柳占立 莊 茁 孟慶國 詹世革 黃克智

?(清華大學(xué)航天航空學(xué)院應(yīng)用力學(xué)教育部重點實驗室，北京100084)?(國家自然科學(xué)基金委員會數(shù)理學(xué)部，北京100085)

頁巖氣高效開采的力學(xué)問題與挑戰(zhàn)1)

柳占立?,2)莊 茁?孟慶國?詹世革?黃克智?

?(清華大學(xué)航天航空學(xué)院應(yīng)用力學(xué)教育部重點實驗室，北京100084)?(國家自然科學(xué)基金委員會數(shù)理學(xué)部，北京100085)

頁巖氣是指賦存于富含有機質(zhì)泥頁巖中以吸附和游離狀態(tài)為主要存在方式的天然氣，中國資源量豐富，地域分布廣泛.頁巖氣開采能緩解我國常規(guī)油氣產(chǎn)量不足、煤化石燃料引起環(huán)境污染等問題，已成為中國綠色能源開發(fā)的重要領(lǐng)域.盡管北美頁巖氣“革命”取得了成功，目前也僅有預(yù)期產(chǎn)量5%～15%的采收率.與北美地區(qū)相比，中國頁巖氣埋藏深，賦存條件差，自然豐度低，因此，高效開采面臨更多的困難和挑戰(zhàn).近年來，圍繞國家重大能源戰(zhàn)略需求,瞄準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展前沿，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界聯(lián)合對頁巖氣高效開采的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題展開研究.本文結(jié)合近三年四川、重慶地區(qū)的頁巖氣試驗區(qū)塊遇到的新問題，針對中國未來3500m以下深部開采的新挑戰(zhàn)，如地質(zhì)沉積、裂縫發(fā)育構(gòu)造不同、上覆壓力增加、水平應(yīng)力場變化等新問題，介紹和總結(jié)了目前中國頁巖氣高效開采面臨的力學(xué)科學(xué)問題，主要包括多重耦合下的安全優(yōu)質(zhì)鉆完井力學(xué)理論和方法、水力壓裂體積改造和多尺度縫網(wǎng)形成機制、多尺度滲流力學(xué)特性與解吸附機理等.“深部頁巖氣高效開采”的研究面向國家重大能源需求，科學(xué)意義重大，工程背景明確，需要工程力學(xué)、石油工程、地球物理、化學(xué)工程和環(huán)境工程等多學(xué)科專家合作，開展理論研究、物理模擬、數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗等綜合應(yīng)用基礎(chǔ)研究，取得高效開采頁巖油氣理論與技術(shù)的突破.學(xué)科交叉是研究頁巖氣高效開采問題、突破技術(shù)瓶頸的橋梁，只有力學(xué)與石油工程、地球科學(xué)等學(xué)科實現(xiàn)深度交叉融合，才能更加有效地推動頁巖油氣等非常規(guī)油氣資源的開發(fā).

頁巖氣，工程地質(zhì)力學(xué)，鉆井完井理論，水力壓裂，多尺度滲流

引言

2015年美國頁巖氣年產(chǎn)量為4307.82億m3，約占美國天然氣總產(chǎn)量的56.22%，超過我國2015年天然氣總年產(chǎn)量(1270.97億m3).據(jù)美國能源部能源信息管理局2013年預(yù)測，中國的頁巖氣儲量排名世界第一，占比全球儲量的36%，是美國的1.5倍，達到1115萬億m3[1].加快頁巖氣資源勘探與開發(fā)已成為頁巖氣資源大國的共同目標(biāo).北美頁巖氣的商業(yè)化開發(fā)給世界各國的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整帶來巨大影響，特別是在當(dāng)前我國不合理的能源消費結(jié)構(gòu)背景下，頁巖油氣開采將成為我國綠色能源開發(fā)的新領(lǐng)域，從而成為緩解原油產(chǎn)量不足，降低減少煤化石燃料環(huán)境污染的有效途徑.“十三五”期間，我國將推動能源結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化調(diào)整，天然氣等清潔能源需求持續(xù)加大，為頁巖油氣大規(guī)模開發(fā)提供了寶貴機遇[23].

盡管北美頁巖氣 “革命”取得了成功，但是美國頁巖油氣田的產(chǎn)量數(shù)據(jù)表明，目前只有預(yù)期產(chǎn)量5%～15%的油氣開采出來[4]，其原因是多方面的，如水平井的井段縮短和井筒完整性沒有達到預(yù)期，頁巖層改造的裂縫網(wǎng)絡(luò)沒有完好形成，高比例的裂縫簇沒有產(chǎn)出(據(jù)6個區(qū)塊統(tǒng)計，30%的裂縫簇沒有產(chǎn)出)，油氣滲流和解吸附尚未形成流動等.相比北美以海相沉積為主的頁巖氣層，其產(chǎn)區(qū)主要分布在比較穩(wěn)定的大地構(gòu)造巖層內(nèi)，而中國南方海相頁巖氣儲層存在于復(fù)雜山地區(qū)域和經(jīng)歷了后期地震的強烈改造，頁巖儲層以裂隙和微孔為主，層理、節(jié)理及夾層發(fā)育，儲層埋藏深，頁巖氣賦存環(huán)境差[5].以四川和塔里木盆地為例，頁巖氣埋藏大多在3000至6000m，且地表環(huán)境較差，多山區(qū)或沙漠，經(jīng)歷地震重構(gòu)、嚴重缺水和道路崎嶇，因此，施工成本和開發(fā)難度很高.盡管條件困難，在“十二五”期間，頁巖氣勘探開發(fā)取得了重大突破，2015年形成以重慶涪陵為代表的年產(chǎn)50億m3的氣田(可供3200萬人口的年用氣量)，成為北美之外第一個實現(xiàn)規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)的國家.但從現(xiàn)有頁巖油氣開采技術(shù)層面看，中國的頁巖油氣高效開采仍面臨諸多理論、方法和工程技術(shù)的挑戰(zhàn).

因此，頁巖油氣高效開采中的基礎(chǔ)科學(xué)理論和工程技術(shù)問題亟需解決，主要分為4個方面：(1)頁巖油氣開采中的鉆井完井力學(xué)理論與方法；(2)水力壓裂體積改造和多尺度縫網(wǎng)形成機制；(3)多尺度多物理場滲流力學(xué)特性與解吸附機理；(4)頁巖油氣開采新概念與新技術(shù).學(xué)科交叉是研究頁巖油氣高效開采問題、突破技術(shù)瓶頸的橋梁，只有力學(xué)與石油工程、地球科學(xué)等學(xué)科實現(xiàn)深度交叉融合，才能更加有效地推動頁巖油氣等非常規(guī)油氣資源的開發(fā)，實現(xiàn)“十三五”規(guī)劃中“力爭實現(xiàn)頁巖氣產(chǎn)量300億立方米”的目標(biāo).

1 頁巖氣高效開采的力學(xué)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

頁巖儲層具有低孔、低滲透率的物性特征(孔隙度一般在4%～6%，滲透率小于1.0nD)，油氣溢出阻力遠大于常規(guī)天然油氣，基本無自然產(chǎn)能，流體的滲透通道主要是裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，因此對頁巖儲層進行大規(guī)模壓裂改造是形成頁巖氣工業(yè)產(chǎn)能的主要手段[67].現(xiàn)有頁巖氣增產(chǎn)方法普遍采用水壓致裂與水平井技術(shù)來增加儲層的宏觀透氣性[810].整體來看，我國頁巖氣開發(fā)基礎(chǔ)理論和技術(shù)尚處于初步研究階段，例如，(1)還沒有完全掌握頁巖特征，造成前期勘探開發(fā)遇到了諸多問題，亟需建立全面客觀的頁巖可壓性評價指標(biāo)以指導(dǎo)我國頁巖氣的高效開發(fā)；(2)在頁巖水平井鉆井過程中，出現(xiàn)井壁垮塌嚴重、垮塌周期明顯等問題，直接導(dǎo)致水平井段縮短、體積改造規(guī)模降低，水平井井筒完整性因頁巖氣井特有的開發(fā)方式和井下工況受到嚴重挑戰(zhàn)；(3)水力壓裂僅憑井口流量控制，裂縫簇間距沒有優(yōu)化，縫網(wǎng)形成機制尚不完全清楚，彌散裂縫密度不能定量評估；(4)頁巖基質(zhì)中氣體的微流動(吸附、解吸、擴散與滲流)是影響產(chǎn)氣量的決定因素，這也是頁巖氣不同于常規(guī)天然氣藏的主要區(qū)別，由于對頁巖油氣滲流機理、開采理論認識不清，導(dǎo)致現(xiàn)有的水平井壓裂技術(shù)基本停留在工程尺度和經(jīng)驗?zāi)７聦用妫荒茉u估采收率，無法在更廣泛的區(qū)域形成工業(yè)產(chǎn)能.下面分4個方面敘述力學(xué)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.

1.1 鉆井完井力學(xué)理論與方法

此頁巖非彼頁巖，已經(jīng)成為工程界和學(xué)術(shù)界對頁巖非均質(zhì)性的共識.由于我國南方海相頁巖氣儲層位于復(fù)雜山地，具有后期強改造特征，頁巖水平井鉆井完井工程面臨諸多地質(zhì)力學(xué)問題的挑戰(zhàn)，包括巖石物理和地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的非均質(zhì)性、初始地應(yīng)力場特征的系統(tǒng)認知，巖石非線性變形、強度各向異性與剪切摩擦等力學(xué)行為，礦物組分、有機質(zhì)的微觀力學(xué)特性以及礦物顆粒支撐和黏土膠結(jié)控制的滑移機理.因此，高效開采頁巖氣，必須能夠評價頁巖氣儲層、鉆井和完井的質(zhì)量[1112].

(1)頁巖氣儲層、鉆井和完井的質(zhì)量評價體系

儲層質(zhì)量主要包括頁巖有機質(zhì)含量、儲層物性以及地層孔隙壓力，特別是區(qū)塊各異的儲層傷害機制等；鉆井質(zhì)量主要包括水平井靶體深度，水平段長度、軌跡方位的最優(yōu)化以及全壽命周期的井筒完整性等；完井質(zhì)量主要包括頁巖脆性、微裂縫發(fā)育以及水平地應(yīng)力的非均勻性等.三者之間不是相互排斥或孤立，而是相互依存、滲透和轉(zhuǎn)化.例如，2009年—2016年3月，在四川長寧—威遠頁巖示范區(qū)的開發(fā)過程中，套管變形達到30%.在壓裂的101口井中(水平井90口)，32口井出現(xiàn)了不同程度的套管變形(變形點達47個)，導(dǎo)致橋塞無法坐封到位，壓裂段數(shù)減少，單井產(chǎn)量降低，加上井筒完整性差，井生命周期降低，從而嚴重影響了頁巖氣的采收率.套管變形成為制約長寧—威遠區(qū)塊頁巖氣開發(fā)的瓶頸之一.

(2)頁巖油氣儲層巖石物理、地質(zhì)力學(xué)各向異性模型

工程地質(zhì)部門基于地球物理技術(shù)和地質(zhì)力學(xué)理論，通過反演屬性橫向約束和井震結(jié)合，搭建層面、斷層和裂縫組成的構(gòu)造模型，揭示山地頁巖強構(gòu)造活動特征的異常地層壓力和初始地應(yīng)力場分布規(guī)律，提供了“甜點”區(qū)位和建井鉆井指南.為了指導(dǎo)現(xiàn)場施工，需要優(yōu)化設(shè)計井工廠的水平井靶體深度、水平段長度和軌跡方位，建立頁巖氣單井產(chǎn)量敏感性評價方法及分析預(yù)測模型.

(3)力學(xué)與化學(xué)耦合作用下的井壁失穩(wěn)機理

在被應(yīng)力損傷的頁巖與鉆井液發(fā)生化學(xué)耦合作用下，井壁失穩(wěn)導(dǎo)致套管變形的事件經(jīng)常發(fā)生，導(dǎo)致水平井段縮短和產(chǎn)量降低.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、環(huán)保壓力大，水基鉆井液井壁易垮塌，建井周期長等主要技術(shù)難題，需要研發(fā)減小損害、降低濾失、平衡活度的環(huán)保型鉆井液體系.

(4)深部地層復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境高精度宏細觀力學(xué)測試解釋新方法

隨著我國對深部(大于3500m)頁巖氣開采的需求增大，通過建立高精度的宏細觀力學(xué)測試解釋新方法，研究復(fù)雜應(yīng)力條件下的頁巖宏細觀變形破壞機理和強度特性，揭示層理面控制的頁巖強度各向異性，黏土礦物控制的頁巖穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)與脆性開裂特性；基于Biot本構(gòu)關(guān)系和各向異性強度準(zhǔn)則對應(yīng)力模型進行三維井壁穩(wěn)定性校核，指導(dǎo)鉆井液流量和密度設(shè)計；這些研究都是深部開采必須解決的基礎(chǔ)力學(xué)問題.

1.2 水力壓裂縫網(wǎng)形成機制

水力壓裂是用帶有相位角的射孔槍沿井筒分段微爆起裂，在巖層孔壁形成初始裂縫，在水壓驅(qū)動下沿著地層最大主應(yīng)力(壓應(yīng)力)方向形成擴展裂縫簇，裂縫速度為幾米每秒的量級[1318].含有支撐劑的壓裂液作用在裂縫面上阻止裂縫閉合，形成擴展的裂縫網(wǎng)絡(luò).這種縫網(wǎng)在各向異性的非均質(zhì)頁巖中是隨機分布的，而在各向同性的均質(zhì)砂巖中則形成幣狀裂縫.

我國在頁巖水力壓裂工程方面已經(jīng)有所突破，比較成功的區(qū)塊是重慶涪陵焦石壩區(qū)塊，但是對于水力壓裂縫網(wǎng)形成機理的認識尚不完全清楚，這也嚴重制約了頁巖油氣的高效開發(fā).我國深層頁巖比重高，高應(yīng)力效應(yīng)引發(fā)的力學(xué)行為變化突出；多段多簇射孔、多種工作液壓裂施工等綜合因素控制著頁巖裂縫形態(tài).針對以上特征，要大幅改善體積壓裂效果，必須對水力壓裂縫網(wǎng)形成機制的關(guān)鍵問題開展研究.

(1)頁巖復(fù)雜縫網(wǎng)的可壓性評價

評價頁巖儲層壓裂后形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的能力是縫網(wǎng)形成機制分析和儲層質(zhì)量評價的重要方面.狹義上可壓性僅指脆性，廣義上則包括所有控制縫網(wǎng)復(fù)雜程度的因素[1922].礦場上使用最多的Jarvie礦物評價模型和Rickman力學(xué)評價模型本質(zhì)上為經(jīng)驗公式.從地質(zhì)學(xué)角度分析，脆性礦物含量、孔隙度、沉積作用、膠結(jié)礦物等均對脆性有影響；從力學(xué)角度分析，可以從應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系、力學(xué)強度參數(shù)、巖樣破碎特征等方面提取不同的參數(shù)來表征脆性.除脆性外，天然弱面和地應(yīng)力也是決定裂縫復(fù)雜程度的重要因素.從真三軸大物模實驗以及弱面交互模型出發(fā)提取地應(yīng)力差、弱面逼近角等參數(shù)作為評價參數(shù)；實驗發(fā)現(xiàn)天然弱面膠結(jié)面特征、注入流體粘度和速率也有重要影響.目前關(guān)于可壓性評價的研究雖然有所進展，但仍無統(tǒng)一認識，在應(yīng)力特征、弱面力學(xué)參數(shù)、射孔與壓裂工程參數(shù)等綜合可壓性評價方面，尚無成熟的模型.

(2)裂縫起裂機制

隨著頁巖氣開發(fā)深度增加，閉合應(yīng)力亦大幅增加.在不同壓裂液的擾動下，頁巖具有不同的起裂模式.從考慮不同角度下井眼或單個射孔孔眼的圍壓應(yīng)力，計算起裂方位與壓力，逐漸發(fā)展到考慮頁巖橫觀各向同性、應(yīng)力--滲流--Biot本構(gòu)的耦合模型，以及井壁單個天然弱面、水化應(yīng)力、彈塑性變形等滲流--應(yīng)力--化學(xué)耦合起裂模型.大量的實驗及現(xiàn)場觀測表明井筒工作液的擾動存在滲吸水化行為與前置酸液的力學(xué)損傷行為，但關(guān)于力學(xué)本構(gòu)及滲流規(guī)律耦合的模型尚未建立.北美地區(qū)6個區(qū)塊的現(xiàn)場監(jiān)測表明裂縫簇失效率超過30%，因此，在應(yīng)力作用下的多孔眼起裂競爭與裂縫簇形成機制受到關(guān)注，其研究工作剛剛開始.

(3)多物理場耦合的裂縫擴展模式

這是頁巖水力壓裂研究的熱點，可以歸結(jié)為如下問題：天然弱面的非連續(xù)、高應(yīng)力彈塑性變形、分段壓裂的多裂縫簇、圍壓作用下多場耦合.在0.3～1.0m尺度范圍的物理模型真三軸實驗中，通過聲發(fā)射或計算機斷層掃描技術(shù)，初步揭示了裂縫在圍壓影響下界面處的兩類行為：一類是裂縫穿越界面伴隨雙擴、轉(zhuǎn)向行為；另一類是進入界面受限后止裂、分叉和起裂行為.在理論模型方面，通過數(shù)值模擬引入位移不連續(xù)建立多裂縫擴展模型，分析了裂縫間的應(yīng)力陰影效應(yīng)及競爭機制；裂縫交互及多裂縫隨機轉(zhuǎn)向擴展規(guī)律；模擬縫內(nèi)支撐劑沉降和濃度分布；基于自相似原理模擬正交復(fù)雜裂縫三維形態(tài)，能夠考慮裂縫干擾、濾失和支撐劑輸送，但無法反映裂縫隨機擴展與剪切斷裂過程.對于巖層在多相流體作用下裂縫尖端的張剪復(fù)合開裂機制，需要綜合考慮弱面結(jié)構(gòu)及各向異性斷裂準(zhǔn)則、高圍壓下流固耦合效應(yīng)、縫內(nèi)支撐劑力學(xué)暫堵與流體濾失耦合效應(yīng)等.

(4)支撐劑輸運機制

在頁巖壓裂中，支撐劑輸運是在復(fù)雜裂縫通道中的固液兩相流動，也是支撐劑離散流、裂縫連續(xù)流與基質(zhì)濾失流的多尺度流動過程.現(xiàn)場監(jiān)測反饋支撐劑的輸運距離遠遠低于壓裂液的響應(yīng)距離.目前對單一裂縫中的支撐劑運移、沉降實驗和理論模擬較多，認識到在清水壓裂中平板裂縫內(nèi)的支撐劑輸運是依靠翻越砂堤維持平衡高度推進，而對復(fù)雜裂縫中的支撐劑輸運研究較少，僅有少量實驗研究了垂直正交裂縫中支撐劑的輸運，提出了支撐劑從主縫進入次縫的兩種控制機制：砂堤表面顆粒向次縫滾落的重力機制和主縫流速大于臨界流速時才能攜帶支撐劑進入次縫的動能機制.在數(shù)值模擬方面，采用計算流體力學(xué)方法模擬了正交平板裂縫中清水輸送支撐劑，得到了與物模實驗類似的結(jié)論.目前實驗和模擬均未解決粗糙裂縫壁面的動邊界、壁面高溫下壓裂液的流變性、壁面多孔多裂縫下濾失行為等問題，反映出對支撐劑的輸運機制尚未完全明晰.

(5)縫網(wǎng)形成機制和支撐劑作用原理

頁巖壓裂由近及遠形成主裂縫簇+分支裂縫+次生裂縫組成的縫網(wǎng).研究發(fā)現(xiàn)主裂縫及分支裂縫以張性I型裂縫為主，次生裂縫以剪切滑移II型裂縫為主.支撐劑以多層及單層鋪置形式進入張性裂縫，卻難以進入剪切錯位裂縫，后者是依靠巖石粗糙面形成的自支撐裂縫，這可能是現(xiàn)場監(jiān)測到支撐劑輸運長度遠低于壓裂液響應(yīng)距離的原因之一.針對支撐劑多層鋪置短期導(dǎo)流能力的問題，從支撐劑尺度、強度、組合、層數(shù)等方面已開展較多研究.對于單層鋪置，閉合應(yīng)力的影響比較明顯.對于自支撐裂縫，基于實際巖板的導(dǎo)流實驗研究表明,閉合壓力、壁面粗糙度、楊氏模量、剪切滑移量、非達西效應(yīng)對導(dǎo)流能力的影響突出，不同的頁巖導(dǎo)流能力差異最高可達2個數(shù)量級.對于滑移量計算，主要基于直剪實驗擬合或者根據(jù)無限大地層單裂縫應(yīng)變計算獲得.目前需要解決的問題是剪切錯位量計算、粗糙裂縫壁面的數(shù)學(xué)描述及重構(gòu)、高閉合應(yīng)力下裂縫的接觸力學(xué)、粗糙壁面條件下裂縫導(dǎo)流能力預(yù)測等.

(6)裂縫監(jiān)測評價方法

目前頁巖裂縫監(jiān)測評價主要針對改造體積(SRV)開展，直接法包括微地震和測斜儀監(jiān)測等，間接法包括裂縫破裂體模擬、裂縫擴展擬合、產(chǎn)量擬合等.井下微地震監(jiān)測是應(yīng)用最廣泛的監(jiān)測方法，通過微地震事件監(jiān)測可以確定人工裂縫的整體趨勢，但仍需要對震源機制深入研究以確定裂縫的產(chǎn)生性質(zhì)、流體導(dǎo)流能力和維持時間等參數(shù).目前震源機制的反演方法主要基于縱、橫波振幅值進行，初步認識到不同井況水力壓裂過程中誘導(dǎo)的微地震震源機制是有差異的.進一步需要對震源機制三維顯示方法、優(yōu)化觀測方式、結(jié)合巖石物理和施工參數(shù)進行綜合研究.基于改造體積評價技術(shù)，需要開展縫網(wǎng)跨尺度表征、裂縫延伸特征、儲層參數(shù)反演等相關(guān)研究.

1.3 多尺度滲流力學(xué)特性與解吸附機理

頁巖油氣開采中的滲流與解吸附是一個多尺度、多場、多相耦合的力學(xué)問題[2325].立足我國頁巖油氣開發(fā)實際，研究頁巖油氣藏滲流力學(xué)特性與解吸附機理，形成頁巖油氣多尺度滲流機理和開采理論，對于頁巖油氣藏的高效開發(fā)具有重要的科學(xué)價值和實際工程意義.

(1)頁巖油氣藏孔隙結(jié)構(gòu)特征和儲集方式.

頁巖孔隙類型多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有多尺度性.主要由四類不同的孔隙介質(zhì)構(gòu)成：有機質(zhì)中分布的納米級粒內(nèi)孔隙、無機礦物中納米至微米級粒間孔隙、發(fā)育豐富的微米至毫米級天然裂縫以及更大尺度的水壓裂縫.基巖孔隙是頁巖油氣藏的主要儲集空間，基巖非常致密，主要為納米孔隙，滲透率極低.納米級孔隙直徑在5～800nm之間，大部分在100nm左右，孔喉直徑一般在10～20nm.目前一般采用掃描電鏡、聚焦離子束掃描電鏡、原子力顯微鏡、納米計算機斷層掃描等手段觀測頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)分布.吸附氣和游離氣共存，儲集方式多樣.游離氣儲集在孔隙空間和微裂縫中，吸附氣儲集在有機質(zhì)中，吸附氣可占總儲集量的20%～85%.對于頁巖氣儲層的吸附/解吸機理研究，目前沿用煤層氣固、氣界面吸附理論，即認為滿足固、氣界面吸附的Langmuir等溫吸附/解吸關(guān)系式.實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，頁巖有機質(zhì)(干酪根)的降解及甲烷氣的產(chǎn)生是甲烷菌在水環(huán)境下無氧作用的結(jié)果.頁巖氣藏均存在一定的含水飽和度，成藏過程在水環(huán)境下產(chǎn)氣與聚集.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.而固、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)下的吸附及解吸機理研究匱乏，在氣藏開發(fā)中存在吸附量與產(chǎn)量之間的矛盾，因此，亟需開展頁巖氣實際成藏過程、生產(chǎn)過程和多尺度運移規(guī)律的研究.

(2)頁巖油氣在微納米孔隙內(nèi)的流動規(guī)律

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)流動，其毛細管壓力及相滲曲線與常規(guī)油氣藏存在差異，亟需開展頁巖微納尺度多相流運移機制的研究.國內(nèi)外在微納米級致密孔隙介質(zhì)物理模擬實驗方面存在著微孔隙油水分布規(guī)律監(jiān)測難度大、出口微量油水計量不準(zhǔn)確等技術(shù)瓶頸，因此難以通過實驗手段揭示致密微孔隙內(nèi)流體滲流規(guī)律.目前國內(nèi)對于微納米多孔介質(zhì)內(nèi)流動機理的研究主要是采用數(shù)字巖心的微觀流動模擬方法，包括圖像處理、基礎(chǔ)資料獲取及數(shù)字巖心構(gòu)建等.

(3)頁巖油氣儲層介質(zhì)的多尺度流動特性

頁巖油氣藏儲層介質(zhì)具有明顯的多尺度性，基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)和達西方程的傳統(tǒng)滲流力學(xué)無法準(zhǔn)確刻畫頁巖氣藏的流動機制，需要從分子尺度和介觀尺度、達西尺度和油藏尺度及尺度升級方法進行研究和論證.在分子尺度上，形成了基于分子動力學(xué)模擬的頁巖油氣吸附解吸及運移機理的研究方法，研究甲烷、二氧化碳及水在黏土、有機質(zhì)及干酪根中的吸附規(guī)律，闡明頁巖油氣吸附解吸行為.在介觀尺度上，建立了頁巖多尺度數(shù)字巖心的構(gòu)建方法，以及基于數(shù)字巖心的單相和氣水兩相流動模擬方法.根據(jù)分子尺度上流體流動機制，分別建立了考慮微尺度效應(yīng)、氣體高壓影響和有機質(zhì)吸附影響的格子Boltzmann及孔隙網(wǎng)絡(luò)模型流動模擬方法，能夠進行大密度比氣水兩相流模擬，揭示了頁巖氣單相和氣水兩相孔隙尺度滲流規(guī)律.在達西尺度上，形成了基于均勻化理論的頁巖基巖尺度升級方法，考慮基巖不同孔隙介質(zhì)的賦存方式和相應(yīng)運移機理，建立了考慮有機質(zhì)分布特征和相應(yīng)運移機制的尺度升級數(shù)學(xué)模型，研究了微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征對頁巖油氣宏觀流動的影響.在油藏尺度上，建立了應(yīng)力場和滲流場耦合的頁巖裂縫擴展及油氣開采數(shù)值模擬方法.

(4)頁巖油氣藏應(yīng)力、滲流、溫度三場耦合數(shù)值模型

目前頁巖油氣藏的數(shù)值模擬大多未考慮應(yīng)力場與滲流場的耦合或者在滲流場中未考慮儲層耦合運移機制.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)，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，而滲流場的改變反之影響地應(yīng)力場.目前相關(guān)的商業(yè)軟件對于此類強耦合問題尚未形成模擬功能.因此，亟需建立一套適用于頁巖氣藏應(yīng)力、滲流、溫度三場耦合的全隱式裂縫性介質(zhì)數(shù)值模擬方法和技術(shù).

1.4 頁巖氣開采新概念與新技術(shù)

深部頁巖油氣開采是未來我國頁巖油氣開采的重點，然而現(xiàn)有鉆完井理論、壓裂技術(shù)和滲流解吸附方式難以滿足其高效開發(fā)需求[7,2627].截止2016年9月，全國完鉆頁巖氣井960口，累產(chǎn)氣約114億m3，初步形成3500m淺開發(fā)工程技術(shù)鏈.然而，四川盆地3500～4000m頁巖氣資源量為3.5萬億m3，是 3500m淺資源量的兩倍多，可采儲量 0.9萬億m3，其開采已經(jīng)納入“十三五”規(guī)劃.不僅是我國，美國2016年也成功試采開發(fā)了超4000m深層超高壓頁巖氣藏.

北美頁巖氣低成本開發(fā)得益于關(guān)鍵技術(shù)的進步.在鉆井方面，北美正研發(fā)大直徑連續(xù)管欠平衡鉆井技術(shù)，并取得成功，水平井鉆速達30m/h.在完井壓裂方面，美國2016年嘗試超長水平井低成本開發(fā)頁巖氣，水平段長度超過5600m，作業(yè)成本降低40%.相比北美頁巖氣開采條件，我國開采頁巖氣從地質(zhì)地貌條件、鉆井和壓裂工程、鉆完井成本等方面都更加復(fù)雜；部分地區(qū)水資源匱乏，生態(tài)環(huán)境脆弱；采用常規(guī)頁巖氣開采方法和概念在深部頁巖和一些復(fù)雜地質(zhì)條件下的儲層中開采成本高、效果差，甚至在壓裂后完全沒有效果.

我國頁巖氣開采的形勢嚴峻，面臨著3個方面的挑戰(zhàn)：(1)鉆完井工程技術(shù)難題：建井成本居高，占總成本50%以上；水平井鉆速低，縫網(wǎng)壓裂改造有效性難以評定.(2)資源條件復(fù)雜：儲層埋深大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地表多丘陵，井場布置困難；深層地應(yīng)力高，井眼穩(wěn)定和巖石破碎難.(3)生態(tài)環(huán)境脆弱：所有入井液均帶來水資源和土壤污染風(fēng)險.我國水資源匱乏，但同時壓裂耗水量巨大.我國人均水資源量僅2100m3，單井壓裂用水量達1.8萬m3.針對這3個方面的挑戰(zhàn)，亟需提高改造效率，增大泄氣溝通面積；創(chuàng)新技術(shù)方法，降低單井作業(yè)成本；亟需發(fā)展環(huán)境友好型技術(shù)，減少耗水和廢物排放.最終實現(xiàn)優(yōu)快、低成本、環(huán)保的技術(shù)突破.發(fā)展頁巖氣高效開采的新理念、新技術(shù)，為實際施工提供新的思路.

(1)連續(xù)管鉆完井一體化、新型壓裂液及無水壓裂技術(shù)

連續(xù)管鉆完井一體化技術(shù)，采用連續(xù)管微小井眼鉆井方法，在頁巖氣儲層中鉆成不同空間方位、數(shù)量、長度的分支井眼，成井后直接采用連續(xù)管一體化實施水力壓裂，利用井間應(yīng)力干擾作用控制形成三維復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò).需要重點研究在頁巖層理弱面與地應(yīng)力競爭下，徑向井壓裂裂縫起裂的模式和機理，從而控制裂縫起裂的位置及擴展模式.壓裂液潤滑裂縫壁面，導(dǎo)致表面能降低，從而影響裂縫擴展.探索在徑向井多裂縫競爭擴展中的流體壓力分配和人工、天然裂縫作用等機制.使用連續(xù)管鉆完井壓裂聯(lián)作，效率高和成本低.壓裂流體選用超臨界二氧化碳或液氮等無水壓裂流體替代水壓裂，具有黏度低、表面張力低、擴散能量強、壓裂更易形成復(fù)雜縫網(wǎng)等特性，從而達到安全高效、無水、環(huán)保開采頁巖氣的目標(biāo).

(2)頁巖氣多級壓裂井產(chǎn)能評價

只有做到掌握真實氣體、限域效應(yīng)等對于微納尺度頁巖氣的傳輸特征與機理的影響，并傳遞到宏觀傳輸模型；定量表征基質(zhì)孔隙、天然孔隙以及巖心尺度微納米孔隙流動與天然裂縫滲流的相互耦合，闡明其非均質(zhì)滲流特性，建立巖心尺度的滲透率模型，才能建立顯式表征非平面復(fù)雜裂縫網(wǎng)中多級壓裂井產(chǎn)能的預(yù)測模型.需要考慮自發(fā)滲析和基質(zhì)、裂縫中的多相流動，建立壓裂液返排預(yù)測模型，探索關(guān)井時期壓裂液在基質(zhì)中的自吸，以及復(fù)雜裂縫網(wǎng)、天然裂縫發(fā)育程度對于壓裂液返排的影響，從而提高壓裂液的返排率.在此方面，光纖生產(chǎn)剖面測試技術(shù)和壓裂示蹤劑動態(tài)檢測技術(shù)是產(chǎn)能評價的重要手段，可準(zhǔn)確評價壓裂井段產(chǎn)量貢獻率，為優(yōu)化產(chǎn)能預(yù)測模型和完井設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

(3)基質(zhì)與裂隙相互作用的原位科學(xué)管理

我國頁巖基質(zhì)的滲透率極低，在納達西水平；基質(zhì)與裂隙之間傳導(dǎo)性能的差異高達幾個數(shù)量級，導(dǎo)致頁巖氣滲透率的演化成為一個漫長的過程，而且基質(zhì)與裂隙之間一直處于非平衡態(tài)，準(zhǔn)確定義和描述這一動態(tài)變化是實現(xiàn)頁巖氣有效開采的前提條件.為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，需要實現(xiàn)水力壓裂創(chuàng)造的頁巖傳氣能力與頁巖基質(zhì)氣體供應(yīng)能力相匹配.因此，理解頁巖基質(zhì)傳導(dǎo)性能和基質(zhì)、裂隙之間相互作用，在原位應(yīng)力、壓力以及溫度條件下的演化過程，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)基質(zhì)與裂隙相互作用的原位科學(xué)管理，實現(xiàn)頁巖氣可持續(xù)開采，成為目前頁巖油氣高效開采的發(fā)展趨勢.

2 頁巖氣高效開采的力學(xué)研究面臨的挑戰(zhàn)

2.1 鉆井完井力學(xué)理論與方法

頁巖水平井鉆井完井工程面臨諸多地質(zhì)力學(xué)問題的挑戰(zhàn)，包括巖石物理和地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的非均質(zhì)性、初始地應(yīng)力場特征的系統(tǒng)認知，巖石非線性變形、強度各向異性與剪切摩擦等力學(xué)行為，礦物組分、有機質(zhì)的微觀力學(xué)特性以及礦物顆粒支撐和黏土膠結(jié)控制的滑移機理.因此，需要重點突破如下方面的力學(xué)研究.

基于地球物理、鉆錄測井和巖石力學(xué)一體化的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境非均質(zhì)性、各向異性表征方法，實現(xiàn)多尺度裂縫結(jié)構(gòu)識別、異常地層壓力預(yù)測和地應(yīng)力場數(shù)值模擬.開發(fā)深部地層復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境高精度巖石力學(xué)測試解釋新方法，研究復(fù)雜應(yīng)力條件下頁巖的宏細觀變形破壞機理和強度特性，揭示層理面、礦物組分、膠結(jié)結(jié)構(gòu)等控制的頁巖強度與脆性特性，以及基于Biot本構(gòu)關(guān)系的三維井壁穩(wěn)定性校核方法.鉆井液與超低滲頁巖壓力傳遞效應(yīng)的高精度測試技術(shù)，研究鉆井液與井壁圍巖應(yīng)力損傷與化學(xué)腐蝕耦合作用下的壓力、活度和損傷演化效應(yīng)，周期性失穩(wěn)機理與規(guī)律.研究多維度、跨尺度的地質(zhì)力學(xué)屬性特征及其演化規(guī)律，壓裂過程中礦物組分、層面遮擋、地應(yīng)力約束的裂縫擴展特征，地層壓力的各向異性變化，地層變形位移風(fēng)險的量化表征等.

2.2 水力壓裂縫網(wǎng)形成機制研究

頁巖水力壓裂的目的是形成匹配地層滲流的有效網(wǎng)絡(luò)裂縫，已有研究尚在初步認識階段，在高應(yīng)力和物理化學(xué)作用下起裂機理、復(fù)雜介質(zhì)下大型物模實驗與數(shù)值模擬、復(fù)雜動邊界支撐劑輸運規(guī)律、頁巖不同支撐模式下的長效導(dǎo)流能力、高精度壓裂隨機裂縫實時動態(tài)監(jiān)測評價等方面仍存在諸多問題和挑戰(zhàn).

在裂縫起裂方面，工作液自發(fā)滲吸及誘導(dǎo)裂縫機理、頁巖水化及酸損傷本構(gòu)、彈塑性頁巖多簇多孔眼起裂機制目前仍認識不清.在裂縫擴展方面，多相流體作用下裂縫尖端應(yīng)力場、裂縫剪切滑移機制、高應(yīng)力力學(xué)非線性與流固耦合非線性理論、支撐劑--壓裂液--裂縫多相作用與動態(tài)擴展耦合機制、非連續(xù)的多裂縫隨機擴展理論需要尋求突破.目前亟需開展如下研究工作.

(1)建立裂縫簇擴展歸一化條件.在裂縫簇形成過程中，水平井筒中的流量從微爆孔口分配給各壓裂段內(nèi)的裂縫簇，簇內(nèi)水壓與分配流量和射孔摩阻的乘積成正比，而裂縫尖端處地應(yīng)力主導(dǎo)的應(yīng)力強度因子與裂縫面上水壓力構(gòu)成驅(qū)動裂縫擴展的競爭機制.工程上希望形成平行擴展，行穩(wěn)至遠的裂縫簇，而不希望出現(xiàn)裂縫之間的屏蔽效應(yīng)，后者是北美6個頁巖氣區(qū)塊中30%裂縫簇沒有產(chǎn)出的原因之一.裂縫擴展和止裂既要滿足流量的增加和保持，又要滿足應(yīng)力強度因子或者能量釋放率表征的斷裂準(zhǔn)則.由此流量增加率和斷裂準(zhǔn)則構(gòu)成了裂縫簇擴展的歸一化條件.在該條件中，應(yīng)力強度因子和斷裂韌性是地球物理勘測數(shù)據(jù)的已知條件，井口流量是工程控制條件，射孔摩阻是可以計算的參數(shù).這樣，由此建立裂縫簇擴展歸一化條件可以評估和優(yōu)化裂縫簇間距和擴展長度.

(2)建立基于裂縫密度的采收率評估模型.在水平井的壓裂過程中，不但需要形成主裂縫簇，更重要的是形成成百上千彌散裂縫的縫網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這些裂縫包含水力裂縫本身的隨機擴展和分叉，以及它們與天然裂縫的交匯.如何對裂縫簇和縫網(wǎng)進行力學(xué)表征和數(shù)值模擬，對流固耦合的斷裂力學(xué)理論和模擬計算提出全新的挑戰(zhàn).根據(jù)北美5個區(qū)塊26個月油氣產(chǎn)量調(diào)查統(tǒng)計，保證頁巖氣充分解吸附的合理裂縫間距是0.1m，該數(shù)據(jù)提供了一種逆向推算思路，目前國際上由此形成了兩種分析模型，基于本構(gòu)層次的損傷模型和基于多尺度自相似裂縫密度模型.國外這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)如何對比我國頁巖氣的現(xiàn)場裂縫間距數(shù)據(jù)，結(jié)合井口控制流量和孔口摩阻系數(shù)，可以推算裂縫密度和評估采收率.研究的目標(biāo)是能夠開發(fā)頁巖氣工程模擬軟件，指導(dǎo)現(xiàn)場工程.

(3)發(fā)展大物模實驗技術(shù)和提高數(shù)據(jù)處理水平.水壓過程對裂縫擴展的影響主要體現(xiàn)在流體對裂縫尖端亞臨界擴展的影響，和水力的加載方式，即地應(yīng)力圍壓下裂縫面內(nèi)分布力加載的影響.水力裂縫面臨的另一個問題是后期的檢測和表征.在室內(nèi)的大物模實驗中，如中石油勘探院廊坊分院的 1.0立方米三維水壓實驗設(shè)備，是目前亞洲最大尺度的露頭巖石的物理實驗平臺，樣品尺寸為762mm×762mm×914mm，最大載荷為69MPa.以聲發(fā)射和截面觀測為主的表征方式仍然與現(xiàn)場幾千米深的壓裂施工差別很大，無法給出實際工程中流量與裂縫速度、擴展長度和多裂縫相互作用影響間距等真實數(shù)據(jù).因此，水力裂縫的準(zhǔn)確監(jiān)測與表征仍然是亟待解決的問題.

(4)揭示支撐劑運輸和裂縫導(dǎo)流機制.在支撐劑輸運方面，動邊界下高溫、高壓、高應(yīng)力下固液多相流理論、多重介質(zhì)下流體競爭濾失理論、多裂縫壁面效應(yīng)與支撐劑分布預(yù)測模型是需要解決的難題.在裂縫導(dǎo)流能力方面，頁巖--支撐劑接觸與頁巖粗糙錯位縫接觸動力學(xué)理論、高溫高應(yīng)力下低濃度支撐裂縫與自支撐裂縫的長效導(dǎo)流實驗與理論需要進行研究.在裂縫評價方面，跨尺度三維網(wǎng)絡(luò)裂縫表征方法、高精度三維震源機制與力學(xué)反演理論、基于施工參數(shù)的裂縫延伸反演理論需要重點突破.

(5)發(fā)展頁巖壓裂數(shù)值模擬軟件.目前國際上水力壓裂數(shù)值模擬形成了一些軟件體系，從整體區(qū)塊的壓裂設(shè)計，到單井壓裂設(shè)計和實時監(jiān)測分析等方面，都有相應(yīng)的軟件，主要有 FracpropPT，Meyer，TerraFrac，E-StimPlan等，這些軟件的開發(fā)和使用大大促進了水力壓裂技術(shù)的發(fā)展.但是這些軟件大多采用非常簡化的力學(xué)模型，認為儲層是各向同性的均勻材料，采用解析或半解析的裂縫模型，把裂縫簡化成對稱平面裂紋，忽略了裂縫復(fù)雜的幾何形態(tài)及多個裂縫之間的相互作用，難以應(yīng)對非均質(zhì)各向異性頁巖中復(fù)雜縫網(wǎng)系統(tǒng)的模擬.針對頁巖壓裂的復(fù)雜特點，在頁巖壓裂領(lǐng)域急需發(fā)展符合真實物理狀況的水力壓裂數(shù)值模擬工具.

2.3 多尺度滲流力學(xué)特性與解吸附機理研究

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，在開采過程中的運移是應(yīng)力、多相滲流的耦合過程，常規(guī)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，面臨以下挑戰(zhàn)性問題：

(1)頁巖氣、液、固三相系統(tǒng)吸附/解吸機理及規(guī)律.前期關(guān)于頁巖氣藏的吸附/解吸機理的研究只是局限于氣、固兩相系統(tǒng)，其吸附/解吸機理與頁巖氣藏礦場生產(chǎn)特征差別較大，大規(guī)模水力壓裂造成很多水滯留在多孔介質(zhì)中，使得有機質(zhì)的氣體很難解吸釋放.工程實踐和實驗證明：水相的存在對吸附/解吸影響較大，因此有必要研究氣、液、固三相系統(tǒng)頁巖氣的吸附/解吸機制.

(2)頁巖微納尺度多相流運移機制及其尺度升級.頁巖不同則孔隙介質(zhì)運移機制不同，亟需構(gòu)建考慮不同孔隙介質(zhì)類型的頁巖數(shù)字巖心，全面考慮耦合運移機制，開展微納尺度氣水、油水兩相流動模擬，揭示頁巖儲層微納尺度滲流規(guī)律，開展尺度升級研究，得到考慮微觀運移機制的宏觀滲流模型.

(3)應(yīng)力場與滲流場全耦合的頁巖油氣藏數(shù)值模擬.在實際工程中，應(yīng)力場與滲流場發(fā)生相互影響，因此，需要建立頁巖油氣藏力學(xué)模型，開展頁巖油氣藏的應(yīng)力場與滲流場完全耦合的數(shù)值模擬研究，形成高效求解方法.

(4)分段壓裂水平井非穩(wěn)態(tài)壓力產(chǎn)量分析及開發(fā)潛力預(yù)測模型.分段壓裂水平井是頁巖油氣藏開發(fā)的主要手段，目前非穩(wěn)態(tài)壓力(試井)解釋及產(chǎn)能預(yù)測方法未能全面考慮頁巖儲層內(nèi)的耦合運移機制，因此亟需建立基于頁巖儲層耦合運移機制的滲流數(shù)學(xué)模型，開展頁巖油氣藏非穩(wěn)態(tài)壓力(試井)解釋及產(chǎn)能預(yù)測方法研究.另外，在井工廠模式下，需要考慮同步壓裂應(yīng)力干擾水平井和人工裂縫，揭示井工廠開采模式下的水平井位置以及分段壓裂縫的空間配置，形成井工廠優(yōu)化設(shè)計方法.

2.4 頁巖氣開采新概念與新技術(shù)

頁巖基質(zhì)的超低滲和基質(zhì)與裂縫傳導(dǎo)性能之間的高差異是頁巖氣藏的兩個最大特征.頁巖的滲透性可以低到納達西水平，基質(zhì)與裂縫之間傳導(dǎo)性能的差異可以高到幾個數(shù)量級.這兩個特征決定了頁巖滲透率的演化將是一個漫長的過程，而且基質(zhì)與裂縫之間一直處于非穩(wěn)定非平衡的狀態(tài)，準(zhǔn)確定義和描述這個動態(tài)系統(tǒng)是頁巖氣高效開采的核心理論模型.目前的研究不但要關(guān)注水力壓裂創(chuàng)造頁巖氣通道的能力，也要關(guān)注頁巖氣能否從基質(zhì)中流出.美國頁巖氣開采面臨可持續(xù)性的挑戰(zhàn)，中國頁巖氣開采面臨技術(shù)和方法上的突破.為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，提出了實現(xiàn)水力壓裂創(chuàng)造的頁巖氣傳氣能力與基質(zhì)氣體供應(yīng)能力相匹配，避免“斷氣”現(xiàn)象發(fā)生，最終達到頁巖氣可持續(xù)性開采的新理論概念.研究重點是理解頁巖基質(zhì)傳導(dǎo)性能和基質(zhì)--裂縫之間相互作用在原位應(yīng)力、壓力及溫度條件下是如何演化的，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)從制造裂縫到基質(zhì)與裂縫相互作用的原位科學(xué)管控.

面對頁巖氣深部開采的挑戰(zhàn)，發(fā)展連續(xù)管鉆完井一體化技術(shù).頁巖堅硬致密，鉆井破巖效率低，徑向井眼成孔難，如何鉆成不同空間方位、數(shù)量和長度分支井眼？如何通過徑向孔眼間應(yīng)力干擾，設(shè)計、控制并形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)？如何準(zhǔn)確評價頁巖氣井產(chǎn)能？回答這些問題，需要發(fā)展連續(xù)管鉆完井一體化技術(shù)：采用連續(xù)管鉆多層、多孔徑向井，加速解吸、擴散、滲流速度，徑向井壓裂一體化形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)，增大泄氣面積，從而實現(xiàn)“一井多層、一層多孔、一孔多縫”的復(fù)雜三維裂縫網(wǎng)絡(luò)，達到連續(xù)管鉆完井壓裂聯(lián)作，高效率、低成本開采頁巖油氣的目的.同時建立壓裂縫網(wǎng)形成機制和基于微納尺度流動的產(chǎn)能評價方法，

總的來說，連續(xù)管鉆完井一體化壓裂縫網(wǎng)形成機制研究；新型壓裂液及無水壓裂機理研究；頁巖油氣井的開采壽命優(yōu)化研究；安全環(huán)保頁巖油氣開采新概念和新方法研究等問題是目前頁巖油氣高效開采的力學(xué)研究面臨的挑戰(zhàn).

3 結(jié)論

根據(jù)近三年四川、重慶地區(qū)的頁巖氣試驗區(qū)塊遇到的新問題，中國未來3500m以下深部開采的新挑戰(zhàn)，如地質(zhì)沉積、裂縫發(fā)育構(gòu)造不同，上覆壓力增加，水平應(yīng)力場變化等新問題，目前我國頁巖油氣高效開采面臨的主要力學(xué)科學(xué)問題如下：

(1)多重耦合下的安全優(yōu)質(zhì)鉆完井力學(xué)理論和方法

井壁圍巖穩(wěn)定性的多尺度、多物理場耦合力學(xué)理論研究；深部頁巖(3500m以下)水平井穩(wěn)定性控制理論研究；鉆采過程中頁巖儲層傷害機理和地質(zhì)力學(xué)特征演化研究；地層--水泥環(huán)--套管系統(tǒng)在復(fù)雜工況條件的破壞規(guī)律研究；水基鉆井液適應(yīng)性研究；非均質(zhì)各向異性含孔隙頁巖本構(gòu)理論研究.

(2)多尺度水力壓裂縫網(wǎng)形成機理

深部頁巖壓裂致裂機理研究；多簇裂縫起裂和擴展與流場分布機理研究；頁巖裂縫網(wǎng)的跨尺度表征與采收率評價體系研究；多物理場耦合和多尺度水力壓裂數(shù)值模擬和裂縫管控技術(shù)研究；大物模實驗和現(xiàn)場數(shù)據(jù)對數(shù)模的驗證研究；裂縫縫隙的支撐劑輸運機制與接觸力學(xué)理論模型研究.

(3)多尺度滲流力學(xué)特性與解吸附機理

深部頁巖基質(zhì)滲流的微觀機制研究；數(shù)字巖心再現(xiàn)技術(shù)研究；多尺度、多相、多物理場耦合的滲流機理研究；尺度升級方法和滲透率計算研究；裂縫擴展和縫網(wǎng)演化過程中油氣體解吸、驅(qū)替和滲流特性研究.井工廠開采模式下同步壓裂裂縫擴展和多相多場耦合流動的三維數(shù)值模擬的大規(guī)模計算.

“深部頁巖油氣高效開采”的研究面向國家重大能源需求，科學(xué)意義重大，工程背景明確，需要工程力學(xué)、石油工程、地球物理、化學(xué)工程和環(huán)境工程等多學(xué)科交叉合作，開展理論研究、物理模擬、數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗等綜合應(yīng)用基礎(chǔ)研究，取得高效開采頁巖油氣理論與技術(shù)的突破.

致謝 感謝上海大學(xué)周哲瑋教授，中國石油大學(xué)(華東)姚軍教授、薛世峰教授，中國石油大學(xué)(北京)李根生院士、陳勉教授，北京大學(xué)張東曉教授，中石油鉆井院楊恒林高工、田中蘭高工、項德貴高工、陳朝偉高工，西南石油大學(xué)郭建春教授，中國科學(xué)院力學(xué)研究所趙亞溥研究員、袁泉子副研究員、劉曰武研究員、蘇業(yè)旺研究員，中國科學(xué)院巖土力學(xué)研究所劉繼山教授等對本文的貢獻.

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PROBLEMS AND CHALLENGES OF MECHANICS IN SHALE GAS EFFICIENT EXPLOITATION1)

Liu Zhanli?,2)Zhuang Zhuo?Meng Qingguo?Zhan Shige?Huang Keh-Chih??(Applied Mechanics Lab.，School of Aerospace Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)?(Department of Mathematical&Physical Science，National Natural Science Foundation of China，Beijing 100085，China)

Shale gas is unconventional natural gas stored in shale in free or absorbed forms and sometimes in free flui phase.The exploitation of shale gas has become a promising fiel of green energy development in China.Although great success has been achieved in shale gas revolution in North America with the technique of hydraulic fracturing,there is only 5%～15%of the stored oil and gas could be exploited,which is still a puzzle for petroleum engineers.Compared with the North America,China’s shale gas reservoirs are deep burial,the geologic construction conditions are complicated and natural quality is low,therefore,efficient exploitation is facing more difficulties and challenges.In recent years,aimingat the national major energy strategy and the frontier of technological development,China’s academia and industry have carried out the preliminary study on some of the key scientifi and technical issues.Around the new issues encountered in the shale gas extraction in Sichuan and Chongqing areas in recent three years,this paper introduces and summarizes the key mechanics problems and challenges that the high efficient shale gas extraction is facing,mainly includes the multifiel coupling safe and high quality drilling mechanics,hydraulic fracturing and multi-scale fracture network formation mechanism and multi-scale seepage and desorption mechanism of shale gas,to solve the challenges in deep exploitation below 3500 meters in China,such as geologic sedimentation,di ff erent fracture development,increasing overburden pressure,the change of horizontal stress,etc.The deep shale gas exploitation is not only to adapt to the national energy demand,but also has scientifi and engineering significance To realize the efficient exploitation of shale oil and gas,it needs the interdisciplinary collaboration of mechanical engineering,petroleum engineering,geophysics,chemical engineering and environmental engineering to carry out basic theoretical research,physical simulation,numerical simulation and fiel experiment.It has been recognized that interdisciplinary research is the bridge and the key to breakthrough the technology bottleneck and realize the efficient exploitation of shale gas.It is necessary of the deep collaboration between mechanics,petroleum engineering,earth science and other disciplines to promote the development of shale gas and other unconventional oil and gas resources.

shale gas，engineering geology mechanics，well drilling and completion theory，hydraulic fracture，multiscale seepage

TE37

：A

10.6052/0459-1879-16-399

2016–12–27 收稿，2017–04–26 錄用,2017–05–03 網(wǎng)絡(luò)版發(fā)表.

1)國家自然科學(xué)基金資助項目(11532008，11372157).

2)柳占立，副教授，主要研究方向：塑性力學(xué)，斷裂力學(xué)和復(fù)合材料力學(xué).E-mail：liuzhanli@tsinghua.edu.cn

柳占立,莊茁,孟慶國,詹世革,黃克智.頁巖氣高效開采的力學(xué)問題與挑戰(zhàn).力學(xué)學(xué)報,2017,49(3)：507-516

Liu Zhanli,Zhuang Zhuo,Meng Qingguo,Zhan Shige,Huang Keh-Chih.Problems and challenges of mechanics in shale gas efficient exploitation.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2017,49(3)：507-516