中國頁巖氣開發理論與技術研究進展

朱維耀，陳 震，宋智勇，吳建發，李武廣，岳 明

1) 北京科技大學土木與資源工程學院,北京 100083 2) 中國石油西南油氣田公司頁巖氣研究院,成都 610051 3) 中國石油西南油氣田公司,成都 610051

我國頁巖氣儲量十分豐富，目前探明儲量已突破1 萬億立方米[1]，估計儲量達36.1 萬億立方米，居世界首位.但作為典型的非常規油氣藏，頁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，并隨機分布微裂縫[2].甲烷氣體在如此微小的孔隙之中流動將與常規儲層的流動具有顯著的差別.具體表現在：流動偏離線性規律，為非達西流動，由于孔隙尺度微小，流動的過程中將存在著滑脫效應、努森擴散等多種流態；此外，由于甲烷分子吸附在有機質表面，故降壓開采時還會發生氣體解吸現象[3].這些機理共同作用于頁巖氣的傳輸過程之中.同時，頁巖氣從微裂縫流向人工裂縫的特性也導致頁巖氣的流動更加復雜[4]，這一過程包括納微米孔隙、微裂縫、裂縫、水平井筒等一系列不同流動介質內的多流態復雜流動.因此，相較于常規油氣而言，對頁巖氣藏工程的理論研究的深度和廣度要求更高，技術難點也更為集中.其開發理論的快速發展可為我國的油氣行業帶來更大的進步.本文從以上這些方面入手，從微觀尺度流動機理出發，歸納總結不同流動機理的研究現狀，以及以不同流動機理研究為基礎的頁巖氣開發非線性滲流理論、開發指標預測方法和中國頁巖氣開發適應性技術等內容，對頁巖氣開發的研究進展進行了歸納，分析了頁巖氣開發相關研究的發展脈絡，總結了各個方向的關鍵研究問題和重要成果，并介紹了其進一步的發展趨勢，包含本課題組的最新研究成果，對頁巖氣開發的進一步深入研究提供支撐.

1 頁巖氣多流態跨尺度傳輸流動機理

頁巖中納米級孔隙占主導地位，是頁巖氣的主要儲集空間，儲層中微裂縫和壓裂裂縫是流體流通的主要通道[5].這導致頁巖氣儲層中流體的流動包括解吸、擴散及多孔介質中的跨尺度流動，其流動機制不符合達西定律，且涵蓋連續流、滑移流等多種流態.所以，需要對頁巖氣流動的各種流態進行分析，以便形成頁巖多流態非線性滲流理論.

1.1 吸附-解吸機理

由于頁巖氣儲層具有自生自儲的特征，它本身富含有機質[6].甲烷分子可大量吸附在這些有機質的表面，以吸附氣的形式賦存于儲層之中[7].當開井降壓開采后，壓力的降低可以導致部分氣體分子解吸，變為游離氣.頁巖氣藏中吸附氣量可達總儲集氣量的20%～60%[8].

此前頁巖氣的吸附實驗研究主要集中在5～15 MPa 的低壓范圍，很少涉及到超臨界狀態，過剩吸附量與絕對吸附量基本相等.不同的頁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行描述.如1995 年，Zhang 等通過實驗發現了Langmuir 模型可以準確地擬合頁巖氣在單一溫度下的吸附[9].筆者利用江蘇珂地公司的頁巖氣吸附測試儀也驗證了龍馬溪組的頁巖巖心甲烷吸附符合Langmuir 模型[10].郭為等也認為Langmuir模型與解吸式模型能很好地描述等溫吸附和解吸過程[11].張志英和楊盛波[12]更利用經過修正的雙Langmuir 模型，對頁巖氣的吸附及解吸滯后現象進行了描述.此外，Yu 等[13]通過對Marcellus 頁巖的吸附實驗研究，認為BET 模型對其吸附特征的描述更好.但總體而言，目前普遍采用Langmuir模型來描述頁巖氣的吸附?解吸行為.

而在深層高壓條件下，測定的將是氣體的過剩吸附量.目前有研究者發現高壓時吸附曲線具有先上升后下降的趨勢[14?16]，端祥剛等[17]和周尚文等[18]通過高壓條件下的吸附-解吸實驗，驗證了這種情況，表明了高壓等溫吸附曲線隨壓力變化存在最大過剩吸附量（圖1），對應壓力為臨界解吸壓力，推導了相關數學模型.而陳花等則認為TOCH 模型對高溫甲烷吸附實驗數據擬合精度最高[19].這些研究對于下一步的深層頁巖氣開發尤為重要.

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

通過頁巖吸附?解吸實驗，表明頁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，吸附氣量平均減少42.6%[10].實際上，吸附?解吸為不完全可逆過程.因為甲烷分子吸附時，散失分子速度，釋放一定能量，因此大量分子在解吸時沒有足夠能量掙脫固壁的吸引力，無法解吸，從而產生解吸滯后吸附效應，形成滯后環（圖2）[16].而且孔道結構越復雜，分子能量補充越遲緩，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 滑脫機理

對于致密的頁巖儲層多孔介質，滑脫效應尤為顯著.大量實驗和理論研究證實了，氣體在頁巖氣儲層中的滲流受制于滑脫效應，并由此貢獻一個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降低氣體的流動壓力差[20].Javadpour 等通過計算頁巖中的氣體特性參數Knudsen 數（簡記為Kn 數），對頁巖氣的流態進行劃分，發現頁巖中的氣體流態處于滑脫流和過渡流區[21].實際上，受制于氣體流動通道的壓力和孔徑寬度范圍，滑脫效應的強弱有所不同.根據筆者所做的室內實驗顯示，當儲層孔隙壓力小于1.5 MPa 時，滑脫效應明顯，滑脫對滲透率的影響較大；當儲層孔隙壓力大于1.5 MPa 時，滑脫效應則不明顯.從儲層深度來考慮，即較深的頁巖儲層可以不需要考慮滑脫效應的影響，而對于較淺的頁巖儲層來說，滑脫效應則不可忽視.此外，隨著巖心裂縫寬度逐漸增大，氣體滲流阻力減小，滑脫效應有所減弱.經測試，滑脫主要發生在頁巖基質孔隙中，基質中的滑脫因子是裂縫中的10 倍[22].

1.3 擴散機理

頁巖氣的擴散主要是納微米孔隙中的Knudsen擴散.即氣體分子在較為狹小的孔隙中輸運時，分子運動平均自由程與孔徑幾乎相差無幾，分子以無規則碰撞孔壁的形式輸運[23].通過實驗結果可觀察到，擴散系數對溫度的敏感程度超強，呈現較好的指函數遞增關系.當溫度從25 ℃增至85 ℃，擴散系數快速增加，總體平均提高約8.36 倍.而且，溫度越高，擴散系數增加的速度也越快（圖3）[24].與之相對，有效應力則對頁巖擴散系數有明顯的抑制作用，二者呈現較好的指函數遞減關系.隨著有效應力從11 MPa 增加至19 MPa 時，擴散系數下降了64.5%（圖4）[24].可見，分子熱運動的活躍程度直接影響著擴散系數的大小.

圖3 擴散系數與溫度的變化關系[24]Fig.3 Relationship between diffusion coefficient and temperature[24]

圖4 擴散系數與有效應力的變化關系[24]Fig.4 Relationship between diffusion coefficient and effective stress[24]

1.4 頁巖氣基質?裂縫多尺度滲流規律

頁巖氣藏的基質孔隙處于納米尺度，氣體傳輸主要為連續流動、滑脫流動和過渡流動，需要考慮納微米效應對氣體輸運的非線性影響[25].而且，頁巖儲層中存在一定數量的微米級孔隙和大量的微裂縫，以及完井工程實現的大尺度人工裂縫和次生裂縫網絡，而此類孔隙的尺度往往相對較大，也需要對其中的頁巖氣流動狀態進行研究[26].所以，頁巖氣的流動本質上是一個多尺度導致多流態的問題.

1.4.1 頁巖基質納微米孔隙非線性滲流規律

通過電鏡掃描，可見頁巖基質巖樣中發育有大量的納米級孔隙（圖5）[27].通過頁巖巖心的滲流規律曲線可以看出，頁巖氣流動具有非達西滲流特征，表現出啟動壓力梯度的特點，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，而后則趨向達西流.

圖5 基質頁巖納米孔隙[27]Fig.5 Nanopores in shale matrix[27]

圖6 基質巖心滲流規律曲線[10]Fig.6 Porous flow curves of matrix cores[10]

為了更好地量化微小孔隙對氣體流動的影響，宋付權等[28]利用納米氧化鋁膜，發明了納米級孔徑的氣體流動實驗方法和裝置（圖7）.通過納米管束中的氣體滲流規律實驗，可以看到氣體在納微米孔隙中的非線性流動特性：當孔徑在14.51 μm左右時，氣體的實驗流量與泊肅葉公式的理論流量相符合；但是當孔徑降低到5.03 μm 以下時，氣體的實驗流量顯然高于泊肅葉理論計算流量，但兩者相差不大；可以看到，隨著孔徑降低到納米級別，實驗流量與泊肅葉理論預測的流量偏離程度越來越高，孔徑小于100 nm 時，實驗流量可比理論流量高1 至2 個數量級（圖8）[28].由此可見，頁巖氣在基質中的流動受納微米效應的影響顯著，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.

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 實驗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 頁巖氣微裂縫介質線性流動規律

頁巖中納米級孔隙占主導地位，是頁巖氣的主要儲集空間，儲層中微裂縫和壓裂裂縫是流體流通的主要通道.頁巖儲層的復雜層理、裂縫性特征決定了壓裂可能形成更為復雜的裂縫或裂縫網絡，在人工壓裂縫中存在大量的沒有支撐劑支撐的微裂縫，這些微裂縫對于頁巖氣產能具有較大貢獻[29?31].馬東旭等通過對巴西劈裂實驗進行改進，結合CT 掃描裂縫特征、聲發射實時監測技術，進行了頁巖巖心裂縫擴展分析和多尺度滲流實驗測量.測量結果顯示，巖心經過造縫試驗，其孔隙度變化不大，然而滲透率卻大幅增加，特別是對于貫穿縫巖樣，其滲透率可增大近500 倍；微裂縫中的流體流動具有線性達西滲流特征，可以用達西定律進行描述；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 微裂縫中氣體流動實驗測量[32]Fig.9 Experimental measurement of gas flow in microcracks[32]

根據裂縫形態的相關實驗可知，隨著微裂縫開度或長度增加，滲透率可呈指數增加.如裂縫寬度由0.015 cm 增大到0.035 cm 時，滲透率可增大20 倍；裂縫長度從0.55 cm 增大到3.15 cm 時，滲透率可增大2.3～67 倍，平均17 倍.這說明微裂縫對頁巖氣開采具有重大作用.

1.4.3 頁巖人工裂縫達西?高速非達西滲流規律

人工裂縫的開度通常較大，其中流體的流動狀態不僅可以是達西流，也可以是高速非達西流.可根據雷諾數，判斷頁巖氣在人工裂縫內的流動是否屬于高速非達西流動：

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

通過實驗，可獲得臨界雷諾數為0.2～0.3，雷諾數超出此范圍時，人工裂縫中的流動屬于高速非達西流.如果頁巖儲層厚度為20 m，裂縫寬度為1 cm，單段壓裂3 簇，每簇2 條裂縫，則當壓裂水平井的單段產氣量大于9000 m3·d?1時，流動為高速非達西流動.

2 頁巖氣開發非線性滲流理論

如前所述，頁巖氣的流動跨越基質?微裂縫?人工裂縫多種介質，不同的尺度下可呈現不同的流動特征.因此，頁巖氣的開發伴隨著多尺度多流態問題，可以利用分區的方式，對頁巖氣開發中的多尺度特征進行歸納研究，形成多重介質模型，從而構建頁巖氣開發滲流理論.

2.1 頁巖氣多尺度流動表征

針對頁巖氣在不同尺度下所反映的不同機理、不同流態進行分類，通常采用Kn 數來判定氣體在不同尺度的孔隙介質中的流動狀態[33]，繪制流態理論圖版，并對其流態進行分析.主要劃分為連續流（達西流）、滑脫流（滑脫效應）、過渡流（滑脫效應與氣體擴散）和自由分子流（Knudsen 擴散）.如圖10 所示[10]，納米級孔隙的流動多以過渡流、滑移流為主，而壓力增高可使其部分轉換為連續流.當孔隙直徑d大于 50 μm 時（如在裂縫介質中），流體流動均為連續流動；而對于典型的頁巖儲層基質孔隙和壓力范圍而言（儲層在壓力為10～20 MPa，孔隙直徑為10～300 nm），氣體流動基本上屬于滑移流.

圖10 頁巖氣流動多流態圖版[10]Fig.10 Multimode flow pattern of shale gas[10]

考慮到頁巖氣的流動通過基質?微裂縫?人工裂縫等不同介質，因此將呈現為跨尺度多流態流動，這種輸運機理導致常規的達西定律不能描述頁巖氣在多尺度孔徑下的流動，需要提出新的包含納微米流動機理的新型流動方程.這類方程包括兩種，一種是Javadpour[34]、Wu 等[35?36]和Ertekin等[37]通過將不同流態通量代數相加的方式，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間的耦合效應；另一種是基于Beskok?Karniadakis 模型（B?K 模 型），該模型以Kn 數為納微米效應主要參數，得出了多孔介質連續流動、滑移和擴散條件下的滲透率的變化，從而得到滲流速度為[38]：

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

然而，這一模型僅適用于納米級孔，并不能表征頁巖氣多尺度的流動特征，且經驗系數過多，又主要依賴于Kn 數來計算，儲層實際開采過程中，得到儲層內各處的Kn 數實際上是不可能的.Civan 等的結果也與之類似[39?41].Deng 等通過將B?K 模型做級數展開進行改進，形成頁巖氣跨尺度流動統一滲流模型，消除了Kn 數，其中的努森擴散系數及滑移效應參數均可在實驗室環境內獲得，其計算結果通過了實驗驗證[42]：

其中，DK為氣體的努森擴散系數，m2·s?1.

這一方程可揭示吸附·解吸、擴散、滑移和滲流作用下的多尺度流動規律，適用于從納米級孔隙到裂縫中的不同尺度下流動特性的計算，在納米級孔隙中，流動具有非線性特征，而在微裂縫中，該方程則退化為達西定律，呈現出線性特征（圖11）[42].因此，實現了對頁巖氣多尺度?多流態的流動特性的精確計算.

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

2.2 頁巖氣壓裂水平井開發多區耦合滲流模型

2.2.1 “人造氣藏”物理特性及區域結構

利用水平井對頁巖氣儲層進行分段體積壓裂，勢必造成儲層區域內出現縫網結構.與常規油氣的徑向流不同，縫網結構將影響滲流區域內的壓力分布.由于近井地帶分布裂縫，造成儲層非均質，壓降漏斗不再是圓形而是橢圓形，橢圓長軸為壓裂縫網分布方向.在距離井筒位置足夠遠的區域，即壓裂改造區域的邊界部分，其壓力分布等值線已近似規則圓形，流線也近似指向共同中心.為此，可將頁巖氣流動進行分區研究.根據上述分析，可將頁巖氣的流動分為三大區域：I 改造區（主改造區、次改造區）、II 未改造區（未改造動用區、未改造未動用區）、III 水平井筒區（圖12）[10].在這種分區結構中，頁巖氣由未改造區流入改造區，再由改造區流入水平井筒區，形成頁巖氣儲層完整的流動體系.

圖12 頁巖氣藏開發分區耦合示意圖[10]Fig.12 Schematic of sector coupling during shale gas reservoir development[10]

2.2.2 頁巖氣水平井壓裂開發非線性滲流數學模型

在頁巖儲層非線性開發滲流理論研究方面，國外對頁巖儲層多尺度非線性、多場耦合滲流理論的綜合研究并不能很好地適用于中國的頁巖儲層.總體來講，國外對頁巖氣開發模型的研究考慮的機理耦合因素較少.因此研究人員們提出了適用于頁巖氣的非線性滲流模型，如2013 年以來，Yao 等[43]、Wu 等[44?47]基于雙重或三重連續型介質，分別建立了基質和裂縫運動方程，形成了一系列多重介質流動模型.

然而，由于頁巖氣流動的非線性極強，導致數學求解的難度很大，上述研究極少有采用數學方法求解頁巖氣開發非線性模型解析解的研究，而主要都是基于多重介質模型的數值求解.這類數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因素的影響.筆者根據前述頁巖氣跨尺度流動統一滲流模型，以及頁巖氣流動區域分區耦合物理模型，建立了不同分區內的流動方程，通過方程聯立消除相鄰兩區的中間變量，進而求解得到了頁巖氣體積壓裂開發的穩態/非穩態壓力分布和產量數學模型，通過將頁巖氣開發過程的改造區與非改造區進行耦合，揭示了人工改造縫網區域與未改造可動用區域流場和產量變化規律[48?49].

直井開發的頁巖氣單相非線性流動的穩態數學模型為：

其中，q為氣體產量，m3·s?1，；pe為儲層初始壓力，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為改造區與非改造區相交處壓力，Pa；psc為標態壓力，Pa；T為地層溫度，K；Z為氣體壓縮因子；Zsc為氣體標態壓縮因子；Tsc為標態溫度，K；re為供給半徑，m；xf為裂縫半長，m；h為儲層高度，m；qd為解吸氣源項，m3；λ為人工裂縫表觀系數，表達式如下：

而qd按照Langmuir 模型計算，其表達式為[50]：

其中，Vm為Langmuir 體積，m3·kg?1；pL為Langmuir壓力，Pa.

水平井多段壓裂開發的數學的穩態模型為：

其中，F為穩流系數，表達式如下：

其中，

式中，a為裂縫橢圓形區長半軸，m；b為裂縫橢圓形區短半軸，m；pm2為改造區的邊界壓力，Pa；KN為縫網區滲透率，m2，可依照滲透率分形等效方法進行計算[51].

通過上述數學模型，計算了不同縫網區域大小的影響：隨著改造區半徑增大，壓力曲線的變化坡度基本一致，但改造區邊界處的壓力值將升高，因此生產壓差變大（圖13）[52]；計算不同縫網區滲透率大小的影響，可以發現縫網區裂縫滲透率增加時，改造區地層壓力曲線坡度變緩，說明地層壓力下降減慢，但未改造區的地層壓力基本不變（圖14）[52].可見，儲層壓裂的規模和有效性直接影響頁巖氣開發的能量供給能力.

圖13 不同縫網區域大小的影響[52]Fig.13 Influence of different fracture network sector sizes[52]

圖14 縫網區裂縫滲透率的影響[52]Fig.14 Influence of fracture permeability of the fracture network sector[52]

今后，需要繼續研究將微裂縫與人工裂縫加以區別的強非線性滲流模型，并分析地應力對兩種裂縫的影響.頁巖氣開采的數學模擬勢必需要非線性更強的多場耦合模型的求解、多維流動的求解、多相流動的求解等，同時隨著工程技術研究的深入，此前很少注意到的因素往往越來越受到重視，例如，目前已有報道指出了裂縫網絡支撐劑的分布情況也將對流動造成影響[53]，這是此前的滲流理論中很少考慮的問題.其中有些問題即使在常規油氣藏理論領域也仍然是研究的難點，因此頁巖氣開發的研究需要與數學及工程的前沿技術更緊密地結合.

3 頁巖氣藏工程的開發指標預測

3.1 頁巖氣開發有效驅動邊界預測方法

由于頁巖氣儲層納微米孔隙界面層微觀力作用明顯，壓力擾動的傳播不能瞬時到達無窮遠，具有與低滲油藏類似的動邊界壓力傳播特性，且頁巖氣流動具有更強的非線性滲流特性.因此，頁巖氣在不穩定滲流過程中的壓力擾動隨時間逐漸向外傳播，其邊界條件也是一個動邊界問題.通過頁巖氣非線性滲流數學模型，可以計算得到基質區儲層壓力擾動傳播影響動邊界隨時間變化的關系為[54?55]：

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

如果考慮頁巖氣開發為多區耦合過程，可采用下式計算單一裂縫所擴展的動邊界隨時間的變化關系：

根據上式計算可知，壓力擾動傳播影響動邊界隨時間增加向外擴展.在同一時刻滲透率越大，壓力擾動傳播影響動邊界越遠（圖15）[55].而經壓裂后的頁巖氣井，基質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；生產中后期基質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定（圖16）[55].

圖15 不同滲透率下未壓裂井動邊界曲線[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邊界曲線[55]Fig.16 Moving boundary curves of wells at different permeabilities with a single fracture[55]

3.2 頁巖氣開發產量預測方法

在常規氣藏的勘探開發過程中，準確分析氣井的開發動態特征，計算氣藏的動態儲量對于該氣藏的合理開發至關重要.頁巖氣開發的產量預測可以分為經驗方法、滲流方法.經驗方法主要應用傳統氣藏工程中的遞減分析方法對頁巖氣產量進行預測，但頁巖儲層的固有特點使得頁巖氣井與常規氣藏的氣井有不同的產量遞減規律.由于頁巖氣藏滲透率極小，常規的遞減曲線法對其產能預測有較大的誤差，筆者通過劃分多個時間段分別采用Arps 方法分析的方式，近似耦合形成一整套頁巖氣井產量遞減的整體性描述和預測模型[56].該模型已在4 個頁巖氣區塊共189 口井應用，產能預測結果與現場實際產能符合率高達85%以上.

滲流方法是指通過頁巖氣開發非線性滲流理論所推導的產量，推導的難度較大，但具有計算精度高的優點.在頁巖氣多區耦合開發過程中，同樣引入復合區模型，進行多區耦合聯立求解.可以得到對單條人工壓裂縫而言，其頁巖氣單相流動的非穩態產能為：

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.

當考慮水平井多段壓裂開發時，需要進行多條裂縫的產量疊加，即

其中，qj為單條裂縫的產量，m3·s?1.

通過對產量的預測可以看到，當井底流壓一定的情況下，產量在200 d 以內下降較快.生產時間超過300 d 時產氣量下降幅度較慢，產量逐漸穩定.產氣量隨著生產壓差的增加而增大，整體非穩態生產曲線呈現為“L”形（圖17）[42].

圖17 不同縫網區域大小對產量的影響[42]Fig.17 Influence of different fracture network sector sizes on production[42]

同時，產量隨著縫網復雜程度的增加而提高.如隨著裂縫級數的增加，產氣量增大（圖18）[42].

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

目前，該數學模型已編寫相關商業軟件，應用于滲流力學研究所等單位，與現場開采數據擬合效果較好（圖19）[52]，與CMG 等數值模擬軟件計算結果的誤差小于15%[52].

圖19 采氣井的生產數據擬合曲線[52]Fig.19 Production history matching curve of the gas recovery well[52]

國外的頁巖氣開發研究多基于數值模擬方法，如多重介質模擬機離散裂縫模擬等，與上述頁巖氣開發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值模擬所需的大量人力和時間成本，可以更為方便地進行影響因素分析，而且兩者擬合程度很高.

目前，對于頁巖氣藏開發的預測模型多基于單相甲烷.實際上，頁巖氣壓裂開發過程中需要注入大量的壓裂液，地層之中的流動實際上為氣?水兩相流.通常，兩相流動與單相流動的區別很大，因此，有必要考慮含水的存在.同時，含水頁巖的物性往往會與干燥頁巖有巨大差別，體現在頁巖的孔、滲變化，巖石力學參數的變化等方面.尤其是在深層頁巖氣開發過程中，地應力的作用凸顯，含水的影響變得很重要，有必要加以模擬計算.在此基礎上，下一步需要對含水及應力作用于縫網的特性加以考慮，形成考慮流固耦合及多場耦合作用機理的頁巖氣水平井開發滲流數學模型，以便更加精確地對頁巖氣開發進行模擬計算.

4 中國頁巖氣開發適應性技術

在頁巖氣理論的基礎上，還需進一步發展頁巖氣適應性技術.目前，國外的頁巖氣開發技術無法直接借鑒，也不能完全用以指導中國的頁巖氣開發.這主要是由于，國外的頁巖氣儲層孔隙度通常在10%以下，而在國內通常是5%以下，兩者的成藏條件與儲層結構都不相同.中國的頁巖氣開采研究面臨著孔徑更小、納微米效應更加凸顯、多尺度非線性影響更大的復雜問題[57?59].需要在適應性研究中有所創新進步，以形成適應我國頁巖氣特點的開發技術.

4.1 頁巖儲層分級評價及優選目標評價方法

此前，我國沒有頁巖氣田適應性分級評價和有利目標優選方法，導致含氣富集區難以定位.同時，國外經驗不適用于我國儲層.其主要原因在于：（1）我國頁巖儲層的構造運動次數多且劇烈，保存條件不如北美；（2）我國頁巖氣藏埋深淺于3000 m 的相對較少，部分頁巖儲層埋深可超過5000 m，而美國的優質頁巖資源埋深范圍通常介于1000～3500 m.因此，有必要發展我國的適應性分級評價及優選目標評價方法.

4.1.1 頁巖儲層分級評價標準

此前的國外油氣研究人員在頁巖氣勘探開發過程中形成了一系列儲層評價方法，選擇的評價參數大體一致，通過結合我國海相頁巖氣開采工作，已提出了一套頁巖氣勘探開發的儲層評價參數與閾值.與國外油氣公司的評價方法相比，重點增加了對頁巖儲層保存條件的評價.這一方法優選了4 個指標作為分級評價標準，并按優選程度分為3 類[60?62]，如表1 所示.

表1 頁巖儲層分級評價標準[62]Table 1 Classification and evaluation criteria for shale reservoirs[62]

目前我國頁巖氣的分級評價標準主要基于對含氣量及鉆采成功率的認識，多方法綜合評價體系尚在起始階段.接下來，應進一步加入經濟、環境評價方法，擴展儲層的分級評價方法體系.

4.1.2 有利開發目標優選方法與指標

有利開發目標的優選旨在定位地質上的頁巖氣富集區以及工程上易于實施的目標.目前在西南地區頁巖氣田所廣泛應用的優選方法采用了單因素分析多因素綜合疊加法，分別形成了優質頁巖厚度、壓力系數、埋深以及地面條件4 張基礎地質圖件，在此基礎上疊加這4 幅圖件，重疊的有利區范圍即為最終優選出的開發有利目標（表2）[63?65].

表2 頁巖氣開發有利目標優選指標與標準[65]Table 2 Preferred indicators and standards for favorable targets for shale gas development[65]

不過，目前對頁巖氣有利目標優選標準的研究還僅限于海相頁巖氣儲層，并且只針對淺?中埋深的地層，對于陸相儲層以及深層-超深層的頁巖儲層尚需進一步探索研究.目前頁巖氣開發已逐漸向深層?超深層進發，其物理、化學特性均與淺?中埋深的儲層有所不同，對其主要特征進行研究應是下一步的重點研究方向.

4.2 頁巖氣限壓控制產量快速遞減開發方法

我國頁巖氣開采呈現典型的“L 型”曲線遞減規律，初始產量高，但遞減非常快，單井第一年產量遞減率一般為60%～70%.針對我國頁巖氣開發階段產量衰減速率快的問題，通過頁巖氣多場耦合實驗和模擬研究，發現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.此前采用美國的放壓開采方法導致氣井產量遞減過快，效益井大幅度下降，嚴重影響了開發規模和上產.為此，筆者基于已有的頁巖氣非線性滲流理論，根據基質?裂縫多區域流場結構特征和產氣排液規律，提出階梯性地降低、調整開采壓力，并采用“燜井→控壓→穩定→連續”的排采制度，形成了階梯降壓的頁巖氣開發方法[10]，通過限壓降低了應力場變化和壓裂液聚集成橋塞作用的影響，實現了擴大多區域多流態流場貢獻、控制井底積液，高效抑制頁巖氣產量遞減.通過模擬可以看到，采用限壓控制產量快速遞減開發方法后，頁巖氣的產量遞減情況得到大幅改善（圖20）.

圖20 采用階梯降壓開發效果對比圖Fig.20 Comparison of the effect of using the step-gradient reducing pressure development method

現在的適應性開發技術研究還僅限于3000 m以淺的頁巖儲層，而我國許多頁巖儲層的埋深都超過3000 m，對于這些儲層而言，其應力敏感性和溫度場的影響將更加顯著，已有的適應性技術也不能完全適用于這類頁巖儲層.需要針對深層頁巖氣藏的特點進行有針對性的進一步研究.

4.3 中國頁巖氣壓裂開發工藝適應性技術

北美地區的頁巖氣藏具有天然優勢，其頁巖儲層厚度大、埋深相對較淺，而且地面條件多在平原地帶，附近有豐富水源；我國頁巖氣藏則埋深大、厚度小，地面環境多為丘陵，取水不易，而目前通常水力壓裂所需用水每次至少是1×104m3.種種復雜條件制約著我國頁巖儲層的開采效果，也迫使我國發展了適應性的頁巖氣壓裂開采技術.

4.3.1 逐步走向深層的頁巖儲層水平井鉆井技術

目前，國外通常在鉆井過程中使用三維旋轉導向閉環系統，這種工具可以更方便地操作轉向臂并對井壁的連續作用力實現導向作用[66]，具有摩阻與扭矩小、鉆速高、井眼軌跡平滑和易調控等特點[67].我國南方海相頁巖氣田根據地質特征和旋轉導向工藝特點，對水平段選擇旋轉導向施工，加上耐高溫螺桿、定向聚晶金剛石復合片（PDC）鉆頭等自主研發的工具，保證了測井、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快鉆完井技術，鉆井周期從此前的4 個月縮至不到3 個月[69]，2018 年1 月17 日，川慶鉆探在威202H13?6 井創造了27.6 d 的最短鉆完井記錄[70].我國對于淺?中埋深頁巖儲層的鉆完井工程技術已經非常成熟，下一步應著重發展深層鉆完井的技術.

針對水平段頁巖儲集層摩阻大和易垮難題，我國已自主研發了兩套油基鉆井液，國內油基鉆井液最高耐溫150 ℃,油水體積比為90∶10，可實現高效回收利用.但與國外相比，國內油基鉆井液的耐溫性相對較低，油水比偏高[71]，需要進一步研究疏油材料，提高巖壁親水疏油性能，有效解決鉆井液毛細管吸力引起井壁失穩問題.另一方面，高性能水基鉆井液試驗已在我國取得初步成效，鉆井液費用比進口鉆井液降低21%[72]，在提升環境友好度的同時節約了成本.但水基鉆井液的最大難點在于井壁穩定問題，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].

通過水平井井眼軌跡控制，保證了水平井軌跡沿著甜點區約20 m 厚的高壓封存箱中鉆進[74].水平井長通常優化控制在1500 m 左右，但已有超長水平井的作業，目前初步形成了以“個性化鉆頭＋配套鉆井提速工具＋優質鉆井液體系”為主體的超長水平段鉆井技術，水平段長度達到2810 m，而周期較此前縮短了50%[75].西南油氣田通過精準建立地質導向模型,使用高性能地質導向工具，形成了超深井作業，目前鉆井深度最深達4245 m[76].這些技術為下一步的深層頁巖氣開發提供了必要基礎.

4.3.2 頁巖井場“工廠化”作業模式

我國頁巖儲層的地面條件受井場空間小、水源短缺等限制，對此我國逐步形成了“鉆井、壓裂、生產”甚至結合“地質”的一體化“工廠化”生產模式[77]，使壓裂液混配、壓裂作業、采氣都集中在一定范圍之內，極大地縮小了占用空間，在節約土地、水源、材料、人工和保護環境等方面發揮了關鍵作用[78].

目前，威202、威204 等區塊已形成了水平井“工廠化”部署及地質工程一體化設計與實踐[79].水平井鉆井平臺周期較此前可節約15～20 d，機械鉆速增幅達到127%，每米鉆井費用成本降低50%以上，提速效果明顯[80].天然氣在出井之后直接進行除砂、分離、計量后再輸運至氣站.在地面工程方面，建立了壓裂返排液地面處理技術，形成了壓裂液反排再利用，通過地面大排量實時混配，使采出液的重復利用率達到90%，降低成本的同時解決了井場空間受限及清水資源缺乏的問題.這些作業模式大幅度加快了頁巖氣井的投產進度.但僅就目前而言，我國頁巖開發區的管網仍相對不發達，基礎設施投入成本比北美地區要高出很多，打井成本也較高，需要進一步發展適應于我國頁巖氣開采的技術.

4.3.3 頁巖氣壓裂工藝設計及地質?工程一體化技術

頁巖氣藏屬于“人工氣藏”，壓裂是其開發的核心[81].水平井同步壓裂、拉鏈式壓裂和重復壓裂技術是目前水平井壓裂提高頁巖氣產能的關鍵[82].同步壓裂是指大致平行的兩口或兩口以上的井同時進行水力壓裂改造，增大井間改造體積和復雜程度的技術[83]，與常規壓裂方式相比，同步壓裂井破裂壓力突破更早，生產率和套管壓力更高、更穩定[84].運用該技術，中石化涪陵焦石壩頁巖氣田實現了2.36 倍產量的提升[82].通過結合拉鏈式壓裂技術，可實現任意段數的壓裂，段與段之間的時間周期為2～3 h，尤其適用于工廠化一體化作業[85].目前，長寧H3 平臺H3?1 井、H3?2 井實施拉鏈式壓裂，完成24 段加砂壓裂，平均每天壓裂達3.16 段[86].重復壓裂技術是指在開采一定時間之后，裂縫受地層應力影響，發生閉合情況，此時通過重復壓裂形成新的裂縫擴展，使裂縫重新打開或轉向，增大人工改造體積，恢復甚至增大產能.北美地區的重復壓裂實踐表明，該技術可使單井EUR（估算最終產量）提高30%～50%[87].目前，重復壓裂技術在我國尚處于先導試驗階段，但今后會有重要發展前景.

我國南方海相頁巖氣的壓裂作業具有大排量（壓裂施工排量一般超過10 m3·min?1）、大液量（單段壓裂用液量一般為2000～6000 m3）的特征.為確定最優的壓裂規模、間距等參數，提高儲層動用及改造效果，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，連續與分段加砂結合，大排量，大液量和大砂量”為指導的頁巖氣水平井主體壓裂技術，確立了地質工程一體化研究、一體化設計、一體化實施的推行方案.目前，長寧?威遠國家級頁巖氣示范區已經依此進行產能建設，建成了25×108m3的年產氣能力[88].未來，探索最優水平段長、最佳壓裂關鍵參數可進一步提高頁巖氣開發經濟效益.

目前，對于我國淺?中埋深的頁巖儲層，其鉆采和壓裂技術日漸成熟，可實現效益開發，處于持續上產階段.但對于埋深超過3500 m 的深層?超深層頁巖氣田，當前仍處于試驗先導階段，應在叢式井、一趟鉆、磁導向鉆井和電加熱開采等關鍵工程技術方面進行創新，探索關鍵參數對開發效果的影響，并合理建立地下立體井網，追求“少井高產”和高采收率.

5 結論

綜上，頁巖氣儲層的物性條件決定了其開發機理的復雜性，對頁巖氣開發理論研究的深化有助于進一步完善頁巖氣的開采工作，應整合現有理論成果并進一步深入探索，以強化頁巖氣藏開發理論的研究.具體包括以下幾個方面：

（1）在多尺度流動機理方面，已經從實驗和理論等方面普遍認識到了頁巖氣開發過程中的解吸、擴散和滑脫等機理頁巖基質滲流具有擴散、滑移、解吸、滲流多種流動的非線性滲流特征；頁巖微裂縫表現出達西滲流特征；在人工裂縫內的流動屬于高速非達西流動.

（2）在頁巖氣多尺度流動滲流理論方面，通過考慮不同尺度下的多流態流動，已建立反映全過程的頁巖氣儲層多尺度流動統一模型，涵蓋了從納米孔到裂縫尺度下的流動特性，實現了對頁巖氣多尺度?多流態的流動特性的精確計算.

（3）在頁巖氣開發氣藏工程方法方面，已通過多級壓裂水平井滲流三區物理模型，得到頁巖氣直井/水平井的穩態/非穩態壓裂開發產能數學模型解析解，構建了多級壓裂水平井產能預測方法，形成了頁巖氣多區耦合非線性滲流理論，揭示了人工改造縫網區域與未改造可動用區域的流場和產量變化規律.

（4）在我國頁巖氣開發適應性技術方面，已提出了我國儲層分級評價及優選目標評價方法，并針對我國頁巖氣特點構建了頁巖氣產量遞減模型.對于我國頁巖氣產量遞減快的問題，提出了頁巖氣限壓控制產量快速遞減開發方法.針對我國頁巖氣田復雜的地面條件以及大規模壓裂工藝的需求，形成了頁巖氣壓裂開發工藝適應性技術.在今后，應進一步針對我國深層頁巖氣的特性，進行適應性開發技術的研究.