杜殿發(fā)，張耀祖，張莉娜，劉 欣，徐夢(mèng)冉

(1.非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；3.中石化華東油氣分公司，南京 210019)

1 研究背景

隨著美國(guó)頁(yè)巖油氣資源的成功勘探開(kāi)發(fā)，全球能源工業(yè)進(jìn)入新時(shí)期，非常規(guī)油氣的勘探開(kāi)發(fā)或成為當(dāng)下石油產(chǎn)業(yè)的熱門。截止至2019年底，我國(guó)勘探到的頁(yè)巖氣儲(chǔ)量已達(dá)到28萬(wàn)億m3[1]，占全球天然氣能源的20%，因此開(kāi)展頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)對(duì)我國(guó)緩解能源壓力以及保證經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展有著舉重若輕的作用。但由于我國(guó)頁(yè)巖氣地層情況相對(duì)復(fù)雜，頁(yè)巖氣大都儲(chǔ)存于陸相頁(yè)巖中，其脆性礦物含量和TOC較北美地區(qū)低，同時(shí)，頁(yè)巖氣埋深大都分布在3 000 m左右，因此我國(guó)的頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)之路異常艱難。

頁(yè)巖氣是孔隙度低、滲透率小并且存在吸附和解吸現(xiàn)象的非常規(guī)氣藏，其孔滲空間大都為多尺度性的微納米孔隙。頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相的滲流受分子尺度、微觀及宏觀尺度等因素影響，頁(yè)巖孔滲空間的復(fù)雜性以及多尺度性加大了頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)的難度。同時(shí)，在頁(yè)巖氣生產(chǎn)時(shí)，需要注入大量壓裂液以改善儲(chǔ)層流動(dòng)性[2-5]，而壓裂液的進(jìn)入對(duì)頁(yè)巖氣滲流規(guī)律的影響尚不清楚，所以研究頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相的多尺度滲流規(guī)律對(duì)于提高頁(yè)巖氣產(chǎn)量顯得尤為重要。

目前，頁(yè)巖氣滲流研究方面的主要問(wèn)題有:①在微觀機(jī)理研究方面，由于測(cè)試儀器精度較低，精度無(wú)法達(dá)到微納米級(jí)別要求；現(xiàn)有微觀尺度上的研究中對(duì)于頁(yè)巖氣水兩相運(yùn)移規(guī)律的模擬較少，無(wú)法準(zhǔn)確描述各類影響因素，同時(shí)已有的分子動(dòng)力學(xué)法、直接蒙特卡洛法等無(wú)法準(zhǔn)確描述頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相流動(dòng)規(guī)律；對(duì)于微觀尺度的研究難以應(yīng)用至宏觀尺度，尺度銜接性較差。②在宏觀機(jī)理研究方面，目前大部分研究忽略了壓裂液的影響，很少有能夠考慮氣-水兩相之間的相互作用對(duì)頁(yè)巖氣滲流規(guī)律的影響；現(xiàn)有的氣藏模型大都為單一介質(zhì)模型或是雙重介質(zhì)模型，然而這類模型無(wú)法真實(shí)描述頁(yè)巖氣藏，更無(wú)法做到對(duì)于頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相滲流的模擬?；谝陨险J(rèn)識(shí)，該研究以頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相微觀尺度滲流機(jī)理、宏觀尺度滲流機(jī)理兩個(gè)方向作為切入點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)有的頁(yè)巖氣藏滲流機(jī)理的研究、存在的主要缺陷以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜合論述。

2 研究進(jìn)展

2.1 頁(yè)巖氣微觀滲流機(jī)理的研究現(xiàn)狀

2.1.1 頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)特征研究

與常規(guī)儲(chǔ)層的巖石不同，頁(yè)巖儲(chǔ)層具有孔喉細(xì)小(微米-納米級(jí))、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)于頁(yè)巖氣的儲(chǔ)集性能和流體滲流特征的影響更加凸顯[6-10]。微納米級(jí)孔喉是控制頁(yè)巖氣持續(xù)性大規(guī)模聚集的核心，同時(shí)也是理解頁(yè)巖氣成藏機(jī)理的關(guān)鍵，因此研究頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙的結(jié)構(gòu)就格外重要。目前研究頁(yè)巖孔隙結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)方法有許多，可以利用高溫高壓動(dòng)態(tài)巖石測(cè)試儀、掃描電子顯微鏡、氬離子拋光掃描電鏡和核磁共振系統(tǒng)等設(shè)備多方位、多角度對(duì)多塊巖樣進(jìn)行掃描，觀察巖心圖像的孔隙結(jié)構(gòu)特征，獲取頁(yè)巖孔隙如頁(yè)巖孔容、微孔比表面等的微觀特征，達(dá)到正確認(rèn)識(shí)頁(yè)巖儲(chǔ)層滲流空間特征的目的。利用孔徑分析儀和快速全自動(dòng)比表面儀對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行超低壓低溫氮?dú)馕綄?shí)驗(yàn)，從而獲得低壓低溫下的氮?dú)馕矫摳角€，并通過(guò)曲線形態(tài)反映孔隙結(jié)構(gòu)特征，得到孔隙表面積等參數(shù)；利用高壓壓汞儀得到高壓壓汞曲線和高壓壓汞孔徑分布圖，獲得孔隙發(fā)育程度以及頁(yè)巖孔徑分布信息，對(duì)研究頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相的微觀滲流規(guī)律起著重要作用。AMBROSE R J等人[11]研究發(fā)現(xiàn)，雖然總體上頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙和喉道的半徑已達(dá)到了納米級(jí)別，但其仍然可以利用壓裂法去間接地闡述頁(yè)巖的孔喉半徑分布情況，利用FIB-SEM數(shù)字巖心技術(shù)定量分析計(jì)算孔隙喉道結(jié)構(gòu)空間。HE Y F等人[12]在研究了納米孔隙中頁(yè)巖氣傳輸和表觀滲透率后，發(fā)現(xiàn)各種傳輸機(jī)理對(duì)流動(dòng)的貢獻(xiàn)會(huì)根據(jù)孔隙半徑和壓力不同而不同。國(guó)內(nèi)學(xué)者基于壓汞數(shù)據(jù)刻度核磁共振T2譜的方法，利用縱向插值法和最小二乘法構(gòu)建T2譜獲得孔隙喉道的半徑分布曲線，從而定量表征頁(yè)巖氣藏的孔隙結(jié)構(gòu)，最后研究發(fā)現(xiàn)巖石學(xué)組構(gòu)是影響儲(chǔ)層有效性和孔喉結(jié)構(gòu)差異性的核心因素[13-14]。林承焰等人[14]通過(guò)對(duì)低滲透頁(yè)巖儲(chǔ)層的巖樣進(jìn)行CT掃描和處理后，得到巖樣二維圖像(如圖1a所示)，通過(guò)對(duì)二維圖像切片順序更換、角度矯正等手段，得到微觀尺度下的數(shù)字巖心模型(如圖1b所示)，同時(shí)提取出頁(yè)巖儲(chǔ)層孔喉網(wǎng)絡(luò)模型，從而將不同尺度下的孔隙及喉道的形狀、大小和分布在三維空間上清晰展示出來(lái)，根據(jù)對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)微觀特征、頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率等參數(shù)的分析計(jì)算后，最終建立頁(yè)巖儲(chǔ)層的流體滲流模型，為研究頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相滲流規(guī)律提供理論基礎(chǔ)。

圖1 三維數(shù)字巖心模型構(gòu)建

2.1.2 頁(yè)巖氣微觀運(yùn)移機(jī)理研究

頁(yè)巖氣微觀尺度滲流機(jī)理的研究是頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)的重要理論依據(jù)。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不斷有學(xué)者對(duì)頁(yè)巖氣微觀運(yùn)移機(jī)理進(jìn)行研究，目前對(duì)于頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相的微觀滲流機(jī)理研究的方法主要有分子動(dòng)力學(xué)法(Materials Studio，簡(jiǎn)稱MD)、直接蒙特卡洛方法(Direct Simulation Monte Carlo，簡(jiǎn)稱DSMC)和格子Boltzmann法(Lattice Boltzmann Method，簡(jiǎn)稱LBM)。3類方法各有利弊，如何結(jié)合3類方法的優(yōu)點(diǎn)從而應(yīng)用于頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相的研究是目前最為關(guān)鍵的問(wèn)題。

目前很多研究都是在獲取頁(yè)巖的三維孔隙結(jié)構(gòu)后，通過(guò)直接蒙特卡洛方法(DSMC)模擬流體在頁(yè)巖的微觀流動(dòng)規(guī)律[15-18]，研究結(jié)果見(jiàn)表1，即克努森數(shù)Kn和流動(dòng)形式是決定氣體流動(dòng)特征差異性的關(guān)鍵因素[19]，并且氣體流動(dòng)機(jī)理取決于克努森數(shù)。由于克努森數(shù)和流型是決定氣體流動(dòng)性差異的關(guān)鍵，為洞悉氣體分子的流動(dòng)規(guī)律，STUKAN M等人[20]通過(guò)建立的分子尺度的孔隙-甲烷模型，利用分子動(dòng)力學(xué)法(MD)模擬了儲(chǔ)層中甲烷分子的運(yùn)移規(guī)律，然而該研究?jī)H考慮了氣體分子在干酪根中表面吸附和解吸的影響，其對(duì)于氣-水兩相運(yùn)移規(guī)律的影響尚未考慮。2019年，SONG W H等人[21]通過(guò)富有機(jī)樣品的二維頁(yè)巖SEM圖中重建三維圖像，建立一個(gè)三維頁(yè)巖雙孔型孔隙網(wǎng)絡(luò)模型(如圖2所示)，用來(lái)研究納米尺度約束氣和水在雙潤(rùn)濕性納米多孔頁(yè)巖中的輸送行為。通過(guò)對(duì)三維頁(yè)巖孔隙模型的研究發(fā)現(xiàn)，壓裂液首先進(jìn)入無(wú)機(jī)孔隙中，因此無(wú)機(jī)孔隙中的氣體傳輸應(yīng)當(dāng)考慮滑移效應(yīng)，而有機(jī)孔隙中氣體傳輸應(yīng)首先考慮擴(kuò)散作用再考慮滑移作用， 納米多孔頁(yè)巖中的氣體和水的相對(duì)滲透率都受TOC的體積和有機(jī)孔隙水接觸角的影響，同時(shí)孔隙表面潤(rùn)濕性影響著納米級(jí)的天然氣和水的運(yùn)移，而納米級(jí)傳輸機(jī)制對(duì)相對(duì)滲透率的影響可以忽略，通過(guò)用微觀的研究方法定量表征壓裂液的進(jìn)入對(duì)頁(yè)巖氣滲流規(guī)律的影響，并對(duì)氣-水兩相在儲(chǔ)滲空間中流動(dòng)的敏感性因素進(jìn)行分析，加深對(duì)頁(yè)巖氣滲流機(jī)理的認(rèn)知。

表1 多孔介質(zhì)中克努森數(shù)與流動(dòng)機(jī)理劃分

圖2 三維頁(yè)巖雙孔型孔隙網(wǎng)絡(luò)模型

2.2 頁(yè)巖氣宏觀滲流機(jī)理的研究現(xiàn)狀

2.2.1 頁(yè)巖氣宏觀運(yùn)移機(jī)理研究

針對(duì)目前頁(yè)巖氣微觀滲流機(jī)理研究不足的現(xiàn)狀，建立尺度升級(jí)方法，將頁(yè)巖氣的微觀流動(dòng)規(guī)律以及傳輸性質(zhì)升級(jí)至宏觀層面，從而更好地描述頁(yè)巖氣滲流機(jī)理。目前大多數(shù)學(xué)者基于油藏工程方法，建立各類影響因素下等效連續(xù)介質(zhì)模型或是離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型，從而模擬實(shí)際地層下的頁(yè)巖氣滲流規(guī)律。

在等效連續(xù)介質(zhì)模型中，研究通常會(huì)假設(shè)模型中裂縫之間相互連通并且裂縫形狀隨機(jī)分布[22-24]，以滲透系數(shù)張量為基礎(chǔ)，采用連續(xù)介質(zhì)的方法描述儲(chǔ)層滲流的數(shù)學(xué)解析模型。該類模型可以準(zhǔn)確地描述較為簡(jiǎn)單的裂縫網(wǎng)絡(luò)下的頁(yè)巖氣滲流規(guī)律，具有高效、簡(jiǎn)單、精確等特點(diǎn)[25-29]。OZKAN E和RAGHAVAN R S等人[30]建立一個(gè)全新的頁(yè)巖雙重介質(zhì)模型，該模型在宏觀基質(zhì)滲流中考慮了Fick擴(kuò)散和達(dá)西滲流作用的雙重影響因素，同時(shí)在裂縫部分中考慮了滲透率應(yīng)力敏感的影響。而WU Y S等人[31]在OZKAN E建立的雙重介質(zhì)模型基礎(chǔ)上將基質(zhì)細(xì)分為微裂縫、有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)質(zhì)三部分，在精細(xì)化研究后發(fā)現(xiàn)氣體吸附現(xiàn)象僅僅發(fā)生在有機(jī)質(zhì)中，同時(shí)有機(jī)質(zhì)與無(wú)機(jī)質(zhì)網(wǎng)格間遵循擴(kuò)散和達(dá)西流動(dòng)機(jī)理，微裂縫網(wǎng)格間只遵循達(dá)西流動(dòng)機(jī)理，該研究精確描述了頁(yè)巖儲(chǔ)層各類介質(zhì)之間的關(guān)系，同時(shí)也為后續(xù)的頁(yè)巖氣滲流機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。依據(jù)前人的研究，根據(jù)裂縫和基質(zhì)的非均質(zhì)性重新分類，得到多重介質(zhì)模型概念，WU[32]提出了一個(gè)包括基質(zhì)、小裂縫和大裂縫的三介質(zhì)模型(如圖3所示)，該模型將頁(yè)巖氣流動(dòng)空間理想化，把具有不同特征的3類連續(xù)介質(zhì)組合起來(lái)，同時(shí)假設(shè)這3種介質(zhì)系統(tǒng)相互獨(dú)立且又相互影響，最大程度模擬實(shí)際頁(yè)巖氣藏中基質(zhì)系統(tǒng)相互關(guān)系。該研究為了提高計(jì)算速度，還對(duì)基質(zhì)的壓力分布進(jìn)行了細(xì)化處理，從而達(dá)到在保持原有計(jì)算精度的情況下減少計(jì)算量，該模型為頁(yè)巖氣滲透規(guī)律研究提供了新思路，為提高模型計(jì)算速度提供新方法。張烈輝等人[33]通過(guò)研究頁(yè)巖基質(zhì)孔隙中氣體低速流動(dòng)時(shí)啟動(dòng)壓力梯度對(duì)試井的影響，提出一種新的圓柱狀三重孔隙頁(yè)巖基質(zhì)模型，同時(shí)與五線性滲流模型相結(jié)合，建立表征在壓裂水平井過(guò)程中氣體流動(dòng)過(guò)程的多級(jí)壓裂水平井線性耦合滲流模型，并利用Stehfest數(shù)值反演法最終得出基質(zhì)滲透率越小，則基質(zhì)向裂縫系統(tǒng)竄流就越困難，邊界控制流動(dòng)階段發(fā)生時(shí)間越晚，同時(shí)當(dāng)啟動(dòng)壓力過(guò)大時(shí)，頁(yè)巖氣-水兩相的滲流阻力也會(huì)隨之增加，不利于頁(yè)巖氣藏壓裂開(kāi)發(fā)。

圖3 三重介質(zhì)概念模型

由于等效連續(xù)介質(zhì)模型難以描述實(shí)際復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的滲流特征，因此離散裂縫模型近兩年逐漸成為研究頁(yè)巖氣宏觀滲流的常用方法。離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型可分為離散裂縫模型和嵌入式離散裂縫模型，相較于等效連續(xù)介質(zhì)模型，該類模型保留了裂縫和基質(zhì)之間的各自節(jié)點(diǎn)和物理特性，考慮了頁(yè)巖氣儲(chǔ)滲空間的相互關(guān)聯(lián)性[34-36]，可以更準(zhǔn)確地描述頁(yè)巖儲(chǔ)層特點(diǎn)以及頁(yè)巖氣的滲流特征，因此該類模型也是近幾年解決天然裂縫型油氣藏中常用的模型。MONIFAR[37]將嵌入式離散裂縫模型(Embedded Discrete Fracture Model，簡(jiǎn)稱EDFM)和裂縫動(dòng)態(tài)特征相結(jié)合，并提出考慮流動(dòng)力和應(yīng)力耦合的解析模型，該模型把不同裂縫的滲透率和裂縫開(kāi)度理解為裂縫上正應(yīng)力的函數(shù)，同時(shí)把頁(yè)巖氣在不同裂縫中的運(yùn)移行為引入裂縫傳導(dǎo)率的概念。該研究闡述了裂縫的開(kāi)度與滲透率對(duì)頁(yè)巖氣流動(dòng)規(guī)律的變化，精細(xì)化前人的研究，幫助更好地理解頁(yè)巖氣在裂縫基質(zhì)中動(dòng)態(tài)變化。為了模擬復(fù)雜裂縫形態(tài)下的頁(yè)巖氣滲流動(dòng)態(tài)，XU Y[38]根據(jù)前人研究建立EDFM模型，并針對(duì)天然裂縫基質(zhì)中頁(yè)巖氣滲流規(guī)律進(jìn)行敏感性分析，從而確定頁(yè)巖氣在裂縫中流動(dòng)的影響因素。韋世明[39]建立了多尺度流動(dòng)介質(zhì)(包含有機(jī)質(zhì)、基質(zhì)孔隙、天然裂縫和離散人工裂縫)與多重壓力系統(tǒng)的流固耦合數(shù)學(xué)模型，分析生產(chǎn)過(guò)程中巖石變形程度、人工裂縫形成、天然裂縫擴(kuò)張等因素對(duì)氣體流動(dòng)規(guī)律的影響，考慮實(shí)際壓裂生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的人工裂縫對(duì)頁(yè)巖氣滲流的影響。LIU[40]等人考慮了多尺度多孔介質(zhì)和復(fù)雜縫網(wǎng)中的多場(chǎng)耦合滲流機(jī)理，提出了五線性流分區(qū)離散網(wǎng)絡(luò)模型。2020年，CHENG S X等人[41]基于物理實(shí)驗(yàn)得到的頁(yè)巖模型，采用MINC-EDFM耦合方法對(duì)頁(yè)巖氣-水兩相壓裂生產(chǎn)過(guò)程的綜合敏感性因素進(jìn)行分析，其中包括納米孔隙半徑、非理想氣體效應(yīng)、吸附作用等，研究表明在實(shí)際壓裂生產(chǎn)過(guò)程中，增加壓裂縫長(zhǎng)的半徑比增加縫長(zhǎng)間距更有益于頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相移動(dòng)，孔隙度的影響要大于納米孔隙半徑。該研究結(jié)果有助于優(yōu)化頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的生產(chǎn)設(shè)計(jì)，更好地幫助理解壓裂生產(chǎn)中頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相的滲流規(guī)律，從而達(dá)到提高采收率的目的。

2.2.2 頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相運(yùn)移機(jī)理研究

現(xiàn)有的大部分研究中，往往忽視了底水與邊水對(duì)頁(yè)巖氣滲流規(guī)律的影響。由于原始地層水的存在往往導(dǎo)致頁(yè)巖氣在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的運(yùn)輸通道堵塞致使儲(chǔ)層流動(dòng)性變差，但現(xiàn)場(chǎng)通常會(huì)采用注入大量壓裂液的方法來(lái)改善儲(chǔ)層流動(dòng)性，然而壓裂液滯留和被吸收會(huì)改變頁(yè)巖儲(chǔ)層的含水飽和度，進(jìn)而影響頁(yè)巖氣在孔滲空間的流動(dòng)[42-47]。由此可見(jiàn)水對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的傷害作用格外明顯，想要提高頁(yè)巖氣產(chǎn)量，急需對(duì)頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相的滲流規(guī)律進(jìn)行全面剖析。

多位學(xué)者針對(duì)裂縫內(nèi)頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相的流動(dòng)，提出多尺度多相模擬模型，模擬裂縫和基質(zhì)內(nèi)氣-水兩相運(yùn)移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)水的性質(zhì)(例如毛細(xì)管壓力和相對(duì)滲透率)會(huì)顯著影響頁(yè)巖氣的產(chǎn)量，裂縫在封閉期間的滲吸機(jī)制會(huì)降低初始的含水飽和度，當(dāng)水相飽和度隨水回流而降低時(shí)，氣相的相對(duì)滲透率會(huì)增加[48-49]?；诂F(xiàn)有的SEM圖像構(gòu)建的3D有機(jī)孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，在考慮全方位的氣體傳輸機(jī)制以及氣體吸附層對(duì)水流影響后，發(fā)現(xiàn)氣相相對(duì)滲透率隨孔徑的減小而增加，水相相對(duì)滲透率隨孔徑的減小而減小，這可以歸因于以下事實(shí):氣體吸附層減小了水相的有效流動(dòng)面積，并且在小孔徑下提高了吸附氣體的表面擴(kuò)散能力。在低壓下，頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相在納米孔隙中存在滑移和擴(kuò)散現(xiàn)象，這導(dǎo)致頁(yè)巖表觀滲透率與絕對(duì)滲透率出現(xiàn)巨大差異。朱維耀[50]研究發(fā)現(xiàn)黏土礦物含量以及縫網(wǎng)發(fā)育程度決定了頁(yè)巖儲(chǔ)層滲流能力；黏土礦物含量越多，儲(chǔ)層滲流能力下降越大；主裂縫的開(kāi)度及縫網(wǎng)形態(tài)控制著水在裂縫系統(tǒng)中的作用范圍，天然裂縫壓力系統(tǒng)是引起頁(yè)巖生產(chǎn)的敏感的主要因素，固體變形對(duì)基質(zhì)表觀滲透率的負(fù)面影響小于努森擴(kuò)散對(duì)其的正面影響，隨著壓裂的進(jìn)行頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相應(yīng)力敏感效應(yīng)不斷增加。該研究通過(guò)對(duì)流動(dòng)能力的分析更好地幫助理解頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相在儲(chǔ)滲空間的滲流規(guī)律。SHEN Z H等人[51]通過(guò)對(duì)頁(yè)巖天然裂縫和人工裂縫內(nèi)的非線性氣流和應(yīng)力相關(guān)的滲透性的研究，得出了裂縫在應(yīng)力作用下的滲透敏感性較強(qiáng)，此時(shí)頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相的非線性流動(dòng)性行為出現(xiàn)較早，當(dāng)壓降逐漸增加時(shí)，頁(yè)巖裂縫中的氣-水兩相主要為過(guò)渡流，很少發(fā)生層流。

通過(guò)建立分析性氣體表觀滲透率模型，用來(lái)評(píng)估可移動(dòng)的高黏度水層和散裝水層對(duì)狹縫納米孔和圓形納米孔中的氣體流動(dòng)行為和氣體表觀滲透率的貢獻(xiàn)，依據(jù)分析物理分子力以確定水層的性質(zhì)和界面行為[52-53]。LI R等人[54]提出了水分子在固液界面處的真實(shí)滑動(dòng)和在氣液界面處的氣體滑動(dòng)，可以解釋不同相之間的分子相互作用，原理如圖4所示。在施加的各種壓力、濕度和孔尺寸下進(jìn)一步進(jìn)行分析，結(jié)果表明，隨著壓力的增加，可移動(dòng)水層有利于氣體流動(dòng)，然而隨著水相飽和度的增加，氣體的運(yùn)輸能力隨之下降，這是因?yàn)樗畬拥暮穸纫鸬呢?fù)面影響不能被較高的氣體滑移速度的正面影響所抵消。頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相流體包含多重微尺度效應(yīng)，有氣相滑移、水相滑移及邊界層黏度變化、氣驅(qū)條件下存在沿壁面流動(dòng)的水膜等，可采用侵入逾滲判斷兩相分布，從而了解真實(shí)頁(yè)巖氣藏中氣-水相對(duì)滲透率。發(fā)現(xiàn)在微裂縫開(kāi)度小于臨界開(kāi)度時(shí)，氣-水兩相微尺度效應(yīng)不可忽略；當(dāng)微裂縫開(kāi)度小于0.65 μm后，需要考慮微裂縫壁面可流動(dòng)水膜對(duì)頁(yè)巖氣流動(dòng)造成的影響；在頁(yè)巖氣藏降壓開(kāi)采的過(guò)程，氣藏壓力通過(guò)影響氣體努森數(shù)使得氣相表觀滲透率升高。該研究精細(xì)化影響頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相流動(dòng)規(guī)律的因素，有助于更好的理解頁(yè)巖氣藏滲流機(jī)理，為預(yù)測(cè)產(chǎn)量以及指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)發(fā)提供幫助。

圖4 流體在微裂縫內(nèi)物性、流動(dòng)區(qū)域示意圖

3 發(fā)展趨勢(shì)

3.1 現(xiàn)階段存在的問(wèn)題

結(jié)合以上研究現(xiàn)狀不難發(fā)現(xiàn)，目前在頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相的多尺度滲流機(jī)理上的研究尚不成熟。從微觀滲流機(jī)理來(lái)說(shuō)，目前對(duì)于頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)研究較為完善，在已有的實(shí)驗(yàn)精度下都有較為準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但對(duì)于微觀層面的影響因素研究較少，無(wú)論是格子Boltzmann法還是分子動(dòng)力學(xué)法都還在理論完善階段，雖能夠解決一部分影響因素，但對(duì)于氣-水兩相流動(dòng)模擬還不能夠很好的描述，尤其是在壓裂過(guò)后，壓裂液能否進(jìn)入有機(jī)孔隙以及大量壓裂液的進(jìn)入對(duì)頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相微觀運(yùn)移規(guī)律的影響尚不明確，這直接導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工的不準(zhǔn)確性，對(duì)后續(xù)的宏觀滲流機(jī)理的研究阻礙極大。

對(duì)于頁(yè)巖氣藏的宏觀機(jī)理研究，雖然現(xiàn)存多種不同的模型來(lái)描述頁(yè)巖氣的宏觀滲流，但這些模型考慮的因素不夠全面，模型中難以全部描述達(dá)西滲流、克努森擴(kuò)散或是Fick擴(kuò)散等影響因素；由于氣-水兩相和壁面之間存在較強(qiáng)的相互作用，導(dǎo)致氣-水兩相不僅在壁面存在滑移，黏度和密度等其他物理性質(zhì)也會(huì)隨空間變化，而現(xiàn)有的模型很難準(zhǔn)確地描述頁(yè)巖儲(chǔ)層微裂縫和基質(zhì)孔隙中氣-水兩相之間的相互作用，這就導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確地描述頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相的運(yùn)移規(guī)律；現(xiàn)在雖然有大量的學(xué)者研究壓裂作用對(duì)頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)的影響，但大都基于雙重介質(zhì)模型或是離散縫網(wǎng)模型，這類模型局限性強(qiáng)，無(wú)法模擬尺度范圍大、研究程度不高的區(qū)域，同時(shí)模型在計(jì)算時(shí)需要耗費(fèi)大量時(shí)間，計(jì)算速度偏低[55-58]。

3.2 未來(lái)研究方向

對(duì)于頁(yè)巖氣藏中氣-水微觀滲流機(jī)理的研究而言，目前急需研制可以精確描述微納米級(jí)別的頁(yè)巖掃描儀器以及頁(yè)巖氣多尺度多介質(zhì)流動(dòng)機(jī)理實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置，改善現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)測(cè)量精度與測(cè)試條件，在保證實(shí)驗(yàn)儀器精度的條件下，在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)基于開(kāi)發(fā)過(guò)程中氣體吸附程度不斷變化的情況，考慮頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相之間相互作用；再者，針對(duì)MD法、MDSC法和LBM法3種方法的各自優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況綜合運(yùn)用，未來(lái)還應(yīng)將三者運(yùn)用在氣-水兩相流動(dòng)模擬上，并且考慮氣-液之間的相互作用以及地層水對(duì)頁(yè)巖氣運(yùn)移規(guī)律的影響等多重因素，將頁(yè)巖的微觀流動(dòng)規(guī)律以及傳輸特性進(jìn)行尺度升級(jí)，為頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相宏觀滲流機(jī)理的研究提供理論基礎(chǔ)。

在頁(yè)巖氣宏觀滲流研究方面，雖然現(xiàn)在有大量關(guān)于達(dá)西滲流、克努森擴(kuò)散或是Fick擴(kuò)散等影響因素的研究，但隨著對(duì)頁(yè)巖氣藏的不斷認(rèn)識(shí)以及各類開(kāi)發(fā)模式對(duì)儲(chǔ)層耦合流動(dòng)的改變，如何將各類影響因素考慮到模型中且符合實(shí)際頁(yè)巖氣藏中的流動(dòng)規(guī)律是未來(lái)值得研究的方向；同時(shí)由于生產(chǎn)過(guò)程中壓裂液的進(jìn)入，氣-水兩相和壁面之間發(fā)生強(qiáng)的相互作用，導(dǎo)致氣-水兩相不僅在壁面存在滑移，黏度和密度等其他物理性質(zhì)也會(huì)隨空間變化，如何準(zhǔn)確描述壓裂液對(duì)頁(yè)巖氣滲流規(guī)律的影響以及頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相的運(yùn)移規(guī)律是個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題；無(wú)論是多重介質(zhì)模型還是離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型，都存在適用范圍小且局限性高等問(wèn)題，即使是兩者的混合模型也會(huì)存在這類問(wèn)題，因此將頁(yè)巖氣藏模型進(jìn)行優(yōu)化并應(yīng)用到勘探程度低且裂縫發(fā)育的目標(biāo)油藏是格外重要的。

隨著頁(yè)巖氣需求量不斷攀升，為實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，未來(lái)頁(yè)巖氣的研究應(yīng)該著重精細(xì)刻畫(huà)儲(chǔ)層裂縫和基質(zhì)，將分子模擬應(yīng)用于頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相中，考慮壓裂液進(jìn)入對(duì)頁(yè)巖氣滲流規(guī)律的影響，并且建立尺度升級(jí)方法，優(yōu)化尺度銜接；建立能夠準(zhǔn)確描述裂縫和基質(zhì)、適用性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的數(shù)學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型，精確描述頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相在儲(chǔ)層中的流動(dòng)，全面反映儲(chǔ)層流體的滲流機(jī)理和運(yùn)移規(guī)律。

4 結(jié)論

1)目前對(duì)于頁(yè)巖孔隙內(nèi)部結(jié)構(gòu)、頁(yè)巖含氣量分析、頁(yè)巖應(yīng)力敏感性分析等在現(xiàn)有精度上的研究都較完善，為研究頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相滲流規(guī)律提供理論依據(jù)，但對(duì)于微納米尺度上的實(shí)驗(yàn)在測(cè)試精度與結(jié)果上仍需完善和改進(jìn)。

2)頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相微觀滲流機(jī)理研究尚不完善，格子Boltzmann和分子模擬等方法對(duì)于氣-水兩相流動(dòng)規(guī)律的研究還不成熟，尤其是對(duì)于微觀尺度下壓裂作用對(duì)頁(yè)巖氣藏中氣-水運(yùn)移機(jī)理的影響還不明確。

3)現(xiàn)階段無(wú)論是連續(xù)性介質(zhì)模型還是離散裂縫模型，對(duì)于儲(chǔ)層非均質(zhì)性刻畫(huà)不完善，都無(wú)法準(zhǔn)確描述儲(chǔ)層非均質(zhì)性以及各類影響因素，因此急需一個(gè)符合實(shí)際情況的數(shù)學(xué)概念模型來(lái)描述頁(yè)巖氣宏觀滲流規(guī)律；目前對(duì)于頁(yè)巖氣藏中氣-水兩相的研究較少，現(xiàn)有模型無(wú)法精確表征壓裂液以及地層水對(duì)頁(yè)巖氣滲流的影響。

4)目前對(duì)于頁(yè)巖氣藏中氣-水之間的相互作用的研究逐漸完善，但針對(duì)壓裂過(guò)程中各類影響因素以及壓裂液對(duì)氣-水兩相運(yùn)移規(guī)律的影響仍然是未來(lái)研究頁(yè)巖氣高效生產(chǎn)的核心問(wèn)題。