陳 勉， 葛洪魁， 趙金洲， 姚 軍

(1.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京102249；2.中國石油大學(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.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580)

頁巖油氣高效開發(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.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京102249；2.中國石油大學(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)我國頁巖氣資源高效開發(fā)，在概述我國頁巖氣資源和開采現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從地質(zhì)特征預(yù)測、安全快速鉆井、環(huán)保高效開采等方面系統(tǒng)總結(jié)了我國頁巖氣開采面臨的工程地質(zhì)難題，指出頁巖非線性工程地質(zhì)力學(xué)特征與預(yù)測理論、多重耦合下的頁巖油氣安全優(yōu)質(zhì)鉆井理論、頁巖地層動態(tài)隨機(jī)裂縫控制機(jī)理與無水壓裂技術(shù)、頁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，鉆采過程中頁巖儲層物理力學(xué)化學(xué)特征演化規(guī)律與數(shù)學(xué)表征，多場耦合條件下非連續(xù)頁巖與鉆井完井流體作用機(jī)理，頁巖地層動態(tài)隨機(jī)裂縫控制、長效導(dǎo)流機(jī)制與無水壓裂技術(shù)，頁巖微納尺度吸附/解吸機(jī)制、尺度升級及多場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，對促進(jìn)我國頁巖油氣的科學(xué)、有效開發(fā)具有一定的借鑒作用。

頁巖油氣 鉆井 滲流 儲層改造

頁巖氣是近年來國際油氣資源開發(fā)的熱點(diǎn)，借助水平井分段壓裂技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用，美國實(shí)現(xiàn)了頁巖氣大規(guī)模的商業(yè)開采，并迎來了全球頁巖氣革命。據(jù)英國石油公司發(fā)布的2014年世界能源統(tǒng)計(jì)[1]，2014年度美國天然氣產(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)口國向出口國的轉(zhuǎn)變。美國能源信息署2013年6月發(fā)布的評估數(shù)據(jù)顯示[2]，中國頁巖氣技術(shù)可采儲量31.6×1012m3，占世界頁巖氣技術(shù)可采儲量的14.3%。我國作為頁巖油氣資源豐富的大國，如何實(shí)現(xiàn)向開采強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變，是實(shí)現(xiàn)國家能源結(jié)構(gòu)升級和低碳環(huán)保戰(zhàn)略的迫切需求。

近年來，中國在頁巖氣開發(fā)方面開展了大量工作。2009年，中國石油在四川威遠(yuǎn)、長寧、富順、永川等地區(qū)啟動了首批頁巖氣工業(yè)化試驗(yàn)區(qū)建設(shè)；2010年，中國石油在四川盆地部署的威201井在寒武系、志留系頁巖中獲工業(yè)氣流[3]；2012年11月，中國石化在涪陵焦石壩地區(qū)部署的焦頁1HF井龍馬溪組頁巖層段經(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)了我國海相頁巖氣勘探的重大突破[4]；2014年，中國石化在涪陵焦石壩地區(qū)建成了我國首個(gè)大型頁巖氣田，初步實(shí)現(xiàn)了頁巖氣的商業(yè)化開發(fā)。截至2015年9月，中國石油在長寧-威遠(yuǎn)、昭通國家級頁巖氣示范區(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)頁巖氣5.6×1012m3，取得了頁巖氣勘探開發(fā)的重要階段成果，創(chuàng)造了國內(nèi)多個(gè)第一[5]。雖然我國在局部地區(qū)頁巖氣勘探開發(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，尚未掌握我國頁巖氣開發(fā)的一般性規(guī)律。中國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)塊的頁巖氣井產(chǎn)量不佳，無法實(shí)現(xiàn)頁巖氣的經(jīng)濟(jì)有效開發(fā)。

與美國頁巖油氣資源相比，我國頁巖油氣的地質(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，頁巖油氣開發(fā)中仍存在諸多重要的問題亟待解決[9]，頁巖油氣滲流機(jī)理、開采理論認(rèn)識不清，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?，無法在更廣泛區(qū)域推廣應(yīng)用。筆者基于我國頁巖氣開發(fā)實(shí)際，從頁巖氣開采面臨的工程地質(zhì)難題出發(fā)，詳細(xì)闡述了頁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，以期為加速我國頁巖油氣資源開發(fā)提供指導(dǎo)和借鑒。

1 頁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，頁巖儲層物理力學(xué)特征預(yù)測精度差

我國頁巖儲層構(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)確反映頁巖力學(xué)特征。中美兩國的頁巖在儲層特征上存在較大差異(見表1)，美國頁巖工程地質(zhì)力學(xué)理論與方法不能直接用于我國頁巖氣勘探開發(fā)中。

表1 中美兩國頁巖氣儲層差異

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

我國西南地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，對鉆井流體的環(huán)保性能要求高。由于頁巖儲層層理裂隙發(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)地貌使井場布置難度加大，現(xiàn)有的平臺式工廠化作業(yè)設(shè)計(jì)、評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

美國頁巖氣產(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)，我國西部地區(qū)缺水，南方多山區(qū)丘陵，必須通過全井段儲層縫網(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效導(dǎo)流的要求；水資源匱乏(美國人均水資源量9 920 m3，我國只有2 100 m3)，并且我國頁巖氣富集區(qū)塊大部分位于西部生態(tài)脆弱、南方人口稠密地區(qū)，不能承受頁巖氣開發(fā)對水資源的巨大消耗和對地表水系的嚴(yán)重污染。

1.4 頁巖氣藏復(fù)雜，油氣產(chǎn)能預(yù)測與方案設(shè)計(jì)針對性差

頁巖氣藏具備如下特征[11]：1)頁巖氣賦存形式多樣，游離氣、吸附氣、溶解氣共存；2)儲存空間復(fù)雜，納米級有機(jī)質(zhì)粒內(nèi)孔隙、納米—微米級粒間孔隙、微米—毫米級微裂縫和厘米級人工壓裂縫發(fā)育，具有多尺度特性；3)儲層孔滲極低，滲透率納達(dá)西級別，孔隙度小于10%；4)頁巖脆性大[12]，壓裂裂縫擴(kuò)展隨機(jī)性強(qiáng)，微裂縫發(fā)育?？梢姡搸r氣藏有別于常規(guī)氣藏，導(dǎo)致頁巖氣解吸-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)確評價(jià)頁巖氣井產(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，但由于頁巖儲層明顯有別于砂巖、碳酸鹽儲層，因而頁巖油氣開采中的許多重要科學(xué)問題尚未解決，嚴(yán)重制約了我國頁巖油氣工業(yè)化開采進(jìn)程。目前，我國頁巖油氣開發(fā)存在以下關(guān)鍵基礎(chǔ)理論問題尚待解決。

2.1 頁巖非線性工程地質(zhì)力學(xué)特征與預(yù)測理論

深部頁巖的地質(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，是影響頁巖油氣高效開發(fā)的關(guān)鍵因素。深部頁巖的地質(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)頁巖巖體宏觀力學(xué)特性評價(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)評價(jià)方法及分析預(yù)測模型，形成非連續(xù)頁巖脆度峰后評價(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)境及高精度的測試方法，揭示具有強(qiáng)烈構(gòu)造活動特征的儲層異常壓力及地應(yīng)力場形成機(jī)制，建立考慮強(qiáng)烈構(gòu)造活動和非線性邊界條件的地層壓力預(yù)測及地應(yīng)力場反演理論，重點(diǎn)考慮壓裂改造中擾動引起的三維應(yīng)力場演化規(guī)律，建立頁巖地層三維地應(yīng)力場形成與壓裂擾動引起的應(yīng)力場演化模型。基于上述基礎(chǔ)理論，建立地球物理表征模型，為頁巖油氣高效開發(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 多重耦合下的頁巖油氣安全優(yōu)質(zhì)鉆井理論

頁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，長水平段鉆井與多級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)，形成一套頁巖儲層安全優(yōu)質(zhì)鉆井基礎(chǔ)理論：針對長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)、建井周期長和建井成本高等主要技術(shù)難題，需開展頁巖儲層傷害機(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)適用性評價(jià)，探索高壓水射流鉆井壓裂一體化技術(shù)原理，形成頁巖儲層新型鉆井完井方式；建立頁巖水平井工廠化鉆井完井評估與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

2.3 頁巖地層動態(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)頁巖氣商業(yè)化開采的關(guān)鍵，儲層動態(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。頁巖儲層隨機(jī)分布天然裂縫和層理弱面，導(dǎo)致裂縫的起裂特征和動態(tài)擴(kuò)展規(guī)律異常復(fù)雜，裂縫形態(tài)難以辨識和掌握，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，揭示頁巖裂縫的空間起裂和擴(kuò)展行為，為頁巖縫網(wǎng)壓裂的數(shù)值模擬研究提供基礎(chǔ)。針對“井工廠”模式的頁巖儲層體積壓裂改造，需要研究不同模式、工藝措施、施工參數(shù)和儲層隨機(jī)天然裂縫分布條件下多裂縫間的應(yīng)力場干擾、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，建立頁巖復(fù)雜縫網(wǎng)支撐劑運(yùn)移機(jī)制與長效導(dǎo)流能力評價(jià)模型。針對油氣開采和應(yīng)力擾動誘發(fā)的頁巖氣井初始縫網(wǎng)失效特征，建立應(yīng)力擾動與初始縫網(wǎng)條件下的頁巖重復(fù)造縫理論；同時(shí)，提出頁巖氣儲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，建立無水壓裂頁巖儲層縫網(wǎng)改造體積的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為頁巖油氣高效開發(fā)提供理論模型。

2.4 頁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)。頁巖油氣藏儲層介質(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)確刻畫頁巖油氣藏的多尺度流動機(jī)制。另外，由于頁巖致密，很難進(jìn)行室內(nèi)流動物理模擬試驗(yàn)。為此，亟待研究有效的微觀流動數(shù)值模擬方法，揭示頁巖微納尺度流動機(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、油水在頁巖微納孔隙中的流動。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)建立尺度升級方法，將頁巖的微觀傳輸性質(zhì)和流動模式升級到宏觀層面，為宏觀數(shù)值模擬、試井解釋、產(chǎn)能評價(jià)以及潛力預(yù)測奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，由于應(yīng)力對頁巖縫網(wǎng)的形成、頁巖滲流參數(shù)等影響較大，有必要研究應(yīng)力場和滲流場耦合的數(shù)值模擬方法，為井工廠的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)動態(tài)模擬及預(yù)測奠定理論基礎(chǔ)。

3 理論創(chuàng)新難點(diǎn)與挑戰(zhàn)

我國“十二五”規(guī)劃明確要求“推進(jìn)頁巖氣等非常規(guī)油氣資源開發(fā)利用”。大力發(fā)展頁巖油氣迫切需要解決的理論技術(shù)難題包括：1)深化認(rèn)識頁巖工程條件，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)體長效壓裂理論。

3.1 鉆采過程中頁巖儲層物理力學(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)儲層，研究頁巖的力學(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 頁巖天然裂縫、節(jié)理、斷層等地質(zhì)特征跨尺度表征

對于深部非連續(xù)頁巖而言，缺乏專門針對頁巖裂縫、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，對于非連續(xù)頁巖巖體跨尺度表征需進(jìn)一步深入。

3.1.2 非連續(xù)頁巖力學(xué)特性及峰后脆度評價(jià)

頁巖脆性是評價(jià)其力學(xué)特性的關(guān)鍵指標(biāo)，對井壁穩(wěn)定和壓裂效果影響顯著?，F(xiàn)有脆性評價(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價(jià)方法?；趬嚎s試驗(yàn)的頁巖脆度理論和測井、礦物組分分析方法，不能定量解釋頁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下的演化規(guī)律

壓裂縫網(wǎng)體發(fā)育過程對壓裂空間三維應(yīng)力場的擾動機(jī)制不清楚，地應(yīng)力預(yù)測精度差，不能有效支撐壓裂設(shè)計(jì)。目前，國際石油工程學(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)力場的擾動和控制機(jī)制及對裂縫轉(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，但對天然裂縫與人工裂縫同時(shí)作用的應(yīng)力場以及化學(xué)作用的應(yīng)力場演化尚鮮有涉及。

3.1.4 各向異性頁巖地層的地球物理預(yù)測理論與方法

頁巖儲層中非連續(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)行頁巖油氣儲層橫波速度預(yù)測的方法。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)測精度差，無法定量預(yù)測地層特征，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 多場耦合條件下非連續(xù)頁巖與鉆井完井流體作用機(jī)理

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

3.2.1 地層可鉆性與可壓性評價(jià)研究

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

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

3.2.2 頁巖井筒失穩(wěn)機(jī)理和完整性評估方法

頁巖井壁穩(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)作用對頁巖井壁穩(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)頁巖為各向同性，無天然裂縫損傷，對泥頁巖井壁水化失穩(wěn)的機(jī)理和本質(zhì)認(rèn)識還不夠深入和完整，仍未考慮頁巖氣儲層中普遍存在的天然微裂縫和巖石各向異性等因素對井壁穩(wěn)定性的影響。

3.2.3 頁巖儲層傷害機(jī)理與環(huán)保型水基鉆井液體系研究

頁巖儲層保護(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)評估了鉆井液中聚合物對致密儲層的傷害，檢測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)場試驗(yàn)并獲得成功。I.J.Lakatos等人[29]研究了致密砂巖儲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)和巖石潤濕性具有特殊性，會產(chǎn)生較強(qiáng)的毛細(xì)管力來自吸鉆井液，造成儲層“水鎖”傷害。對此，國內(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)象引起的儲層傷害，并起到了良好的效果。

3.3 頁巖地層動態(tài)隨機(jī)裂縫控制、長效導(dǎo)流機(jī)制與無水壓裂技術(shù)

頁巖儲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層改造體積和提高縫網(wǎng)長效導(dǎo)流能力尤為關(guān)鍵。同時(shí)，頁巖氣開發(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，而我國頁巖氣勘探的有利區(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)，為我國頁巖氣未來大規(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

國內(nèi)外學(xué)者針對裂縫相互作用、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于單井裂縫擴(kuò)展，對于“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 頁巖復(fù)雜縫網(wǎng)支撐劑運(yùn)移機(jī)制與長效導(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)測模型。Deng Shouchun等人[32]研究了特定條件下頁巖與支撐劑顆粒的互作用。目前頁巖縫網(wǎng)中的支撐劑運(yùn)移研究尚未考慮流體流量自動重分配，同時(shí)未考慮支撐劑顆粒與頁巖長期互作用下的縫網(wǎng)導(dǎo)流能力。

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

目前國內(nèi)未見頁巖水平井重復(fù)壓裂施工的報(bào)道，針對重復(fù)壓裂造縫機(jī)理的研究沒有考慮天然裂縫的影響。國內(nèi)外在重復(fù)壓裂機(jī)理方面取得了一些初步認(rèn)識，Wu Ruiting等人[33]在Cheng Yueming[34]的研究基礎(chǔ)上對水平井分段多簇裂縫擾動應(yīng)力場進(jìn)行了研究，J.B.Altmann等人[35]對頁巖重復(fù)壓裂的流固耦合問題進(jìn)行了研究，均未考慮天然裂縫、溫度場等復(fù)雜因素，有必要針對應(yīng)力擾動與初始縫網(wǎng)條件下的頁巖重復(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，該壓裂液對地層無任何傷害[36]，但國內(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]，但礦場可操作性和儲層適應(yīng)性沒有相關(guān)研究報(bào)道，特別是需對頁巖儲層的可改造性進(jìn)行深入研究。

3.4 頁巖微納尺度吸附/解吸機(jī)制、尺度升級及多場耦合的多相滲流理論

頁巖儲層因其多尺度的儲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，亟需開展頁巖油氣多尺度滲流特征及開采理論的研究，包括頁巖氣-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)制及其尺度升級方法,應(yīng)力場與滲流場全耦合的數(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)測理論，以及“井工廠”開采模式下地質(zhì)、油藏和工程參數(shù)對頁巖油氣流動的影響機(jī)制。

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

對于頁巖氣儲層的吸附/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，頁巖氣藏均存在一定的含水飽和度。因此，頁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)，對壓力不敏感。目前國內(nèi)外對于頁巖氣儲層氣-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 頁巖微納尺度多相流運(yùn)移機(jī)制及其尺度升級

微納米孔隙為頁巖儲層的主要儲集空間，流體在微納米孔隙內(nèi)的流動規(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)行微觀流動模擬的方法[41]，可以研究頁巖微納尺度的運(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，而目前對于頁巖儲層物性及運(yùn)移機(jī)制的尺度升級尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。

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

目前頁巖氣藏的數(shù)值模擬大多未考慮應(yīng)力場與滲流場的耦合或滲流場未全面考慮頁巖儲層耦合運(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，頁巖油氣藏通常發(fā)育天然微裂縫，人工壓裂后會形成多尺度離散裂縫網(wǎng)絡(luò)，為典型的裂縫性介質(zhì)。隨著儲層地應(yīng)力場的改變，裂縫會隨之開啟或閉合，對滲流場產(chǎn)生重要影響，與此同時(shí)滲流場的改變會反過來影響地應(yīng)力場，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巖油氣藏應(yīng)力場與滲流場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

我國頁巖油氣的高效開發(fā)研究，需以提高頁巖油氣產(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)觀的頁巖油氣滲流與動態(tài)斷裂理論研究，采用不同尺度物理模擬手段，分析頁巖氣解吸附、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，形成頁巖油氣產(chǎn)能預(yù)測、水平井鉆井完井一體化和縫網(wǎng)體長效壓裂理論，在頁巖油氣開發(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，從而為我國頁巖油氣高效開采奠定堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，提高我國在該領(lǐng)域的國際學(xué)術(shù)影響力。

References

[1] 潘瀟.國際地質(zhì)新動態(tài)[J].資源環(huán)境與工程，2014，28(5)：762. Pan Xiao.The new development of international geology[J].Resources Environment & Engineering,2014，28(5)：762.

[2] 孫張濤，田黔寧，趙霞，等.世界頁巖氣開發(fā)現(xiàn)狀及對中國頁巖氣合理勘探開發(fā)的建議[J/OL].國土資源情報(bào)，http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4479.N.20150729.1627.002.html. Sun Zhangtao，Tian Qianning，Zhao Xia，et al.Current development of shale gas in the world and suggestions for rational exploration and exploitation of shale gas in China[J/OL].Land and Resources Information，http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4479.N.20150729.1627.002.html.

[3] 趙常青，譚賓，曾凡坤，等.長寧-威遠(yuǎn)頁巖氣示范區(qū)水平井固井技術(shù)[J].斷塊油氣田，2014，21(2)：256-258. Zhao Changqing，Tan Bin，Zeng Fankun，et al.Cementing technology of horizontal well in Changning-Weiyuan shale gas reservoir[J].Fault-Block Oil and Gas Field，2014，21(2):256-258.

[4] 周德華，焦方正，賈長貴，等.JY1HF頁巖氣水平井大型分段壓裂技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(1)：75-80. Zhou Dehua，Jiao Fangzheng，Jia Changgui，et al.Large-scale multi-stage hydraulic fracturing technology for shale gas horizontal Well JY1HF[J].Petroleum Drilling Techniques，2014，42(1):75-80.

[5] 任勇，錢斌，張劍，等.長寧地區(qū)龍馬溪組頁巖氣工廠化壓裂實(shí)踐與認(rèn)識[J].石油鉆采工藝，2015，37(4):96-99. Ren Yong，Qian Bin，Zhang Jian，et al.Practice and understanding of industrial fracturing for shale gas of Longmaxi Formation in Changning region[J].Oil Drilling & Production Technology，2015，37(4):96-99.

[6] 路保平.中國石化頁巖氣工程技術(shù)進(jìn)步及展望[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(5)：1-8. Lu Baoping.Sinopec engineering technical advance and its developing tendency in shale gas[J].Petroleum Drilling Techniques，2013，41(5)：1-8.

[7] 葛洪魁，王小瓊，張義.大幅度降低頁巖氣開發(fā)成本的技術(shù)途徑[J].石油鉆探技術(shù)，2013,41(6)：1-5. Ge Hongkui，Wang Xiaoqiong，Zhang Yi.A technical approach to reduce shale gas development cost[J].Petroleum Drilling Techniques，2013，41(6)：1-5.

[8] 薛承瑾.國內(nèi)頁巖氣有效開采值得關(guān)注的幾個(gè)問題[J].石油鉆探技術(shù)，2012，40(4)：1-6. Xue Chengjin.Noteworthy issues on effective production of shale gas resource in China[J].Petroleum Drilling Techniques，2012，40(4)：1-6.

[9] 曾義金.頁巖氣開發(fā)的地質(zhì)與工程一體化技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(1)：1-6. Zeng Yijin.Integration technology of geology & engineering for shale gas development[J].Petroleum Drilling Techniques，2014，42(1)：1-6.

[10] 陳平，劉陽，馬天壽.頁巖氣“井工廠”鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(3)：1-7. Chen Ping，Liu Yang，Ma Tianshou.Status and prospect of multi-well pad drilling technology in shale gas[J].Petroleum Drilling Techniques，2014，42(3)：1-7.

[11] 薛承瑾.頁巖氣壓裂技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J].石油鉆探技術(shù)，2011，39(3)：24-29. Xue Chengjin.Technical advance and development proposals of shale gas fracturing[J].Petroleum Drilling Techniques，2011，39(3)：24-29.

[12] 蔣廷學(xué)，卞曉冰，蘇瑗，等.頁巖可壓性指數(shù)評價(jià)新方法及應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2014，42(5)：16-20. Jiang Tingxue，Bian Xiaobing，Su Yuan，et al.A new method for evaluating shale fracability index and its application[J].Petroleum Drilling Techniques，2014，42(5)：16-20.

[13] Rickman R，Mullen M，Petre E，et al.A practical use of shale petrophysics for stimulation design optimization：all shale plays are not clones of the Barnett Shale[R].SPE 115258，2008.

[14] Boris Tarasov，Yves Potvin.Universal criteria for rock brittleness estimation under triaxial compression[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2013，59:57-69.

[15] 李慶輝，陳勉，金衍，等.頁巖脆性的室內(nèi)評價(jià)方法及改進(jìn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(8)：1680-1685. LiQinghui，Chen Mian，Jin Yan，et al.Indoor evaluation method for shale brittleness and improvement[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(8):1680-1685.

[16] Hyunil J.Optimizing fracture spacing to induce complex fractures in a hydraulically fractured horizontal wellbore[R].SPE154930，2012.

[17] Bruce R M，Lucas W B.A discrete fracture network model for hydraulically induced fractures:theory，parametric and case studies[R].SPE140514，2011.

[18] Thomsen L.Weakelastic anisotropy[J].Geophysics，1986，51(10) ：1954-1966.

[19] Berryman J G.Exact seismic velocities for transversely isotropic media and extended Thomsen formulas for stronger anisotropies[J].Geophysics，2008，73(1)：1-10.

[20] 胡起，陳小宏，李景葉.基于各向異性巖石物理模型的頁巖氣儲層橫波速度預(yù)測[J].石油物探，2014，53(3)：254-261. Hu Qi，Chen Xiaohong，Li Jingye.Shear wave velocity prediction for shale gas reservoirs based onanisotropic rock physics model[J].Geophysical prospecting for petroleum，2014，53(3)：254-261.

[21] Xu Weiya，Zhang Jiuchang，Wang Rubin，et al.An elasto-plastic model and its return mapping scheme for anisotropic rocks[C]//Yang Qiang，Zhang Jianmin，Zheng Hong，et al.Constitutive modeling of geomaterials：advances and new applications.Berlin：Springer Berlin Heidelberg，2013：371-380.

[22] Tiryaki B.Evaluation of theindirect measures of rock brittleness and fracture toughness in rock cutting[J].Journal of The South African Institute of Mining And Metallurgy，2006，106(6)：407-424.

[23] Yu M，Chen G，Chenevert M，et al.Chemical and thermal effects on wellbore stability of shale formations[R].SPE 71366，2011.

[24] 金衍，陳勉.水敏性泥頁巖地層臨界坍塌時(shí)間的確定方法[J].石油鉆探技術(shù)，2004，32(2)：12-14. Jin Yan，Chen Mian.A method for determining the critical time of wellbore instability at water-sensitive shale formations[J].Petroleum Drilling Techniques，2004，32(2)：12-14.

[25] Ghassemi A，Tao Q，Diek A.Influence of coupled chemo-poro-thermoelastic processes on pore pressure and stress distributions around a wellbore in swelling shale[J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2009，67(1)：57-64.

[26] Wang Q，Chen Z，Ma P，et al.Analysis of effect factor in shale wellbore stability[R].ARMA 2013-504，2013.

[27] Liang Chuan，Chen Mian，Lu Baoping，et al.The study of nano sealing to improve the brittle shale wellbore stability under dynamic load[R].OTC 24919，2014.

[28] Siddiqui M A，Nasr-EI-Din H A.Evaluation of special enzymes as a means to remove formation damage induced by drill-in fluids in horizontal gas wells in tight reservoirs[R].SPE 81455，2003.

[29] Lakatos I J，Bodi T，Lakatos-Szabo J，et al.Mitigation of formation damage caused by water-based drilling fluid in unconventional gas reservoirs[R].SPE 127999，2010.

[30] Sahai R，Miskimins J L，Olson K E.Laboratory results of proppant transport in complex fracture systems[R].SPE 168579，2014.

[31] Guo Jianchun，Liu Yuxuan.Modeling of proppant embedment:elastic deformation and creep deformation[R].SPE 157449，2012.

[32] Deng Shouchun，Li Haibo，Ma Guowei，et al.Simulation of shale-proppant interaction in hydraulic fracturing by the discrete element method[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2014，70：219-228.

[33] Wu Ruiting,Kresse O，Weng Xiaowei，et al.Modeling of interaction of hydraulic fractures in complex fracture networks[R].SPE 152052，2012.

[34] Cheng Yueming.Mechanical interaction of multiple fractures-exploring impacts of the selection of the spacing/number of perforation clusters on horizontal shale-gas wells[J].SPE Journal，2012，17(4)：992-1001.

[35] Altmann J B，Müller T M，Müller B I R，et al.Poroelastic contribution to the reservoir stress path[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2010，47(7)：1104-1113.

[36] 韓烈祥，朱麗華，孫海芳，等.LPG 無水壓裂技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2014，34(6)：48-54. Han Liexiang，Zhu Lihua，Sun Haifang，et al.LPG waterless fracturing technology[J].Natural Gas Industry，2014，34(6)：48-54.

[37] 宋振云，蘇偉東，楊延增，等.CO2干法加砂壓裂技術(shù)研究與實(shí)踐[J].天然氣工業(yè)，2014，34(6)：55-59. Song Zhenyun，Su Weidong，Yang Yanzeng，et al.Experimental studies of CO2/sanddry-fracprocess[J].Natural Gas Industry，2014，34(6)：55-59.

[38] 林英松，劉兆年，秦濤.層內(nèi)爆炸后儲層裂縫分析方法研究[J].斷塊油氣田，2006，13(1)：44-46. Lin Yingsong，Liu Zhaonian，Qin Tao.Analysis methods of reservoir fracture after exploding in fracture[J].Fault-Block Oil and Gas Field，2006，13(1)：44-46.

[39] 徐鵬，劉新云，石李保.地應(yīng)力對爆炸壓裂影響規(guī)律的數(shù)值模擬研究[J].石油鉆探技術(shù)，2013，41(1)：65-69. Xu Peng，Liu Xinyun，Shi Libao.Numerical simulation for the effect of ground stress on explosive fracturing[J].Petroleum Drilling Techniques，2013，41(1)：65-69.

[40] 姚軍，孫海，黃朝琴，等.頁巖氣藏開發(fā)中的關(guān)鍵力學(xué)問題[J].中國科學(xué):物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)，2013，43(12)：1527-1547. Yao Jun，Sun Hai，Huang Zhaoqin，et al.Key mechanical problems in the development of shale gas reservoirs[J].ScientiaSinica：Physica，Mechanica & Astronomica，2013，43(12)：1527-1547.

[41] 孫海，姚軍，張磊，等.基于孔隙結(jié)構(gòu)的頁巖滲透率計(jì)算方法[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，38(2)：92-98. Sun Hai，Yao Jun，Zhang Lei，et al.A computing method of shale permeability based on pore structures[J].Journal of China University of Petroleum：Edition of Natural Science，2014，38(2)：92-98.

[編輯 陳會年]

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，遼寧沈陽人，1982年畢業(yè)于北京大學(xué)力學(xué)系，1991年獲中國礦業(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。

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

?頁巖油氣高效開發(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。