頁巖氣藏滲流機理研究進展與展望

杜殿發，張耀祖，張莉娜，劉 欣，徐夢冉

(1.非常規油氣開發教育部重點實驗室，山東 青島 266580；2.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580；3.中石化華東油氣分公司，南京 210019)

1 研究背景

隨著美國頁巖油氣資源的成功勘探開發，全球能源工業進入新時期，非常規油氣的勘探開發或成為當下石油產業的熱門。截止至2019年底，我國勘探到的頁巖氣儲量已達到28萬億m3[1]，占全球天然氣能源的20%，因此開展頁巖氣開發對我國緩解能源壓力以及保證經濟穩定發展有著舉重若輕的作用。但由于我國頁巖氣地層情況相對復雜，頁巖氣大都儲存于陸相頁巖中，其脆性礦物含量和TOC較北美地區低，同時，頁巖氣埋深大都分布在3 000 m左右，因此我國的頁巖氣藏開發之路異常艱難。

頁巖氣是孔隙度低、滲透率小并且存在吸附和解吸現象的非常規氣藏，其孔滲空間大都為多尺度性的微納米孔隙。頁巖氣藏中氣-水兩相的滲流受分子尺度、微觀及宏觀尺度等因素影響，頁巖孔滲空間的復雜性以及多尺度性加大了頁巖氣藏開發的難度。同時，在頁巖氣生產時，需要注入大量壓裂液以改善儲層流動性[2-5]，而壓裂液的進入對頁巖氣滲流規律的影響尚不清楚，所以研究頁巖氣藏中氣-水兩相的多尺度滲流規律對于提高頁巖氣產量顯得尤為重要。

目前，頁巖氣滲流研究方面的主要問題有:①在微觀機理研究方面，由于測試儀器精度較低，精度無法達到微納米級別要求；現有微觀尺度上的研究中對于頁巖氣水兩相運移規律的模擬較少，無法準確描述各類影響因素，同時已有的分子動力學法、直接蒙特卡洛法等無法準確描述頁巖氣藏中氣-水兩相流動規律；對于微觀尺度的研究難以應用至宏觀尺度，尺度銜接性較差。②在宏觀機理研究方面，目前大部分研究忽略了壓裂液的影響，很少有能夠考慮氣-水兩相之間的相互作用對頁巖氣滲流規律的影響；現有的氣藏模型大都為單一介質模型或是雙重介質模型，然而這類模型無法真實描述頁巖氣藏，更無法做到對于頁巖氣藏中氣-水兩相滲流的模擬。基于以上認識，該研究以頁巖氣藏中氣-水兩相微觀尺度滲流機理、宏觀尺度滲流機理兩個方向作為切入點，針對現有的頁巖氣藏滲流機理的研究、存在的主要缺陷以及未來發展趨勢進行綜合論述。

2 研究進展

2.1 頁巖氣微觀滲流機理的研究現狀

2.1.1 頁巖孔隙結構特征研究

與常規儲層的巖石不同，頁巖儲層具有孔喉細小(微米-納米級)、孔隙結構復雜多樣、非均質性強等特點，使得孔隙結構對于頁巖氣的儲集性能和流體滲流特征的影響更加凸顯[6-10]。微納米級孔喉是控制頁巖氣持續性大規模聚集的核心，同時也是理解頁巖氣成藏機理的關鍵，因此研究頁巖儲層孔隙的結構就格外重要。目前研究頁巖孔隙結構的實驗方法有許多，可以利用高溫高壓動態巖石測試儀、掃描電子顯微鏡、氬離子拋光掃描電鏡和核磁共振系統等設備多方位、多角度對多塊巖樣進行掃描，觀察巖心圖像的孔隙結構特征，獲取頁巖孔隙如頁巖孔容、微孔比表面等的微觀特征，達到正確認識頁巖儲層滲流空間特征的目的。利用孔徑分析儀和快速全自動比表面儀對頁巖進行超低壓低溫氮氣吸附實驗，從而獲得低壓低溫下的氮氣吸附脫附曲線，并通過曲線形態反映孔隙結構特征，得到孔隙表面積等參數；利用高壓壓汞儀得到高壓壓汞曲線和高壓壓汞孔徑分布圖，獲得孔隙發育程度以及頁巖孔徑分布信息，對研究頁巖氣藏中氣-水兩相的微觀滲流規律起著重要作用。AMBROSE R J等人[11]研究發現，雖然總體上頁巖儲層孔隙和喉道的半徑已達到了納米級別，但其仍然可以利用壓裂法去間接地闡述頁巖的孔喉半徑分布情況，利用FIB-SEM數字巖心技術定量分析計算孔隙喉道結構空間。HE Y F等人[12]在研究了納米孔隙中頁巖氣傳輸和表觀滲透率后，發現各種傳輸機理對流動的貢獻會根據孔隙半徑和壓力不同而不同。國內學者基于壓汞數據刻度核磁共振T2譜的方法，利用縱向插值法和最小二乘法構建T2譜獲得孔隙喉道的半徑分布曲線，從而定量表征頁巖氣藏的孔隙結構，最后研究發現巖石學組構是影響儲層有效性和孔喉結構差異性的核心因素[13-14]。林承焰等人[14]通過對低滲透頁巖儲層的巖樣進行CT掃描和處理后，得到巖樣二維圖像(如圖1a所示)，通過對二維圖像切片順序更換、角度矯正等手段，得到微觀尺度下的數字巖心模型(如圖1b所示)，同時提取出頁巖儲層孔喉網絡模型，從而將不同尺度下的孔隙及喉道的形狀、大小和分布在三維空間上清晰展示出來，根據對孔隙結構微觀特征、頁巖儲層滲透率等參數的分析計算后，最終建立頁巖儲層的流體滲流模型，為研究頁巖氣藏中氣-水兩相滲流規律提供理論基礎。

圖1 三維數字巖心模型構建

2.1.2 頁巖氣微觀運移機理研究

頁巖氣微觀尺度滲流機理的研究是頁巖氣藏開發的重要理論依據。近些年來，國內外不斷有學者對頁巖氣微觀運移機理進行研究，目前對于頁巖氣藏中氣-水兩相的微觀滲流機理研究的方法主要有分子動力學法(Materials Studio，簡稱MD)、直接蒙特卡洛方法(Direct Simulation Monte Carlo，簡稱DSMC)和格子Boltzmann法(Lattice Boltzmann Method，簡稱LBM)。3類方法各有利弊，如何結合3類方法的優點從而應用于頁巖氣藏中氣-水兩相的研究是目前最為關鍵的問題。

目前很多研究都是在獲取頁巖的三維孔隙結構后，通過直接蒙特卡洛方法(DSMC)模擬流體在頁巖的微觀流動規律[15-18]，研究結果見表1，即克努森數Kn和流動形式是決定氣體流動特征差異性的關鍵因素[19]，并且氣體流動機理取決于克努森數。由于克努森數和流型是決定氣體流動性差異的關鍵，為洞悉氣體分子的流動規律，STUKAN M等人[20]通過建立的分子尺度的孔隙-甲烷模型，利用分子動力學法(MD)模擬了儲層中甲烷分子的運移規律，然而該研究僅考慮了氣體分子在干酪根中表面吸附和解吸的影響，其對于氣-水兩相運移規律的影響尚未考慮。2019年，SONG W H等人[21]通過富有機樣品的二維頁巖SEM圖中重建三維圖像，建立一個三維頁巖雙孔型孔隙網絡模型(如圖2所示)，用來研究納米尺度約束氣和水在雙潤濕性納米多孔頁巖中的輸送行為。通過對三維頁巖孔隙模型的研究發現，壓裂液首先進入無機孔隙中，因此無機孔隙中的氣體傳輸應當考慮滑移效應，而有機孔隙中氣體傳輸應首先考慮擴散作用再考慮滑移作用， 納米多孔頁巖中的氣體和水的相對滲透率都受TOC的體積和有機孔隙水接觸角的影響，同時孔隙表面潤濕性影響著納米級的天然氣和水的運移，而納米級傳輸機制對相對滲透率的影響可以忽略，通過用微觀的研究方法定量表征壓裂液的進入對頁巖氣滲流規律的影響，并對氣-水兩相在儲滲空間中流動的敏感性因素進行分析，加深對頁巖氣滲流機理的認知。

表1 多孔介質中克努森數與流動機理劃分

圖2 三維頁巖雙孔型孔隙網絡模型

2.2 頁巖氣宏觀滲流機理的研究現狀

2.2.1 頁巖氣宏觀運移機理研究

針對目前頁巖氣微觀滲流機理研究不足的現狀，建立尺度升級方法，將頁巖氣的微觀流動規律以及傳輸性質升級至宏觀層面，從而更好地描述頁巖氣滲流機理。目前大多數學者基于油藏工程方法，建立各類影響因素下等效連續介質模型或是離散裂縫網絡模型，從而模擬實際地層下的頁巖氣滲流規律。

在等效連續介質模型中，研究通常會假設模型中裂縫之間相互連通并且裂縫形狀隨機分布[22-24]，以滲透系數張量為基礎，采用連續介質的方法描述儲層滲流的數學解析模型。該類模型可以準確地描述較為簡單的裂縫網絡下的頁巖氣滲流規律，具有高效、簡單、精確等特點[25-29]。OZKAN E和RAGHAVAN R S等人[30]建立一個全新的頁巖雙重介質模型，該模型在宏觀基質滲流中考慮了Fick擴散和達西滲流作用的雙重影響因素，同時在裂縫部分中考慮了滲透率應力敏感的影響。而WU Y S等人[31]在OZKAN E建立的雙重介質模型基礎上將基質細分為微裂縫、有機質和無機質三部分，在精細化研究后發現氣體吸附現象僅僅發生在有機質中，同時有機質與無機質網格間遵循擴散和達西流動機理，微裂縫網格間只遵循達西流動機理，該研究精確描述了頁巖儲層各類介質之間的關系，同時也為后續的頁巖氣滲流機理提供理論基礎。依據前人的研究，根據裂縫和基質的非均質性重新分類，得到多重介質模型概念，WU[32]提出了一個包括基質、小裂縫和大裂縫的三介質模型(如圖3所示)，該模型將頁巖氣流動空間理想化，把具有不同特征的3類連續介質組合起來，同時假設這3種介質系統相互獨立且又相互影響，最大程度模擬實際頁巖氣藏中基質系統相互關系。該研究為了提高計算速度，還對基質的壓力分布進行了細化處理，從而達到在保持原有計算精度的情況下減少計算量，該模型為頁巖氣滲透規律研究提供了新思路，為提高模型計算速度提供新方法。張烈輝等人[33]通過研究頁巖基質孔隙中氣體低速流動時啟動壓力梯度對試井的影響，提出一種新的圓柱狀三重孔隙頁巖基質模型，同時與五線性滲流模型相結合，建立表征在壓裂水平井過程中氣體流動過程的多級壓裂水平井線性耦合滲流模型，并利用Stehfest數值反演法最終得出基質滲透率越小，則基質向裂縫系統竄流就越困難，邊界控制流動階段發生時間越晚，同時當啟動壓力過大時，頁巖氣-水兩相的滲流阻力也會隨之增加，不利于頁巖氣藏壓裂開發。

圖3 三重介質概念模型

由于等效連續介質模型難以描述實際復雜裂縫網絡的滲流特征，因此離散裂縫模型近兩年逐漸成為研究頁巖氣宏觀滲流的常用方法。離散裂縫網絡模型可分為離散裂縫模型和嵌入式離散裂縫模型，相較于等效連續介質模型，該類模型保留了裂縫和基質之間的各自節點和物理特性，考慮了頁巖氣儲滲空間的相互關聯性[34-36]，可以更準確地描述頁巖儲層特點以及頁巖氣的滲流特征，因此該類模型也是近幾年解決天然裂縫型油氣藏中常用的模型。MONIFAR[37]將嵌入式離散裂縫模型(Embedded Discrete Fracture Model，簡稱EDFM)和裂縫動態特征相結合，并提出考慮流動力和應力耦合的解析模型，該模型把不同裂縫的滲透率和裂縫開度理解為裂縫上正應力的函數，同時把頁巖氣在不同裂縫中的運移行為引入裂縫傳導率的概念。該研究闡述了裂縫的開度與滲透率對頁巖氣流動規律的變化，精細化前人的研究，幫助更好地理解頁巖氣在裂縫基質中動態變化。為了模擬復雜裂縫形態下的頁巖氣滲流動態，XU Y[38]根據前人研究建立EDFM模型，并針對天然裂縫基質中頁巖氣滲流規律進行敏感性分析，從而確定頁巖氣在裂縫中流動的影響因素。韋世明[39]建立了多尺度流動介質(包含有機質、基質孔隙、天然裂縫和離散人工裂縫)與多重壓力系統的流固耦合數學模型，分析生產過程中巖石變形程度、人工裂縫形成、天然裂縫擴張等因素對氣體流動規律的影響，考慮實際壓裂生產過程中出現的人工裂縫對頁巖氣滲流的影響。LIU[40]等人考慮了多尺度多孔介質和復雜縫網中的多場耦合滲流機理，提出了五線性流分區離散網絡模型。2020年，CHENG S X等人[41]基于物理實驗得到的頁巖模型，采用MINC-EDFM耦合方法對頁巖氣-水兩相壓裂生產過程的綜合敏感性因素進行分析，其中包括納米孔隙半徑、非理想氣體效應、吸附作用等，研究表明在實際壓裂生產過程中，增加壓裂縫長的半徑比增加縫長間距更有益于頁巖氣藏中氣-水兩相移動，孔隙度的影響要大于納米孔隙半徑。該研究結果有助于優化頁巖氣儲層的生產設計，更好地幫助理解壓裂生產中頁巖氣藏中氣-水兩相的滲流規律，從而達到提高采收率的目的。

2.2.2 頁巖氣藏中氣-水兩相運移機理研究

現有的大部分研究中，往往忽視了底水與邊水對頁巖氣滲流規律的影響。由于原始地層水的存在往往導致頁巖氣在開發過程中的運輸通道堵塞致使儲層流動性變差，但現場通常會采用注入大量壓裂液的方法來改善儲層流動性，然而壓裂液滯留和被吸收會改變頁巖儲層的含水飽和度，進而影響頁巖氣在孔滲空間的流動[42-47]。由此可見水對頁巖儲層的傷害作用格外明顯，想要提高頁巖氣產量，急需對頁巖氣藏中氣-水兩相的滲流規律進行全面剖析。

多位學者針對裂縫內頁巖氣藏中氣-水兩相的流動，提出多尺度多相模擬模型，模擬裂縫和基質內氣-水兩相運移規律，發現水的性質(例如毛細管壓力和相對滲透率)會顯著影響頁巖氣的產量，裂縫在封閉期間的滲吸機制會降低初始的含水飽和度，當水相飽和度隨水回流而降低時，氣相的相對滲透率會增加[48-49]。基于現有的SEM圖像構建的3D有機孔隙網絡模型，在考慮全方位的氣體傳輸機制以及氣體吸附層對水流影響后，發現氣相相對滲透率隨孔徑的減小而增加，水相相對滲透率隨孔徑的減小而減小，這可以歸因于以下事實:氣體吸附層減小了水相的有效流動面積，并且在小孔徑下提高了吸附氣體的表面擴散能力。在低壓下，頁巖氣藏中氣-水兩相在納米孔隙中存在滑移和擴散現象，這導致頁巖表觀滲透率與絕對滲透率出現巨大差異。朱維耀[50]研究發現黏土礦物含量以及縫網發育程度決定了頁巖儲層滲流能力；黏土礦物含量越多，儲層滲流能力下降越大；主裂縫的開度及縫網形態控制著水在裂縫系統中的作用范圍，天然裂縫壓力系統是引起頁巖生產的敏感的主要因素，固體變形對基質表觀滲透率的負面影響小于努森擴散對其的正面影響，隨著壓裂的進行頁巖氣藏中氣-水兩相應力敏感效應不斷增加。該研究通過對流動能力的分析更好地幫助理解頁巖氣藏中氣-水兩相在儲滲空間的滲流規律。SHEN Z H等人[51]通過對頁巖天然裂縫和人工裂縫內的非線性氣流和應力相關的滲透性的研究，得出了裂縫在應力作用下的滲透敏感性較強，此時頁巖氣藏中氣-水兩相的非線性流動性行為出現較早，當壓降逐漸增加時，頁巖裂縫中的氣-水兩相主要為過渡流，很少發生層流。

通過建立分析性氣體表觀滲透率模型，用來評估可移動的高黏度水層和散裝水層對狹縫納米孔和圓形納米孔中的氣體流動行為和氣體表觀滲透率的貢獻，依據分析物理分子力以確定水層的性質和界面行為[52-53]。LI R等人[54]提出了水分子在固液界面處的真實滑動和在氣液界面處的氣體滑動，可以解釋不同相之間的分子相互作用，原理如圖4所示。在施加的各種壓力、濕度和孔尺寸下進一步進行分析，結果表明，隨著壓力的增加，可移動水層有利于氣體流動，然而隨著水相飽和度的增加，氣體的運輸能力隨之下降，這是因為水層的厚度引起的負面影響不能被較高的氣體滑移速度的正面影響所抵消。頁巖氣藏中氣-水兩相流體包含多重微尺度效應，有氣相滑移、水相滑移及邊界層黏度變化、氣驅條件下存在沿壁面流動的水膜等，可采用侵入逾滲判斷兩相分布，從而了解真實頁巖氣藏中氣-水相對滲透率。發現在微裂縫開度小于臨界開度時，氣-水兩相微尺度效應不可忽略；當微裂縫開度小于0.65 μm后，需要考慮微裂縫壁面可流動水膜對頁巖氣流動造成的影響；在頁巖氣藏降壓開采的過程，氣藏壓力通過影響氣體努森數使得氣相表觀滲透率升高。該研究精細化影響頁巖氣藏中氣-水兩相流動規律的因素，有助于更好的理解頁巖氣藏滲流機理，為預測產量以及指導現場開發提供幫助。

圖4 流體在微裂縫內物性、流動區域示意圖

3 發展趨勢

3.1 現階段存在的問題

結合以上研究現狀不難發現，目前在頁巖氣藏中氣-水兩相的多尺度滲流機理上的研究尚不成熟。從微觀滲流機理來說，目前對于頁巖儲層孔隙結構研究較為完善，在已有的實驗精度下都有較為準確可靠的實驗數據，但對于微觀層面的影響因素研究較少，無論是格子Boltzmann法還是分子動力學法都還在理論完善階段，雖能夠解決一部分影響因素，但對于氣-水兩相流動模擬還不能夠很好的描述，尤其是在壓裂過后，壓裂液能否進入有機孔隙以及大量壓裂液的進入對頁巖氣藏中氣-水兩相微觀運移規律的影響尚不明確，這直接導致現場施工的不準確性，對后續的宏觀滲流機理的研究阻礙極大。

對于頁巖氣藏的宏觀機理研究，雖然現存多種不同的模型來描述頁巖氣的宏觀滲流，但這些模型考慮的因素不夠全面，模型中難以全部描述達西滲流、克努森擴散或是Fick擴散等影響因素；由于氣-水兩相和壁面之間存在較強的相互作用，導致氣-水兩相不僅在壁面存在滑移，黏度和密度等其他物理性質也會隨空間變化，而現有的模型很難準確地描述頁巖儲層微裂縫和基質孔隙中氣-水兩相之間的相互作用，這就導致無法準確地描述頁巖氣藏中氣-水兩相的運移規律；現在雖然有大量的學者研究壓裂作用對頁巖氣藏開發的影響，但大都基于雙重介質模型或是離散縫網模型，這類模型局限性強，無法模擬尺度范圍大、研究程度不高的區域，同時模型在計算時需要耗費大量時間，計算速度偏低[55-58]。

3.2 未來研究方向

對于頁巖氣藏中氣-水微觀滲流機理的研究而言，目前急需研制可以精確描述微納米級別的頁巖掃描儀器以及頁巖氣多尺度多介質流動機理實驗評價裝置，改善現有的實驗測量精度與測試條件，在保證實驗儀器精度的條件下，在設計實驗時應基于開發過程中氣體吸附程度不斷變化的情況，考慮頁巖氣藏中氣-水兩相之間相互作用；再者，針對MD法、MDSC法和LBM法3種方法的各自優缺點，根據實際情況綜合運用，未來還應將三者運用在氣-水兩相流動模擬上，并且考慮氣-液之間的相互作用以及地層水對頁巖氣運移規律的影響等多重因素，將頁巖的微觀流動規律以及傳輸特性進行尺度升級，為頁巖氣藏中氣-水兩相宏觀滲流機理的研究提供理論基礎。

在頁巖氣宏觀滲流研究方面，雖然現在有大量關于達西滲流、克努森擴散或是Fick擴散等影響因素的研究，但隨著對頁巖氣藏的不斷認識以及各類開發模式對儲層耦合流動的改變，如何將各類影響因素考慮到模型中且符合實際頁巖氣藏中的流動規律是未來值得研究的方向；同時由于生產過程中壓裂液的進入，氣-水兩相和壁面之間發生強的相互作用，導致氣-水兩相不僅在壁面存在滑移，黏度和密度等其他物理性質也會隨空間變化，如何準確描述壓裂液對頁巖氣滲流規律的影響以及頁巖氣藏中氣-水兩相的運移規律是個關鍵性的問題；無論是多重介質模型還是離散裂縫網絡模型，都存在適用范圍小且局限性高等問題，即使是兩者的混合模型也會存在這類問題，因此將頁巖氣藏模型進行優化并應用到勘探程度低且裂縫發育的目標油藏是格外重要的。

隨著頁巖氣需求量不斷攀升，為實現頁巖氣產業快速發展，未來頁巖氣的研究應該著重精細刻畫儲層裂縫和基質，將分子模擬應用于頁巖氣藏中氣-水兩相中，考慮壓裂液進入對頁巖氣滲流規律的影響，并且建立尺度升級方法，優化尺度銜接；建立能夠準確描述裂縫和基質、適用性強、準確性高的數學網絡模型，精確描述頁巖氣藏中氣-水兩相在儲層中的流動，全面反映儲層流體的滲流機理和運移規律。

4 結論

1)目前對于頁巖孔隙內部結構、頁巖含氣量分析、頁巖應力敏感性分析等在現有精度上的研究都較完善，為研究頁巖氣藏中氣-水兩相滲流規律提供理論依據，但對于微納米尺度上的實驗在測試精度與結果上仍需完善和改進。

2)頁巖氣藏中氣-水兩相微觀滲流機理研究尚不完善，格子Boltzmann和分子模擬等方法對于氣-水兩相流動規律的研究還不成熟，尤其是對于微觀尺度下壓裂作用對頁巖氣藏中氣-水運移機理的影響還不明確。

3)現階段無論是連續性介質模型還是離散裂縫模型，對于儲層非均質性刻畫不完善，都無法準確描述儲層非均質性以及各類影響因素，因此急需一個符合實際情況的數學概念模型來描述頁巖氣宏觀滲流規律；目前對于頁巖氣藏中氣-水兩相的研究較少，現有模型無法精確表征壓裂液以及地層水對頁巖氣滲流的影響。

4)目前對于頁巖氣藏中氣-水之間的相互作用的研究逐漸完善，但針對壓裂過程中各類影響因素以及壓裂液對氣-水兩相運移規律的影響仍然是未來研究頁巖氣高效生產的核心問題。