页岩气开采中的若干力学前沿问题

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.      

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.     

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．     

页岩多尺度力学特性研究现状

页岩储层的力学行为和工程性质,是影响页岩油气安全、高效、经济开采的关键因素。目前,页岩的物理力学特征研究以宏观测试为主,存在制样、实验耗时长,对目的层精细研究效果不理想等问题。为此,从页岩多尺度组成、微/纳米力学测试、影响因素和跨尺度均匀化4个层面,综述了国内外页岩多尺度力学研究现状:基于多尺度方法建立的页岩微观-细观-宏观组分模型,为页岩多尺度组成-力学耦合提供理论基础;通过微/纳米力学测试技术,明确适合页岩的力学测量标准,完善影响页岩多尺度测量因素评价;基于开展多尺度力学耦合模型研究,评价多尺度间的组成-力学关系。该研究对深入认知页岩岩石力学特征及破坏机理、丰富岩石力学特性测试与表征方法具有重要作用。     

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...     

页岩储层纳微米孔隙CO2/CH4吸附及驱替特性研究进展

利用CO₂开采页岩气不仅能够提高页岩气采收率, 还能够节省水资源并且对CO₂进行地质封存, 有助于实现页岩气开采过程的碳中和. 富有机质页岩储层纳微米孔隙中气体运移机制不同于常规储层, CO₂在储层中具有超临界特性, 致使开采机理复杂, 无法得到CO₂开采页岩气微观机理的准确认识, 所以研究CH₄, CO₂及其二元混合物在页岩储层纳微米孔隙中的吸附及驱替特性对准确评估和高效开采页岩气至关重要. 本文从实验、理论以及模拟方面对页岩储层纳微米孔隙中CH₄的吸附特性、CO₂/CH₄二元混合物竞争吸附特性以及驱替特性进行了综合分析, 对气体在纳微米孔隙中吸附及驱替特性的基础研究及关键问题进行讨论分析并提出了展望. 研究表明CH₄在页岩储层中表现为物理吸附, 有机质特征(丰度、成熟度、类型)、孔隙结构、无机矿物组成、温度和压力、含水率对页岩的CH₄吸附能力均有一定程度的影响. 在相同条件下, CO₂比CH₄更易被页岩储层吸附, 在页岩储层中注入CO₂可以促进CH₄的解吸, 并有利于CO₂的地质埋存. 开采方案的部署可采用井网形式的注采方式, 可以通过调整注入井的位置、数量以及CO₂注入速率对开采方案进行优化.      

煤系页岩瓦斯吸附?解吸迟滞效应核磁共振谱实验研究

煤系页岩瓦斯主要以吸附态和游离态形式存在, 其解吸过程相对吸附过程具有普遍滞后现象, 因此从微细观角度定量研究其吸附?附解吸迟滞规律对页岩气井后期稳产增产具有重要意义. 在前人研究基础上结合核磁共振谱理论推导出能够准确表征煤系页岩瓦斯吸附?解吸迟滞效应微细观评价模型, 并采用核磁共振谱测试技术, 以双鸭山盆地东保卫煤矿三采区36# 煤层底板煤系页岩为研究对象, 进行煤系页岩瓦斯吸附?解吸迟滞效应核磁共振谱实验, 模拟不同储层原位应力状态煤系页岩瓦斯迟滞效应发生全过程, 进一步对吸附态瓦斯、游离态瓦斯以及微细观方法测定的宏观瓦斯迟滞规律进行定量化研究, 并对其发生机理以及其对深部煤系页岩瓦斯开采影响进行了初步探究. 结果表明: 应力状态下吸附态和游离瓦斯均有滞后效应; 瓦斯宏观迟滞系数与平均有效应力呈幂函数关系, 而瓦斯宏观迟滞效应中由吸附态或游离态瓦斯引起的迟滞系数与平均有效应力关系均可采用二次多项式拟合; 孔裂隙应力损伤和微孔隙瓦斯扩散受限耦合或许是煤系页岩瓦斯吸附?解吸迟滞效应产生根本原因之一.      

基于机器学习的页岩气采收率预测方法

页岩气是指以吸附和游离时而还有流体相的状态赋存于泥页岩中的非常规天然气,我国探明储量丰富,地域分布广泛,埋藏深度普遍在3000米以下。页岩气开采的关键技术是水平井和水力压裂,而高效开采面临的更大困难和挑战是预测采收率。如果能够预测采收率,一是可以评估当前储层改造程度,二是可以获悉当前的施工参数对产气量的直接影响,便于动态指导施工。由于影响产气量的因素既包括储层自身参数,又受施工参数的直接调控,因此尚无合适的物理模型能够评估多种因素对产气量的综合影响。近年来,随着深度学习的兴起,该方法成为解决工程领域问题的热门手段。本文通过解读涪陵地区页岩气开采水平井的现场数据,分别使用深度神经网络、支持向量机以及极限梯度爬升等三种机器学习方法,建立了从储层和施工参数到采收率的预测模型,分析了各类模型的优缺点,以及相关参数的重要性。在页岩气施工现场数据量较少的情况下,建立了合理预测采收率模型,具有工程应用前景。     

分子模拟在非常规油气开发中的应用

非常规油气资源储量丰富,具有广阔的开发前景.我国低渗/特低渗油藏以陆相沉积为主,储层特征差异性大,孔喉细小,孔隙度低,可动原油气大量储集于亚微米孔隙中,开采难度大,采收率低.岩油界面微观力学作用和限域传质力学机理是其中的关键科学问题.近年来,分子模拟技术在非常规油气开采的研究领域已经成为一种重要的研究手段.本文介绍了分子模拟的基本原理,然后给出了非常规油气藏储层流体和基质的组成及分子模型,并探讨了分子模拟在非常规油气开发中的应用及相关研究进展.     

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.      

FRACTAL DESCRIPTION OF ROCK FRACTURE BEHAVIOR

岩石可压裂性的定量评价是非常规油气资源开采中一个重要且复杂的问题,利用已有岩心实验数据,考虑岩石的岩性及压裂裂隙的分形特征,建立了岩石压裂裂隙的分维数、岩石抗压强度和裂隙面密度之间的定量关系,并根据所采岩心,利用自行开发的软件计算出其压裂后分形维数,验证了裂隙越复杂,分形维数越大. 提出采用压裂裂隙的分维数来表征岩石的可压裂性, 为定量分析和评价岩石可压裂性与储层开采价值提供了一个新的思路.