頁巖氣高效開采的力學問題與挑戰1)

柳占立 莊 茁 孟慶國 詹世革 黃克智

?(清華大學航天航空學院應用力學教育部重點實驗室，北京100084)?(國家自然科學基金委員會數理學部，北京100085)

頁巖氣高效開采的力學問題與挑戰1)

柳占立?,2)莊 茁?孟慶國?詹世革?黃克智?

?(清華大學航天航空學院應用力學教育部重點實驗室，北京100084)?(國家自然科學基金委員會數理學部，北京100085)

頁巖氣是指賦存于富含有機質泥頁巖中以吸附和游離狀態為主要存在方式的天然氣，中國資源量豐富，地域分布廣泛.頁巖氣開采能緩解我國常規油氣產量不足、煤化石燃料引起環境污染等問題，已成為中國綠色能源開發的重要領域.盡管北美頁巖氣“革命”取得了成功，目前也僅有預期產量5%～15%的采收率.與北美地區相比，中國頁巖氣埋藏深，賦存條件差，自然豐度低，因此，高效開采面臨更多的困難和挑戰.近年來，圍繞國家重大能源戰略需求,瞄準技術發展前沿，學術界和工業界聯合對頁巖氣高效開采的關鍵科學和技術問題展開研究.本文結合近三年四川、重慶地區的頁巖氣試驗區塊遇到的新問題，針對中國未來3500m以下深部開采的新挑戰，如地質沉積、裂縫發育構造不同、上覆壓力增加、水平應力場變化等新問題，介紹和總結了目前中國頁巖氣高效開采面臨的力學科學問題，主要包括多重耦合下的安全優質鉆完井力學理論和方法、水力壓裂體積改造和多尺度縫網形成機制、多尺度滲流力學特性與解吸附機理等.“深部頁巖氣高效開采”的研究面向國家重大能源需求，科學意義重大，工程背景明確，需要工程力學、石油工程、地球物理、化學工程和環境工程等多學科專家合作，開展理論研究、物理模擬、數值模擬及現場試驗等綜合應用基礎研究，取得高效開采頁巖油氣理論與技術的突破.學科交叉是研究頁巖氣高效開采問題、突破技術瓶頸的橋梁，只有力學與石油工程、地球科學等學科實現深度交叉融合，才能更加有效地推動頁巖油氣等非常規油氣資源的開發.

頁巖氣，工程地質力學，鉆井完井理論，水力壓裂，多尺度滲流

引言

2015年美國頁巖氣年產量為4307.82億m3，約占美國天然氣總產量的56.22%，超過我國2015年天然氣總年產量(1270.97億m3).據美國能源部能源信息管理局2013年預測，中國的頁巖氣儲量排名世界第一，占比全球儲量的36%，是美國的1.5倍，達到1115萬億m3[1].加快頁巖氣資源勘探與開發已成為頁巖氣資源大國的共同目標.北美頁巖氣的商業化開發給世界各國的能源結構調整帶來巨大影響，特別是在當前我國不合理的能源消費結構背景下，頁巖油氣開采將成為我國綠色能源開發的新領域，從而成為緩解原油產量不足，降低減少煤化石燃料環境污染的有效途徑.“十三五”期間，我國將推動能源結構不斷優化調整，天然氣等清潔能源需求持續加大，為頁巖油氣大規模開發提供了寶貴機遇[23].

盡管北美頁巖氣 “革命”取得了成功，但是美國頁巖油氣田的產量數據表明，目前只有預期產量5%～15%的油氣開采出來[4]，其原因是多方面的，如水平井的井段縮短和井筒完整性沒有達到預期，頁巖層改造的裂縫網絡沒有完好形成，高比例的裂縫簇沒有產出(據6個區塊統計，30%的裂縫簇沒有產出)，油氣滲流和解吸附尚未形成流動等.相比北美以海相沉積為主的頁巖氣層，其產區主要分布在比較穩定的大地構造巖層內，而中國南方海相頁巖氣儲層存在于復雜山地區域和經歷了后期地震的強烈改造，頁巖儲層以裂隙和微孔為主，層理、節理及夾層發育，儲層埋藏深，頁巖氣賦存環境差[5].以四川和塔里木盆地為例，頁巖氣埋藏大多在3000至6000m，且地表環境較差，多山區或沙漠，經歷地震重構、嚴重缺水和道路崎嶇，因此，施工成本和開發難度很高.盡管條件困難，在“十二五”期間，頁巖氣勘探開發取得了重大突破，2015年形成以重慶涪陵為代表的年產50億m3的氣田(可供3200萬人口的年用氣量)，成為北美之外第一個實現規模化商業開發的國家.但從現有頁巖油氣開采技術層面看，中國的頁巖油氣高效開采仍面臨諸多理論、方法和工程技術的挑戰.

因此，頁巖油氣高效開采中的基礎科學理論和工程技術問題亟需解決，主要分為4個方面：(1)頁巖油氣開采中的鉆井完井力學理論與方法；(2)水力壓裂體積改造和多尺度縫網形成機制；(3)多尺度多物理場滲流力學特性與解吸附機理；(4)頁巖油氣開采新概念與新技術.學科交叉是研究頁巖油氣高效開采問題、突破技術瓶頸的橋梁，只有力學與石油工程、地球科學等學科實現深度交叉融合，才能更加有效地推動頁巖油氣等非常規油氣資源的開發，實現“十三五”規劃中“力爭實現頁巖氣產量300億立方米”的目標.

1 頁巖氣高效開采的力學研究現狀和發展趨勢

頁巖儲層具有低孔、低滲透率的物性特征(孔隙度一般在4%～6%，滲透率小于1.0nD)，油氣溢出阻力遠大于常規天然油氣，基本無自然產能，流體的滲透通道主要是裂縫網絡系統，因此對頁巖儲層進行大規模壓裂改造是形成頁巖氣工業產能的主要手段[67].現有頁巖氣增產方法普遍采用水壓致裂與水平井技術來增加儲層的宏觀透氣性[810].整體來看，我國頁巖氣開發基礎理論和技術尚處于初步研究階段，例如，(1)還沒有完全掌握頁巖特征，造成前期勘探開發遇到了諸多問題，亟需建立全面客觀的頁巖可壓性評價指標以指導我國頁巖氣的高效開發；(2)在頁巖水平井鉆井過程中，出現井壁垮塌嚴重、垮塌周期明顯等問題，直接導致水平井段縮短、體積改造規模降低，水平井井筒完整性因頁巖氣井特有的開發方式和井下工況受到嚴重挑戰；(3)水力壓裂僅憑井口流量控制，裂縫簇間距沒有優化，縫網形成機制尚不完全清楚，彌散裂縫密度不能定量評估；(4)頁巖基質中氣體的微流動(吸附、解吸、擴散與滲流)是影響產氣量的決定因素，這也是頁巖氣不同于常規天然氣藏的主要區別，由于對頁巖油氣滲流機理、開采理論認識不清，導致現有的水平井壓裂技術基本停留在工程尺度和經驗模仿層面，不能評估采收率，無法在更廣泛的區域形成工業產能.下面分4個方面敘述力學研究現狀和發展趨勢.

1.1 鉆井完井力學理論與方法

此頁巖非彼頁巖，已經成為工程界和學術界對頁巖非均質性的共識.由于我國南方海相頁巖氣儲層位于復雜山地，具有后期強改造特征，頁巖水平井鉆井完井工程面臨諸多地質力學問題的挑戰，包括巖石物理和地質力學參數的非均質性、初始地應力場特征的系統認知，巖石非線性變形、強度各向異性與剪切摩擦等力學行為，礦物組分、有機質的微觀力學特性以及礦物顆粒支撐和黏土膠結控制的滑移機理.因此，高效開采頁巖氣，必須能夠評價頁巖氣儲層、鉆井和完井的質量[1112].

(1)頁巖氣儲層、鉆井和完井的質量評價體系

儲層質量主要包括頁巖有機質含量、儲層物性以及地層孔隙壓力，特別是區塊各異的儲層傷害機制等；鉆井質量主要包括水平井靶體深度，水平段長度、軌跡方位的最優化以及全壽命周期的井筒完整性等；完井質量主要包括頁巖脆性、微裂縫發育以及水平地應力的非均勻性等.三者之間不是相互排斥或孤立，而是相互依存、滲透和轉化.例如，2009年—2016年3月，在四川長寧—威遠頁巖示范區的開發過程中，套管變形達到30%.在壓裂的101口井中(水平井90口)，32口井出現了不同程度的套管變形(變形點達47個)，導致橋塞無法坐封到位，壓裂段數減少，單井產量降低，加上井筒完整性差，井生命周期降低，從而嚴重影響了頁巖氣的采收率.套管變形成為制約長寧—威遠區塊頁巖氣開發的瓶頸之一.

(2)頁巖油氣儲層巖石物理、地質力學各向異性模型

工程地質部門基于地球物理技術和地質力學理論，通過反演屬性橫向約束和井震結合，搭建層面、斷層和裂縫組成的構造模型，揭示山地頁巖強構造活動特征的異常地層壓力和初始地應力場分布規律，提供了“甜點”區位和建井鉆井指南.為了指導現場施工，需要優化設計井工廠的水平井靶體深度、水平段長度和軌跡方位，建立頁巖氣單井產量敏感性評價方法及分析預測模型.

(3)力學與化學耦合作用下的井壁失穩機理

在被應力損傷的頁巖與鉆井液發生化學耦合作用下，井壁失穩導致套管變形的事件經常發生，導致水平井段縮短和產量降低.針對長裸眼水平井和工廠化鉆井完井過程中普遍存在的油基鉆井液成本高、環保壓力大，水基鉆井液井壁易垮塌，建井周期長等主要技術難題，需要研發減小損害、降低濾失、平衡活度的環保型鉆井液體系.

(4)深部地層復雜應力環境高精度宏細觀力學測試解釋新方法

隨著我國對深部(大于3500m)頁巖氣開采的需求增大，通過建立高精度的宏細觀力學測試解釋新方法，研究復雜應力條件下的頁巖宏細觀變形破壞機理和強度特性，揭示層理面控制的頁巖強度各向異性，黏土礦物控制的頁巖穩態、非穩態與脆性開裂特性；基于Biot本構關系和各向異性強度準則對應力模型進行三維井壁穩定性校核，指導鉆井液流量和密度設計；這些研究都是深部開采必須解決的基礎力學問題.

1.2 水力壓裂縫網形成機制

水力壓裂是用帶有相位角的射孔槍沿井筒分段微爆起裂，在巖層孔壁形成初始裂縫，在水壓驅動下沿著地層最大主應力(壓應力)方向形成擴展裂縫簇，裂縫速度為幾米每秒的量級[1318].含有支撐劑的壓裂液作用在裂縫面上阻止裂縫閉合，形成擴展的裂縫網絡.這種縫網在各向異性的非均質頁巖中是隨機分布的，而在各向同性的均質砂巖中則形成幣狀裂縫.

我國在頁巖水力壓裂工程方面已經有所突破，比較成功的區塊是重慶涪陵焦石壩區塊，但是對于水力壓裂縫網形成機理的認識尚不完全清楚，這也嚴重制約了頁巖油氣的高效開發.我國深層頁巖比重高，高應力效應引發的力學行為變化突出；多段多簇射孔、多種工作液壓裂施工等綜合因素控制著頁巖裂縫形態.針對以上特征，要大幅改善體積壓裂效果，必須對水力壓裂縫網形成機制的關鍵問題開展研究.

(1)頁巖復雜縫網的可壓性評價

評價頁巖儲層壓裂后形成復雜裂縫網絡的能力是縫網形成機制分析和儲層質量評價的重要方面.狹義上可壓性僅指脆性，廣義上則包括所有控制縫網復雜程度的因素[1922].礦場上使用最多的Jarvie礦物評價模型和Rickman力學評價模型本質上為經驗公式.從地質學角度分析，脆性礦物含量、孔隙度、沉積作用、膠結礦物等均對脆性有影響；從力學角度分析，可以從應力與應變關系、力學強度參數、巖樣破碎特征等方面提取不同的參數來表征脆性.除脆性外，天然弱面和地應力也是決定裂縫復雜程度的重要因素.從真三軸大物模實驗以及弱面交互模型出發提取地應力差、弱面逼近角等參數作為評價參數；實驗發現天然弱面膠結面特征、注入流體粘度和速率也有重要影響.目前關于可壓性評價的研究雖然有所進展，但仍無統一認識，在應力特征、弱面力學參數、射孔與壓裂工程參數等綜合可壓性評價方面，尚無成熟的模型.

(2)裂縫起裂機制

隨著頁巖氣開發深度增加，閉合應力亦大幅增加.在不同壓裂液的擾動下，頁巖具有不同的起裂模式.從考慮不同角度下井眼或單個射孔孔眼的圍壓應力，計算起裂方位與壓力，逐漸發展到考慮頁巖橫觀各向同性、應力--滲流--Biot本構的耦合模型，以及井壁單個天然弱面、水化應力、彈塑性變形等滲流--應力--化學耦合起裂模型.大量的實驗及現場觀測表明井筒工作液的擾動存在滲吸水化行為與前置酸液的力學損傷行為，但關于力學本構及滲流規律耦合的模型尚未建立.北美地區6個區塊的現場監測表明裂縫簇失效率超過30%，因此，在應力作用下的多孔眼起裂競爭與裂縫簇形成機制受到關注，其研究工作剛剛開始.

(3)多物理場耦合的裂縫擴展模式

這是頁巖水力壓裂研究的熱點，可以歸結為如下問題：天然弱面的非連續、高應力彈塑性變形、分段壓裂的多裂縫簇、圍壓作用下多場耦合.在0.3～1.0m尺度范圍的物理模型真三軸實驗中，通過聲發射或計算機斷層掃描技術，初步揭示了裂縫在圍壓影響下界面處的兩類行為：一類是裂縫穿越界面伴隨雙擴、轉向行為；另一類是進入界面受限后止裂、分叉和起裂行為.在理論模型方面，通過數值模擬引入位移不連續建立多裂縫擴展模型，分析了裂縫間的應力陰影效應及競爭機制；裂縫交互及多裂縫隨機轉向擴展規律；模擬縫內支撐劑沉降和濃度分布；基于自相似原理模擬正交復雜裂縫三維形態，能夠考慮裂縫干擾、濾失和支撐劑輸送，但無法反映裂縫隨機擴展與剪切斷裂過程.對于巖層在多相流體作用下裂縫尖端的張剪復合開裂機制，需要綜合考慮弱面結構及各向異性斷裂準則、高圍壓下流固耦合效應、縫內支撐劑力學暫堵與流體濾失耦合效應等.

(4)支撐劑輸運機制

在頁巖壓裂中，支撐劑輸運是在復雜裂縫通道中的固液兩相流動，也是支撐劑離散流、裂縫連續流與基質濾失流的多尺度流動過程.現場監測反饋支撐劑的輸運距離遠遠低于壓裂液的響應距離.目前對單一裂縫中的支撐劑運移、沉降實驗和理論模擬較多，認識到在清水壓裂中平板裂縫內的支撐劑輸運是依靠翻越砂堤維持平衡高度推進，而對復雜裂縫中的支撐劑輸運研究較少，僅有少量實驗研究了垂直正交裂縫中支撐劑的輸運，提出了支撐劑從主縫進入次縫的兩種控制機制：砂堤表面顆粒向次縫滾落的重力機制和主縫流速大于臨界流速時才能攜帶支撐劑進入次縫的動能機制.在數值模擬方面，采用計算流體力學方法模擬了正交平板裂縫中清水輸送支撐劑，得到了與物模實驗類似的結論.目前實驗和模擬均未解決粗糙裂縫壁面的動邊界、壁面高溫下壓裂液的流變性、壁面多孔多裂縫下濾失行為等問題，反映出對支撐劑的輸運機制尚未完全明晰.

(5)縫網形成機制和支撐劑作用原理

頁巖壓裂由近及遠形成主裂縫簇+分支裂縫+次生裂縫組成的縫網.研究發現主裂縫及分支裂縫以張性I型裂縫為主，次生裂縫以剪切滑移II型裂縫為主.支撐劑以多層及單層鋪置形式進入張性裂縫，卻難以進入剪切錯位裂縫，后者是依靠巖石粗糙面形成的自支撐裂縫，這可能是現場監測到支撐劑輸運長度遠低于壓裂液響應距離的原因之一.針對支撐劑多層鋪置短期導流能力的問題，從支撐劑尺度、強度、組合、層數等方面已開展較多研究.對于單層鋪置，閉合應力的影響比較明顯.對于自支撐裂縫，基于實際巖板的導流實驗研究表明,閉合壓力、壁面粗糙度、楊氏模量、剪切滑移量、非達西效應對導流能力的影響突出，不同的頁巖導流能力差異最高可達2個數量級.對于滑移量計算，主要基于直剪實驗擬合或者根據無限大地層單裂縫應變計算獲得.目前需要解決的問題是剪切錯位量計算、粗糙裂縫壁面的數學描述及重構、高閉合應力下裂縫的接觸力學、粗糙壁面條件下裂縫導流能力預測等.

(6)裂縫監測評價方法

目前頁巖裂縫監測評價主要針對改造體積(SRV)開展，直接法包括微地震和測斜儀監測等，間接法包括裂縫破裂體模擬、裂縫擴展擬合、產量擬合等.井下微地震監測是應用最廣泛的監測方法，通過微地震事件監測可以確定人工裂縫的整體趨勢，但仍需要對震源機制深入研究以確定裂縫的產生性質、流體導流能力和維持時間等參數.目前震源機制的反演方法主要基于縱、橫波振幅值進行，初步認識到不同井況水力壓裂過程中誘導的微地震震源機制是有差異的.進一步需要對震源機制三維顯示方法、優化觀測方式、結合巖石物理和施工參數進行綜合研究.基于改造體積評價技術，需要開展縫網跨尺度表征、裂縫延伸特征、儲層參數反演等相關研究.

1.3 多尺度滲流力學特性與解吸附機理

頁巖油氣開采中的滲流與解吸附是一個多尺度、多場、多相耦合的力學問題[2325].立足我國頁巖油氣開發實際，研究頁巖油氣藏滲流力學特性與解吸附機理，形成頁巖油氣多尺度滲流機理和開采理論，對于頁巖油氣藏的高效開發具有重要的科學價值和實際工程意義.

(1)頁巖油氣藏孔隙結構特征和儲集方式.

頁巖孔隙類型多、結構復雜，具有多尺度性.主要由四類不同的孔隙介質構成：有機質中分布的納米級粒內孔隙、無機礦物中納米至微米級粒間孔隙、發育豐富的微米至毫米級天然裂縫以及更大尺度的水壓裂縫.基巖孔隙是頁巖油氣藏的主要儲集空間，基巖非常致密，主要為納米孔隙，滲透率極低.納米級孔隙直徑在5～800nm之間，大部分在100nm左右，孔喉直徑一般在10～20nm.目前一般采用掃描電鏡、聚焦離子束掃描電鏡、原子力顯微鏡、納米計算機斷層掃描等手段觀測頁巖的孔隙結構分布.吸附氣和游離氣共存，儲集方式多樣.游離氣儲集在孔隙空間和微裂縫中，吸附氣儲集在有機質中，吸附氣可占總儲集量的20%～85%.對于頁巖氣儲層的吸附/解吸機理研究，目前沿用煤層氣固、氣界面吸附理論，即認為滿足固、氣界面吸附的Langmuir等溫吸附/解吸關系式.實際上頁巖通常以泥巖形式在潮汐沼澤或者深水盆地的水環境下沉積，頁巖有機質(干酪根)的降解及甲烷氣的產生是甲烷菌在水環境下無氧作用的結果.頁巖氣藏均存在一定的含水飽和度，成藏過程在水環境下產氣與聚集.因此，頁巖氣成藏與生產存在氣、液、固三相界面的平衡吸附與解吸.而固、液界面吸附與解吸主要與孔隙水中的氣體溶解度密切相關，對壓力不敏感.目前國內外對于頁巖氣儲層氣、液、固三相系統下的吸附及解吸機理研究匱乏，在氣藏開發中存在吸附量與產量之間的矛盾，因此，亟需開展頁巖氣實際成藏過程、生產過程和多尺度運移規律的研究.

(2)頁巖油氣在微納米孔隙內的流動規律

微納米孔隙為頁巖儲層的主要儲集空間，流體在微納米孔隙內流動，其毛細管壓力及相滲曲線與常規油氣藏存在差異，亟需開展頁巖微納尺度多相流運移機制的研究.國內外在微納米級致密孔隙介質物理模擬實驗方面存在著微孔隙油水分布規律監測難度大、出口微量油水計量不準確等技術瓶頸，因此難以通過實驗手段揭示致密微孔隙內流體滲流規律.目前國內對于微納米多孔介質內流動機理的研究主要是采用數字巖心的微觀流動模擬方法，包括圖像處理、基礎資料獲取及數字巖心構建等.

(3)頁巖油氣儲層介質的多尺度流動特性

頁巖油氣藏儲層介質具有明顯的多尺度性，基于連續介質假設和達西方程的傳統滲流力學無法準確刻畫頁巖氣藏的流動機制，需要從分子尺度和介觀尺度、達西尺度和油藏尺度及尺度升級方法進行研究和論證.在分子尺度上，形成了基于分子動力學模擬的頁巖油氣吸附解吸及運移機理的研究方法，研究甲烷、二氧化碳及水在黏土、有機質及干酪根中的吸附規律，闡明頁巖油氣吸附解吸行為.在介觀尺度上，建立了頁巖多尺度數字巖心的構建方法，以及基于數字巖心的單相和氣水兩相流動模擬方法.根據分子尺度上流體流動機制，分別建立了考慮微尺度效應、氣體高壓影響和有機質吸附影響的格子Boltzmann及孔隙網絡模型流動模擬方法，能夠進行大密度比氣水兩相流模擬，揭示了頁巖氣單相和氣水兩相孔隙尺度滲流規律.在達西尺度上，形成了基于均勻化理論的頁巖基巖尺度升級方法，考慮基巖不同孔隙介質的賦存方式和相應運移機理，建立了考慮有機質分布特征和相應運移機制的尺度升級數學模型，研究了微觀孔隙結構特征對頁巖油氣宏觀流動的影響.在油藏尺度上，建立了應力場和滲流場耦合的頁巖裂縫擴展及油氣開采數值模擬方法.

(4)頁巖油氣藏應力、滲流、溫度三場耦合數值模型

目前頁巖油氣藏的數值模擬大多未考慮應力場與滲流場的耦合或者在滲流場中未考慮儲層耦合運移機制.頁巖油氣藏通常發育天然微裂縫，人工壓裂后會形成多尺度離散裂縫網絡，隨著儲層地應力場的改變，裂縫會隨之開啟或閉合，對滲流場產生重要影響，而滲流場的改變反之影響地應力場.目前相關的商業軟件對于此類強耦合問題尚未形成模擬功能.因此，亟需建立一套適用于頁巖氣藏應力、滲流、溫度三場耦合的全隱式裂縫性介質數值模擬方法和技術.

1.4 頁巖氣開采新概念與新技術

深部頁巖油氣開采是未來我國頁巖油氣開采的重點，然而現有鉆完井理論、壓裂技術和滲流解吸附方式難以滿足其高效開發需求[7,2627].截止2016年9月，全國完鉆頁巖氣井960口，累產氣約114億m3，初步形成3500m淺開發工程技術鏈.然而，四川盆地3500～4000m頁巖氣資源量為3.5萬億m3，是 3500m淺資源量的兩倍多，可采儲量 0.9萬億m3，其開采已經納入“十三五”規劃.不僅是我國，美國2016年也成功試采開發了超4000m深層超高壓頁巖氣藏.

北美頁巖氣低成本開發得益于關鍵技術的進步.在鉆井方面，北美正研發大直徑連續管欠平衡鉆井技術，并取得成功，水平井鉆速達30m/h.在完井壓裂方面，美國2016年嘗試超長水平井低成本開發頁巖氣，水平段長度超過5600m，作業成本降低40%.相比北美頁巖氣開采條件，我國開采頁巖氣從地質地貌條件、鉆井和壓裂工程、鉆完井成本等方面都更加復雜；部分地區水資源匱乏，生態環境脆弱；采用常規頁巖氣開采方法和概念在深部頁巖和一些復雜地質條件下的儲層中開采成本高、效果差，甚至在壓裂后完全沒有效果.

我國頁巖氣開采的形勢嚴峻，面臨著3個方面的挑戰：(1)鉆完井工程技術難題：建井成本居高，占總成本50%以上；水平井鉆速低，縫網壓裂改造有效性難以評定.(2)資源條件復雜：儲層埋深大，地質構造復雜、地表多丘陵，井場布置困難；深層地應力高，井眼穩定和巖石破碎難.(3)生態環境脆弱：所有入井液均帶來水資源和土壤污染風險.我國水資源匱乏，但同時壓裂耗水量巨大.我國人均水資源量僅2100m3，單井壓裂用水量達1.8萬m3.針對這3個方面的挑戰，亟需提高改造效率，增大泄氣溝通面積；創新技術方法，降低單井作業成本；亟需發展環境友好型技術，減少耗水和廢物排放.最終實現優快、低成本、環保的技術突破.發展頁巖氣高效開采的新理念、新技術，為實際施工提供新的思路.

(1)連續管鉆完井一體化、新型壓裂液及無水壓裂技術

連續管鉆完井一體化技術，采用連續管微小井眼鉆井方法，在頁巖氣儲層中鉆成不同空間方位、數量、長度的分支井眼，成井后直接采用連續管一體化實施水力壓裂，利用井間應力干擾作用控制形成三維復雜裂縫網絡.需要重點研究在頁巖層理弱面與地應力競爭下，徑向井壓裂裂縫起裂的模式和機理，從而控制裂縫起裂的位置及擴展模式.壓裂液潤滑裂縫壁面，導致表面能降低，從而影響裂縫擴展.探索在徑向井多裂縫競爭擴展中的流體壓力分配和人工、天然裂縫作用等機制.使用連續管鉆完井壓裂聯作，效率高和成本低.壓裂流體選用超臨界二氧化碳或液氮等無水壓裂流體替代水壓裂，具有黏度低、表面張力低、擴散能量強、壓裂更易形成復雜縫網等特性，從而達到安全高效、無水、環保開采頁巖氣的目標.

(2)頁巖氣多級壓裂井產能評價

只有做到掌握真實氣體、限域效應等對于微納尺度頁巖氣的傳輸特征與機理的影響，并傳遞到宏觀傳輸模型；定量表征基質孔隙、天然孔隙以及巖心尺度微納米孔隙流動與天然裂縫滲流的相互耦合，闡明其非均質滲流特性，建立巖心尺度的滲透率模型，才能建立顯式表征非平面復雜裂縫網中多級壓裂井產能的預測模型.需要考慮自發滲析和基質、裂縫中的多相流動，建立壓裂液返排預測模型，探索關井時期壓裂液在基質中的自吸，以及復雜裂縫網、天然裂縫發育程度對于壓裂液返排的影響，從而提高壓裂液的返排率.在此方面，光纖生產剖面測試技術和壓裂示蹤劑動態檢測技術是產能評價的重要手段，可準確評價壓裂井段產量貢獻率，為優化產能預測模型和完井設計提供基礎數據.

(3)基質與裂隙相互作用的原位科學管理

我國頁巖基質的滲透率極低，在納達西水平；基質與裂隙之間傳導性能的差異高達幾個數量級，導致頁巖氣滲透率的演化成為一個漫長的過程，而且基質與裂隙之間一直處于非平衡態，準確定義和描述這一動態變化是實現頁巖氣有效開采的前提條件.為了應對這些挑戰，需要實現水力壓裂創造的頁巖傳氣能力與頁巖基質氣體供應能力相匹配.因此，理解頁巖基質傳導性能和基質、裂隙之間相互作用，在原位應力、壓力以及溫度條件下的演化過程，并在此基礎上實現基質與裂隙相互作用的原位科學管理，實現頁巖氣可持續開采，成為目前頁巖油氣高效開采的發展趨勢.

2 頁巖氣高效開采的力學研究面臨的挑戰

2.1 鉆井完井力學理論與方法

頁巖水平井鉆井完井工程面臨諸多地質力學問題的挑戰，包括巖石物理和地質力學參數的非均質性、初始地應力場特征的系統認知，巖石非線性變形、強度各向異性與剪切摩擦等力學行為，礦物組分、有機質的微觀力學特性以及礦物顆粒支撐和黏土膠結控制的滑移機理.因此，需要重點突破如下方面的力學研究.

基于地球物理、鉆錄測井和巖石力學一體化的地質力學環境非均質性、各向異性表征方法，實現多尺度裂縫結構識別、異常地層壓力預測和地應力場數值模擬.開發深部地層復雜應力環境高精度巖石力學測試解釋新方法，研究復雜應力條件下頁巖的宏細觀變形破壞機理和強度特性，揭示層理面、礦物組分、膠結結構等控制的頁巖強度與脆性特性，以及基于Biot本構關系的三維井壁穩定性校核方法.鉆井液與超低滲頁巖壓力傳遞效應的高精度測試技術，研究鉆井液與井壁圍巖應力損傷與化學腐蝕耦合作用下的壓力、活度和損傷演化效應，周期性失穩機理與規律.研究多維度、跨尺度的地質力學屬性特征及其演化規律，壓裂過程中礦物組分、層面遮擋、地應力約束的裂縫擴展特征，地層壓力的各向異性變化，地層變形位移風險的量化表征等.

2.2 水力壓裂縫網形成機制研究

頁巖水力壓裂的目的是形成匹配地層滲流的有效網絡裂縫，已有研究尚在初步認識階段，在高應力和物理化學作用下起裂機理、復雜介質下大型物模實驗與數值模擬、復雜動邊界支撐劑輸運規律、頁巖不同支撐模式下的長效導流能力、高精度壓裂隨機裂縫實時動態監測評價等方面仍存在諸多問題和挑戰.

在裂縫起裂方面，工作液自發滲吸及誘導裂縫機理、頁巖水化及酸損傷本構、彈塑性頁巖多簇多孔眼起裂機制目前仍認識不清.在裂縫擴展方面，多相流體作用下裂縫尖端應力場、裂縫剪切滑移機制、高應力力學非線性與流固耦合非線性理論、支撐劑--壓裂液--裂縫多相作用與動態擴展耦合機制、非連續的多裂縫隨機擴展理論需要尋求突破.目前亟需開展如下研究工作.

(1)建立裂縫簇擴展歸一化條件.在裂縫簇形成過程中，水平井筒中的流量從微爆孔口分配給各壓裂段內的裂縫簇，簇內水壓與分配流量和射孔摩阻的乘積成正比，而裂縫尖端處地應力主導的應力強度因子與裂縫面上水壓力構成驅動裂縫擴展的競爭機制.工程上希望形成平行擴展，行穩至遠的裂縫簇，而不希望出現裂縫之間的屏蔽效應，后者是北美6個頁巖氣區塊中30%裂縫簇沒有產出的原因之一.裂縫擴展和止裂既要滿足流量的增加和保持，又要滿足應力強度因子或者能量釋放率表征的斷裂準則.由此流量增加率和斷裂準則構成了裂縫簇擴展的歸一化條件.在該條件中，應力強度因子和斷裂韌性是地球物理勘測數據的已知條件，井口流量是工程控制條件，射孔摩阻是可以計算的參數.這樣，由此建立裂縫簇擴展歸一化條件可以評估和優化裂縫簇間距和擴展長度.

(2)建立基于裂縫密度的采收率評估模型.在水平井的壓裂過程中，不但需要形成主裂縫簇，更重要的是形成成百上千彌散裂縫的縫網結構，這些裂縫包含水力裂縫本身的隨機擴展和分叉，以及它們與天然裂縫的交匯.如何對裂縫簇和縫網進行力學表征和數值模擬，對流固耦合的斷裂力學理論和模擬計算提出全新的挑戰.根據北美5個區塊26個月油氣產量調查統計，保證頁巖氣充分解吸附的合理裂縫間距是0.1m，該數據提供了一種逆向推算思路，目前國際上由此形成了兩種分析模型，基于本構層次的損傷模型和基于多尺度自相似裂縫密度模型.國外這些統計數據如何對比我國頁巖氣的現場裂縫間距數據，結合井口控制流量和孔口摩阻系數，可以推算裂縫密度和評估采收率.研究的目標是能夠開發頁巖氣工程模擬軟件，指導現場工程.

(3)發展大物模實驗技術和提高數據處理水平.水壓過程對裂縫擴展的影響主要體現在流體對裂縫尖端亞臨界擴展的影響，和水力的加載方式，即地應力圍壓下裂縫面內分布力加載的影響.水力裂縫面臨的另一個問題是后期的檢測和表征.在室內的大物模實驗中，如中石油勘探院廊坊分院的 1.0立方米三維水壓實驗設備，是目前亞洲最大尺度的露頭巖石的物理實驗平臺，樣品尺寸為762mm×762mm×914mm，最大載荷為69MPa.以聲發射和截面觀測為主的表征方式仍然與現場幾千米深的壓裂施工差別很大，無法給出實際工程中流量與裂縫速度、擴展長度和多裂縫相互作用影響間距等真實數據.因此，水力裂縫的準確監測與表征仍然是亟待解決的問題.

(4)揭示支撐劑運輸和裂縫導流機制.在支撐劑輸運方面，動邊界下高溫、高壓、高應力下固液多相流理論、多重介質下流體競爭濾失理論、多裂縫壁面效應與支撐劑分布預測模型是需要解決的難題.在裂縫導流能力方面，頁巖--支撐劑接觸與頁巖粗糙錯位縫接觸動力學理論、高溫高應力下低濃度支撐裂縫與自支撐裂縫的長效導流實驗與理論需要進行研究.在裂縫評價方面，跨尺度三維網絡裂縫表征方法、高精度三維震源機制與力學反演理論、基于施工參數的裂縫延伸反演理論需要重點突破.

(5)發展頁巖壓裂數值模擬軟件.目前國際上水力壓裂數值模擬形成了一些軟件體系，從整體區塊的壓裂設計，到單井壓裂設計和實時監測分析等方面，都有相應的軟件，主要有 FracpropPT，Meyer，TerraFrac，E-StimPlan等，這些軟件的開發和使用大大促進了水力壓裂技術的發展.但是這些軟件大多采用非常簡化的力學模型，認為儲層是各向同性的均勻材料，采用解析或半解析的裂縫模型，把裂縫簡化成對稱平面裂紋，忽略了裂縫復雜的幾何形態及多個裂縫之間的相互作用，難以應對非均質各向異性頁巖中復雜縫網系統的模擬.針對頁巖壓裂的復雜特點，在頁巖壓裂領域急需發展符合真實物理狀況的水力壓裂數值模擬工具.

2.3 多尺度滲流力學特性與解吸附機理研究

頁巖儲層因其多尺度的儲集空間和多樣性的油氣賦存方式，在開采過程中的運移是應力、多相滲流的耦合過程，常規的油氣滲流理論不再適用，亟需開展頁巖油氣多尺度滲流特征及開采理論的研究，面臨以下挑戰性問題：

(1)頁巖氣、液、固三相系統吸附/解吸機理及規律.前期關于頁巖氣藏的吸附/解吸機理的研究只是局限于氣、固兩相系統，其吸附/解吸機理與頁巖氣藏礦場生產特征差別較大，大規模水力壓裂造成很多水滯留在多孔介質中，使得有機質的氣體很難解吸釋放.工程實踐和實驗證明：水相的存在對吸附/解吸影響較大，因此有必要研究氣、液、固三相系統頁巖氣的吸附/解吸機制.

(2)頁巖微納尺度多相流運移機制及其尺度升級.頁巖不同則孔隙介質運移機制不同，亟需構建考慮不同孔隙介質類型的頁巖數字巖心，全面考慮耦合運移機制，開展微納尺度氣水、油水兩相流動模擬，揭示頁巖儲層微納尺度滲流規律，開展尺度升級研究，得到考慮微觀運移機制的宏觀滲流模型.

(3)應力場與滲流場全耦合的頁巖油氣藏數值模擬.在實際工程中，應力場與滲流場發生相互影響，因此，需要建立頁巖油氣藏力學模型，開展頁巖油氣藏的應力場與滲流場完全耦合的數值模擬研究，形成高效求解方法.

(4)分段壓裂水平井非穩態壓力產量分析及開發潛力預測模型.分段壓裂水平井是頁巖油氣藏開發的主要手段，目前非穩態壓力(試井)解釋及產能預測方法未能全面考慮頁巖儲層內的耦合運移機制，因此亟需建立基于頁巖儲層耦合運移機制的滲流數學模型，開展頁巖油氣藏非穩態壓力(試井)解釋及產能預測方法研究.另外，在井工廠模式下，需要考慮同步壓裂應力干擾水平井和人工裂縫，揭示井工廠開采模式下的水平井位置以及分段壓裂縫的空間配置，形成井工廠優化設計方法.

2.4 頁巖氣開采新概念與新技術

頁巖基質的超低滲和基質與裂縫傳導性能之間的高差異是頁巖氣藏的兩個最大特征.頁巖的滲透性可以低到納達西水平，基質與裂縫之間傳導性能的差異可以高到幾個數量級.這兩個特征決定了頁巖滲透率的演化將是一個漫長的過程，而且基質與裂縫之間一直處于非穩定非平衡的狀態，準確定義和描述這個動態系統是頁巖氣高效開采的核心理論模型.目前的研究不但要關注水力壓裂創造頁巖氣通道的能力，也要關注頁巖氣能否從基質中流出.美國頁巖氣開采面臨可持續性的挑戰，中國頁巖氣開采面臨技術和方法上的突破.為了應對這些挑戰，提出了實現水力壓裂創造的頁巖氣傳氣能力與基質氣體供應能力相匹配，避免“斷氣”現象發生，最終達到頁巖氣可持續性開采的新理論概念.研究重點是理解頁巖基質傳導性能和基質--裂縫之間相互作用在原位應力、壓力及溫度條件下是如何演化的，并在此基礎上實現從制造裂縫到基質與裂縫相互作用的原位科學管控.

面對頁巖氣深部開采的挑戰，發展連續管鉆完井一體化技術.頁巖堅硬致密，鉆井破巖效率低，徑向井眼成孔難，如何鉆成不同空間方位、數量和長度分支井眼？如何通過徑向孔眼間應力干擾，設計、控制并形成復雜裂縫網絡？如何準確評價頁巖氣井產能？回答這些問題，需要發展連續管鉆完井一體化技術：采用連續管鉆多層、多孔徑向井，加速解吸、擴散、滲流速度，徑向井壓裂一體化形成復雜裂縫網絡，增大泄氣面積，從而實現“一井多層、一層多孔、一孔多縫”的復雜三維裂縫網絡，達到連續管鉆完井壓裂聯作，高效率、低成本開采頁巖油氣的目的.同時建立壓裂縫網形成機制和基于微納尺度流動的產能評價方法，

總的來說，連續管鉆完井一體化壓裂縫網形成機制研究；新型壓裂液及無水壓裂機理研究；頁巖油氣井的開采壽命優化研究；安全環保頁巖油氣開采新概念和新方法研究等問題是目前頁巖油氣高效開采的力學研究面臨的挑戰.

3 結論

根據近三年四川、重慶地區的頁巖氣試驗區塊遇到的新問題，中國未來3500m以下深部開采的新挑戰，如地質沉積、裂縫發育構造不同，上覆壓力增加，水平應力場變化等新問題，目前我國頁巖油氣高效開采面臨的主要力學科學問題如下：

(1)多重耦合下的安全優質鉆完井力學理論和方法

井壁圍巖穩定性的多尺度、多物理場耦合力學理論研究；深部頁巖(3500m以下)水平井穩定性控制理論研究；鉆采過程中頁巖儲層傷害機理和地質力學特征演化研究；地層--水泥環--套管系統在復雜工況條件的破壞規律研究；水基鉆井液適應性研究；非均質各向異性含孔隙頁巖本構理論研究.

(2)多尺度水力壓裂縫網形成機理

深部頁巖壓裂致裂機理研究；多簇裂縫起裂和擴展與流場分布機理研究；頁巖裂縫網的跨尺度表征與采收率評價體系研究；多物理場耦合和多尺度水力壓裂數值模擬和裂縫管控技術研究；大物模實驗和現場數據對數模的驗證研究；裂縫縫隙的支撐劑輸運機制與接觸力學理論模型研究.

(3)多尺度滲流力學特性與解吸附機理

深部頁巖基質滲流的微觀機制研究；數字巖心再現技術研究；多尺度、多相、多物理場耦合的滲流機理研究；尺度升級方法和滲透率計算研究；裂縫擴展和縫網演化過程中油氣體解吸、驅替和滲流特性研究.井工廠開采模式下同步壓裂裂縫擴展和多相多場耦合流動的三維數值模擬的大規模計算.

“深部頁巖油氣高效開采”的研究面向國家重大能源需求，科學意義重大，工程背景明確，需要工程力學、石油工程、地球物理、化學工程和環境工程等多學科交叉合作，開展理論研究、物理模擬、數值模擬及現場試驗等綜合應用基礎研究，取得高效開采頁巖油氣理論與技術的突破.

致謝 感謝上海大學周哲瑋教授，中國石油大學(華東)姚軍教授、薛世峰教授，中國石油大學(北京)李根生院士、陳勉教授，北京大學張東曉教授，中石油鉆井院楊恒林高工、田中蘭高工、項德貴高工、陳朝偉高工，西南石油大學郭建春教授，中國科學院力學研究所趙亞溥研究員、袁泉子副研究員、劉曰武研究員、蘇業旺研究員，中國科學院巖土力學研究所劉繼山教授等對本文的貢獻.

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PROBLEMS AND CHALLENGES OF MECHANICS IN SHALE GAS EFFICIENT EXPLOITATION1)

Liu Zhanli?,2)Zhuang Zhuo?Meng Qingguo?Zhan Shige?Huang Keh-Chih??(Applied Mechanics Lab.，School of Aerospace Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)?(Department of Mathematical&Physical Science，National Natural Science Foundation of China，Beijing 100085，China)

Shale gas is unconventional natural gas stored in shale in free or absorbed forms and sometimes in free flui phase.The exploitation of shale gas has become a promising fiel of green energy development in China.Although great success has been achieved in shale gas revolution in North America with the technique of hydraulic fracturing,there is only 5%～15%of the stored oil and gas could be exploited,which is still a puzzle for petroleum engineers.Compared with the North America,China’s shale gas reservoirs are deep burial,the geologic construction conditions are complicated and natural quality is low,therefore,efficient exploitation is facing more difficulties and challenges.In recent years,aimingat the national major energy strategy and the frontier of technological development,China’s academia and industry have carried out the preliminary study on some of the key scientifi and technical issues.Around the new issues encountered in the shale gas extraction in Sichuan and Chongqing areas in recent three years,this paper introduces and summarizes the key mechanics problems and challenges that the high efficient shale gas extraction is facing,mainly includes the multifiel coupling safe and high quality drilling mechanics,hydraulic fracturing and multi-scale fracture network formation mechanism and multi-scale seepage and desorption mechanism of shale gas,to solve the challenges in deep exploitation below 3500 meters in China,such as geologic sedimentation,di ff erent fracture development,increasing overburden pressure,the change of horizontal stress,etc.The deep shale gas exploitation is not only to adapt to the national energy demand,but also has scientifi and engineering significance To realize the efficient exploitation of shale oil and gas,it needs the interdisciplinary collaboration of mechanical engineering,petroleum engineering,geophysics,chemical engineering and environmental engineering to carry out basic theoretical research,physical simulation,numerical simulation and fiel experiment.It has been recognized that interdisciplinary research is the bridge and the key to breakthrough the technology bottleneck and realize the efficient exploitation of shale gas.It is necessary of the deep collaboration between mechanics,petroleum engineering,earth science and other disciplines to promote the development of shale gas and other unconventional oil and gas resources.

shale gas，engineering geology mechanics，well drilling and completion theory，hydraulic fracture，multiscale seepage

TE37

：A

10.6052/0459-1879-16-399

2016–12–27 收稿，2017–04–26 錄用,2017–05–03 網絡版發表.

1)國家自然科學基金資助項目(11532008，11372157).

2)柳占立，副教授，主要研究方向：塑性力學，斷裂力學和復合材料力學.E-mail：liuzhanli@tsinghua.edu.cn

柳占立,莊茁,孟慶國,詹世革,黃克智.頁巖氣高效開采的力學問題與挑戰.力學學報,2017,49(3)：507-516

Liu Zhanli,Zhuang Zhuo,Meng Qingguo,Zhan Shige,Huang Keh-Chih.Problems and challenges of mechanics in shale gas efficient exploitation.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017,49(3)：507-516