《页岩气解吸-扩散-渗流的多尺度传输机理研究》以四川盆地龙马溪组页岩气藏为研究对象，采用试验、理论和数值分析方法等，从微纳尺度、岩心尺度及工程尺度等全面论述了页岩气微观运移、介质孔隙中渗流模型和水力裂缝分叉扩展效应等内容。《页岩气解吸-扩散-渗流的多尺度传输机理研究》共7章，对有机质分子吸附机理、双重介质渗流数学模型、储层SRV区域渗流数学模型、真三轴水力压裂试验及多裂缝压裂数值模拟等方面进行了研究。
第1章 绪论
1.1 研究背景
页岩气的勘探与开发关系到国家的能源安全，具有十分重要的战略意义。我国页岩气资源储量居世界*位。美国能源信息署(Energy Information Administration)的*新统计结果显示，我国页岩气技术上的可开采储量达到31.57亿m3，占全球总量的15%，主要分布在四川盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地与松辽盆地。“十二五”期间，我国页岩气勘查开发实现零的突破且累计探明地质储量达到7643亿m3。自然资源部在《全国石油天然气资源勘查开采情况通报(2020年度)》中指出，截至2020年底，全国页岩气累计探明地质储量达到2.00万亿m3。我国页岩气开发利用正在加快迈入产业化、商业化生产阶段，力争成为与美国、加拿大鼎足而立的页岩气生产大国。
页岩气的成藏方式复杂，烃源岩既是储层也是盖层，形成了“自生自储”的原地成藏方式[1]，储层物性差、孔隙度与渗透率低，资源分布范围广泛但单位面积的丰度相对较低。因此，一般情况下，页岩气无自然产能[2]。美国提出的“页岩气革命”实现了全球各个国家页岩气等非常规油气资源的重大战略性突破，打破了全球原有的能源格局。然而，我国地质条件复杂、构造运动活跃，且水资源相对匮乏，页岩气开采尚未形成完整的理论与技术体系，在页岩气的勘探开发方面还面临着诸多困难与挑战。若要形成大规模商业化生产，需在借鉴其他国家经验的基础之上，从我国实际国情出发，形成符合中国特色的页岩气藏压裂改造理论与技术。
体积压裂技术是页岩气高效开发的核心技术之一。为了提高页岩气采收率，必须利用人工诱导裂缝与天然裂缝形成裂隙网络系统，增大储层区域的改造体积，即增加储层改造体积(stimulated reservoir volume，SRV)区域[3-5]。对储层体积进行改造是为了尽可能地增大岩石与裂缝网络系统的接触面积[6]，而影响页岩气储层改造效果的一个重要参数就是SRV。目前，国内外针对SRV的研究主要集中在微震监测法和还未完善的理论方法。因此，研究SRV区域的渗流-应力耦合规律，建立SRV区域的渗流数学模型并研究SRV区域的发展规律对相关的理论发展具有重要意义，同时对页岩气开采的实际生产有一定的指导作用。
页岩气在开采过程中受到压力、应力等的影响，形成了渗流场和应力场共同作用的耦合运移机制，不同的渗流-应力耦合模型也被相继提出，其中包括等效连续介质模型、裂缝网络模型、断裂力学模型、连续损伤力学模型和统计模型等[7]。在页岩气藏的耦合机制研究中，双重介质模型由于计算量小、易求解、便于应用于工程的优点而被广泛运用。对于双重介质模型而言，储层可分为基质和裂缝两个系统，并且分别具有不同的渗透率和孔隙度。对基质系统和裂缝系统的流固耦合机制展开研究，可提升页岩气开发理论水平，提高该类气藏的开发效果。同时，渗透率是页岩气藏流体渗流能力的主要指标，决定了页岩气藏的开发和产能。页岩气储层多场耦合特性比较复杂，也是当前研究的热点课题。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 页岩气运移机制研究
页岩气藏孔隙类型繁多、结构复杂，多尺度特性显著[8]，主要存在4种多孔介质，其尺度由大到小分别是水力压裂裂缝、微米至毫米级的天然裂缝、无机矿物中的纳米至微米级粒间孔隙及有机质中的纳米级粒内孔隙。页岩气储层中，游离气与吸附气共存，存在多种储集形式[9-13]。吸附气可占储集总量的20%～85%[12]，储集在有机质表面；游离气则储集在微裂缝、非有机粒间孔隙中，有机质的纳米级孔隙网络中也有游离气的存在。
Bird等[14]将气体在多孔介质中的运移机制总结为以下几种模式：黏性流、克努森(Knudsen)扩散、分子扩散(当气体为多组分时)、吸附气的吸附解吸(当吸附气存在时)。由于孔隙介质不同、气体的储集形式不同，多孔介质中气体的运移机制也各有特点：水力压裂裂缝等人工裂缝、微裂缝与微米尺度以上的孔隙中，气体的运移机制为黏性流，即满足传统的达西(Darcy)定律；当存在纳米级孔隙时，气体在多孔介质中的运移机制不能仅仅用Darcy定律来描述，此时，不仅存在黏性流，还存在Knudsen扩散。
Javadpour模型、Civan模型是目前用于描述气体在微纳米孔隙中运移机制的主要模型。
1. Javadpour模型
Javadpour等[15，16]发现，页岩的纳米孔隙中的气体流动可以用具有恒定扩散系数的扩散传输机制和可以忽略的黏性效应来建模。他们对微裂缝中与粒间孔隙中气体的流动进行了研究，认为菲克(Fick)定律与Darcy方程不能准确地描述纳米孔隙中的气体流动。Javadpour根据分子动力学的基础理论推导出能够代入Darcy方程的新的渗透率方程——表观渗透率，表观渗透率考虑了Knudsen扩散和黏性流的共同作用，建立了用于描述气体在纳米级孔隙中流动的Javadpour模型。随后，Hamed等[17-19]对该模型进行了修正，使用不同的方法来确定孔隙率，并分析了黏性流与Knudsen扩散对渗透性的影响。
2. Civan模型
Civan等[20-28]根据Beskok和Karniadakis[29]开发的哈根-泊肃叶(Hagen- Poiseuille)方程，采用Knudsen数来描述致密多孔介质中的气体运移规律，包括黏性流与Knudsen扩散。Beskok模型描述了气体在单管中的运移，Civan等将该模型运用到多孔介质中，考虑了多孔介质的特征参数对表观气体渗透率、稀疏系数和克林肯贝格(Klinkenberg)气体滑脱因子的影响。在Civan模型的基础上，Sakhaee-Pour和Bryant[30]将吸附层的效果视为纯粹的几何形状，并假定吸附层厚度与压力呈线性变化，考虑了吸附层厚度的影响。Xiong等[28]则考虑了吸附层厚度、吸附层内气体的表面扩散两个因素的共同影响。
1.2.2 储层体积改造形成与计算方法研究
水力压裂所形成的缝网，不是简单的平面对称双翼形，裂缝网络的几何形状与储层的天然条件(压力状态、非均质性、孔隙饱和状态等)相关[31]。
2002年，Maxwell利用微地震监测技术研究了2000年5月至2001年12月间巴尼特(Barnett)页岩水力压裂后裂缝的发育情况，发现水压裂缝在空间上呈现出复杂的网络形态[32]。裂缝的发育与水力压裂、原裂缝网络存在密切联系，其规模受施工时注入液体规模的影响，注液规模越大，监测到的微震活动区域越大，裂缝网络越发育，增产的效果越好。
同年，Fisher等也对Barnett页岩的微地震数据进行了分析，得出了裂缝网络与生产之间的关系[33]。后来，他们系统性地总结了该地区水力压裂时裂缝形态与裂缝扩展的特点，绘制出直井网络裂缝典型图，数据表明，裂缝网络*远可扩展至1600m长，343m宽[34]。
SRV的概念在2006年**次被提出。Mayerhofer等在分析Barnett页岩的微地震数据与裂缝网络时，提出了“储层改造体积”这个概念，并用数值模拟的方法对垂直井和水平井的裂缝网络结构进行了模拟，揭示了SRV与累积产量间的关系，并提出了扩大SRV以改善Barnett页岩未来水平井完井与压裂的技术思路[35]。2010年，Mayerhofer等发表了论文《什么是储层改造体积？》，更加系统地解释和阐述了裂缝网络系统、SRV及产量间的关系，并指出，SRV是影响油气产量的一个重要因素[36]。
2008年，Medeiros等认为水力压裂会导致储层中地应力的改变，从而导致水平井周围裂缝的开启与关闭，而低渗透油气藏项目的经济性很大程度上取决于井间距与裂缝网络的大小[37]。2012年，Clarkson等指出，多段水力压裂技术不但能够产生水力裂缝，地应力的变化还会导致天然裂缝间的开启、关闭、连通，从而形成复杂的裂缝网络系统[38]。
储层体积改造，是一个新型的概念。一些学者对其进行了定义[39]，认为体积改造有广义与狭义之分。广义的体积改造是指分层压裂技术与水平井分段改造技术。分层压裂技术能够增加纵向剖面的动用程度，而水平井分段改造技术则能够提高储层的渗流能力并且增大储层的泄油面积。狭义的体积改造则是指通过水力压裂工艺措施来增大裂隙网络的连通程度，其定义为，通过水力压裂措施对储层进行改造，在持续高压注入流体形成一条或多条水力裂缝之后，通过其他各类措施(如分段多簇射孔、转向材料与技术等)的应用，使水力裂缝与储层中已存在的天然裂缝、岩石层理相互贯通，同时在主裂缝的侧向形成次生裂缝，再在次生裂缝侧面分支形成二级次生裂缝，按照上述规律类推。*终，主裂缝与多级次生裂缝交织、沟通，打破储层原有的渗流状态，形成裂缝网络系统，即SRV区域。
裂缝网络系统能够使储层基质与裂缝壁面的接触面积尽可能地增大，各方向的油气资源流向裂缝的渗流距离缩短，从长、宽、高三维方向对储层区域进行全方位的改造，有效地提高储层渗透率，在使单井生产率得到大幅提升的同时，也*大限度地提高储层的动用率与采收率[40]。
2012年，贾长贵等根据支撑裂缝是否形成，提出了页岩网络压裂有效改造体积(ESRV)的概念，并根据北美页岩气压裂经验与我国的工程技术实践，针对裂缝脆性硬岩压裂施工时易堵难以成功等问题，从压裂前地质评价、压裂时射孔参数优化与压裂方案等方面着手，提出了我国页岩水力压裂技术问题解决方案[41]。
2011年，根据Miller等的调查结果，水力压裂产生的裂缝中，近1/3的裂缝对油气井产能没有贡献[42]。因此，为了评估储层油气藏商业开发价值，提高页岩气产量，降低生产开发成本，越来越多的学者认识到SRV区域的重要性，对裂缝网络的形成过程与模型进行研究。主要研究工作大致包括两个方面：一方面，分析与模拟水力压裂过程，对裂缝延伸规律进行研究，以更好地优化施工设计参数与SRV区域模型，提高产量与采收率[43-46]；另一方面，使用简化后的SRV区域，通过分析裂缝网络系统中流动规律、油气产量等理论模型、数值模拟与现场数据，对裂缝参数进行适当优化，得到简化后的计算方法，获得油气井的*优产能[47-49]。
了解与掌握裂缝网络系统的形成过程，有助于水力压裂设计。对水力压裂过程中裂缝扩展规律与数学模型的研究，从20世纪50年代以来，一直是国内外学者的研究热点。SRV区域形成过程在地应力、储层岩石力学参数、压裂液参数、施工参数等多种因素共同作用下，是一个典型的多场耦合问题。
SRV可以通过裂缝监测技术、半解析法、SRV模型等方法监测或计算得出。
1. 裂缝监测技术
天然裂缝分布的随机性受地层岩石物理、化学、力学等性质的影响，水力压裂后形成的裂缝网络系统的形态难以精确控制，因此，实际SRV区域常常会与设计的形态有或大或小的偏差。为了更好地优化实际施工参数与方案，以*大程度地提高油气采收率，需要通过一定的技术手段来确定SRV区域裂缝的走向、长度、宽度等几何形态与发育情况。目前，常用的裂缝监测技术有以下几种：微地震监测技术、地面监测技术(测斜仪监测法)、井下技术。其中，微地震监测技术是使用*广泛的技术。
1)微地震监测技术
水力压裂过程中，由于向储层持续高压注入液体，裂缝的扩展与延伸会导致地层应力场的改变。大量的现场工程实践表明，高压注水、超高压压裂等高压流体持续性注入措施极易使断层封闭甚至活化，水力压裂导致的裂缝面的剪切滑动规模较小，也就是发生震级M＜3.0级的“微地震”[50]。微地震监测技术通过利用岩石破裂产生的微震动波，对水力压裂形成的岩石破裂点进行成像，从而对油气渗流方向、路径、状态进行监测[51-54]。水力压裂工艺造成储层岩石的破裂与裂缝的延伸扩展，在此过程中产生的震动能量以弹性波的形式向四周传播。布置在监测井周围的检波器根据弹性波被接收的时间差，计算并确定微震
目录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 页岩气运移机制研究 2
1.2.2 储层体积改造形成与计算方法研究 3
1.2.3 页岩气渗流数学模型研究 7
1.3 本书主要内容 8
第2章 基于分子动力学的有机质吸附机理研究 9
2.1 气体在有机质中的吸附扩散模拟 9
2.1.1 模型建立 9
2.1.2 参数设置 11
2.1.3 单组分气体吸附 13
2.1.4 单组分气体扩散 19
2.1.5 竞争吸附 21
2.2 混合组分骨架模型吸附扩散模拟 26
2.2.1 模型建立 26
2.2.2 参数设置 27
2.2.3 气体的吸附模拟 27
2.2.4 气体的扩散模拟 31
2.3 本章小结 33
第3章 页岩岩心双重介质渗流数学模型研究 34
3.1 页岩岩心双重介质渗透率模型 34
3.1.1 双重孔隙介质模型及假设 34
3.1.2 基质孔隙度和渗透率模型 35
3.1.3 裂隙孔隙度和渗透率模型 38
3.1.4 修正模型的验证 39
3.1.5 修正模型的影响因素 41
3.2 考虑流固耦合的页岩渗流数学模型 45
3.2.1 渗流控制方程 45
3.2.2 应力场控制方程 48
3.2.3 渗流数学模型 51
3.2.4 裂缝岩心数值模拟 53
3.3 本章小结 57
第4章 页岩气储层改造区域渗流数学模型 58
4.1 页岩气储层SRV区域的流固耦合模型 58
4.1.1 储层SRV区域双重介质模型 58
4.1.2 储层SRV区域基质渗透率模型 63
4.1.3 储层SRV区域渗透率模型验证 69
4.1.4 储层SRV区域渗流数学模型 72
4.2 页岩气储层SRV区域流固耦合数值模拟 74
4.2.1 数值模型的建立与模拟方案 75
4.2.2 完整储层的流固耦合模拟 77
4.2.3 裂缝储层的流固耦合模拟 89
4.3 本章小结 95
第5章 页岩水力压裂试验与裂缝扩展规律 97
5.1 页岩多级水力压裂试验方案 97
5.1.1 试验方案 97
5.1.2 试验系统及设备 99
5.1.3 试验步骤 101
5.2 *次压裂水力裂缝扩展规律 102
5.2.1 岩样1*次压裂裂缝扩展规律 103
5.2.2 岩样2*次压裂裂缝扩展规律 107
5.3 二次压裂水力裂缝扩展规律 110
5.3.1 岩样1二次压裂裂缝扩展规律 111
5.3.2 岩样2二次压裂裂缝扩展规律 113
5.4 分级压裂裂缝扩展规律与相互影响 116
5.4.1 岩样1水力裂缝扩展及相互影响 116
5.4.2 岩样2水力裂缝扩展及相互影响 117
5.4.3 分级压裂裂缝扩展及相互影响 119
5.5 本章小结 119
第6章 页岩气藏多级压裂水平井开发模拟 121
6.1 多级压裂数值模型的建立 121
6.2 多级压裂裂缝扩展规律 122
6.3 裂缝扩展的参数敏感性分析 125
6.3.1 裂缝区域宽度 125
6.3.2 裂缝区域间距 126
6.3.3 基质初始孔隙度 128
6.3.4 裂缝系统长度 129
6.4 本章小结 130
第7章 考虑层理作用的多裂缝压裂数值模拟 132
7.1 不含层理地层的多裂缝压裂模拟 132
7.1.1 数值模型的建立 132
7.1.2 多裂缝扩展的相互影响 133
7.2 含层理地层的多裂缝压裂模拟 137
7.2.1 含层理地层的多裂缝压裂数值模型 137
7.2.2 应力差对多裂缝扩展的影响 140
7.2.3 层理与井距对多裂缝扩展的影响 142
7.2.4 层理数量对多裂缝扩展的影响 143
7.3 复杂裂缝网络获取及数值计算思考 144
7.3.1 如何获得更复杂的裂缝网络 144
7.3.2 网格划分对结果的影响 145
7.3.3 二维模拟与三维模拟的差异 146
7.4 本章小结 147
参考文献 149
