页岩气多尺度渗流数值模拟及完井优化设计开题报告 38页

'第一部分文献综述第1章页岩气资源分布及开发现状随着今年来世界常规油气资源的新增储量不断减少，常规油气产量也在不断下降，人们对非常规油气资源的勘探开发越来越重视，非常规油气资源在能源供给中所占的比例越来越大。页岩气是非常规油气资源的重要组成部分，而且在美国最近几年的页岩气革命的鼓舞下，世界许多国家都开始大力开发页岩气资源。页岩气储层渗透率极低，气体在储层中流动阻力很大，需要对储层进行改造才能实现商业性开采，使得页岩气开采具有成本高、技术要求高、开采周期长的特点，因此要开发好页岩气储层，必须对页岩气的勘探和开发技术进行研究[参考文献[1]蒋国盛与王荣璟,页岩气勘探开发关键技术综述.探矿工程(岩土钻掘工程),2013(01):3-8.]。水平井水力压裂技术是形成美国页岩气革命的关键，水平井压裂可以增大井筒与地层接触面积，改善气体流动通道，减少气体流动阻力，从而可以提高单井产量和最终采收率，改善单井经济效益。水平井水力压裂一般是沿着水平井筒压开多条裂缝，由于水力压裂技术成本高，要投入大量的资金，因此有必要对页岩气藏水平井水力压裂进行参数优化设计，从而达到最大增产效果，获得最优经济效益。1.1国外页岩气资源分布及开发现状页岩气资源在全球范围内分布比较广泛，如图1所示，全世界的页岩气资源量约为456.24×1012m3，相当于致密砂岩气和煤层气资源量的总和，具有很大的开发潜力。国外页岩气资源储量丰富的国家主要有美国，阿根廷，墨西哥，南非，澳大利亚和加拿大等。美国是世界上最早发现、研究、勘探和开发页岩气的国家。美国的页岩主要发育在20个州21个大小不等的盆地里，目前商业开采主要集中在5个盆地，即密歇根盆地的Antrim页岩、阿巴拉契亚盆地的Ohio页岩、福特沃斯盆地的Barnett页岩、伊利诺伊盆地的NewAlbany页岩和圣胡安盆地的Lewis页岩。其中，Barnett页岩是当前美国页岩气开发的主力层位，也是目前各国页岩气勘探开发学习的样本，据美国地质调查局（USGS）最新的统计，其资源量约0.74万亿立方米。 早在1976年，美国能源部就对东部页岩气进行了地质、地球化学和石油工程的研究，发现了Antrim页岩、Ohio页岩、NewAlbany页岩、Barnett页岩和Lewis页岩等五大页岩气系统，并进行了工业开采[[]CurtisJB.Fracturedshale-gassystems[J].AAPGBulletin,2002,86(11):1921-1938.]。20世纪90年代以来，美国、加拿大等北美国家页岩气勘探取得成效，开发技术趋于成熟[[]王公昌,姜瑞忠,徐建春.当前页岩气资源开发的瓶颈及建议.复杂油气藏,2012(02):第10-14页.]。经过多年的发展，目前美国页岩气藏开发主要采用水平井套管完井及分段压裂技术。2006年，美国页岩气藏水平井套管完井及分段压裂技术获得重大突破，页岩气从摸索阶段转向了大规模开发，2011年产量达1800亿立方米，占到天然气总产量的22.6%，而预计2035年美国页岩气产量将占到本土天然气总产量45％。图1世界页岩气资源可采储量分布示意图（EIA）加拿大是继美国之后世界上第二个对页岩气进行勘探开发的国家，加拿大页岩气资源也十分丰富，且资源分布面积广、涉及地质层位多，主要分布在西部盆地地区，包括不列颠哥伦比亚省东北部中泥盆统的霍恩河盆地和三叠系Montney页岩，艾伯塔省与萨斯喀彻温省的白垩系Colorado群，魁北克省的奥陶系Utica页岩，新不伦瑞克省和新斯科舍省的石炭系HortonBluff页岩。根据加拿大非常规天然气协会（CSUG）的资源评价结果，加拿大页岩气的资源量大于42.5万亿立方米，其中霍恩河盆地和Montney的页岩气资源最为丰富，其页岩气资源量为39.08万亿立方米。目前，已有多家油气生产商在加拿大西部地区进行页岩气的开采或开发试验，但与美国相比，加拿大页岩气开发还处于初级阶段，尚未进行大规模的商业性开采。2004年，不列颠哥伦比亚省能源矿产部将页岩气的区域资源评价列入能源发展。2006年，不列颠哥伦比亚省油气委员会已核准了22个白垩系和泥盆系页岩气试验区块。按照CSUG主席MichaelDawson在2009年9月一次报告的观点，加拿大的页岩气区带中只有UpperMontney达到了他所称的商业开发阶段，霍恩河盆地则部分处于先导生产试验阶段，部分还处于先导钻探阶段；魁北克低地、新不伦瑞克省以及新斯科舍省的页岩还处于其所称的早期评价阶段。 在欧洲，英国和波兰是该洲页岩气前景最好的国家。美国能源信息署(EIA)[[]EIA.Worldshalegasresources:aninitialassessmentof14regionsoutsidetheUnitedStates[R].2011:6.]在2011年做出的预测则认为，欧洲技术可采储量为18.5万亿m3。欧洲页岩气主要集中在英国的威尔德盆地、波兰的波罗的盆地、德国的下萨克森盆地、匈牙利的Mako峡谷、法国的东巴黎盆地、奥地利的维也纳盆地以及瑞典的寒武系明矾盆地等。欧洲境内有9个国家正在进行页岩气勘探项目，见图2，其中最为活跃的是波兰。埃克森美孚、康菲、OMV及壳牌等国际石油公司也已经分别在德国、波兰、奥地利和瑞典开始实质性的工作。波兰能源公司被授权勘查波兰的志留系黑色页岩，埃克森美孚公司在匈牙利Mako地区部署了第一口页岩气探井，并计划在德国下萨克森盆地完成10口页岩气探井，Devon能源公司与法国道达尔石油公司建立了合作关系，获得在法国钻探的许可，康菲石油公司最近宣布已与英国石油公司签署了在波罗的海盆地寻找页岩气的协议。近年来，欧洲启动了多项页岩气勘探开发项目，2009年初，德国国家地学实验室启动了“欧洲页岩项目”（GASH）。此项跨学科工程是一个为期6年的多学科页岩气研究开拓计划，由政府地质调查部门、咨询机构、研究所和高等院校的专家组成工作团队，工作目标是收集欧洲各个地区的页岩样品、测井试井和地震资料数据，建立欧洲的黑色页岩数据库，与美国的含气页岩进行对比，分析盆地、有机质类型、岩石矿物学成分等，以寻找页岩气，对欧洲页岩气资源潜力进行评价与有利盆地优选，探索欧洲页岩气的赋存空间、成因机制及其性质。2010年，欧洲又启动了9个页岩气勘探开发项目，其中5个在波兰，波兰的马尔科沃利亚1号井1620米深处已出现页岩气初始气流。波兰政府发放了100多个页岩气勘探许可证，积极引入外资开发本国页岩气，埃克森美孚、康菲和埃尼等国际能源巨头都已介入，目前，有20多家全球性能源公司正在波兰勘查页岩气。2011年6月，保加利亚政府将为期5年的页岩气勘探许可授予了雪佛龙公司，允许其在面积达4400平方千米的NoviPazar页岩气田勘探作业。2011年6月，俄罗斯TNK-BP计划投资开发乌克兰页岩气。2012年6月，雪佛龙（Chevron）和荷兰皇家壳牌（RoyalDutchShell）宣布，将在乌克兰得到非传统天然气的勘探权，此举可能使该国置身于欧洲新兴的页岩气开采领域的前沿。 图2欧洲页岩气勘探开发示意图资料来源：LEVELLC.ShalegasinEurope:arevolutioninthemaking?[EB/OL].http://gasstrategies.com/files/files/euro%20shale%20gas-final.pdf在其他国家如阿根廷、印度、澳大利亚均发现页岩气资源。阿根廷的页岩气技术可采资源量为21.9万亿立方米，位居世界第三，是南美天然气开发利用前景最好的国家，特别是内乌肯盆地页岩气前景看好，为此吸引了一些世界大油气公司的青睐。2011年1月25日，印度ONGC公司在靠近西孟加拉邦杜尔加布尔的一口研究和开发井的大约1700米深处的BarrenMeasure页岩中发现了天然气。澳大利亚Beach石油公司在大洋洲7个盆地中发现了富有机质页岩，前期评价的资源潜力大，计划对库珀盆地的页岩气进行开发，已在新西兰获得单井工业性突破。由于国外人们对环境的日益关心和对页岩气藏开发方式产生污染的担忧，许多国家的页岩气开发都受到了一定的阻碍，尤其是在欧洲，以法国为首的德国、捷克、比利时和保加利亚等欧盟多国颁布了开采禁令，这要求我们积极探索一种对环境污染小的页岩气藏高效开发方式，来满足经济发展对能源的需要。1.2国内页岩气资源分布及开发现状2012年3月1日，国土资源部公布了全国页岩气资源评价结果：我国陆上页岩气地质资源量134.42万亿立方米，技术可采资源量25.08万亿立方米（不含青藏区），优选出页岩气有利区180个，划分页岩气勘探开发规划区36个。我国富有机质页岩分布广泛，中国中南部的四川盆地和新疆塔里木盆地等发育海相页岩，其储量丰富，占我国页岩气藏储量的70%左右，具有较好的储层品质， 被认为是最有前景的两个开发地区。华北地区、准噶尔盆地、吐哈盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地和松辽盆地等广泛发育陆相页岩，储层品质并不有利但规模庞大，具备页岩气成藏条件，资源潜力较大。据专家预测，页岩气可采资源量为25.2万亿立方米，超过常规天然气资源。图3中国大型页岩气盆地和输油管道系统来源：AdvancedResourcesInternationalInc,USGS目前我国页岩气开发还处于起步阶段，没有形成大规模的商业性开采，主要开采范围为四厂长宁-威远地区。由于国内水力压裂技术还不成熟，主要采用对外合作的方式进行开采。2007年10月，中国石油与美国新田石油公司签署了《威远地区页岩气联合研究》的协议，2009年又与壳牌公司在重庆富顺一永川区块启动合作勘探开发项目，2009年12月18日中石油第一口页岩气井—威201井开钻。2010年1月中国石化宣布与英国石油公司(BP)在贵州凯里、苏北黄桥等地着手合作开采页岩气，2010年6月23日中石化江汉油田建南地区首口页岩气井建111井于完钻并试采成功，2011年1月，我国第一口页岩气水平井威201-H1井开钻，9月5日开始试采，产量约为1.2×104m3/d。2014年2月，中国石油化工股份有限公司南方勘探分公司在黔北地区钻探出一口深部高产页岩气预探井2HF号，经测试，日均产气4.3万立方米，日产气量最高可达10.5万立方米，初步证明了黔北地区深层下志留统龙马溪组下部为页岩气富集区。2014年2月12日，由胜利西南钻井公司70691井队承钻的南页1HF井顺利完钻，南页1HF井是华东油气田一口在南页1井导眼井基础上开窗侧钻的水平预探井，完钻井深5820米，水平段长度1103米，水平位移1484米，是中国石化迄今为止第一口完钻深度超过5800米的页岩气水平井。2014年，中石化原计划新开钻水平井口数84口，但是由于技术的成熟，钻井成本的下降，中石化拟增加新开钻水平井达100口，但是，根据预测，我国要达到2020年生产目标，至少需要打2万口水平井，因此，国内目前的井数还远远不够。 国内目前的国内页岩气开采主要受管理模式、技术水平、经验不足、地质环境、水资源短缺、配套设施不足等条件的制约，需要多方面共同努力，才能使我国页岩气开发加快。第2章页岩气物性研究2.1页岩气储层岩石物性研究2.1.1页岩物性页岩是具有薄页状或薄片层状页理的一种泥质岩，主要由伊利石、高岭石等粘土矿物组成，含有石英、长石、云母碎屑，以及其他自生成分，如方解石、黄铁矿、藻类、植物和动物的有机碎屑等。页岩气储层通常是页岩和泥岩同时存在，页岩和泥岩都是页岩气赋存的载体，可将天然气在其中进行生、储、聚、保等成藏作用的岩石合称为泥页岩。页岩气藏分为陆相沉积和海相沉积，陆相沉积环境主要为湖泊、滨浅湖地带、半深湖-深湖，沉积物多为细粒泥页岩，粘土含量相对较高，成岩程度不高，可压性差。由于具有层理特征，页岩呈现显著的力学各向异形。何沛田等[[]何沛田,黄志鹏.层状岩石的强度和变形特性研究[J].岩土力学,2003,24(增):1-5.]、王倩等[[]王倩,王鹏,项德贵等.页岩力学参数各向异性研究[J].天然气工业,2012,32(12):62-65.]及徐敬宾等[[]徐敬宾,杨春和,吴文等.页岩力学各向异性及其变形特征的试验研究[J].矿业研究与开发,2013,33(04):16-19.]通过室内实验对页岩的力学性质进行了研究，得到页岩沿结构面可看做是横观各向同性介质，垂直层理方向的弹性模量和泊松比小于平行层理方向的弹性模量和泊松比，弹性模量、泊松比随层理倾角变化，根据垂直和平行层理面的弹性常数可以确定任意方向上的弹性模量和泊松比。页岩层理产状对井壁稳定、裂缝形态和裂缝延伸规律都有影响，在钻完井设计中具有重要的意义。目前层理对页岩气储层渗透率和气体流动的影响尚未有研究。2.1.2孔隙结构测定泥页岩孔隙可分为有机质孔隙和无机孔隙。无机孔隙主要由、不稳定矿物(如长石、方解石)溶蚀形成的溶蚀孔组成，残余原生孔隙大小受泥页岩颗粒形状、颗粒排列方式和压力影响，孔隙随压实程度的加大呈指数降低，孔径范围在200～500nm之间[[]郭平等,页岩气藏储层特征及开发机理综述[J].地质科技情报,2012(06):118-123.]。王正普等[[]王正普,张荫本.志留系暗色泥质岩中的溶孔[J].天然气工业,1986,6(2):117-119.]对川东及邻区志留系龙马溪组暗色泥质岩观察时见有发育的溶孔，次生溶蚀孔隙的孔径多数在0.01～0.05mm，少数在0.05～0.60mm，碳酸盐含量在10%~30%时最易形成高孔段。有机质孔隙受有机质含量和演化程度影响，气体生成过程会消耗一部分有机质，增加机质中微孔隙 数量，提高孔隙度。有机物（干酪根）的孔隙主要由微孔隙（孔径小于2nm）和中孔隙（孔径介于2～50nm之间）组成，平均孔径小于5nm[[]SondergeldCH,AmbroseRJ,Micro-structuralstudiesofgasshales[C].Anon.PaperSPEUnconventionalGasConference.Pittsburgh,Pennsylvania,USA:[s.n.],2010.],[[]NelsonPH.Pore-throatsizesinsandstones，tightsandstonesandshales[J].AAPGBulletin,2009,93(3):329-340..]；页岩孔隙度范围一般在2%～15%之间。Jarvie等人[[]JARVIEDM,HILLRJ,RUBLETE,etal.Unconventionalshale-gassystems:theMississippianBarnettShaleofnorth-centralTexasasonemodelforthermogenicshale-gasassessment[J].AAPGBulletin,2007,91(4):475-499.]研究发现页岩在生烃演化过程中消耗35%的有机质可使页岩孔隙度增加4.9%，有机微孔的直径一般为0.01~1μm。测量页岩气孔隙度方法较多，但是影响孔隙度测量有效性因素[[]魏明强等,页岩气藏孔渗结构特征和渗流机理研究现状.油气藏评价与开发,2011(04):73-77.]也较多，如：氦、氮、甲烷气体以及汞、水等液体在页岩孔隙中的存储问题；页岩基质表面气体解吸；岩样尺寸、破碎方法以及破碎岩样重量，孔隙压力和超荷净重压力对微裂缝产生影响等。由于页岩孔隙结构的复杂性，对常规测量和描述其结构特征方法提出了挑战。测定页岩纳米孔隙的手段分为间接测量方法（离心法、半渗透隔板法、压汞法和气体吸附法等）和直接观察方法（铸体技术、高分辨率显微镜等）。高分辨率显微镜如扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜（TEM）、扫描式声波显微镜（SAM）等可以直接观察岩心的孔隙结构，并采用数字岩心技术，形成可视的三维孔隙模型，其利用微观模拟模型可以模拟岩心中的孔隙大小分布、孔隙的网络拓扑结构等[[]BoliviaVega,JoyC.Andrews,YijinLiu,JeffGelbandAnthonyKovscek.NanoscaleVisualizationofGasShalePoreandTexturalFeatures[C].SPE168825,2013.]。高分辨率显微镜虽可观察到纳米级孔隙，但在测定孔隙大小分布时，统计代表性较差，测定时间较长，应用较为局限。压汞法与气体吸附法可以测得页岩的孔隙大小分布，有效地反映页岩样品的非均质性，前者可以有效反映页岩中纳米孔隙的分布，后者可以反映页岩较大孔隙甚至微裂缝的信息，但在测量时很难保证实验气体与孔隙不发生任何物理现象，导致实验结果发生偏差。2007年，F.Javadpour[[]F.Javadpour,D.Fisher,M.Unsworth.NanoscaleGasFlowinShaleGasSediments[J].JCPT,2007,46(10):55-61.]在145MPa高压下获得了页岩岩样压汞曲线，得出页岩孔喉直径一般在10-3.2～101.2μm。2010年，C.H.Sondergeld和Newsham[[]CHSondergeld,KENewsham,MCRice,CSRai.PetrophysicalConsiderationsinEvaluatingandProducingShaleGasResources[C].2010,SPE131768.]根据有机质含量，流体密度等测井结果提出了页岩有效孔隙度计算式。2010年，C.H.Sondergeld观察了高放大倍数下的页岩样品SEM图像，发现孔隙直径达300-800nm[[]SondergeldCHandAmbroseRJ.Micro-structuralstudiesofgasshales[C].SPE131771,2010.]。2011年，邹才能[[]邹才能等,中国油气储层中纳米孔首次发现及其科学价值.岩石学报,2011(06):第1857-1864页.]利用场发射扫描电镜技术与Nano-CT技术，在对四川盆地须家河组、鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩油气储层与四川盆地志留系页岩气储层孔隙结构的研究中，首次在中国发现了小于1μm的纳米级孔隙新类型，认为页岩气储层纳米级孔隙以有机质内孔、颗粒内孔及自生矿物晶间孔为主，孔隙直径范围5～300nm，主体为80～200nm。2012年，陈尚斌[[]陈尚斌等,川南龙马溪组页岩气储层纳米孔隙结构特征及其成藏意义.煤炭学报,2012(03):第438-444页.]运用氮气吸附法对龙马溪组页岩纳米孔隙结构进行了测定以及特征的分析，认为黏土矿物含量和脆性矿物含量分别与孔体积和孔比表面积之间没有显著的相关关系，而TOC与孔体积和比表面积间呈现较为显著的正线性关系，TOC含量是影响纳米孔隙体积的主要因素。2012年，田华等[[]田华等,压汞法和气体吸附法研究富有机质页岩孔隙特征.石油学报,2012(03):第419-427页.]联合利用压汞法与气体吸附法对中国典型海相和湖相页岩孔隙进行测定。国内一些学者，通过对我国页岩孔隙度的测定，得到了一些储层的孔隙度范围：资2井筇竹寺组黑色粉砂质页岩样品物性分析孔隙度分布在1.0%~2.5%， 平均孔隙度为1.58%，资3井硅质页岩的孔隙度为0.12%~0.70%，威001-2井筇竹寺组页岩储层的测井孔隙度在0.69%~3.08%，平均值为1.64%，渗透率在0.001，~0.11mD，平均值为0.019mD[[]王世谦,陈更生,董大忠,等.四川盆地下古生界页岩气藏形成条件与勘探前景[J].天然气工业,2009,29(5):51-58.],[[]程克明,王世谦,董大忠,等.上扬子区下寒武统筇竹寺组页岩气成藏条件[J].天然气工业,2009,29(5):40-44.]。阳深2井龙马溪组测井解释孔隙度一般为1.0%~5.0%[[]蒋裕强,董大忠,漆麟,等.页岩气储层的基本特征及其评价[J].天然气工业,2010,30(10):7-12.]。2.2页岩气储存状态页岩气的来源是页岩中的有机质，首先有机质经历生物降解阶段，形成生物成因气，并储存在源岩内，随着地层温度的不断升高和压力的增加，有机质进入热裂解阶段，生成热解成因气。根据这两个阶段生成气量的多少，页岩气的成因主要有生物成因型、热裂解成因型2种类型及其混合类型[[]姜福杰,庞雄奇,欧阳学成,等.世界页岩气研究概况及中国页岩气资源潜力分析[J].地学前缘（中国地质大学（北京）；北京大学）,2012,19(02):198-211.]。生物成因型的页岩气藏主要由甲烷和二氧化碳组成，如美国Michigan盆地的Antrim页岩气藏是典型的微生物降解成因气，其主要由甲烷和二氧化碳组成，甲烷含量高达85%以上[[]MartiniAM,WalterLM,KuTCW,etal.Microbialproductionandmodificationofgasesinsedimentarybasins:AgeochemicalcasestudyfromaDevonianshalegasplay,Michiganbasin[J].AAPGBulletin,2003,87(8):1355-1375.]；而热裂解成因的页岩气藏主要由由甲烷和部分高碳链烷烃组成，如美国FortWorth盆地Barnett页岩气藏，其甲烷含量仅有45%~50%，而乙烷和丙烷含量占20%以上[[]MartiniAM,WalterLM,MclntoshJC.IdentificationofmicrobialandthermogenicgascomponentsfromUpperDevonianblackshalecores,IllinoisandMichiganbasins[J].AAPGBulletin,2008,92(3):327-339.]。国内柴达木盆地第四系页岩气藏属于生物成因型，四川盆地三叠系和松辽盆地白垩统的页岩气藏属于热解成因型。页岩气储层属于自生自储类型气藏，产生气体的有机质和储存气体的页岩孔隙同时存在导致页岩气的赋存形式多种多样，页岩气的赋存形式不仅会影响开发方式的选择，同时还会影响页岩气储量的预测。国、内外已有许多学者对不同区块的页岩气的赋存形式做了深入研究，基本已经达成共识，即气体不仅以吸附态的形式存在于有机质和粘土颗粒表面，还以游离态的形式存在于岩石基质孔隙和裂缝中，同时还有一部分气体以溶解状态存在于干酪根、沥青等物质中。游离气量主要受孔隙度和气体饱和度影响，吸附气量主要受有机质含量和有机质成熟度影响，溶解气量主要受页岩中残留油、沥青质含量的影响。岩石孔隙的容积和孔径分布能显著影响页岩气的赋存形式，页岩基质中纳米孔隙发育，被认为是页岩气的主要储存空间，国内外对纳米孔隙中页岩气的储存状态进行了大量的研究。2002年，Curtis[2]认为吸附作用是页岩气储存的重要形式，吸附气体积可占整个页岩气储量的40%~85%。2007年，Ross等[[]RossDJK,B.R.,ShalegaspotentialoftheLowerJurassicGordondaleMember.BulletinofCanadianPetroleumGeology,2007.55(1):51-75.]发现当孔隙度从0.5%增大到4.2%时，游离态气体的含量从原来5%上升到50%。2008年，Chalmers等[[]Chalmers,G.R.L.andR.M.Bustin,LowerCretaceousgasshalesinnortheasternBritishColumbia,PartII:evaluationofregionalpotentialgasresources.2008.56(1):22-61.]认为孔隙度与页岩的气体总含量之间呈正相关关系，微孔总体积越大，比表面积越大，对气体分子的吸附能力也就越强，主要是由于微孔孔道的孔壁间距非常小，吸附能要比更宽的孔高，因此表面与吸附质分子间的相互作用更加强烈，2009年，KrishnaR[[]KrishnaR.DescribingthediffusionofguestmoleculesinsideporousStructures[J].J.Phys.Chem.C.,2009,113:19756-19781.] 研究表明气体活动的体积大小依赖于孔隙的大小，且存在于孔隙的中心部位，这个部位是分子间以及分子与孔隙壁间相互作用力影响最弱，或者可以忽略不计的区域；孔径小于2nm的孔隙内，没有足够的运动空间，CH4分子通常在孔隙壁作用力场影响下处于吸附状态，其本质是由于孔隙壁效应和分子穿过孔隙时等密度的显示层效应使得在有机质小孔隙中超临界CH4是以结构化方式存在的；直到孔径达到50nm，分子与分子间以及分子与孔隙壁间的相互作用使得气体的热力学状态发生改变，分子在孔隙中发生运动。2011年，王飞宇等人[[]王飞宇,贺志勇,孟晓辉,等.页岩气赋存形式和初始原地气量(OGIP)预测技术[J].天然气地球科学,2011(03):501-510.]认为，页岩气存储状态与气体成因有关，热成因页岩气中游离气含量高，生物成因页岩气主要为吸附气，过成熟页岩中溶解气量很少。页岩渗透率主要影响游离态页岩气的赋存形式。页岩层渗透率越大，游离态气体的储集空间就越大，页岩储层发育有丰富的微裂缝，能够大大增加页岩层的渗透率，聚集相当数量的游离态页岩气。2.3页岩渗流率测定页岩渗透率是表征气体运移能力一个物理量，是影响页岩气井高效开发极为重要的因素。由于页岩气藏渗透率在数量级上远低于常规气藏，测量其渗透率存在许多问题(如传统稳态测试渗透率需要时间长)。在页岩气的开采过程中，随着地层压力的降低，渗透率也会发生动态的变化。由于孔隙直径达到纳米级别，因此除受到吸附气解吸效应影响外还受到纳米级孔隙气体扩散效应影响[[]李治平与李智锋,页岩气纳米级孔隙渗流动态特征.天然气工业,2012(04):50-53.]。目前测量页岩气渗透率常用技术包括原地测试、压力脉冲衰竭及其改良法、压力衰减、解吸测试、压汞曲线分析和破碎岩样法等。1997年，Brace等人[[]JonesSC.Atechniqueforfasterpulse-decaypermeabilitymeasurementsintightrocks.SPEFormationEvaluation,1997.12(1):19-26.]运用压力脉冲衰竭技术，建立了非常规气藏渗透率的测量方法，并证明该方法有效可靠。2011年，Y.M.Metwally等[[]Metwally,Y.M.andC.H.Sondergeld,Measuringlowpermeabilitiesofgas-sandsandshalesusingapressuretransmissiontechnique.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences,2011.48(7):1135-1144.]采用压力传递技术(pressuretransmissiontechnique)测试了页岩的渗透率并讨论了其各向异性。渗透率理论计算主要是利用扩散模型、解吸模型和滑脱系数对渗透率进行修正，建立表观渗透率计算模型。1993年，D.L.Luffel等人[[]LuffelDL,HopkinsCW,SchettlerJr.MatrixPermeabilityMeasurementofGasProductiveShales[C].1993,SPE26633.]运用破碎岩样Langmuir等温吸附方程，提出了页岩渗透率的定量表达式。2009年，F.Javadpour[[]F.Javadpour.NanoporesandApparentPermeabilityofGasFlowinMudrocks(ShalesandSiltstone).JCPT,2009,48(8):16-21.]提出了页岩的表观渗透率并且对表观渗透率与达西渗透率的影响因素进行了研究，但是这个渗透率模型的适用范围比较窄，只适应于气体的滑脱流且缺乏吸附气解吸对渗流的影响。在考虑页岩气解吸的情况下。2012年，李治平等[31]研究了页岩纳米级孔隙中气体流动以及吸附气解吸过程中渗透率的动态变化。2013年，汪吉林等[[]汪吉林等.川东南龙马溪组页岩孔裂隙及渗透性特征.煤炭学报,2013(05):772-777.]通过实验得出，页岩绝对渗透率与应力差和压力梯度呈负指数相关，说明有效应力增大将导致渗透率降低，同时还受到滑脱效应和基质收缩效应叠加作用的影响。目前常用的测量方法不能全面考虑解吸、扩散、滑脱、介质变形对渗透率的影响。由于 储层本身为强烈的非均质且各向异性，储层中含有多种物质成分和孔隙结构，都会对气体的流动产生影响，而物质成分和孔隙结构分布的随机性强，导致在储层不同部位有不同渗透率主方向，因此渗透率的确定非常复杂，需要针对流动的各个阶段和储层物质分布规律来确定。2.4页岩气储层裂缝发育及描述页岩储层岩性致密，渗透率低，因此裂缝网络的规模和连通性对开发效果有重要影响，裂缝网络的检测和描述对合理设计压裂参数，预测单井产能有重要的意义。页岩储层中天然裂缝比较发育，天然裂缝按成因可分为构造裂缝和非构造裂缝，构造裂缝分为高角度剪切裂缝和张剪性裂缝、低角度滑脱裂缝、构造压溶缝合线、垂向载荷裂缝和垂向差异载荷裂缝，特征为尺寸比较大、延伸范围长、裂缝面比较平直、易形成多条裂缝组系。非构造裂缝包括有成岩收缩裂缝、成岩压溶缝合线、超压裂缝、热收缩裂缝、溶蚀裂缝和风化裂缝，特征为形状不规则、不连续、规模小。构造裂缝为气体流动的主要通道，非构造裂缝主要为气体的存储空间，储层压裂改造的主要目的是沟通非构造裂缝和构造裂缝。页岩气储层裂缝检测的手段主要有地质分析方法（岩心、薄片分析法、野外露头调查法）[[]陈定宏,曾志琼,吴丽芸.裂缝性油气储集层勘探的基本理论与方法[M].北京:北京石油工业出版社,1985.]，测井识别方法（常规测井识别、成像测井时别）[[]谭廷栋.裂缝性油气藏测井解释模型与评价方法[M].北京:石油工业出版社,1987.],[[]安丰全.利用测井资料进行裂缝的定量识别[J].石油物探,1998,37(3):119-123.],[[]丁文龙,漆立新,吕海涛,等.利用FMI资料分析塔河油田南部中)下奥陶统储层构造应力场[J].现代地质,2009,23(5):853-859.],[[]WuHaiqing,PollardD.Maging3-Dfracturenetworksaroundboreholes[J].AAPGBulletin,2002,86(4):593-604.]，钻井录井法，地震法[[]MallickS,CraftKL,MeisterJL,etal.DeterminationoftheprincipaldirectionsofazimuthanisotropyfromP-waveseismicdata[J].Geophysics,1998,63(2):692-706.],[[]王延光,杜启振.泥岩裂缝性储层地震勘探方法初探[J].地球物理学进展,2006,21(2):494-501.],[[]蒋礼宏.利用地震资料研究ZJD地区泥岩、泥灰岩裂缝的分布规律[J].江汉石油学院学报,2003,25(2):49-51.]，井间压力干扰试井方法[[]张金功,袁政文.泥质岩裂缝油气藏的成藏条件及资源潜力[J].石油与天然气地质,2002,23(4):336-338,347.]。通过检测手段可以得到裂缝密度、裂缝间距、裂缝长度、裂缝孔隙度、裂缝倾角等参数。在实际应用中，应多种手段相互补充调整。2005年，M.K.Fisher[[]M.K.Fisher,C.A.Wright,B.M.Davidson,etal.IntegratingFracture-MappingTechnologiestoImproveStimulationsintheBarnettShale[J].2005,SPE77441.]等人利用表面测斜成像、井筒测斜成像和微地震成像技术对水力压裂形成的缝网进行了分析，表面测斜成像技术能检测到水力压裂导致的地面倾斜角的变化，来确定水力压裂裂缝的延伸方位和进入裂缝的流体体积，井筒测斜成像技术与表面测斜成像技术原理一样，能确定裂缝延伸的最大长度和上下边界，微地震成像技术能测到裂缝延伸规律，确定各条裂缝的位置和长度。现场检测裂缝成本高、时间长，不可能对整个区块进行检测，国内外发展了一些理论方法对储层裂缝进行预测，主要分为基于构造应力场的曲率法、构造应力场数值模拟预测裂缝技术和基于非线性理论的分型方法、反向传播神经网络、灰色关联方法。构造应力场方法主要用于识别构造裂缝。分型理论在实际计算中有相似维数、网格覆盖法与关联维数3种方法，网格覆盖法应用最为广泛。1998年，杜小武等[[]杜小武,尚海燕.分形插值方法在地层裂缝预测中的应用[J].西安电子科技大学学报,1998,25(2):174-176.]还利用分形插值方法对井间裂缝进行预测，利用地震资料得到的宏观地质特征和断层信息通过分形插值预测微观裂缝形态和分布特征，还可以利用声波时差资料计算分维数，对声波测井进行变尺度R（分维数）/S（分形数）分析，确定R（n）/S（n）曲线的斜率H，最终确定分维数D=2-H。2007年，王自明[[]王自明,宋文杰,戴勇,等.利用分形模拟建立裂缝型碳酸盐岩储层渗透率变异函数[J].天然气工业,2007,27(11):73-75.]都曾利用分形方法对断裂、裂缝进行识别和预测。灰色关联方法是 通过建立裂缝已知因素（测井、地震、评价标准等参数）与未知参数裂缝发育程度的灰色系统，利用多参数裂缝评价模型求得灰关联度来识别和预测裂缝[[]李琼,李正文,魏野.同铁构造嘉陵江组储层裂缝非线性预测与分析研究[J].矿物岩石,2004,24(2):78-81.]。2009年，Xu等[[]XuWenyue,ThiercelinM,WaltonI.Characterizationofhydraulically-inducedshalefracturenetworkusingananalytical/semi-analyticalmodel[C].2009,SPE124697]提出了表示复杂裂缝形态的线网模型（wire-mesh），认为页岩气藏水平井压裂产生的裂缝网络是沿井筒对称的椭球体，通过将该椭球体划分为数条正交的水平、垂直均匀截面来描述高渗裂缝。线网模型计算时应用岩石力学方法考虑了压裂过程中裂缝椭球体的实时扩展，考虑了施工参数的影响，并计算了支撑剂在裂缝中的分布情况。泄流区域呈椭圆形，有两组垂直正交的裂缝分别平行于椭圆平面上两个主应力（σｈ、σＨ），为避免裂缝间距的主观性，dx、dy依据实际测试数据确定，椭圆的长短轴ａ和ｂ以及高度ｈ由微地震结果给出。2011年，Weng等[[]WengX,KresseO,CohenC,etal.Modelingofhydraulicfracturenetworkpropagationinanaturallyfracturedformation[C].2011,SPE140253.]提出了非常规裂缝扩展模型（UFM-unconventionalfracturemodel）。该模型为数值模型，能够模拟天然裂缝和人工裂缝之间的相互作用，建立了裂缝端部扩展准则，考虑了压裂液的一维流动、支撑剂的输送和裂缝宽度的弹性变形，通过计算应力阴影考虑相邻人工裂缝间的相互作用；采用三层模型模拟支撑剂输送，从底至上依次为支撑剂，混砂液和压裂液。非常规模型比线网模型提供了一种更为精确预测裂缝分布、几何形态和支撑剂分布的方法，充分考虑了储层岩石力学性质以及不规则的裂缝形态，有助于更好地了解天然裂缝对于预想的人工裂缝几何形状和对产能的影响，模型的计算结果可以通过微地震监测进行校正。第3章页岩气渗流规律3.1页岩气微观渗流机理3.1.1吸附、解吸现象的研究页岩气的吸附和解吸附对页岩气含气量分析和渗流机理研究中都有重要影响，含气量分析是求静态吸附气量，渗流机理是分析动态气体解吸过程。页岩气藏气体吸附能力和诸多因素有关，为此国内外学者开展了大量研究。影响页岩吸附气体能力的因素主要有机碳的含量TOC、镜质体反射率Ro、矿物和有机质种类以及温度和压力等。2008年，Chalmers等[[]ChalmersGRL,BustinRM.LowerCretaceousgasshalesinnortheasternBritishColumbia,PartⅡ:Evaluationofregionalpotentialgasresource[J].BulletinofCanadianPetroleumGeology,2008,56(1):22-61.]发现温度与气体吸附能力成负幂指数关系，随着温度的升高，气体吸附能力迅速降低，其影响远大于有机碳含量的影响，在温度低于30℃时,有机碳含量的影响几乎可以忽略。2012年，熊伟[[]熊伟等,页岩的储层特征以及等温吸附特征.天然气工业,2012(01):113-116.] 等进行等温吸附试验发现，页岩的吸附能力与页岩的TOC和Ro密切相关，随着页岩TOC以及Ro的提高，页岩的吸附能力增加；当页岩的TOC相近时，页岩的Ro越高，吸附能力越强；当页岩的Ro相近时，页岩的TOC越高，页岩的吸附能力越强。2012年，张志英等[[]张志英与杨盛波,页岩气吸附解吸规律研究.实验力学,2012(04):492-497.]通过实验得到，吸附量随有机碳含量的增加而增大；随压力的增加吸附量增大，而随温度的增大吸附量减小。薛海涛等[[]薛海涛等,烃源岩吸附甲烷实验研究.石油学报,2003(06):45-50.]对灰岩、泥岩、Ⅰ型干酪根、Ⅱ型干酪根等4种样品在不同温度（25~150°C）、压力（1~32MPa）条件下对甲烷的吸附量进行了测定，发现泥岩的吸附量大于灰岩，干酪根的吸附量远大于泥岩和灰岩，吸附量随温度的升高而降低，随压力的升高而增加。1995年，Lu等[[]Lu,X.,F.LiandA.T.Watson.AdsorptionmeasurementsinDevonianshales[J].Fuel,1995.74(4):599-603.]对美国的二叠系页岩进行吸附研究，得到了包含温度与压力2个参数的Bi-Langmuir模型，同时发现不同的温度下页岩的吸附能力不一样。黏土矿物类型及含量对气体的吸附也有影响。在吸附现象研究中，等温吸附线(温度一定时，吸附量与气相压力的关系)是表示吸附性能最常用的方式，其形状能很好的反映吸附剂和吸附质的物理、化学相互作用。页岩气的解吸，也就是页岩气开采后气体由吸附态向游离态的转化。解吸是指吸附质离开界面使吸附量减少的现象，为吸附的逆过程。对于页岩气的解吸过程，2012年，郭平等[8]认为页岩气与煤层气的解吸过程存有差异，认为将煤层气解吸测试运用于页岩气藏评价是不合理的。张志英等[54]通过实验发现，在同一温度压力条件下，页岩气体解吸过程相对吸附过程有滞后现象，且解吸不够彻底。2012年，李武广等[[]李武广等,温度对页岩吸附解吸的敏感性研究.矿物岩石,2012(02):115-120.]通过实验得出，升温可以提高页岩气的解吸时间、解吸速度以及提高页岩气最终采收率，并认为页岩气解吸时间和解吸速度不是一个均质过程，需要使用高精度传感器再行测量分析。页岩气的成分不同也会影响解吸附规律。2000年，傅国旗等[[]傅国旗,周理.天然气吸附存储实验研究Ⅰ:少量乙烷对活性炭存储能力的影响[J].天然气化工,2000,25(4):12-14.]通过实验研究发现乙烷、丙烷等碳氢化合物会显著影响活性炭吸附甲烷的能力。2005年，张淮浩等[[]张淮浩,陈进富,李兴存,等.天然气中微量组分对吸附剂性能的影响[J].石油化工,2005,34(7):656-659.]也发现乙烷和丙烷等气体能导致吸附剂吸附甲烷能力降低。页岩的矿物成分也会影响页岩气的吸附，页岩中除含有伊利石、蒙脱石、高岭石等粘土矿物以外，还常含有石英、方解石、长石、云母等碎屑矿物和自生矿物，不同的矿物对页岩气的吸附能力不同。粘土矿物由于具有较高的微孔隙体积和较大的比表面积，吸附性能较强[[]RossDJK,BustinRM.CharacterizingtheshalegasresourcepotentialofDevonian-MississippianstrataintheWesternCanadasedimentarybasin:Applicationofanintegratedformationevaluation[J].AAPGBulletin,2008,92(1):87-125.]。Schettler等[[]SchettlerPD,ParmolyCR.TheMeasurementofGasDesorptionIsothermsforDevonianShale[J].GRIDevonianGasShaleTechnologyReview,1990,7(1):4-9.]、Lu等[56]通过实验研究都认为页岩中的伊利石具有很强的吸附能力，当储层中有机质含量较低时，伊利石对页岩气的吸附作用是保持页岩气吸附态的重要机理。粘土矿物对页岩气的吸附主要靠粘土矿物表面的水层与页岩气形成水合物[[]ChaSB,OuarH,WildemanTR,etal.Athird-surfaceeffectonhydrateformation[J].JournalofPhysicalChemistry,1988,92(33):6492-6494.],[[]OuarH,ChaSB,WildemanTR,etal.Theformationofnaturalgashydratesinwater-baseddrillingfluids[J].ChemicalEngineeringResearch&Design,1992,70:48-54.],[[]Sung-HoP,SpositoG.DoMontmorillonitesurfacespromotemethanehydrateformation?Montecarloandmoleculardynamicssimulations[J].JournalofPhysicalChemistry,2003,107(10):2281-2290.]，在粘土矿物表面，水合物中的甲烷被约12~13个水分子氧和蒙脱石表面的六元环氧原子包围，此时，甲烷分子陷在粘土表面氧六元环中，形成SⅠ型水合物结构[[]CyganRT,GuggenheimS,KostervanGroosAF.Molecularmodelsfortheintercalationofmethanehydratecomplexesinmontmorilloniteclay[J].JournalofPhysicalChemistry,2004,108(39):15141-15149.],[[]TitiloyeJO,SkipperNT.ComputersimulationofthestructureanddynamicsofmethaneinhydrateNa-smectiteclay[J].ChemicalPhysicsLetter,2000,329:23-28.]。碳酸盐矿物和石英碎屑含量的增加，会减弱岩层对页岩气的吸附能力[[]LoucksRG,RuppelSC.MississippianBarnettShale:Lithofaciesanddepositionalsettingofadeep-watershale-gassuccessionintheFortWorthBasin,Texas[J].AAPGBulletin,2007,91(4):579-601.]。JarvieD[[]JarvieD.EvaluationofhydrocarbongenerationandstorageintheBarnettshale,FortworthBasin,Texas[R].Texas:HumbleGeochemicalSericesDivision,2004．]发现烃类气体在无定形和无结构基质沥青体中的溶解作用也能增加气体的吸附能力。 常用的等温吸附函数有Henry线性等温吸附定律、Freundlich指数等温吸附定律和Langmuir等温吸附定律3种。Henry线性等温吸附函数的假设条件是吸附气体为理想气体，仅适用于低压条件下的很小范围内[[]DorrisGM,GrayDG.Adsorptionofn-alkanesatzerosurfacecoverageoncellulosepaperandwoodfibers[J].JournalofColloidandInterfaceScience,1980,77(2):353-362.]，计算公式为。Freundlich指数等温吸附定律也仅在低压条件下的小范围内适用，计算公式为。Langmuir等温吸附定律适用于单分子层等温吸附，其假设条件是压力降和气体解吸附过程同步，系统瞬间达到平衡状态。计算公式为。3.1.2滑脱与扩散效应页岩储层纳米孔隙非常丰富，纳米孔隙既是气体储存的空间也是气体流动的通道，气体分子在地层环境中的分子平均自由程接近流动通道尺寸时，气体运动呈现分子运动状态。当0.00110)，分子与壁面之间的碰撞机会大于分子间的碰撞机会，此时，物质沿孔扩散的阻力主要取决于分子与壁面的碰撞,根据气体分子运动论，可以推导出克努森扩散系数。Fick扩散也叫容积扩散，是当孔隙直径远大于分子平均自由程（0.01