Mechanical frontiers in shale-gas development

页岩气的开采涉及破裂和收集输运两个关键过程.如何实现2000,m以下、复杂地应力作用下、多相复杂介质组分的页岩层内网状裂纹的形成,同时将孔洞、缝隙中的游离、吸附气体进行高效收集,涉及到诸多的核心力学问题.这一工程过程涵盖了力学前沿研究的诸多领域：介质和裂纹从纳米尺度到千米尺度的空间跨越,游离、吸附气体输运过程中微秒以下的时间尺度事件到历经数年开采的时间尺度跨越,不同尺度上流体固体的相互作用,以及压裂过程中通过监测信息反演内部破坏状态等.针对近年来我们国家页岩气勘探开发工作所取得的成就及后续发展中面临的前沿力学问题,在综合介绍页岩气藏的基本特征和开发技术的基础上,以页岩气开采中的若干力学前沿问题为主线,从页岩力学性质及其表征方法、页岩气藏实验模拟技术、页岩气微观流动机制及流固耦合特征、水力压裂过程数值模拟方法、水力压裂过程微地震监测技术、高效环保的无水压裂技术等6个方面的最新研究进展进行了总结和展望,结合页岩气藏开发的工程实践, 深入探究了其中力学关键问题,以期对从事页岩气领域的开发和研究的从业人员提供理论基础, 同时,该方面的内容对力学学科、尤其是岩土力学领域的科研工作也具有重要指导价值.     

考虑多重运移机制耦合页岩气藏压裂水平井数值模拟

页岩作为典型的微纳尺度多孔介质,游离气与吸附气共存,传统的达西定律已无法准确描述气体在页岩微纳尺度的运移规律.基于双重介质模型和离散裂缝模型构建页岩气藏分段压裂水平井模型,其中基岩中考虑气体的黏性流、Knudsen 扩散以及气体在基岩孔隙表面的吸附解吸,吸附采用Langmuir等温吸附方程;裂缝中考虑黏性流和Knudsen扩散,在此基础上建立基岩-裂缝双重介质压裂水平井数学模型并采用有限元方法对模型进行求解.结果表明,基岩固有渗透率越小,表面扩散和Knudsen扩散的影响越大,反之则越小;人工裂缝的性质包括条数、开度、半长以及间距,主要影响压裂水平井生产早期,随着人工裂缝参数值的增加,压裂水平井产能增加,累产气量也越大.其次,页岩气藏压裂诱导缝和天然裂缝的发育程度对页岩气藏的产能有很大的影响,水平井周围只有人工裂缝,周围天然裂缝不开启或不发育时,页岩气藏的水平井的产能较低.      

页岩水力压裂的关键力学问题

页岩气是指以吸附和游离时而还有流体相的形态状态赋存于泥页岩中的非常规天然气。页岩气开采成为我国绿色能源开发的新领域。尽管北美页岩气革命取得了成功,但目前仍仅有预期产量5~15%的油气采收率,问题出在什么地方？水力压裂被认为是提高采收率的关键一环,但水力压裂过程中复杂缝网的形成和力学控制机理尚不清楚,这给力学家提出了巨大的挑战和机遇。结合本课题组近期研究成果,本文从理论、计算和实验三个方面对页岩水力压裂中的关键基础力学问题进行介绍和总结。主要内容包括发展页岩人工裂缝扩展的大型物理模型实验,建立页岩本构模型和断裂力学理论,发展耦合断裂力学和流体力学的裂缝网扩展数值模拟方法。页岩水力压裂研究对发展断裂力学的实验技术、理论模型和数值模拟方法起到推动作用,对提高我国页岩气高效开采技术具有重要意义。     

页岩油气高效开发中的基础理论与关键力学问题

我国页岩油气开发刚刚起步,许多基础理论和关键科学（力学）问题亟需明确和解决．本文按页岩油气开发的全过程自然地将其分为四个相互关联的科学问题展开介绍和讨论,包括：页岩工程地质力学特征与预测理论,地质力学找到气;多重耦合下的页岩油气安全钻井完井理论,钻井完井够到气;页岩地层动态随机裂缝控制机理与新概念压裂理论,体积压裂释放气;页岩油气多尺度渗流特征与开采理论,解吸运移产出气．本文提出用水力压裂创造页岩传气能力,用气体二次压裂页岩基质来解决气源问题,实现水力压裂创造的页岩传气能力与页岩基质气体供应能力相匹配,避免“断气”现象发生,最终达到页岩气可持续性开采．解决这些关键科学（力学）问题可以为页岩油气高效开发奠定可靠的基础,具有重要的理论意义和应用前景．     

页岩气高效开采的力学问题与挑战

页岩气是指赋存于富含有机质泥页岩中以吸附和游离状态为主要存在方式的天然气,中国资源量丰富,地域分布广泛.页岩气开采能缓解我国常规油气产量不足、煤化石燃料引起环境污染等问题,已成为中国绿色能源开发的重要领域.尽管北美页岩气"革命"取得了成功,目前也仅有预期产量5%～15%的采收率.与北美地区相比,中国页岩气埋藏深,赋存条件差,自然丰度低,因此,高效开采面临更多的困难和挑战.近年来,围绕国家重大能源战略需求,瞄准技术发展前沿,学术界和工业界联合对页岩气高效开采的关键科学和技术问题展开研究.本文结合近三年四川、重庆地区的页岩气试验区块遇到的新问题,针对中国未来3 500 m以下深部开采的新挑战,如地质沉积、裂缝发育构造不同、上覆压力增加、水平应力场变化等新问题,介绍和总结了目前中国页岩气高效开采面临的力学科学问题,主要包括多重耦合下的安全优质钻完井力学理论和方法、水力压裂体积改造和多尺度缝网形成机制、多尺度渗流力学特性与解吸附机理等."深部页岩气高效开采"的研究面向国家重大能源需求,科学意义重大,工程背景明确,需要工程力学、石油工程、地球物理、化学工程和环境工程等多学科专家合作,开展理论研究、物理模拟、数值模拟及现场试验等综合应用基础研究,取得高效开采页岩油气理论与技术的突破.学科交叉是研究页岩气高效开采问题、突破技术瓶颈的桥梁,只有力学与石油工程、地球科学等学科实现深度交叉融合,才能更加有效地推动页岩油气等非常规油气资源的开发.     

海陆过渡相页岩气藏不稳定渗流数学模型

海陆过渡相页岩常与煤层和砂岩呈互层状产出, 储层连续性较差、横向变化快、非均质性强, 水力压裂技术是其获得经济产量的关键手段. 然而, 目前缺乏有效的海陆过渡相页岩气藏不稳定渗流数学模型, 对其渗流特征分析及储层参数评价不利. 针对这一问题, 首先建立海陆过渡相页岩气藏压裂直井渗流数学模型, 其次采用径向复合模型来反映强非均质性, 采用Langmuir等温吸附方程来描述气体的解吸和吸附, 分别采用双重孔隙模型和边界元模型模拟天然裂缝和水力裂缝, 建立并求解径向非均质的页岩气藏压裂直井不稳定渗流数学模型, 分析海陆过渡相页岩气藏不稳定渗流特征, 并进行数值模拟验证和模型分析应用. 分析结果表明, 海陆过渡相页岩气藏不稳定渗流特征包括流动早期阶段、双线性流、线性流、内区径向流、页岩气解吸、内外过渡段、外区径向流及边界控制阶段. 将本模型应用在海陆过渡相页岩气试井过程中, 实际资料拟合效果较好, 其研究成果可为同类页岩气藏的压裂评价提供一些理论支撑, 具有较好应用前景.      

页岩气高效开采中钻井完井和水力压裂的关键力学问题

本文研究了在页岩气高效开采中钻井完井和水力压裂缝网改造的关键力学问题. 提出了页岩多孔弹性介质的本构、强度和断裂韧性的各向异性模型, 指出了微观均匀假设与微观各向同性假设在页岩多孔弹性本构中的简化应用, 给出了横观各向同性多孔弹性岩石材料常数的简化测量方案, 讨论了基于修正的能量最大释放率下裂纹扩展的弱面模型, 提出了裂纹扩展禁止区现象. 阐述了钻井完井过程中的多孔弹性介质井壁稳定性和剪切破坏的时间效应, 提供了多种破坏模式下井壁许可压力范围的显式表达式, 并与传统广义胡克定律得到结果对比. 给出了水平井水力压裂缝网改造技术, 包含水力压裂的大物模实验技术、水力压裂过程中基于扩展有限元与有限体积法的耦合流体/固体/裂缝扩展的数值模拟方法, 并与黏性主导的水力压裂解析解结果对比, 针对性分析了川渝地区的水力压裂施工现场实践应用问题. 建立了基于数据驱动的页岩气采收率预测方法, 指出了机器学习中极限梯度爬升法在小数据集情况下的有效性.      

基于微米力学实验的页岩I型断裂韧度表征

页岩断裂韧度($K_{IC})$是页岩气储层水力压裂设计的基础参数之一,由于组成的非均质性,常规宏观力学测量方法存在制样困难、力学解释参数不连续、精度偏低等问题. 如何及时获取页岩的断裂特性,确保安全高效的工程施工,是当前面临的一大问题. 因此,提出了基于微米力学实验的页岩Ⅰ型断裂韧度分析方法,可用于页岩微裂纹起裂、发育直至形成宏观裂纹的机理研究,进行页岩宏观Ⅰ型断裂韧度预测. 基于页岩多尺度组成分析,开展了维氏压头和玻氏压头的页岩微米力学实验,分析了页岩残余压痕与压头间的相似关系、有效测试载荷以及压头参数的优化与选择. 分析了不同压入载荷下的页岩细观断裂韧度分布特征,开展了宏观巴西圆盘实验,验证页岩微米力学测试方法的适用性. 研究结果表明,在有效载荷范围内的页岩细观Ⅰ型断裂韧度波动性较小,当压入载荷过大时,由于岩样压痕区域出现局部剥落导致断裂韧度测量值偏小. 与宏观实验的比对分析显示,微米力学实验的$K_{IC}$平均值为0.86 MPa$\cdot \sqrt{m}$,直槽切缝巴西圆盘实验得到的$K_{IC}$平均值为0.92 MPa$\cdot \sqrt{m}$,两类方法的统计平均值较为接近,页岩局部组成的非均质性使得微米力学测量结果较宏观测试更为分散. 研究结果可用于页岩宏观Ⅰ型断裂韧度预测,为有效解决页岩气储层水力压裂参数评价提供新的思路和方法.      

页岩气储层压裂数值模拟技术研究进展

页岩气储层水力压裂数值模拟既要考虑页岩储层岩石的特性,又要兼顾水平外分段压裂施工工艺,是一个非常棘手的力学难题.本文简述了页岩气储层岩石具有的地质力学特征和页岩气储层开发常用的水平井分段压裂技术;详述了扩展有限元、边界元、离散元在水力压裂裂缝模拟上的应用现状,指出了它们在处理裂缝问题的局限性和优越性,总结出边界元三维位移不连续法是模拟多裂缝扩展的有效方法.     

页岩气高效开采的可压裂度和射孔簇间距预测

页岩储层的可压裂性是影响页岩气产量的关键因素. 本文基于断裂力学理论, 以高围压下岩石层理弱面的剪切破坏为主要研究对象, 依据岩石抗拉强度和层理弱面抗剪强度的比值关系, 首先提出了可压裂度的概念, 给出了无量纲的定性曲线图, 涵盖了岩石脆性矿物质含量, 粘性主导和韧性主导裂缝尖端流体压强、射孔簇分布间距的综合地质与工程因素. 接着提出了一种新的表征高围压下页岩可压裂度的无量纲参数, 在保证达到充分解吸附的最小压裂间距前提下, 依据该参数可计算水平井压裂中的射孔簇间距, 可作为工程参考指标. 本文将断裂力学理论结合水力压裂高效开采页岩气工程, 具有力学理论意义和工程应用前景.      

压裂页岩气藏多尺度耦合流动数值模拟研究

在碳达峰的国策背景之下,页岩气成为传统能源向绿色清洁低碳能源转型的重要过渡和能源支点.压后页岩气藏流体流动力学成为高效开发页岩气的关键力学问题.文章将小尺度低导流天然裂缝等效升级为连续介质,建立有机质-无机质-天然裂缝三重连续介质模型,同时对大尺度高导流裂缝采用离散裂缝模型刻画,嵌入天然裂缝连续介质中,构建多重连续/离散裂缝模型.综合考虑吸附气的非平衡非线性解吸附和表面扩散,自由气的黏性流和克努森扩散,给出页岩气在多尺度复杂介质中的非线性耦合流动数学模型.提出多尺度扩展有限单元法对离散裂缝进行显式求解,创新性构建三类加强形函数捕捉离散裂缝的局部流场特征,解决了压后页岩海量裂缝及多尺度流动通道的流动模拟难题.文章提出的模型和方法既能准确刻画高导流裂缝对渗流的影响,又克服了海量多尺度离散裂缝导致计算量增大的问题.通过算例展示了压后页岩各连续介质的压力衰减规律,发现裂缝中自由气、有机质中自由气、无机质中吸附气依次滞后的压力(浓度)扩散现象,重点分析了吸附气表面扩散系数、自由气克努森扩散系数、天然裂缝连续介质渗透率和吸附气解吸附速率对页岩气产量的影响.文章重点解决压后页岩多尺度流动通道的表征和...     

页岩有机质纳米孔隙气体吸附与流动规律研究

页岩储层孔隙结构复杂, 气体赋存方式多样. 有机质孔隙形状对受限空间气体吸附和流动规律的影响尚不明确, 导致难以准确认识页岩气藏气体渗流机理. 为解决该问题, 本文首先采用巨正则蒙特卡洛方法模拟气体在不同形状有机质孔隙(圆形孔隙、狭长孔隙、三角形孔隙、方形孔隙)内吸附过程, 发现不同形状孔隙内吸附规律符合朗格缪尔单层吸附规律, 分析了绝对吸附量、过剩吸附浓量、气体吸附参数随孔隙尺寸、压力的变化, 研究了孔隙形状对气体吸附的影响. 在明确不同形状有机质孔隙内气体热力学吸附规律基础上, 建立不同形状有机质孔隙内吸附气表面扩散数学模型和考虑滑脱效应的自由气流动数学模型, 结合分子吸附模拟结果研究了不同孔隙形状、孔隙尺寸有机质孔隙内吸附气流动与自由气流动对气体渗透率的贡献. 结果表明, 狭长孔隙内最大吸附浓度和朗格缪尔压力最高, 吸附气表面扩散能力最弱. 孔隙半径5 nm以上时, 吸附气表面扩散对气体渗透率影响可忽略. 本文研究揭示了页岩气藏实际生产过程中有机质孔隙形状对页岩气吸附和流动能力的影响机制.