页岩气开采机理研究进展

陈天宇

(东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819)

页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主。页岩气是一种清洁、高效的能源资源和化工原料，主要用于民用和工业燃料，化工和发电等。据统计，世界页岩气的资源量为6361283×1012m3，相当于煤层气和致密砂岩气的总和。主要分布在北美、中亚、中国、中东和北非、拉丁美洲、原苏联等地区[1]。

1821年，美国在纽约泥盆纪富含有机质的Dunkirk页岩中完钻了第一口页岩气井，是最早进行页岩气勘探开发的国家。20世纪30年代，由于认识到了含气页岩存在基质和裂隙双重孔隙结构，Dunkirk页岩储层每年增钻上百至上千口页岩气井，推动着页岩气研究迅速发展。尤其是20世纪80年代以来，由于认识到了页岩气吸附机理，美国页岩气的勘探开发得到了快速发展。北美地区已发现页岩气盆地近30个，发现Barnett等6套高产页岩层，使得在20世纪90年代，含气页岩在美国已达到商业化开采程度，其年产量占据美国主要能源产量的29%[2]。

国外页岩气开发、研究实践表明，页岩气开采机理的准确认识是页岩气得以成功开采的关键，是页岩气储层数值模拟的基础，是研究页岩气赋存、运移、产出规律和确定页岩储层特征、页岩气井作业制度与产量之间关系的有效手段，同时可以作为页岩气资源开发潜力评价和开发方案优化提供科学依据，对于页岩气的开采起着至关重要的作用。

中国是继美国和加拿大之后，正式开始页岩气资源勘探开发的国家。截至2011年底，我国石油企业开展了15口页岩气直井压裂试气，其中9口见气。虽然页岩气勘探开发取得初步进展，但与常规天然气和煤层气相比，我国页岩气勘探开发仍处于起步阶段，未进入生产阶段，其根本原因在于中国系统、深入的页岩气开采机理研究还非常薄弱。现有的研究多集中于页岩气勘探和选区评价[3-6]，致使目前的开采机理研究严重滞后于勘探生产实践。鉴于此，本文从页岩气储层概念化物理模型、页岩气开采理论模型、页岩气开采模拟技术三个方面展开深入分析，对国内外页岩气开采机理的研究进行总结和分析，以期为我国页岩气开采机理研究提供参考。

1 页岩气储层概念化物理模型研究

合理的页岩储层概念化物理模型是开展页岩气开采理论研究的基础。页岩为多重孔隙、裂隙系统岩石，根据页岩的不同微观结构可建立不同的含气页岩概念化物理模型。

针对页岩储层建模的问题，很多学者针对不同微观结构的储层提出了相应的方法。Kucuk 和Sawyer(1980)、Carlson和 Mercer(1991)、Ozkan、Raghavan和Apaydin(2010)、Leahy-Dios、Das、Agarwal等(2011)分别利用双孔单渗、双孔双渗模型描述页岩储层[7-10]。在这些模型中，储层被划分为两种介质，一种是具有高孔隙度、低渗透率的基质块，一种是低孔隙度、高渗透率的裂隙网络。基质与基质之间无流体交换，基质与裂隙之间、裂隙和裂隙之间存在流体交换。这类模型常假设基质系统中无自由气体，裂隙系统无吸附气体；且常假设从有机质到裂隙中的流体可以忽略，因此可以将有机质和基质合并为一个区域。

虽然这种页岩的建模方法已得到普遍认可，但是Reeves和Pekot 2001年发现采用上述双重介质模型进行有限储层的生产数据预测时，常出现预测气产量过高，水产量过低的问题。而且从历史拟合中得到的储层参数，常和测量到的渗透率、气体吸附数据不符合[11]。

实际低渗透页岩中高产气量暗示一部分产气量来自页岩基质。部分气体分子在基质内以自由气体状态存在，把这部分气体合并在基质中的吸附态，或者合并在裂隙中的游离气体中，都不能正确的反应这部分气体对生产的影响。将这部分气体合并在裂隙中，导致预测产气量过高；合并为基质孔隙中的吸附态，导致预测产量过低，因此要求储层物理模型中具备除孔隙系统和裂隙系统外的第三套多孔系统的存在。

根据Wang和Reed (2009)的观察，页岩气储层可以抽象为三孔概念模型[12]。三孔概念模型将双孔模型中每个基质单元概念化为由纳达西渗透率组成的次基质及其次基质周围的微裂隙网络和大孔组成。每个基质块可以认为是双重孔隙基质。次基质由微孔有机质和非有机物质组成，在其中的气体流动机理主要是扩散和解吸。采用这种概念模型，需要扩展已有的瞬态和拟稳态双孔模型，以解释第三套多孔系统。Dehghanpour和Shirdel (2011)年认为如果考虑水力裂隙作为气体流通到井筒的主要通道，整个系统可以描述为四孔模型[13]。程远方、董丙响、时贤等(2012)借鉴了适用于非常规煤层气藏的双重孔隙介质模型和考虑溶洞情况的三重孔隙介质模型，建立页岩气藏三孔双渗模型[14]。

我国含气页岩沉积环境复杂，含气页岩沉积成因以及相应的矿物成分与国外含气页岩均有所不同，由此导致其孔隙、裂隙系统也与国外储层有所不同，我国页岩气开采机理的正确认识必须首先建立适合中国页岩气储层岩石微观结构的物理模型。

2 页岩气开采理论模型研究

页岩气开采理论研究早期，国外学者提出了解析和半解析方法以模拟页岩气储层内的流体流动。Gringarten(1971)和Standord(1974)发展了一些早期的通过单垂直裂隙和单水平裂隙的流体流动解析模型[15-16]，Blasingame和Poe(1993)改进了单垂直裂隙半解析模型[17]。Bello和Wattenbarger(2008)、Ilk和Blasingame(2008)、Anderson、Nobakht和Moghadam(2010)也提出了相关的解析和半解析模型[18-20]。Morales和Navarro(2012)，基于美国主要页岩气盆地的统计分析，建立了一个综合的储层模拟模型[21]，这类预测主要依据对参数的正确获得，使得产气量可以被准确预测。

尽管这些模型比数值模拟计算速度快，但是由于这些解析方法用拟压力函数将非线性综合在气体粘度、压缩系数和压缩因子中，而不是真正的求解真实气体流动方程，导致这些经验模型不能正确处理页岩气储层的高非线性行为。另外还存在其他限制，例如不能正确反映气体从基质的解吸过程、多相流体流动、多尺度各向异性、非理想复杂的裂隙网络等特性。

随着对页岩气产出机理的不断探索，出现了描述甲烷在页岩中赋存、流动规律的理论，主要为线性渗流理论、扩散理论、吸附理论，其中吸附理论还包括即时吸附理论和时变吸附理论。即时吸附模型的孔隙体积为常规定义中的孔隙体积，吸附解吸过程在基质孔隙系统中用源汇项来代表。在时变吸附模型中，模拟单元在孔隙中包含自由气体，在页岩岩石中包含吸附气体。岩石由模拟单元代表，孔隙体积由连接模拟单元代表。岩石单元内不允许达西流动。常规单元的孔隙体积现在代表岩石体积，岩石体积中虚构的微孔空间流动由扩散流动方程描述。

Michel、Sigal和Civan (2011)利用改进的运移方程，描述非达西渗透介质的气体流动，这个方法考虑了分子在孔隙壁的碰撞，对所有流动状态都有效，这写流动状态包括了达西流、滑脱、转移、自由分子流动[22]。

页岩气储层岩石致密，孔喉半径多为10nm和1μm左右，纳米级的孔喉直径导致了非达西流动。Soeder(1986)采用了7448.5ft深围压为3000psi的页岩试样进行了渗透试验测定。气体渗透率在1000psi时为19.6μD，80psi时渗透率增至54μD[23]，表明气体分子自由路径和滑脱效应随孔隙压降低而增加。同时说明了页岩中气体流动存在非线性渗流阶段，因此必须将滑脱效应引入页岩产出理论中。

Andrade、Civan和Devegowda (2010)修正了不适用于页岩储层三个假设：①系统的即时平衡；②流体运移完全通过达西定律描述；③相对渗透率不依赖与流动速率。利用毛管平衡理论、润湿性理论、结合数学模型：平衡方程、达西定律、毛管力边界条件、饱和度端点标定、Civan边界条件、相对渗透率和毛管力(均作为有效饱和度函数)建立了不做上述三个假设的数学模型[24]。

Freeman、Moridis 和Blasingame (2010)用干气模型结合各类扩散模型描述了页岩中的非达西流动，认为页岩气在储层中的流动机理中存在克林肯伯格效应。随后，Freeman将干气模型代入TOUGH代码，检验了低渗透下努森扩散对流动气体组分的影响[25]。

Freeman、Moridis (2010)建立了可以解释页岩气各种生产特性的数学模型，该模型对于存在水力裂隙的压裂水平井，裂隙中流体流动采用Forchheimer定律。模型中综合考虑了滑脱效应，产量对压力的依赖性，多组分扩散、努森流动、解吸对产气量的影响，同时考虑了水的出现带来的相对渗透率和润湿性，以及气体溶解和相体改变[26]。

李晓强、周志宇、冯光等对含气页岩基质中流体的流动进行了详细的描述，改进了压裂页岩气藏的产能模型[27]。

于荣泽、张晓伟、卞亚南等(2012)描述了页岩气在页岩储层中流动的解吸附、扩散和渗流过程，分析了相应的影响因素和适用条件[28]。

李亚洲、李勇明、罗攀等(2013)考虑了基质颗粒间存在的游离气，在模型中引入了基质孔隙系统中的流动，建立了相应的页岩气渗流方程[29]。

现有的页岩气开采理论研究多只基于气体在储层中的流动规律建立模型，较少考虑到地应力对含气页岩流动的影响。中国含气页岩储层埋深较大，其所处的应力环境较为复杂，地应力引起页岩气储层岩石的孔隙度和渗透率均发生变化。在开采过程中，随着页岩气的产出，储层中的气体压力降低，使得骨架所承受的有效应力增加，页岩气储层被压缩产生变形，其孔隙度和渗透率随之降低，渗透率的改变使得产量发生变化。中国页岩气开采机理的研究必须考虑地应力的影响，建立适合中国页岩气开采机理的理论模型。

3 页岩气开采模拟技术研究

美国斯伦贝谢公司建立了New Albany页岩储存运移的概念模型，New Albany页岩有机质中含有吸附气，基质中含自由气，裂隙中含有自由水。所设计的页岩气产能数值模拟求解软件，先模拟基质、裂隙中吸附气体、自由气体的吸附和运移，利用即时基质运移模型描述气体从基质运移到裂隙的物理过程。一旦气体进入裂隙系统，软件开始计算裂隙中气、水饱和度和气、水流动规律。

美国犹他大学开发的软件Advanced Reactive Transport simulator(ARTS)[30]基于离散裂隙网络建模方法，可以模拟油、气采收过程，包括注水、蒸汽驱、二氧化碳注入、蒸汽辅助重力驱方法。在ARTS中，岩土力学模块是单独的模块，该模块的信息可以通过内置数据传递与其他模块共享。ARTS包括流动模块(含黑油模型)、热模块、多孔弹性岩土力学模块。黑油模型的控制方程为质量守恒方程。热模块中控制方程为能量守恒方程和质量守恒方程。平衡方程采用岩土中常规平衡方程。并采用有效应力原理描述孔隙压力的改变。采用多孔弹性模型作为默认的应力-应变本构模型。考虑了温度应力，将温度应力作为一个附加项。岩土力学模型没有特别的裂隙模型，因为所有的裂隙信息从离散裂隙网络中被集合在压力信息中。软件中假设岩石为静力状态，即裂隙可以改变，但是不扩展。采用有限元方法求解岩土力学控制方程。

在ARTS中耦合参数为孔隙度和渗透率，孔隙度和渗透率为体积应变的函数，用这些方程将变形和应力的改变引入流体流动模型中。

在ARTS中，有弱耦合和强耦合两种方法。弱耦合方法，岩土力学的计算在外部进行，如利用3DEC在外部计算，然后将计算结果做成关系表或者函数，输入以修改储层物理属性，再利用这些关系表或者函数进行流体计算。强耦合则在内部求解岩土力学问题，流体部分和岩土力学部分可以同时求解，也可以分开求解。

斯伦贝谢商业软件Eclipse中存在页岩气模拟模块。在这个模块中假设一些气体吸附在页岩表面，另外一些气体作为自由气体赋存在基质孔隙结构内。认为基质含气、不含水，裂隙含气、水。拥有即时吸附和时变吸附两种吸附模型。

Zuber、Frantz和Gatens (1994)正确描述页岩生产的求解器包括以下几方面：①介质和裂隙双重结构；②基质流体非稳态流动特征；③基质中包含吸附和自由气体；④裂隙系统中气、水两相流动。据此开发了SHALEGASTM软件[31]，软件求解也是一旦气体进入裂隙系统，调用裂隙系统中的气、水饱和度。其内部模型和煤层气相似。

德克萨斯A&M大学基于TOUGH+模拟器开发了非常规气体模拟器TAMSIM[32]。

Fan、Thompson 和Robinson (2010)开发了三维、组分、动态的页岩气储层模拟器。具有双孔双渗储层模型，可以描述通过基质和自然裂隙、诱导裂隙中的气体流动。模拟器可以利用达西定律模拟自由气体流体、利用解吸模拟页岩基质中的流体流动[33]。

尽管存在了一些可以模拟页岩气开采的商业软件，这些商业软件中存在一些不适合模拟纳米孔隙含气页岩的假设，如即时毛管平衡假设、甲烷运移完全通过粘性流动定律即达西定律来描述。这些假设导致模拟结果不能正确预测产水量，不能合理地处理气体运移速率与时间的关系，不能正确模拟气体产出以及预测水的递减率。且目前的商业软件，除了ARTS，其余均不考虑开采过程中的地应力作用。但是ARTS软件没有考虑低渗透页岩储层中的非线性流动行为、且采用了均质的假设。

4 结语

准确认识页岩气开采机理是页岩气得以成功开采的关键，国外对页岩气开采机理的研究相对较多，国内对于页岩气开采机理的研究仍处于起步阶段。

1)合理的页岩储层概念化物理模型是开展页岩气开采理论研究的基础。我国含气页岩沉积环境复杂，含气页岩沉积成因以及相应的矿物成分与国外含气页岩均有所不同，其孔隙、裂隙系统也与国外储层有所不同，我国页岩气开采机理的正确认识必须首先建立适合中国页岩气储层岩石微观结构的物理模型。

2)现有的页岩气开采理论研究多只基于气体在储层中的流动规律建立模型，较少考虑到地应力对含气页岩流动的影响。中国含气页岩储层埋深较大，其所处的应力环境较为复杂，地应力变化致使页岩气储层岩石的孔隙度和渗透率均发生变化。中国页岩气开采机理的研究必须考虑地应力的影响，建立适合中国页岩气开采机理的理论模型。

3)模拟页岩气开采的商业软件中存在一些不适合模拟纳米孔隙含气页岩的假设，这些假设导致模拟结果不能正确预测页岩气产量。必须结合中国含气页岩储层的实际情况，基于适合中国页岩气开采机理的理论模型，发展相应页岩气开采的数值模拟技术。

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