、誘導裂隙中的氣體流動。模擬器可以利用達西定律模擬自由氣體流體、利用解吸模擬頁巖基質中的流體流動[33]。

盡管存在了一些可以模擬頁巖氣開采的商業軟件，這些商業軟件中存在一些不適合模擬納米孔隙含氣頁巖的假設，如即時毛管平衡假設、甲烷運移完全通過粘性流動定律即達西定律來描述。這些假設導致模擬結果不能正確預測產水量，不能合理地處理氣體運移速率與時間的關系，不能正確模擬氣體產出以及預測水的遞減率。且目前的商業軟件，除了ARTS，其余均不考慮開采過程中的地應力作用。但是ARTS軟件沒有考慮低滲透頁巖儲層中的非線性流動行為、且采用了均質的假設。

4 結語

準確認識頁巖氣開采機理是頁巖氣得以成功開采的關鍵，國外對頁巖氣開采機理的研究相對較多，國內對于頁巖氣開采機理的研究仍處于起步階段。

1)合理的頁巖儲層概念化物理模型是開展頁巖氣開采理論研究的基礎。我國含氣頁巖沉積環境復雜，含氣頁巖沉積成因以及相應的礦物成分與國外含氣頁巖均有所不同，其孔隙、裂隙系統也與國外儲層有所不同，我國頁巖氣開采機理的正確認識必須首先建立適合中國頁巖氣儲層巖石微觀結構的物理模型。

2)現有的頁巖氣開采理論研究多只基于氣體在儲層中的流動規律建立模型，較少考慮到地應力對含氣頁巖流動的影響。中國含氣頁巖儲層埋深較大，其所處的應力環境較為復雜，地應力變化致使頁巖氣儲層巖石的孔隙度和滲透率均發生變化。中國頁巖氣開采機理的研究必須考慮地應力的影響，建立適合中國頁巖氣開采機理的理論模型。

3)模擬頁巖氣開采的商業軟件中存在一些不適合模擬納米孔隙含氣頁巖的假設，這些假設導致模擬結果不能正確預測頁巖氣產量。必須結合中國含氣頁巖儲層的實際情況，基于適合中國頁巖氣開采機理的理論模型，發展相應頁巖氣開采的數值模擬技術。

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