陳 勉， 葛洪魁， 趙金洲， 姚 軍

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

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

為更好地指導(dǎo)我國(guó)頁(yè)巖氣資源高效開發(fā)，在概述我國(guó)頁(yè)巖氣資源和開采現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從地質(zhì)特征預(yù)測(cè)、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(guó)頁(yè)巖氣開采面臨的工程地質(zhì)難題，指出頁(yè)巖非線性工程地質(zhì)力學(xué)特征與預(yù)測(cè)理論、多重耦合下的頁(yè)巖油氣安全優(yōu)質(zhì)鉆井理論、頁(yè)巖地層動(dòng)態(tài)隨機(jī)裂縫控制機(jī)理與無水壓裂技術(shù)、頁(yè)巖油氣多尺度滲流特征與開采理論等是需要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵理論問題，鉆采過程中頁(yè)巖儲(chǔ)層物理力學(xué)化學(xué)特征演化規(guī)律與數(shù)學(xué)表征，多場(chǎng)耦合條件下非連續(xù)頁(yè)巖與鉆井完井流體作用機(jī)理，頁(yè)巖地層動(dòng)態(tài)隨機(jī)裂縫控制、長(zhǎng)效導(dǎo)流機(jī)制與無水壓裂技術(shù)，頁(yè)巖微納尺度吸附/解吸機(jī)制、尺度升級(jí)及多場(chǎng)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(duì)各前沿關(guān)鍵力學(xué)問題綜述了研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)頁(yè)巖油氣的科學(xué)、有效開發(fā)具有一定的借鑒作用。

頁(yè)巖油氣 鉆井 滲流 儲(chǔ)層改造

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

近年來，中國(guó)在頁(yè)巖氣開發(fā)方面開展了大量工作。2009年，中國(guó)石油在四川威遠(yuǎn)、長(zhǎng)寧、富順、永川等地區(qū)啟動(dòng)了首批頁(yè)巖氣工業(yè)化試驗(yàn)區(qū)建設(shè)；2010年，中國(guó)石油在四川盆地部署的威201井在寒武系、志留系頁(yè)巖中獲工業(yè)氣流[3]；2012年11月，中國(guó)石化在涪陵焦石壩地區(qū)部署的焦頁(yè)1HF井龍馬溪組頁(yè)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(shí)現(xiàn)了我國(guó)海相頁(yè)巖氣勘探的重大突破[4]；2014年，中國(guó)石化在涪陵焦石壩地區(qū)建成了我國(guó)首個(gè)大型頁(yè)巖氣田，初步實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖氣的商業(yè)化開發(fā)。截至2015年9月，中國(guó)石油在長(zhǎng)寧-威遠(yuǎn)、昭通國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)共完鉆108口氣井，其中41口井進(jìn)行了試采，累計(jì)生產(chǎn)頁(yè)巖氣5.6×1012m3，取得了頁(yè)巖氣勘探開發(fā)的重要階段成果，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)多個(gè)第一[5]。雖然我國(guó)在局部地區(qū)頁(yè)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(gè)地區(qū)的開發(fā)效果差異很大，尚未掌握我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)的一般性規(guī)律。中國(guó)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(yè)巖氣勘探開發(fā)先導(dǎo)性試驗(yàn)[6]，除了涪陵焦石壩區(qū)塊獲得突破外，其他區(qū)塊的頁(yè)巖氣井產(chǎn)量不佳，無法實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)。

與美國(guó)頁(yè)巖油氣資源相比，我國(guó)頁(yè)巖油氣的地質(zhì)條件更為復(fù)雜[7-8]、埋藏深度更深、地層年代更老、水資源更匱乏，頁(yè)巖油氣開發(fā)中仍存在諸多重要的問題亟待解決[9]，頁(yè)巖油氣滲流機(jī)理、開采理論認(rèn)識(shí)不清，導(dǎo)致現(xiàn)有的工程設(shè)計(jì)、施工工藝等較大程度上還停留在工程尺度和經(jīng)驗(yàn)?zāi)７聦用妫瑹o法在更廣泛區(qū)域推廣應(yīng)用。筆者基于我國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)實(shí)際，從頁(yè)巖氣開采面臨的工程地質(zhì)難題出發(fā)，詳細(xì)闡述了頁(yè)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(diǎn)及挑戰(zhàn)，提出了頁(yè)巖氣開發(fā)基礎(chǔ)理論、研究方法和設(shè)計(jì)技術(shù)的研究方向，以期為加速我國(guó)頁(yè)巖油氣資源開發(fā)提供指導(dǎo)和借鑒。

1 頁(yè)巖油氣開采面臨的工程地質(zhì)難題

1.1 地質(zhì)條件復(fù)雜，頁(yè)巖儲(chǔ)層物理力學(xué)特征預(yù)測(cè)精度差

我國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層構(gòu)造改造強(qiáng)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(chǔ)層，非連續(xù)的特性決定了現(xiàn)有巖石力學(xué)理論與方法難以準(zhǔn)確反映頁(yè)巖力學(xué)特征。中美兩國(guó)的頁(yè)巖在儲(chǔ)層特征上存在較大差異(見表1)，美國(guó)頁(yè)巖工程地質(zhì)力學(xué)理論與方法不能直接用于我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開發(fā)中。

表1 中美兩國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)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?xiàng)l件復(fù)雜，安全經(jīng)濟(jì)與環(huán)保鉆井難度大

我國(guó)西南地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)鉆井流體的環(huán)保性能要求高。由于頁(yè)巖儲(chǔ)層層理裂隙發(fā)育，具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性和各向異性，毛細(xì)管自吸相關(guān)的微尺度作用顯著，導(dǎo)致鉆井過程中井壁失穩(wěn)頻發(fā)，漏失嚴(yán)重，安全鉆井風(fēng)險(xiǎn)高(如焦頁(yè)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(fèi)用占鉆井總費(fèi)用的10%～40%)，且維護(hù)、處理復(fù)雜，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響大，每口井鉆井成本約4 000萬元，遠(yuǎn)高于國(guó)外的1 600萬元；同時(shí)，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(chǎng)布置難度加大，現(xiàn)有的平臺(tái)式工廠化作業(yè)設(shè)計(jì)、評(píng)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(guó)頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)多為平原地區(qū)，水資源豐富，通過多井能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，我國(guó)西部地區(qū)缺水，南方多山區(qū)丘陵，必須通過全井段儲(chǔ)層縫網(wǎng)體積改造實(shí)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(zhǎng)效導(dǎo)流的要求；水資源匱乏(美國(guó)人均水資源量9 920 m3，我國(guó)只有2 100 m3)，并且我國(guó)頁(yè)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(yè)巖氣開發(fā)對(duì)水資源的巨大消耗和對(duì)地表水系的嚴(yán)重污染。

1.4 頁(yè)巖氣藏復(fù)雜，油氣產(chǎn)能預(yù)測(cè)與方案設(shè)計(jì)針對(duì)性差

頁(yè)巖氣藏具備如下特征[11]：1)頁(yè)巖氣賦存形式多樣，游離氣、吸附氣、溶解氣共存；2)儲(chǔ)存空間復(fù)雜，納米級(jí)有機(jī)質(zhì)粒內(nèi)孔隙、納米—微米級(jí)粒間孔隙、微米—毫米級(jí)微裂縫和厘米級(jí)人工壓裂縫發(fā)育，具有多尺度特性；3)儲(chǔ)層孔滲極低，滲透率納達(dá)西級(jí)別，孔隙度小于10%；4)頁(yè)巖脆性大[12]，壓裂裂縫擴(kuò)展隨機(jī)性強(qiáng)，微裂縫發(fā)育?？梢?，頁(yè)巖氣藏有別于常規(guī)氣藏，導(dǎo)致頁(yè)巖氣解吸-擴(kuò)散-滲流機(jī)理以及滲流規(guī)律異常復(fù)雜，常規(guī)方法難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)頁(yè)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(guó)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(yè)巖儲(chǔ)層明顯有別于砂巖、碳酸鹽儲(chǔ)層，因而頁(yè)巖油氣開采中的許多重要科學(xué)問題尚未解決，嚴(yán)重制約了我國(guó)頁(yè)巖油氣工業(yè)化開采進(jìn)程。目前，我國(guó)頁(yè)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(yè)巖非線性工程地質(zhì)力學(xué)特征與預(yù)測(cè)理論

深部頁(yè)巖的地質(zhì)屬性、力學(xué)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(yè)巖油氣高效開發(fā)的關(guān)鍵因素。深部頁(yè)巖的地質(zhì)屬性具有高度的隱蔽性、不確定性和時(shí)空變異性，需要重點(diǎn)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(yè)巖的跨尺度結(jié)構(gòu)表征方法。就力學(xué)性質(zhì)而言，需要研究復(fù)雜應(yīng)力條件下深部頁(yè)巖的宏細(xì)觀變形破壞機(jī)理和強(qiáng)度特性，建立非連續(xù)頁(yè)巖巖體宏觀力學(xué)特性評(píng)價(jià)的多尺度理論模型；同時(shí)，需要突破峰前的力學(xué)參數(shù)或者峰后的應(yīng)力衰減程度表征頁(yè)巖脆性的局限性，提出科學(xué)的脆性指數(shù)定義，建立相應(yīng)評(píng)價(jià)方法及分析預(yù)測(cè)模型，形成非連續(xù)頁(yè)巖脆度峰后評(píng)價(jià)理論體系。就工程性質(zhì)而言，需要研究深部地層復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境及高精度的測(cè)試方法，揭示具有強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)特征的儲(chǔ)層異常壓力及地應(yīng)力場(chǎng)形成機(jī)制，建立考慮強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)和非線性邊界條件的地層壓力預(yù)測(cè)及地應(yīng)力場(chǎng)反演理論，重點(diǎn)考慮壓裂改造中擾動(dòng)引起的三維應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律，建立頁(yè)巖地層三維地應(yīng)力場(chǎng)形成與壓裂擾動(dòng)引起的應(yīng)力場(chǎng)演化模型?；谏鲜龌A(chǔ)理論，建立地球物理表征模型，為頁(yè)巖油氣高效開發(fā)理論研究提供必要的地質(zhì)力學(xué)模型及相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.2 多重耦合下的頁(yè)巖油氣安全優(yōu)質(zhì)鉆井理論

頁(yè)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(fēng)險(xiǎn)大且成本高，長(zhǎng)水平段鉆井與多級(jí)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(biāo)體的復(fù)雜性、高技術(shù)需求和高成本壓力給頁(yè)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(xué)-化學(xué)及固體-流體等多重耦合作用強(qiáng)烈。為此，需要進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，形成一套頁(yè)巖儲(chǔ)層安全優(yōu)質(zhì)鉆井基礎(chǔ)理論：針對(duì)長(zhǎng)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(zhǎng)和建井成本高等主要技術(shù)難題，需開展頁(yè)巖儲(chǔ)層傷害機(jī)理研究，研發(fā)低傷害環(huán)保型水基鉆井液體系；探索力學(xué)-化學(xué)、固體-流體雙重耦合條件下的井筒失穩(wěn)機(jī)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(jìn)行高壓水射流技術(shù)適用性評(píng)價(jià)，探索高壓水射流鉆井壓裂一體化技術(shù)原理，形成頁(yè)巖儲(chǔ)層新型鉆井完井方式；建立頁(yè)巖水平井工廠化鉆井完井評(píng)估與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

2.3 頁(yè)巖地層動(dòng)態(tài)隨機(jī)裂縫控制機(jī)理與無水壓裂技術(shù)

縫網(wǎng)壓裂改造是實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣商業(yè)化開采的關(guān)鍵，儲(chǔ)層動(dòng)態(tài)隨機(jī)天然裂縫的相互連通是實(shí)現(xiàn)縫網(wǎng)體積改造的必要條件。頁(yè)巖儲(chǔ)層隨機(jī)分布天然裂縫和層理弱面，導(dǎo)致裂縫的起裂特征和動(dòng)態(tài)擴(kuò)展規(guī)律異常復(fù)雜，裂縫形態(tài)難以辨識(shí)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(zhǔn)定位技術(shù)相結(jié)合，揭示頁(yè)巖裂縫的空間起裂和擴(kuò)展行為，為頁(yè)巖縫網(wǎng)壓裂的數(shù)值模擬研究提供基礎(chǔ)。針對(duì)“井工廠”模式的頁(yè)巖儲(chǔ)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(chǔ)層隨機(jī)天然裂縫分布條件下多裂縫間的應(yīng)力場(chǎng)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(kuò)展與控制規(guī)律，建立頁(yè)巖復(fù)雜縫網(wǎng)支撐劑運(yùn)移機(jī)制與長(zhǎng)效導(dǎo)流能力評(píng)價(jià)模型。針對(duì)油氣開采和應(yīng)力擾動(dòng)誘發(fā)的頁(yè)巖氣井初始縫網(wǎng)失效特征，建立應(yīng)力擾動(dòng)與初始縫網(wǎng)條件下的頁(yè)巖重復(fù)造縫理論；同時(shí)，提出頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的無水壓裂新理論，揭示無水壓裂介質(zhì)流變調(diào)控機(jī)制與造縫機(jī)理，研制高性能無水壓裂介質(zhì)體系，建立無水壓裂頁(yè)巖儲(chǔ)層縫網(wǎng)改造體積的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為頁(yè)巖油氣高效開發(fā)提供理論模型。

2.4 頁(yè)巖油氣多尺度滲流特征與開采理論

滲流機(jī)制和數(shù)值模擬方法是油氣田開發(fā)工程的基礎(chǔ)。頁(yè)巖油氣藏儲(chǔ)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(dòng)機(jī)制復(fù)雜，基于連續(xù)介質(zhì)和達(dá)西方程的傳統(tǒng)滲流力學(xué)無法準(zhǔn)確刻畫頁(yè)巖油氣藏的多尺度流動(dòng)機(jī)制。另外，由于頁(yè)巖致密，很難進(jìn)行室內(nèi)流動(dòng)物理模擬試驗(yàn)。為此，亟待研究有效的微觀流動(dòng)數(shù)值模擬方法，揭示頁(yè)巖微納尺度流動(dòng)機(jī)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(yè)巖微納孔隙中的流動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)建立尺度升級(jí)方法，將頁(yè)巖的微觀傳輸性質(zhì)和流動(dòng)模式升級(jí)到宏觀層面，為宏觀數(shù)值模擬、試井解釋、產(chǎn)能評(píng)價(jià)以及潛力預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，由于應(yīng)力對(duì)頁(yè)巖縫網(wǎng)的形成、頁(yè)巖滲流參數(shù)等影響較大，有必要研究應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)耦合的數(shù)值模擬方法，為井工廠的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)模擬及預(yù)測(cè)奠定理論基礎(chǔ)。

3 理論創(chuàng)新難點(diǎn)與挑戰(zhàn)

我國(guó)“十二五”規(guī)劃明確要求“推進(jìn)頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)利用”。大力發(fā)展頁(yè)巖油氣迫切需要解決的理論技術(shù)難題包括：1)深化認(rèn)識(shí)頁(yè)巖工程條件，突破傳統(tǒng)巖石力學(xué)和滲流理論； 2)實(shí)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(zhǎng)效壓裂理論。

3.1 鉆采過程中頁(yè)巖儲(chǔ)層物理力學(xué)化學(xué)特征演化規(guī)律與數(shù)學(xué)表征

深部頁(yè)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(chǔ)層，研究頁(yè)巖的力學(xué)行為、物理化學(xué)特征，是進(jìn)行其他深入研究的基礎(chǔ)。

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

對(duì)于深部非連續(xù)頁(yè)巖而言，缺乏專門針對(duì)頁(yè)巖裂縫、節(jié)理等地質(zhì)特征從細(xì)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(yè)巖間力學(xué)、化學(xué)、流體與固體耦合的相互作用機(jī)理研究。國(guó)內(nèi)外研究巖體節(jié)理裂隙的模型有3大類：力學(xué)模型、幾何模型和幾何力學(xué)模型。由于結(jié)構(gòu)面發(fā)育的隨機(jī)性、非均勻性和復(fù)雜性，造成上述模型均不能準(zhǔn)確地表征頁(yè)巖的節(jié)理裂隙特征。目前，將地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)、分形理論與圖論等相關(guān)理論引入裂隙模型，有助于準(zhǔn)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(duì)于非連續(xù)頁(yè)巖巖體跨尺度表征需進(jìn)一步深入。

3.1.2 非連續(xù)頁(yè)巖力學(xué)特性及峰后脆度評(píng)價(jià)

頁(yè)巖脆性是評(píng)價(jià)其力學(xué)特性的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)井壁穩(wěn)定和壓裂效果影響顯著?，F(xiàn)有脆性評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)方法?；趬嚎s試驗(yàn)的頁(yè)巖脆度理論和測(cè)井、礦物組分分析方法，不能定量解釋頁(yè)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(jī)制。李慶輝等人[15]采用了基于全應(yīng)力-應(yīng)變特征的脆性表征方法反映峰前和峰后力學(xué)特征，能夠較準(zhǔn)確地反映頁(yè)巖脆性破壞的實(shí)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(yīng)力分布特征與壓裂裂縫擾動(dòng)下的演化規(guī)律

壓裂縫網(wǎng)體發(fā)育過程對(duì)壓裂空間三維應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)機(jī)制不清楚，地應(yīng)力預(yù)測(cè)精度差，不能有效支撐壓裂設(shè)計(jì)。目前，國(guó)際石油工程學(xué)術(shù)界開展了應(yīng)力陰影研究，J.Hyunil[16]及R.M.Bruce等人[17]分析了局部地應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)和控制機(jī)制及對(duì)裂縫轉(zhuǎn)向、擴(kuò)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(jì)方法，但對(duì)天然裂縫與人工裂縫同時(shí)作用的應(yīng)力場(chǎng)以及化學(xué)作用的應(yīng)力場(chǎng)演化尚鮮有涉及。

3.1.4 各向異性頁(yè)巖地層的地球物理預(yù)測(cè)理論與方法

頁(yè)巖儲(chǔ)層中非連續(xù)層理、片理特征決定了巖石物理力學(xué)特征的各向異性。L.Thomsen[18]引入了3個(gè)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(kuò)展的Thomsen方程，也可適用于強(qiáng)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(jī)頁(yè)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(jìn)行頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層橫波速度預(yù)測(cè)的方法。Xu Weiya等人[21]基于巖石各向異性破壞準(zhǔn)則，根據(jù)回歸映射基本原理，推導(dǎo)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(yè)巖地層巖石物理性質(zhì)的研究還很欠缺，富有機(jī)質(zhì)多尺度頁(yè)巖物理力學(xué)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(yù)測(cè)精度差，無法定量預(yù)測(cè)地層特征，導(dǎo)致鉆井完井設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)有效性，需要進(jìn)一步研究。

3.2 多場(chǎng)耦合條件下非連續(xù)頁(yè)巖與鉆井完井流體作用機(jī)理

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

3.2.1 地層可鉆性與可壓性評(píng)價(jià)研究

高壓射流破巖與壓裂條件下頁(yè)巖儲(chǔ)層可鉆性與可壓性評(píng)價(jià)是流固耦合下射流破巖和壓裂改造的基礎(chǔ)。現(xiàn)有可鉆性評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)需要；2)巖石破碎規(guī)律需要深入研究，流體-頁(yè)巖微觀相互作用對(duì)破巖的重要影響需結(jié)合到可鉆性評(píng)價(jià)中；3)缺乏有效的隨鉆評(píng)價(jià)手段，不能對(duì)實(shí)鉆儲(chǔ)層可鉆性的橫向變化進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。

傳統(tǒng)理論認(rèn)為，儲(chǔ)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(chǎng)鉆屑X射線SEM評(píng)價(jià)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(yīng)力各向異性的影響，頁(yè)巖儲(chǔ)層可壓性評(píng)價(jià)模型有待進(jìn)一步完善；2)未考慮壓裂液對(duì)儲(chǔ)層巖石的裂縫擴(kuò)展存在的強(qiáng)烈微觀物理化學(xué)作用；3)缺乏有效的隨鉆評(píng)價(jià)手段，不能對(duì)水平段儲(chǔ)層可壓性的橫向變化進(jìn)行有效評(píng)價(jià)；4)需要結(jié)合新型壓裂改造方式進(jìn)行可壓性評(píng)價(jià)。

3.2.2 頁(yè)巖井筒失穩(wěn)機(jī)理和完整性評(píng)估方法

頁(yè)巖井壁穩(wěn)定研究主要考慮力學(xué)化學(xué)耦合作用。M.Yu等人[23]建立了井筒在熱應(yīng)力和溶質(zhì)化學(xué)擴(kuò)散作用下的三維井壁穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型，首次考慮了鉆井液性質(zhì)對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響。金衍等人[24]利用力學(xué)與化學(xué)耦合的研究方法，提出了井壁坍塌周期的定量計(jì)算方法。A.Ghassemi等人[25]系統(tǒng)研究了力學(xué)、化學(xué)與熱力學(xué)等多場(chǎng)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(yùn)導(dǎo)致的巖石變形，建立了流體-固體-化學(xué)耦合作用模型，精細(xì)描述了鉆井液化學(xué)作用對(duì)頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性的影響。Liang Chuan等人[27]通過試驗(yàn)研究了井壁在鉆頭動(dòng)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(yè)巖為各向同性，無天然裂縫損傷，對(duì)泥頁(yè)巖井壁水化失穩(wěn)的機(jī)理和本質(zhì)認(rèn)識(shí)還不夠深入和完整，仍未考慮頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中普遍存在的天然微裂縫和巖石各向異性等因素對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響。

3.2.3 頁(yè)巖儲(chǔ)層傷害機(jī)理與環(huán)保型水基鉆井液體系研究

頁(yè)巖儲(chǔ)層保護(hù)技術(shù)研究主要采用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法。M.A.Siddiqui等人[28]通過室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)估了鉆井液中聚合物對(duì)致密儲(chǔ)層的傷害，檢測(cè)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(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并獲得成功。I.J.Lakatos等人[29]研究了致密砂巖儲(chǔ)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(rùn)濕性具有特殊性，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的毛細(xì)管力來自吸鉆井液，造成儲(chǔ)層“水鎖”傷害。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)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(xué)處理劑來降低水基鉆井液滲透和自吸現(xiàn)象引起的儲(chǔ)層傷害，并起到了良好的效果。

3.3 頁(yè)巖地層動(dòng)態(tài)隨機(jī)裂縫控制、長(zhǎng)效導(dǎo)流機(jī)制與無水壓裂技術(shù)

頁(yè)巖儲(chǔ)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(chǔ)層改造體積和提高縫網(wǎng)長(zhǎng)效導(dǎo)流能力尤為關(guān)鍵。同時(shí)，頁(yè)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(guó)頁(yè)巖氣勘探的有利區(qū)域大部分處于重點(diǎn)缺水地區(qū)或鄰近區(qū)域，面臨著嚴(yán)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(guó)頁(yè)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(kuò)展與控制機(jī)理

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)裂縫相互作用、裂縫擴(kuò)展進(jìn)行了一系列研究,較多學(xué)者引入位移不連續(xù)法(DDM)建立模型分析復(fù)雜裂縫擴(kuò)展機(jī)理,部分學(xué)者選用有限元方法研究裂縫擴(kuò)展，并指出儲(chǔ)層局部應(yīng)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(duì)于單井裂縫擴(kuò)展，對(duì)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(kuò)展模型鮮有涉及。

3.3.2 頁(yè)巖復(fù)雜縫網(wǎng)支撐劑運(yùn)移機(jī)制與長(zhǎng)效導(dǎo)流能力模型

R.Sahai等人[30]首次通過試驗(yàn)研究了垂直相交裂縫中的支撐劑運(yùn)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(yù)測(cè)模型。Deng Shouchun等人[32]研究了特定條件下頁(yè)巖與支撐劑顆粒的互作用。目前頁(yè)巖縫網(wǎng)中的支撐劑運(yùn)移研究尚未考慮流體流量自動(dòng)重分配，同時(shí)未考慮支撐劑顆粒與頁(yè)巖長(zhǎng)期互作用下的縫網(wǎng)導(dǎo)流能力。

3.3.3 應(yīng)力擾動(dòng)與初始縫網(wǎng)條件下的頁(yè)巖重復(fù)造縫機(jī)理

目前國(guó)內(nèi)未見頁(yè)巖水平井重復(fù)壓裂施工的報(bào)道，針對(duì)重復(fù)壓裂造縫機(jī)理的研究沒有考慮天然裂縫的影響。國(guó)內(nèi)外在重復(fù)壓裂機(jī)理方面取得了一些初步認(rèn)識(shí)，Wu Ruiting等人[33]在Cheng Yueming[34]的研究基礎(chǔ)上對(duì)水平井分段多簇裂縫擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了研究，J.B.Altmann等人[35]對(duì)頁(yè)巖重復(fù)壓裂的流固耦合問題進(jìn)行了研究，均未考慮天然裂縫、溫度場(chǎng)等復(fù)雜因素，有必要針對(duì)應(yīng)力擾動(dòng)與初始縫網(wǎng)條件下的頁(yè)巖重復(fù)造縫機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)地研究。

3.3.4 無水壓裂介質(zhì)流變調(diào)控機(jī)制與造縫機(jī)理

加拿大GasFrac公司最先提出LPG無水壓裂液理念，該壓裂液對(duì)地層無任何傷害[36]，但國(guó)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(chǎng)試驗(yàn)獲得成功，伯靈頓公司在Lewis Shale進(jìn)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(yīng)性的基礎(chǔ)理論研究還較薄弱，沒有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，需要進(jìn)行探索研究。層內(nèi)爆炸壓裂也是低滲透儲(chǔ)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(chǎng)可操作性和儲(chǔ)層適應(yīng)性沒有相關(guān)研究報(bào)道，特別是需對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的可改造性進(jìn)行深入研究。

3.4 頁(yè)巖微納尺度吸附/解吸機(jī)制、尺度升級(jí)及多場(chǎng)耦合的多相滲流理論

頁(yè)巖儲(chǔ)層因其多尺度的儲(chǔ)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(yè)巖油氣多尺度滲流特征及開采理論的研究，包括頁(yè)巖氣-液-固三相系統(tǒng)吸附/解吸機(jī)理,微納尺度多相流運(yùn)移機(jī)制及其尺度升級(jí)方法,應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)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(yù)測(cè)理論，以及“井工廠”開采模式下地質(zhì)、油藏和工程參數(shù)對(duì)頁(yè)巖油氣流動(dòng)的影響機(jī)制。

3.4.1 頁(yè)巖氣-液-固三相系統(tǒng)吸附/解吸機(jī)理及規(guī)律

對(duì)于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的吸附/解吸機(jī)理研究，目前沿用煤層氣固-氣界面吸附理論，即認(rèn)為滿足固-氣界面吸附的Langmuir等溫吸附/解吸關(guān)系式。實(shí)際上頁(yè)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(shí)，頁(yè)巖有機(jī)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(yè)巖氣藏均存在一定的含水飽和度。因此，頁(yè)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(kuò)散并在孔隙表面吸附，一部分游離氣運(yùn)移到其他孔隙與裂縫中。因此，頁(yè)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(duì)壓力不敏感。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于頁(yè)巖氣儲(chǔ)層氣-液-固三相系統(tǒng)下的吸附及解吸機(jī)理研究匱乏，鑒于目前頁(yè)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(yè)巖氣實(shí)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(yè)巖微納尺度多相流運(yùn)移機(jī)制及其尺度升級(jí)

微納米孔隙為頁(yè)巖儲(chǔ)層的主要儲(chǔ)集空間，流體在微納米孔隙內(nèi)的流動(dòng)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(yè)巖微納尺度多相流運(yùn)移機(jī)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(jìn)行微觀流動(dòng)模擬的方法[41]，可以研究頁(yè)巖微納尺度的運(yùn)移機(jī)制，但是目前研究還處于起步階段，頁(yè)巖數(shù)字巖心構(gòu)建過程中沒有區(qū)分孔隙介質(zhì)(有機(jī)質(zhì)孔隙和無機(jī)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(yùn)移機(jī)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(dòng)模擬方法研究。如何考慮微納米尺度的微觀運(yùn)移機(jī)制，是宏觀數(shù)值模擬的關(guān)鍵，而目前對(duì)于頁(yè)巖儲(chǔ)層物性及運(yùn)移機(jī)制的尺度升級(jí)尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。

3.4.3 應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)全耦合的頁(yè)巖油氣藏?cái)?shù)值模擬

目前頁(yè)巖氣藏的數(shù)值模擬大多未考慮應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)的耦合或滲流場(chǎng)未全面考慮頁(yè)巖儲(chǔ)層耦合運(yùn)移機(jī)制，而有關(guān)流固耦合的油氣藏?cái)?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(duì)于雙重介質(zhì)模型的研究仍存在諸多困難，主要難點(diǎn)在于基巖系統(tǒng)和裂縫系統(tǒng)間的耦合作用對(duì)水力參數(shù)的影響機(jī)制尚不清楚，因此目前大都基于經(jīng)驗(yàn)公式，同時(shí)對(duì)于兩者Biot有效應(yīng)力系數(shù)的選取也沒有成熟方法。然而，頁(yè)巖油氣藏通常發(fā)育天然微裂縫，人工壓裂后會(huì)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(chǔ)層地應(yīng)力場(chǎng)的改變，裂縫會(huì)隨之開啟或閉合，對(duì)滲流場(chǎng)產(chǎn)生重要影響，與此同時(shí)滲流場(chǎng)的改變會(huì)反過來影響地應(yīng)力場(chǎng)，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(jì)算精度受限，尤其是對(duì)于強(qiáng)耦合問題；后兩者則采用有限元方法，可實(shí)現(xiàn)全隱式耦合，計(jì)算精度較高，但計(jì)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(yè)巖油氣藏應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)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(guó)頁(yè)巖油氣的高效開發(fā)研究，需以提高頁(yè)巖油氣產(chǎn)量、減少物耗與保護(hù)環(huán)境為目標(biāo)，開展從宏觀到細(xì)觀的頁(yè)巖油氣滲流與動(dòng)態(tài)斷裂理論研究，采用不同尺度物理模擬手段，分析頁(yè)巖氣解吸附、匯聚、滲流關(guān)鍵過程，實(shí)現(xiàn)井型與人工縫網(wǎng)的匹配和耦合調(diào)控，形成頁(yè)巖油氣產(chǎn)能預(yù)測(cè)、水平井鉆井完井一體化和縫網(wǎng)體長(zhǎng)效壓裂理論，在頁(yè)巖油氣開發(fā)基礎(chǔ)理論、研究方法和設(shè)計(jì)技術(shù)上取得原創(chuàng)性的突破，從而為我國(guó)頁(yè)巖油氣高效開采奠定堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，提高我國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)際學(xué)術(shù)影響力。

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[編輯 陳會(huì)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(yáng)人，1982年畢業(yè)于北京大學(xué)力學(xué)系，1991年獲中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦山工程力學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事石油工程巖石力學(xué)方面的研究工作。

國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“頁(yè)巖油氣高效開發(fā)基礎(chǔ)理論研究”(編號(hào)：51490650)及國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“頁(yè)巖氣開采巖石力學(xué)”(編號(hào)：51234006)聯(lián)合資助。

?頁(yè)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。