頁巖油氣高效開發(fā)的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論與挑戰(zhàn)

陳 勉， 葛洪魁， 趙金洲， 姚 軍

(1.中國石油大學(北京)石油工程學院，北京102249；2.中國石油大學(北京)非常規(guī)天然氣研究院，北京102249；3.西南石油大學，四川成都 610500；4.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580)

頁巖油氣高效開發(fā)的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論與挑戰(zhàn)

陳 勉1， 葛洪魁2， 趙金洲3， 姚 軍4

(1.中國石油大學(北京)石油工程學院，北京102249；2.中國石油大學(北京)非常規(guī)天然氣研究院，北京102249；3.西南石油大學，四川成都 610500；4.中國石油大學(華東)石油工程學院，山東青島 266580)

為更好地指導我國頁巖氣資源高效開發(fā)，在概述我國頁巖氣資源和開采現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從地質(zhì)特征預測、安全快速鉆井、環(huán)保高效開采等方面系統(tǒng)總結(jié)了我國頁巖氣開采面臨的工程地質(zhì)難題，指出頁巖非線性工程地質(zhì)力學特征與預測理論、多重耦合下的頁巖油氣安全優(yōu)質(zhì)鉆井理論、頁巖地層動態(tài)隨機裂縫控制機理與無水壓裂技術(shù)、頁巖油氣多尺度滲流特征與開采理論等是需要重點解決的關(guān)鍵理論問題，鉆采過程中頁巖儲層物理力學化學特征演化規(guī)律與數(shù)學表征，多場耦合條件下非連續(xù)頁巖與鉆井完井流體作用機理，頁巖地層動態(tài)隨機裂縫控制、長效導流機制與無水壓裂技術(shù)，頁巖微納尺度吸附/解吸機制、尺度升級及多場耦合的多相滲流理論等是亟需解決的關(guān)鍵前沿理論問題，并針對各前沿關(guān)鍵力學問題綜述了研究進展和發(fā)展趨勢，對促進我國頁巖油氣的科學、有效開發(fā)具有一定的借鑒作用。

頁巖油氣 鉆井 滲流 儲層改造

頁巖氣是近年來國際油氣資源開發(fā)的熱點，借助水平井分段壓裂技術(shù)的規(guī)?；瘧?，美國實現(xiàn)了頁巖氣大規(guī)模的商業(yè)開采，并迎來了全球頁巖氣革命。據(jù)英國石油公司發(fā)布的2014年世界能源統(tǒng)計[1]，2014年度美國天然氣產(chǎn)量已達到創(chuàng)紀錄的93×108m3/d(3 280×108ft3/d)，其中非常規(guī)天然氣產(chǎn)量遠超常規(guī)天然氣產(chǎn)量，實現(xiàn)了天然氣進口國向出口國的轉(zhuǎn)變。美國能源信息署2013年6月發(fā)布的評估數(shù)據(jù)顯示[2]，中國頁巖氣技術(shù)可采儲量31.6×1012m3，占世界頁巖氣技術(shù)可采儲量的14.3%。我國作為頁巖油氣資源豐富的大國，如何實現(xiàn)向開采強國的轉(zhuǎn)變，是實現(xiàn)國家能源結(jié)構(gòu)升級和低碳環(huán)保戰(zhàn)略的迫切需求。

近年來，中國在頁巖氣開發(fā)方面開展了大量工作。2009年，中國石油在四川威遠、長寧、富順、永川等地區(qū)啟動了首批頁巖氣工業(yè)化試驗區(qū)建設(shè)；2010年，中國石油在四川盆地部署的威201井在寒武系、志留系頁巖中獲工業(yè)氣流[3]；2012年11月，中國石化在涪陵焦石壩地區(qū)部署的焦頁1HF井龍馬溪組頁巖層段經(jīng)15段大型壓裂改造后，獲日產(chǎn)無阻流量16.7×104m3的高產(chǎn)工業(yè)氣流，實現(xiàn)了我國海相頁巖氣勘探的重大突破[4]；2014年，中國石化在涪陵焦石壩地區(qū)建成了我國首個大型頁巖氣田，初步實現(xiàn)了頁巖氣的商業(yè)化開發(fā)。截至2015年9月，中國石油在長寧-威遠、昭通國家級頁巖氣示范區(qū)共完鉆108口氣井，其中41口井進行了試采，累計生產(chǎn)頁巖氣5.6×1012m3，取得了頁巖氣勘探開發(fā)的重要階段成果，創(chuàng)造了國內(nèi)多個第一[5]。雖然我國在局部地區(qū)頁巖氣勘探開發(fā)中取得重要突破，但由于基礎(chǔ)理論研究不足，各個地區(qū)的開發(fā)效果差異很大，尚未掌握我國頁巖氣開發(fā)的一般性規(guī)律。中國石化在四川及其周緣的建南、涪陵、彭水、丁山等區(qū)塊開展了頁巖氣勘探開發(fā)先導性試驗[6]，除了涪陵焦石壩區(qū)塊獲得突破外，其他區(qū)塊的頁巖氣井產(chǎn)量不佳，無法實現(xiàn)頁巖氣的經(jīng)濟有效開發(fā)。

與美國頁巖油氣資源相比，我國頁巖油氣的地質(zhì)條件更為復雜[7-8]、埋藏深度更深、地層年代更老、水資源更匱乏，頁巖油氣開發(fā)中仍存在諸多重要的問題亟待解決[9]，頁巖油氣滲流機理、開采理論認識不清，導致現(xiàn)有的工程設(shè)計、施工工藝等較大程度上還停留在工程尺度和經(jīng)驗模仿層面，無法在更廣泛區(qū)域推廣應用。筆者基于我國頁巖氣開發(fā)實際，從頁巖氣開采面臨的工程地質(zhì)難題出發(fā)，詳細闡述了頁巖油氣開采過程中涉及的關(guān)鍵基礎(chǔ)理論問題，分析了理論創(chuàng)新難點及挑戰(zhàn)，提出了頁巖氣開發(fā)基礎(chǔ)理論、研究方法和設(shè)計技術(shù)的研究方向，以期為加速我國頁巖油氣資源開發(fā)提供指導和借鑒。

1 頁巖油氣開采面臨的工程地質(zhì)難題

1.1 地質(zhì)條件復雜，頁巖儲層物理力學特征預測精度差

我國頁巖儲層構(gòu)造改造強烈，多尺度裂縫、節(jié)理、斷裂發(fā)育，巖性明顯有別于砂巖、碳酸鹽巖儲層，非連續(xù)的特性決定了現(xiàn)有巖石力學理論與方法難以準確反映頁巖力學特征。中美兩國的頁巖在儲層特征上存在較大差異(見表1)，美國頁巖工程地質(zhì)力學理論與方法不能直接用于我國頁巖氣勘探開發(fā)中。

表1 中美兩國頁巖氣儲層差異

Table 1 The different characteristics of Chinese and American shale gas reservoirs

1.2 生態(tài)環(huán)境脆弱，地表條件復雜，安全經(jīng)濟與環(huán)保鉆井難度大

我國西南地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，對鉆井流體的環(huán)保性能要求高。由于頁巖儲層層理裂隙發(fā)育，具有較強的非均質(zhì)性和各向異性，毛細管自吸相關(guān)的微尺度作用顯著，導致鉆井過程中井壁失穩(wěn)頻發(fā)，漏失嚴重，安全鉆井風險高(如焦頁10-2HF井在鉆井過程中井下故障頻發(fā))，采用油基鉆井液能在一定程度上緩解井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，但是成本高(鉆井液費用占鉆井總費用的10%～40%)，且維護、處理復雜，對生態(tài)環(huán)境影響大，每口井鉆井成本約4 000萬元，遠高于國外的1 600萬元；同時，為有效降低成本，采用了“井工廠”開采模式[10]，但山區(qū)地貌使井場布置難度加大，現(xiàn)有的平臺式工廠化作業(yè)設(shè)計、評估理論與方法已不能滿足叢式水平井組的集約化施工的要求。

1.3 水資源匱乏，少井高產(chǎn)與環(huán)保壓力大

美國頁巖氣產(chǎn)區(qū)多為平原地區(qū)，水資源豐富，通過多井能實現(xiàn)高產(chǎn)，我國西部地區(qū)缺水，南方多山區(qū)丘陵，必須通過全井段儲層縫網(wǎng)體積改造實現(xiàn)少井高產(chǎn)。全井段縫網(wǎng)體積改造面臨兩大難題：埋藏深，裂縫閉合壓力高，裂縫自支撐能力不能滿足長效導流的要求；水資源匱乏(美國人均水資源量9 920 m3，我國只有2 100 m3)，并且我國頁巖氣富集區(qū)塊大部分位于西部生態(tài)脆弱、南方人口稠密地區(qū)，不能承受頁巖氣開發(fā)對水資源的巨大消耗和對地表水系的嚴重污染。

1.4 頁巖氣藏復雜，油氣產(chǎn)能預測與方案設(shè)計針對性差

頁巖氣藏具備如下特征[11]：1)頁巖氣賦存形式多樣，游離氣、吸附氣、溶解氣共存；2)儲存空間復雜，納米級有機質(zhì)粒內(nèi)孔隙、納米—微米級粒間孔隙、微米—毫米級微裂縫和厘米級人工壓裂縫發(fā)育，具有多尺度特性；3)儲層孔滲極低，滲透率納達西級別，孔隙度小于10%；4)頁巖脆性大[12]，壓裂裂縫擴展隨機性強，微裂縫發(fā)育。可見，頁巖氣藏有別于常規(guī)氣藏，導致頁巖氣解吸-擴散-滲流機理以及滲流規(guī)律異常復雜，常規(guī)方法難以準確評價頁巖氣井產(chǎn)能，區(qū)塊開發(fā)效果差異大。

2 關(guān)鍵基礎(chǔ)理論問題

雖然我國在常規(guī)油氣開發(fā)方面已經(jīng)形成了比較完整的基礎(chǔ)理論體系，但由于頁巖儲層明顯有別于砂巖、碳酸鹽儲層，因而頁巖油氣開采中的許多重要科學問題尚未解決，嚴重制約了我國頁巖油氣工業(yè)化開采進程。目前，我國頁巖油氣開發(fā)存在以下關(guān)鍵基礎(chǔ)理論問題尚待解決。

2.1 頁巖非線性工程地質(zhì)力學特征與預測理論

深部頁巖的地質(zhì)屬性、力學行為和工程性質(zhì)是有別于其他地層的本質(zhì)特征，是影響頁巖油氣高效開發(fā)的關(guān)鍵因素。深部頁巖的地質(zhì)屬性具有高度的隱蔽性、不確定性和時空變異性，需要重點研究其多尺度層理、節(jié)理及夾層發(fā)育特征，提出多節(jié)理、層理頁巖的跨尺度結(jié)構(gòu)表征方法。就力學性質(zhì)而言，需要研究復雜應力條件下深部頁巖的宏細觀變形破壞機理和強度特性，建立非連續(xù)頁巖巖體宏觀力學特性評價的多尺度理論模型；同時，需要突破峰前的力學參數(shù)或者峰后的應力衰減程度表征頁巖脆性的局限性，提出科學的脆性指數(shù)定義，建立相應評價方法及分析預測模型，形成非連續(xù)頁巖脆度峰后評價理論體系。就工程性質(zhì)而言，需要研究深部地層復雜的應力環(huán)境及高精度的測試方法，揭示具有強烈構(gòu)造活動特征的儲層異常壓力及地應力場形成機制，建立考慮強烈構(gòu)造活動和非線性邊界條件的地層壓力預測及地應力場反演理論，重點考慮壓裂改造中擾動引起的三維應力場演化規(guī)律，建立頁巖地層三維地應力場形成與壓裂擾動引起的應力場演化模型?；谏鲜龌A(chǔ)理論，建立地球物理表征模型，為頁巖油氣高效開發(fā)理論研究提供必要的地質(zhì)力學模型及相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 多重耦合下的頁巖油氣安全優(yōu)質(zhì)鉆井理論

頁巖油氣是典型的邊際油氣資源，工程技術(shù)要求高，作業(yè)風險大且成本高，長水平段鉆井與多級壓裂成為主要的勘探開發(fā)技術(shù)手段，工廠化作業(yè)成為降低成本的主要模式。目標體的復雜性、高技術(shù)需求和高成本壓力給頁巖油氣鉆井完井帶來一系列基礎(chǔ)理論方面的挑戰(zhàn)，突出表現(xiàn)為傳統(tǒng)理論和模型不再適用、力學-化學及固體-流體等多重耦合作用強烈。為此，需要進行技術(shù)攻關(guān)，形成一套頁巖儲層安全優(yōu)質(zhì)鉆井基礎(chǔ)理論：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和環(huán)保壓力大、井壁失穩(wěn)、建井周期長和建井成本高等主要技術(shù)難題，需開展頁巖儲層傷害機理研究，研發(fā)低傷害環(huán)保型水基鉆井液體系；探索力學-化學、固體-流體雙重耦合條件下的井筒失穩(wěn)機理及規(guī)律，建立水平井井筒完整性理論；依據(jù)可鉆性與可壓性進行高壓水射流技術(shù)適用性評價，探索高壓水射流鉆井壓裂一體化技術(shù)原理，形成頁巖儲層新型鉆井完井方式；建立頁巖水平井工廠化鉆井完井評估與優(yōu)化設(shè)計方法。

2.3 頁巖地層動態(tài)隨機裂縫控制機理與無水壓裂技術(shù)

縫網(wǎng)壓裂改造是實現(xiàn)頁巖氣商業(yè)化開采的關(guān)鍵，儲層動態(tài)隨機天然裂縫的相互連通是實現(xiàn)縫網(wǎng)體積改造的必要條件。頁巖儲層隨機分布天然裂縫和層理弱面，導致裂縫的起裂特征和動態(tài)擴展規(guī)律異常復雜，裂縫形態(tài)難以辨識和掌握，需要將大尺寸真三軸物理模擬與聲發(fā)射三維空間精準定位技術(shù)相結(jié)合，揭示頁巖裂縫的空間起裂和擴展行為，為頁巖縫網(wǎng)壓裂的數(shù)值模擬研究提供基礎(chǔ)。針對“井工廠”模式的頁巖儲層體積壓裂改造，需要研究不同模式、工藝措施、施工參數(shù)和儲層隨機天然裂縫分布條件下多裂縫間的應力場干擾、空間非平面裂縫特征和多井間裂縫網(wǎng)絡(luò)的連通性，揭示“井工廠”模式下網(wǎng)絡(luò)裂縫擴展與控制規(guī)律，建立頁巖復雜縫網(wǎng)支撐劑運移機制與長效導流能力評價模型。針對油氣開采和應力擾動誘發(fā)的頁巖氣井初始縫網(wǎng)失效特征，建立應力擾動與初始縫網(wǎng)條件下的頁巖重復造縫理論；同時，提出頁巖氣儲層的無水壓裂新理論，揭示無水壓裂介質(zhì)流變調(diào)控機制與造縫機理，研制高性能無水壓裂介質(zhì)體系，建立無水壓裂頁巖儲層縫網(wǎng)改造體積的評價標準，為頁巖油氣高效開發(fā)提供理論模型。

2.4 頁巖油氣多尺度滲流特征與開采理論

滲流機制和數(shù)值模擬方法是油氣田開發(fā)工程的基礎(chǔ)。頁巖油氣藏儲層介質(zhì)具有明顯的多尺度性，流體賦存方式多樣，因此流動機制復雜，基于連續(xù)介質(zhì)和達西方程的傳統(tǒng)滲流力學無法準確刻畫頁巖油氣藏的多尺度流動機制。另外，由于頁巖致密，很難進行室內(nèi)流動物理模擬試驗。為此，亟待研究有效的微觀流動數(shù)值模擬方法，揭示頁巖微納尺度流動機制，借助于微納尺度的數(shù)字巖心和格子Boltzmann方法，有效模擬氣水、油水在頁巖微納孔隙中的流動。在此基礎(chǔ)上，應建立尺度升級方法，將頁巖的微觀傳輸性質(zhì)和流動模式升級到宏觀層面，為宏觀數(shù)值模擬、試井解釋、產(chǎn)能評價以及潛力預測奠定基礎(chǔ)。同時，由于應力對頁巖縫網(wǎng)的形成、頁巖滲流參數(shù)等影響較大，有必要研究應力場和滲流場耦合的數(shù)值模擬方法，為井工廠的設(shè)計、生產(chǎn)動態(tài)模擬及預測奠定理論基礎(chǔ)。

3 理論創(chuàng)新難點與挑戰(zhàn)

我國“十二五”規(guī)劃明確要求“推進頁巖氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)利用”。大力發(fā)展頁巖油氣迫切需要解決的理論技術(shù)難題包括：1)深化認識頁巖工程條件，突破傳統(tǒng)巖石力學和滲流理論； 2)實現(xiàn)安全高效環(huán)保開發(fā)，創(chuàng)新水平井鉆井完井一體化和縫網(wǎng)體長效壓裂理論。

3.1 鉆采過程中頁巖儲層物理力學化學特征演化規(guī)律與數(shù)學表征

深部頁巖多尺度裂縫、層理發(fā)育，非均質(zhì)性、各向異性特征顯著，明顯區(qū)別于常規(guī)地質(zhì)儲層，研究頁巖的力學行為、物理化學特征，是進行其他深入研究的基礎(chǔ)。

3.1.1 頁巖天然裂縫、節(jié)理、斷層等地質(zhì)特征跨尺度表征

對于深部非連續(xù)頁巖而言，缺乏專門針對頁巖裂縫、節(jié)理等地質(zhì)特征從細觀到宏觀的跨尺度表征描述方法，阻礙了鉆井液、壓裂液與頁巖間力學、化學、流體與固體耦合的相互作用機理研究。國內(nèi)外研究巖體節(jié)理裂隙的模型有3大類：力學模型、幾何模型和幾何力學模型。由于結(jié)構(gòu)面發(fā)育的隨機性、非均勻性和復雜性，造成上述模型均不能準確地表征頁巖的節(jié)理裂隙特征。目前，將地質(zhì)統(tǒng)計學、分形理論與圖論等相關(guān)理論引入裂隙模型，有助于準確地描述和模擬裂縫網(wǎng)絡(luò)，但是相關(guān)研究處于起步階段，對于非連續(xù)頁巖巖體跨尺度表征需進一步深入。

3.1.2 非連續(xù)頁巖力學特性及峰后脆度評價

頁巖脆性是評價其力學特性的關(guān)鍵指標，對井壁穩(wěn)定和壓裂效果影響顯著?，F(xiàn)有脆性評價方法有20余種，R.Rickman等人[13]提出用礦物含量表征脆性，Boris Tarasov等人[14]提出了單軸壓縮條件下基于能量理論的峰后脆度評價方法。基于壓縮試驗的頁巖脆度理論和測井、礦物組分分析方法，不能定量解釋頁巖剪切或張性裂縫密度規(guī)律，不能揭示其在縫網(wǎng)發(fā)育過程中的作用機制。李慶輝等人[15]采用了基于全應力-應變特征的脆性表征方法反映峰前和峰后力學特征，能夠較準確地反映頁巖脆性破壞的實質(zhì)，但是研究剛剛起步，仍需深入研究。

3.1.3 跨尺度三維空間地應力分布特征與壓裂裂縫擾動下的演化規(guī)律

壓裂縫網(wǎng)體發(fā)育過程對壓裂空間三維應力場的擾動機制不清楚，地應力預測精度差，不能有效支撐壓裂設(shè)計。目前，國際石油工程學術(shù)界開展了應力陰影研究，J.Hyunil[16]及R.M.Bruce等人[17]分析了局部地應力場的擾動和控制機制及對裂縫轉(zhuǎn)向、擴展的影響規(guī)律，并形成了水平井分段壓裂裂縫間距設(shè)計方法，但對天然裂縫與人工裂縫同時作用的應力場以及化學作用的應力場演化尚鮮有涉及。

3.1.4 各向異性頁巖地層的地球物理預測理論與方法

頁巖儲層中非連續(xù)層理、片理特征決定了巖石物理力學特征的各向異性。L.Thomsen[18]引入了3個無量綱參數(shù)來表征巖石的各向異性程度，但只能表征弱各向異性介質(zhì)的彈性性質(zhì)。J.G.Berryman[19]在Thomsen理論的基礎(chǔ)上得出了擴展的Thomsen方程，也可適用于強各向異性介質(zhì)。胡起等人[20]通過融合各向異性微分等效介質(zhì)DEM理論和Brown-Korringa各向異性流體替換模型建立了有機頁巖各向異性巖石物理模型，提出了根據(jù)縱波速度反演巖石等效孔隙縱橫比進行頁巖油氣儲層橫波速度預測的方法。Xu Weiya等人[21]基于巖石各向異性破壞準則，根據(jù)回歸映射基本原理，推導出適用于橫觀各向同性地層的彈塑性模型。目前，關(guān)于各向異性頁巖地層巖石物理性質(zhì)的研究還很欠缺，富有機質(zhì)多尺度頁巖物理力學特性與地球物理參數(shù)缺乏定量表征，傳統(tǒng)砂泥巖的解釋模型預測精度差，無法定量預測地層特征，導致鉆井完井設(shè)計缺乏科學有效性，需要進一步研究。

3.2 多場耦合條件下非連續(xù)頁巖與鉆井完井流體作用機理

頁巖與液體作用的力學與化學耦合理論是揭示頁巖水化后的受力、變形與破壞動態(tài)變化規(guī)律的重要基礎(chǔ)，是從根本上解決頁巖破巖效率、井壁失穩(wěn)的時效性及儲層傷害的關(guān)鍵科學問題。

3.2.1 地層可鉆性與可壓性評價研究

高壓射流破巖與壓裂條件下頁巖儲層可鉆性與可壓性評價是流固耦合下射流破巖和壓裂改造的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有可鉆性評價模型主要用于三牙輪鉆頭和PDC鉆頭，存在以下問題：1)已不能滿足混合PDC鉆頭、高壓射流破巖等評價需要；2)巖石破碎規(guī)律需要深入研究，流體-頁巖微觀相互作用對破巖的重要影響需結(jié)合到可鉆性評價中；3)缺乏有效的隨鉆評價手段，不能對實鉆儲層可鉆性的橫向變化進行有效評價。

傳統(tǒng)理論認為，儲層可壓性取決于巖石的脆性、天然裂縫發(fā)育以及各向異性。B.Tiryaki[22]探索利用隨鉆錄井或利用井場鉆屑X射線SEM評價巖石可壓性的方法，存在的主要問題包括：1)將“脆性系數(shù)”等同于可壓性，未充分考慮天然裂縫和應力各向異性的影響，頁巖儲層可壓性評價模型有待進一步完善；2)未考慮壓裂液對儲層巖石的裂縫擴展存在的強烈微觀物理化學作用；3)缺乏有效的隨鉆評價手段，不能對水平段儲層可壓性的橫向變化進行有效評價；4)需要結(jié)合新型壓裂改造方式進行可壓性評價。

3.2.2 頁巖井筒失穩(wěn)機理和完整性評估方法

頁巖井壁穩(wěn)定研究主要考慮力學化學耦合作用。M.Yu等人[23]建立了井筒在熱應力和溶質(zhì)化學擴散作用下的三維井壁穩(wěn)定性數(shù)學模型，首次考慮了鉆井液性質(zhì)對井壁穩(wěn)定性的影響。金衍等人[24]利用力學與化學耦合的研究方法，提出了井壁坍塌周期的定量計算方法。A.Ghassemi等人[25]系統(tǒng)研究了力學、化學與熱力學等多場耦合條件下的井壁穩(wěn)定問題。Q.Wang等人[26]考慮了由于鉆井液滲流和離子輸運導致的巖石變形，建立了流體-固體-化學耦合作用模型，精細描述了鉆井液化學作用對頁巖井壁穩(wěn)定性的影響。Liang Chuan等人[27]通過試驗研究了井壁在鉆頭動載荷作用下的損傷失穩(wěn)過程。上述研究雖然得出了一些有益結(jié)果，但假設(shè)頁巖為各向同性，無天然裂縫損傷，對泥頁巖井壁水化失穩(wěn)的機理和本質(zhì)認識還不夠深入和完整，仍未考慮頁巖氣儲層中普遍存在的天然微裂縫和巖石各向異性等因素對井壁穩(wěn)定性的影響。

3.2.3 頁巖儲層傷害機理與環(huán)保型水基鉆井液體系研究

頁巖儲層保護技術(shù)研究主要采用室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬等方法。M.A.Siddiqui等人[28]通過室內(nèi)試驗評估了鉆井液中聚合物對致密儲層的傷害，檢測了多種清洗液在去除泥餅方面的效果，優(yōu)選了鉆井液配方，進行了現(xiàn)場試驗并獲得成功。I.J.Lakatos等人[29]研究了致密砂巖儲層中鉆井液的自吸和滲透現(xiàn)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，因致密砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)和巖石潤濕性具有特殊性，會產(chǎn)生較強的毛細管力來自吸鉆井液，造成儲層“水鎖”傷害。對此，國內(nèi)外學者采用特殊的表面活性劑、可溶性水溶劑和大分子添加劑等化學處理劑來降低水基鉆井液滲透和自吸現(xiàn)象引起的儲層傷害，并起到了良好的效果。

3.3 頁巖地層動態(tài)隨機裂縫控制、長效導流機制與無水壓裂技術(shù)

頁巖儲層分布有天然裂縫和層理，壓裂過程中天然裂縫、層理及人工裂縫相互作用，裂縫控制難度大，在高閉合壓力條件下如何增大儲層改造體積和提高縫網(wǎng)長效導流能力尤為關(guān)鍵。同時，頁巖氣開發(fā)主要采用的滑溜水大型壓裂要消耗大量水資源并可能污染環(huán)境，而我國頁巖氣勘探的有利區(qū)域大部分處于重點缺水地區(qū)或鄰近區(qū)域，面臨著嚴峻的水資源約束及環(huán)保問題，有必要研究無水壓裂理論與技術(shù)，為我國頁巖氣未來大規(guī)模高效開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

3.3.1 “井工廠”模式下網(wǎng)絡(luò)裂縫擴展與控制機理

國內(nèi)外學者針對裂縫相互作用、裂縫擴展進行了一系列研究,較多學者引入位移不連續(xù)法(DDM)建立模型分析復雜裂縫擴展機理,部分學者選用有限元方法研究裂縫擴展，并指出儲層局部應力差、天然裂縫等是影響裂縫延伸路徑的主控因素。目前該類研究主要針對于單井裂縫擴展，對于“井工廠”井組情況下多口水平井在多裂縫干擾下的裂縫擴展模型鮮有涉及。

3.3.2 頁巖復雜縫網(wǎng)支撐劑運移機制與長效導流能力模型

R.Sahai等人[30]首次通過試驗研究了垂直相交裂縫中的支撐劑運移和沉降規(guī)律。Guo Jianchun等人[31]考慮支撐劑顆粒與地層巖石的黏彈性蠕變互作用，建立了線彈性條件下支撐劑顆粒嵌入預測模型。Deng Shouchun等人[32]研究了特定條件下頁巖與支撐劑顆粒的互作用。目前頁巖縫網(wǎng)中的支撐劑運移研究尚未考慮流體流量自動重分配，同時未考慮支撐劑顆粒與頁巖長期互作用下的縫網(wǎng)導流能力。

3.3.3 應力擾動與初始縫網(wǎng)條件下的頁巖重復造縫機理

目前國內(nèi)未見頁巖水平井重復壓裂施工的報道，針對重復壓裂造縫機理的研究沒有考慮天然裂縫的影響。國內(nèi)外在重復壓裂機理方面取得了一些初步認識，Wu Ruiting等人[33]在Cheng Yueming[34]的研究基礎(chǔ)上對水平井分段多簇裂縫擾動應力場進行了研究，J.B.Altmann等人[35]對頁巖重復壓裂的流固耦合問題進行了研究，均未考慮天然裂縫、溫度場等復雜因素，有必要針對應力擾動與初始縫網(wǎng)條件下的頁巖重復造縫機理進行系統(tǒng)地研究。

3.3.4 無水壓裂介質(zhì)流變調(diào)控機制與造縫機理

加拿大GasFrac公司最先提出LPG無水壓裂液理念，該壓裂液對地層無任何傷害[36]，但國內(nèi)研究還處于空白，有必要開展研究。超臨界CO2壓裂技術(shù)在蘇里格氣田現(xiàn)場試驗獲得成功，伯靈頓公司在Lewis Shale進行CO2干法加砂壓裂也取得重大突破[37]，但液體流變結(jié)構(gòu)特征以及適應性的基礎(chǔ)理論研究還較薄弱，沒有相關(guān)文獻報道，需要進行探索研究。層內(nèi)爆炸壓裂也是低滲透儲層無水改造的一種重要措施，有一定的理論研究基礎(chǔ)[38-39]，但礦場可操作性和儲層適應性沒有相關(guān)研究報道，特別是需對頁巖儲層的可改造性進行深入研究。

3.4 頁巖微納尺度吸附/解吸機制、尺度升級及多場耦合的多相滲流理論

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，傳統(tǒng)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，包括頁巖氣-液-固三相系統(tǒng)吸附/解吸機理,微納尺度多相流運移機制及其尺度升級方法,應力場與滲流場全耦合的數(shù)值模擬，分段壓裂水平井不穩(wěn)態(tài)壓力產(chǎn)量分析及開發(fā)潛力預測理論，以及“井工廠”開采模式下地質(zhì)、油藏和工程參數(shù)對頁巖油氣流動的影響機制。

3.4.1 頁巖氣-液-固三相系統(tǒng)吸附/解吸機理及規(guī)律

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(guān)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(huán)境下沉積，同時，頁巖有機質(zhì)(干酪根)的降解及甲烷氣的產(chǎn)生，是甲烷菌在水環(huán)境下的無氧作用的結(jié)果，頁巖氣藏均存在一定的含水飽和度。因此，頁巖氣成藏過程在水環(huán)境下產(chǎn)氣與聚集。一部分游離氣在孔隙水中溶解與擴散并在孔隙表面吸附，一部分游離氣運移到其他孔隙與裂縫中。因此，頁巖氣成藏與生產(chǎn)存在氣-液-固三相界面的平衡吸附與解吸。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(guān)，對壓力不敏感。目前國內(nèi)外對于頁巖氣儲層氣-液-固三相系統(tǒng)下的吸附及解吸機理研究匱乏，鑒于目前頁巖氣藏開發(fā)中存在的吸附量與產(chǎn)量之間的沖突，基于頁巖氣實際成藏過程與生產(chǎn)過程開展該研究具有急迫性。

3.4.2 頁巖微納尺度多相流運移機制及其尺度升級

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(nèi)的流動規(guī)律與常規(guī)油氣藏不同，毛管壓力及相滲曲線與常規(guī)油氣藏也存在差異，因此，亟需開展頁巖微納尺度多相流運移機制的研究。姚軍等人[40]提出基于掃描電鏡等手段獲取孔隙結(jié)構(gòu)圖像而構(gòu)建數(shù)字巖心，再采用格子Boltzmann方法進行微觀流動模擬的方法[41]，可以研究頁巖微納尺度的運移機制，但是目前研究還處于起步階段，頁巖數(shù)字巖心構(gòu)建過程中沒有區(qū)分孔隙介質(zhì)(有機質(zhì)孔隙和無機質(zhì)孔隙)的差異，格子Boltzmann方法模擬僅為單相氣模擬，且未全面考慮耦合運移機制，因此亟需開展考慮孔隙介質(zhì)類型的數(shù)字巖心構(gòu)建及微納尺度多相流動模擬方法研究。如何考慮微納米尺度的微觀運移機制，是宏觀數(shù)值模擬的關(guān)鍵，而目前對于頁巖儲層物性及運移機制的尺度升級尚未見文獻報道。

3.4.3 應力場與滲流場全耦合的頁巖油氣藏數(shù)值模擬

目前頁巖氣藏的數(shù)值模擬大多未考慮應力場與滲流場的耦合或滲流場未全面考慮頁巖儲層耦合運移機制，而有關(guān)流固耦合的油氣藏數(shù)值模擬研究大都局限于單孔隙介質(zhì)或雙重介質(zhì)模型，且對于雙重介質(zhì)模型的研究仍存在諸多困難，主要難點在于基巖系統(tǒng)和裂縫系統(tǒng)間的耦合作用對水力參數(shù)的影響機制尚不清楚，因此目前大都基于經(jīng)驗公式，同時對于兩者Biot有效應力系數(shù)的選取也沒有成熟方法。然而，頁巖油氣藏通常發(fā)育天然微裂縫，人工壓裂后會形成多尺度離散裂縫網(wǎng)絡(luò)，為典型的裂縫性介質(zhì)。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(chǎn)生重要影響，與此同時滲流場的改變會反過來影響地應力場，兩者相互影響。目前相關(guān)的商業(yè)或開源數(shù)值模擬器包括：TOUGH2-FLAC，CMG-GEM，DuMux和OpenGeoSys。前兩者均采用控制體積有限差分或有限差分法，但采用序列耦合，計算精度受限，尤其是對于強耦合問題；后兩者則采用有限元方法，可實現(xiàn)全隱式耦合，計算精度較高，但計算量巨大，且尚未形成裂縫性介質(zhì)相關(guān)模擬功能。因此，亟需建立一套適用于頁巖油氣藏應力場與滲流場全耦合的全隱式裂縫性介質(zhì)數(shù)值模擬理論和方法。

4 結(jié)束語

我國頁巖油氣的高效開發(fā)研究，需以提高頁巖油氣產(chǎn)量、減少物耗與保護環(huán)境為目標，開展從宏觀到細觀的頁巖油氣滲流與動態(tài)斷裂理論研究，采用不同尺度物理模擬手段，分析頁巖氣解吸附、匯聚、滲流關(guān)鍵過程，實現(xiàn)井型與人工縫網(wǎng)的匹配和耦合調(diào)控，形成頁巖油氣產(chǎn)能預測、水平井鉆井完井一體化和縫網(wǎng)體長效壓裂理論，在頁巖油氣開發(fā)基礎(chǔ)理論、研究方法和設(shè)計技術(shù)上取得原創(chuàng)性的突破，從而為我國頁巖油氣高效開采奠定堅實的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，提高我國在該領(lǐng)域的國際學術(shù)影響力。

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[編輯 陳會年]

The Key Fundamentals for the Efficient Exploitation of Shale Oil and Gas and Its Related Challenges

Chen Mian1， Ge Hongkui2， Zhao Jinzhou3， Yao Jun4

(1.CollegeofPetroleumEngineering，ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)，Beijing, 102249,China; 2.TheUnconventionalNaturalGasInstitute,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing,102249,China;3.SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan, 610500,China; 4.SchoolofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong, 266580,China)

This paper identifies and discusses the multiple geologic engineering challenges involved in shale gas exploitation which include reservoir characterization, safe and fast drilling, environmentally-friendly and efficient exploitation, and it puts them within a context of China’s experience in exploring for and exploiting shale gas.The paper elaborates upon the key fundamentals, which include geologic mechanical behavior and prediction theories of non-linear shale engineering, safe and quality shale oil and gas well drilling theories based on multiple coupling, dynamic and random fracture control mechanisms and non-aqueous fracturing technologies of shale beds, and multiscale seepage characteristics and exploitation theories of shale oil and gas. The following advanced theoretical issues should be solved as soon as possible. It was necessary to investigate the evolution rules of physical, chemical and mechanical properties of shale reservoirs and carry out mathematical characterization, analyze the interaction between discontinuous surrounding rocks and drilling and completion fluids under multiple coupling conditions, develop dynamic and random fracture control methods, long-term effective diverting mechanisms and non-aqueous fracturing technologies for shale reservoirs, explore micro-nano scale adsorption and desorption mechanisms of shale, and study multi-phase seepage theories with upscaling and multiple coupling. The paper concludes with a summary of research progress and development trends in the key advanced mechanical issues.This paper serves as a reference and guidance for the scientific and efficient development of shale oil and gas in China.

shale oil and gas; drilling; seepage; reservoir stimulation

2015-07-14。

陳勉(1962—)，男，遼寧沈陽人，1982年畢業(yè)于北京大學力學系，1991年獲中國礦業(yè)大學礦山工程力學專業(yè)博士學位，教授，博士生導師，主要從事石油工程巖石力學方面的研究工作。

國家自然科學基金重大項目“頁巖油氣高效開發(fā)基礎(chǔ)理論研究”(編號：51490650)及國家自然科學基金重點項目“頁巖氣開采巖石力學”(編號：51234006)聯(lián)合資助。

?頁巖油氣高效開發(fā)專題?

10.11911/syztjs.201505002

TE249

A

1001-0890(2015)05-0007-08

聯(lián)系方式：(010)89732209，chenmian@vip.163.com。