楊兆中，杜慧龍，易良平，2 ，李小剛，茍良杰

1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都 610500 2.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500

引言

中國(guó)發(fā)育海相、海陸過(guò)渡相及陸相等3 類頁(yè)巖氣，經(jīng)過(guò)二十多年的勘探開(kāi)發(fā)，中國(guó)已成為除北美之外最大的頁(yè)巖氣生產(chǎn)國(guó)[1-2]。2020 年，中國(guó)頁(yè)巖氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量和年總產(chǎn)氣量分別突破2×1012m3和200×108m3[3]。目前，頁(yè)巖氣藏開(kāi)采方式以水平井聯(lián)合大型多段壓裂為主，滑溜水憑借低成本、可造復(fù)雜縫網(wǎng)和低儲(chǔ)層污染的優(yōu)勢(shì)深受現(xiàn)場(chǎng)喜愛(ài)[4-7]。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，一部分頁(yè)巖氣井壓裂后關(guān)井一段時(shí)間再返排，通常產(chǎn)氣量更高、產(chǎn)水量更低[8-9]?；诖?，學(xué)者們對(duì)燜井增產(chǎn)機(jī)理進(jìn)行深入研究，取得了豐碩的成果，但仍存在諸多不足。以最佳燜井時(shí)間為例，模型結(jié)果從幾個(gè)小時(shí)到上百天不等，不同模型得出的結(jié)論差別在幾個(gè)數(shù)量級(jí)。一方面，不同參數(shù)對(duì)燜井增產(chǎn)效果的影響差別巨大；另一方面，目前對(duì)于燜井增產(chǎn)機(jī)理認(rèn)識(shí)不夠深入，導(dǎo)致?tīng)F井制度科學(xué)性不足。

燜井過(guò)程是多尺度應(yīng)力場(chǎng)、物理場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)的綜合體現(xiàn)，儲(chǔ)層條件下液巖相互作用是燜井增產(chǎn)的本質(zhì)，液巖相互作用程度是制定燜井制度的關(guān)鍵?；趪?guó)內(nèi)外學(xué)者在頁(yè)巖氣井燜井期間液巖相互作用對(duì)儲(chǔ)層的改造和損害機(jī)理、模型及影響因素等方面的研究成果，總結(jié)了液巖相互作用機(jī)理和現(xiàn)有燜井制度。本文主要從儲(chǔ)層的持續(xù)改造和損害兩方面闡述燜井期間液巖相互作用機(jī)理，分析現(xiàn)有燜井制度研究方法的缺陷，展望液巖相互作用多尺度和高度非線性特征的潛在研究方法。

1 燜井期間液巖相互作用機(jī)理

燜井期間液巖相互作用對(duì)儲(chǔ)層兼具改造和損害作用：1）水力壓裂結(jié)束后進(jìn)行燜井，在高應(yīng)力差和促使巖性劣化的共同作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的長(zhǎng)期微改造，促進(jìn)微裂縫起裂延伸，擴(kuò)大裂縫波及面，增大儲(chǔ)集層改造體積[10-15]；同時(shí)，促進(jìn)壓裂液與儲(chǔ)層氣體的相互置換，降低主裂縫含水飽和度，起到了一定的增產(chǎn)效果[16]。2）燜井期間液巖相互作用使得黏土礦物水化膨脹、運(yùn)移造成固相堵塞[17]；高壓流體和毛管力共同作用，促使液相滲吸進(jìn)入頁(yè)巖儲(chǔ)層深部，最終滯留于裂縫或空隙之中，產(chǎn)生水相圈閉[18-19]，影響氣體產(chǎn)出。

1.1 液巖相互作用對(duì)儲(chǔ)層的持續(xù)改造

1.1.1 微裂縫擴(kuò)展延伸

Stegent 等[20]采集了Permian 盆地下部和中部Wolfcamp 地層400 多個(gè)微地震數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖1。Wolfcamp 地層的5U 井在壓裂結(jié)束后，仍監(jiān)測(cè)到一定數(shù)量的微地震數(shù)據(jù)點(diǎn)。針對(duì)四川盆地頁(yè)巖，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者在常溫常壓或圍壓條件下采用端面自吸或浸泡實(shí)驗(yàn)研究了[21-26]宏觀裂縫、納微米級(jí)孔隙的形態(tài)、尺寸和動(dòng)態(tài)演化規(guī)律（表1）。研究表明，在燜井期間有新的裂縫產(chǎn)生或促使原有裂縫繼續(xù)擴(kuò)展延伸。

表1 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)方法Tab.1 Laboratory experiment methods

圖1 Wolfcamp 地層5U 井壓裂施工及結(jié)束后微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[20]Fig.1 Microseismic monitoring data of Well 5U in Wolfcamp Formation during fracturing construction and after completion

燜井期間以微裂縫的萌生擴(kuò)展為主，壓裂液侵入頁(yè)巖儲(chǔ)層發(fā)生水化反應(yīng)，非膨脹性礦物在水化應(yīng)力的作用下被壓縮，膨脹性礦物隨水化時(shí)間的增加體積增大，頁(yè)巖與流體之間的物理化學(xué)作用導(dǎo)致巖石顆粒間的膠結(jié)強(qiáng)度劣化，顆粒交界面被溶蝕破壞，誘發(fā)顆粒解體分散。頁(yè)巖層理結(jié)構(gòu)發(fā)育、黏土礦物定向排列的特征加劇巖性劣化，為裂縫繼續(xù)擴(kuò)展延伸提供有利條件[26-27]。頁(yè)巖整體表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度顯著降低，使得裂縫尖端應(yīng)力大于地應(yīng)力和巖石強(qiáng)度的合力，進(jìn)一步促進(jìn)裂縫擴(kuò)展延伸[27-30]。

燜井期間裂縫擴(kuò)展總體呈現(xiàn)為兩個(gè)階段：1）微觀尺度裂縫的萌生擴(kuò)展。2）宏觀尺度裂縫的起裂或擴(kuò)展。燜井期間微裂縫具有先快速發(fā)育而后緩慢發(fā)育的擴(kuò)展特征，如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)室條件下裂縫擴(kuò)展延伸動(dòng)態(tài)演化過(guò)程[21，34]Fig.2 Dynamic evolution process of fracture propagation and extension under laboratory conditions

此外，微裂縫擴(kuò)展延伸程度與黏土礦物組成密切相關(guān)，伊利石和蒙脫石含量是影響裂縫擴(kuò)展延伸的主要因素，蒙脫石改善孔隙結(jié)構(gòu)的潛力更大[26]。裂縫的復(fù)雜程度與壓裂液的性質(zhì)有關(guān)，研究表明，相比于滑溜水，清水與頁(yè)巖相互作用不僅能夠促使原始裂縫延伸，而且還有可能誘發(fā)微細(xì)裂縫萌生擴(kuò)展[31]。裂縫擴(kuò)展方向與頁(yè)巖各向異性有關(guān)，頁(yè)巖水化誘發(fā)的微裂縫以順層裂縫為主[23，32-35]。

1.1.2 氣液滲吸置換

燜井期間，孔隙中以液滴狀存在的壓裂液“置換”其中的氣體[36]和壓裂液滲析進(jìn)入更深的孔隙或基質(zhì)中，消除部分水相圈閉損害，恢復(fù)原有孔隙滲透率，使氣相流速增加[37]是燜井增產(chǎn)的又一機(jī)理。

Bertoncello 等[36]提出了一個(gè)考慮孔隙結(jié)構(gòu)的滲吸置換模型，認(rèn)為頁(yè)巖儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)連通孔隙是滲析置換的主要通道，無(wú)機(jī)黏土中的小孔隙是儲(chǔ)存壓裂液的主要場(chǎng)所。燜井期間，較大的有機(jī)孔隙中高壓壓裂液會(huì)自發(fā)滲析到較小的水濕孔隙中，置換出小孔隙中的氣體（圖3a～圖3e）。導(dǎo)致水力裂縫垂向上含水飽和度呈現(xiàn)先迅速下降，然后緩慢下降的分布趨勢(shì)，而裂縫氣相相對(duì)滲透率則隨含水飽和度的降低而增大[38-40]，見(jiàn)圖3f 和圖3g。

圖3 燜井期間氣液置換過(guò)程及裂縫含水飽和度分布[36，38]Fig.3 Gas liquid replacement process during soaking and water saturation distribution of shale fractures

Shen 等[24]研究表明，孔隙度對(duì)單井初期產(chǎn)量影響不大，滲透率是影響初期單井產(chǎn)量的關(guān)鍵。因此，隨燜井時(shí)間的增加，氣液滲析置換可以減弱水相圈閉損害，促進(jìn)氣相滲流通道的建立，而目前尚未報(bào)道有利于滲吸置換的壓裂液配方的研究。此外，巖芯尺度的物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明儲(chǔ)集層燜井期間具有滲吸置換的潛力[41]，滲流通道的復(fù)雜程度和儲(chǔ)層基質(zhì)的潤(rùn)濕性是影響氣液滲吸置換效果的重要因素[37，42-45]，毛管壓力是氣液滲吸置換的主要驅(qū)動(dòng)力[46-49]。但是關(guān)于燜井期間氣液滲析置換與降低水相圈閉損害對(duì)單井產(chǎn)量的貢獻(xiàn)值仍不清楚，仍需深入研究。

1.1.3 液巖相互作用對(duì)儲(chǔ)層的改造模型

微裂縫擴(kuò)展延伸和氣液滲吸置換是是液巖相互作用對(duì)儲(chǔ)層改造的有利表現(xiàn)?，F(xiàn)有研究在宏觀裂縫擴(kuò)展方面相對(duì)成熟，微裂縫萌生和擴(kuò)展的精細(xì)研究相對(duì)較少，氣液滲吸置換定量表征相對(duì)缺乏。Pollet等[50]、Lawn[51]和Maugis[52]基于熱力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理，共同建立了亞臨界條件下裂縫尖端的擴(kuò)展速率模型。該理論將燜井期間微裂縫的擴(kuò)展描述為裂縫亞臨界擴(kuò)展的初始階段和裂縫擴(kuò)展進(jìn)入階段，見(jiàn)式（1）和式（2）。

式中：

uI—亞臨界擴(kuò)展初始階段時(shí)的裂縫擴(kuò)展速率，m/s；

α0—原子間的晶格間距，m；

v0—基礎(chǔ)晶格頻率，s-1；

k—玻爾茲曼常數(shù)，J/K；

T—環(huán)境溫度，K；

αI—活化面積，m2；

GM—機(jī)械能釋放率，J/m2；

GE—裂縫擴(kuò)展阻力，N/m。

式中：

uII—裂縫擴(kuò)展進(jìn)入階段時(shí)的裂縫擴(kuò)展速率，m/s；

a0—裂縫尖端位置吸附間距，m；

pE—?dú)怏w分子的分壓，MPa；

η—吸附位置被環(huán)境介質(zhì)分子占據(jù)的概率，無(wú)因次；

E—巖石的彈性模量，GPa；

M－氣體分子的分子質(zhì)量，g/mol；

l—?dú)怏w的平均分子自由程，m。

韓慧芬等[53]采用裂縫閉合系數(shù)判斷裂縫閉合狀態(tài)，如式（3）所示。針對(duì)張開(kāi)裂縫，考慮裂縫尖端非奇異應(yīng)力項(xiàng)，分別計(jì)算裂縫尖端最大周向應(yīng)力和最大有效剪切應(yīng)力，判斷裂縫發(fā)生拉伸起裂和剪切起裂時(shí)縫內(nèi)流體壓力下限。

式中：

Bf—裂縫閉合系數(shù)，無(wú)因次；

G－巖石的剪切模量，MPa；

λ2—裂縫短軸半長(zhǎng)與長(zhǎng)軸半長(zhǎng)的比值，無(wú)因次；

κ－平面應(yīng)變，無(wú)因次；

β－裂縫傾角，（°）；

λ1—最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值，無(wú)因次；

σ1—最大水平主應(yīng)力，MPa。

韓東旭等[54]認(rèn)為液巖反應(yīng)能有效改善儲(chǔ)層孔隙度，在嵌入式離散裂縫模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加入化學(xué)場(chǎng)，描述液巖反應(yīng)過(guò)程中儲(chǔ)層基質(zhì)和裂縫的孔隙度變化

式中：

?—孔隙度，無(wú)因次；

t—時(shí)間，s；

?0—儲(chǔ)層初始時(shí)刻孔隙度，無(wú)因次；

rn—化學(xué)反應(yīng)率，mol（/kg·s）；

ρf—壓裂液密度，kg/m3；

ρs—礦物密度，kg/m3；

Ms—礦物摩爾質(zhì)量，kg/mol。

1.2 液巖相互作用對(duì)儲(chǔ)層的損害

1.2.1 固相堵塞

燜井期間壓裂液滲吸進(jìn)入儲(chǔ)層造成頁(yè)巖水化膨脹，微粒運(yùn)移[17]，而頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂后的滲流通道以微米級(jí)裂縫為主，與固相粒度處于同一量級(jí)，潛在固相損害嚴(yán)重[55]。此外，滯留于儲(chǔ)層中的高礦化度壓裂液的液相蒸發(fā)速率與氣藏壓降呈正相關(guān)關(guān)系[56-57]。蒸發(fā)作用使液相中可溶鹽析出，頁(yè)巖儲(chǔ)層滲流通道被鹽結(jié)晶充填，巖樣絕對(duì)滲透率降低[58]。

1.2.2 壓裂液侵入引起的水相圈閉

目前，水相圈閉損害評(píng)價(jià)已成為分析頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層傷害程度、產(chǎn)量快速遞減的重要手段[59]，而壓裂液自發(fā)滲吸和滯留是造成水相圈閉的主要原因[60-61]。因此，深入研究水相圈閉損害是正確認(rèn)識(shí)和有效防控水相圈閉的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的研究表明，頁(yè)巖氣井壓后壓裂液分布位置主要有3 種：1）由于頁(yè)巖巨大的毛細(xì)管力（部分頁(yè)巖儲(chǔ)層毛管力超過(guò)50 MPa[62]）使得壓裂液被吸入更深的部位[48，63-64]。2）頁(yè)巖氣井壓裂后形成復(fù)雜的縫網(wǎng)，壓裂液吸附于次級(jí)裂縫壁面或充填裂縫[65-68]。3）燜井期間，縫內(nèi)流體壓力下降，次級(jí)裂縫以及部分開(kāi)啟的天然裂縫閉合，壓裂液滯留其中[62，69]。其中，前兩種是造成水相圈閉的主要原因，見(jiàn)圖4。

圖4 壓裂液滯留位置圖[70]Fig.4 Fracturing fluid retention location diagram

諸多學(xué)者研究了不同影響因素與水相圈閉損害程度之間的關(guān)系（表2），結(jié)果表明，黏土礦物含量越高，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，滲透率越小，孔隙度越小，含水飽和度越高的親水性儲(chǔ)層潛在水相圈閉損害越嚴(yán)重，即這類儲(chǔ)層燜井增產(chǎn)潛力不足。且壓裂液黏度、燜井時(shí)間和生產(chǎn)壓差等工程因素也會(huì)造成水相圈閉損害。但縱觀以上研究發(fā)現(xiàn)，大多研究停留在定性分析的層面，難以針對(duì)具體儲(chǔ)層做出定量判斷。

表2 水相圈閉損害影響因素Tab.2 Influencing factors of water trapping damage

1.2.3 液巖相互作用對(duì)儲(chǔ)層的損害模型

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者提出了基于巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的水相圈閉損害評(píng)價(jià)方法，包括：滲透率損害率、APTi指數(shù)、MAPTi指數(shù)、BVW、PTC 系數(shù)和PTI 指數(shù)等[78-81]，為液相對(duì)儲(chǔ)層的損害程度評(píng)價(jià)提供依據(jù)。但以上模型并非經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)而來(lái)，難以定量計(jì)算水相圈閉損害程度[70]。

此外，現(xiàn)有模型沒(méi)有考慮頁(yè)巖氣跨尺度、多種傳遞過(guò)程中水相圈閉損害的多尺度性[82]，也沒(méi)有考慮液巖相互作用過(guò)程中相滲曲線的變化，在模擬過(guò)程中使用同一個(gè)相滲曲線，這顯然是不合理的。

1.3 燜井期間液巖相互作用機(jī)理

綜合上述研究成果，如圖5 所示，液巖相互作用對(duì)儲(chǔ)層兼具改造和損害作用，且具有強(qiáng)時(shí)間效應(yīng)，前者對(duì)儲(chǔ)層有效孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)具有積極作用，后者對(duì)儲(chǔ)層有效孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)具有消極作用，建立液巖相互作用與儲(chǔ)層有效孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的未知橋梁是研究燜井制度的關(guān)鍵。

圖5 燜井期間液巖相互作用機(jī)理及燜井制度優(yōu)化模式Fig.5 Mechanism of liquid-rock interaction during well soaking and optimization mode of soaking system

此外，以盡可能地增大對(duì)儲(chǔ)層的改造，避免對(duì)儲(chǔ)層的損害為目標(biāo)，以微裂縫萌生擴(kuò)展、氣液滲析置換、固相堵塞和水相圈閉誘發(fā)特征為導(dǎo)向，對(duì)優(yōu)化燜井制度具有重要啟示意義。

2 頁(yè)巖氣藏燜井制度研究進(jìn)展

對(duì)頁(yè)巖相互作用機(jī)理的分析表明，燜井措施具備一定的改善氣井性能的潛力，且在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，燜井亦不可避免。因此，進(jìn)行燜井制度的研究是十分必要的。目前關(guān)于燜井制度的研究方式主要從3 個(gè)方面展開(kāi)：1）通過(guò)室內(nèi)巖芯滲析實(shí)驗(yàn)研究頁(yè)巖最佳水化時(shí)間。2）建立滲流微分方程，采用解析解、半解析解或數(shù)值解研究壓后燜井制度。3）采用礦場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)直接建立燜井時(shí)間與產(chǎn)量之間的關(guān)系。

2.1 燜井制度優(yōu)化模型

如表1 所示，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者在常溫常壓或高溫高壓條件下通過(guò)巖芯端面自吸或浸泡實(shí)驗(yàn)，研究了頁(yè)巖巖芯顆粒形態(tài)、孔徑、比表面積和滲透率等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，將孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)拐點(diǎn)時(shí)間確定為最佳燜井時(shí)間。在最佳燜井時(shí)間范圍內(nèi)，液巖相互作用一方面抵消了由應(yīng)力敏感引起的滲透率降低，另一方面促進(jìn)原有孔隙-裂縫結(jié)構(gòu)擴(kuò)展延伸和新微裂縫的萌生，增加巖芯裂縫復(fù)雜程度和改善孔隙-裂縫其連通性，巖芯滲透率增大[83-84]。

Wijaya 等[85]建立一維巖芯數(shù)值模型，結(jié)果表明，正確的關(guān)井時(shí)機(jī)能夠減輕對(duì)儲(chǔ)層的傷害，對(duì)于干燥巖芯，壓后返排一段時(shí)間后再燜井能有效緩解水相圈閉損害，生產(chǎn)后期具有更高的氣相相對(duì)滲透率。Zhang 等[38]建立了三維單孔數(shù)值模型，分析了壓后立即燜井和壓后返排一段時(shí)間再燜井兩種情況下返排率和產(chǎn)量的差異，結(jié)果表明，壓后直接燜井初期產(chǎn)氣量先減小后增大，長(zhǎng)期產(chǎn)氣量先增大后減??；壓后返排一段時(shí)間后再燜井則初期產(chǎn)期量增大，長(zhǎng)期產(chǎn)氣量減小。張相春等[86]建立兩相滲流模型研究了不同因素與燜井時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果表明，燜井時(shí)間與基質(zhì)區(qū)滲透率呈負(fù)相關(guān)，與SRV 區(qū)滲透率呈正相關(guān)，與毛管力大小呈強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系。

礦場(chǎng)統(tǒng)計(jì)方面，Yaich 等[9]通過(guò)調(diào)查研究Marcellus 區(qū)域氣井采取燜井措施前后性能的動(dòng)態(tài)變化建立了歸一化壓力變化率與燜井時(shí)間的關(guān)系，如式（5）所示。結(jié)果表明，燜井能夠顯著改善井的性能，且黏土含量較低和干酪根成熟度較高的儲(chǔ)層具有更大的改善潛力。

式中：RM—生產(chǎn)30 d 平均PNR 與返排結(jié)束時(shí)PNR比值，無(wú)因次；

Vc—儲(chǔ)層平均黏土含量，%；

Ro—鏡質(zhì)體反射率，%；

mC—黏土結(jié)合水干燥斜率，無(wú)因次；

t′燜井時(shí)間，d；

B，C，D，E，F(xiàn)，G－模型校準(zhǔn)常數(shù)，無(wú)因次。

Ibrahim 等[8]建立了增產(chǎn)效果與燜井時(shí)間的關(guān)系，如式（6）所示，結(jié)果表明，高含水飽和度、高壓及高成熟度儲(chǔ)層燜井后增產(chǎn)潛力高，低含水飽和度儲(chǔ)層則不適合采取燜井措施。

式中：Rr—燜井后與燜井前采收率比值，無(wú)因次；

Swi—初始含水飽和度，%；

Tr—地層水與壓裂液礦化度比值，無(wú)因次；

γg—天然氣相對(duì)密度，無(wú)因次；

dpG—地層壓力梯度與靜液柱壓力梯度比值，無(wú)因次；

ttick—?dú)怏w突破時(shí)間，d。

對(duì)上述研究方式分析可知：1）實(shí)驗(yàn)室條件與真實(shí)地層條件相差甚遠(yuǎn)[87-89]，且研究人員大多基于單因素分析，并采取一些簡(jiǎn)化和假設(shè)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果過(guò)于理想。2）數(shù)值模型不夠完善，考慮因素各不相同，且一般以均質(zhì)地層為主，這顯然與頁(yè)巖的性質(zhì)不符[89]。此外，解析解和半解析模型求解過(guò)于復(fù)雜[65，90-91]。3）礦場(chǎng)總結(jié)模型泛化能力較差，擬合過(guò)程中輸入?yún)?shù)較少，輸入?yún)?shù)與燜井時(shí)間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。但綜合各類因素考量，數(shù)值模擬仍是目前研究壓后燜井制度較為理想的方法。

2.2 數(shù)值模擬存在的問(wèn)題

2.2.1 頁(yè)巖儲(chǔ)層相關(guān)參數(shù)非均質(zhì)性表征

Li等[92]通過(guò)真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)對(duì)頁(yè)巖壓后裂縫形態(tài)進(jìn)行研究，結(jié)果表明，頁(yè)巖儲(chǔ)層壓后裂縫系統(tǒng)并非經(jīng)典雙翼裂縫，裂縫形態(tài)與頁(yè)巖礦物組成和孔隙結(jié)構(gòu)等因素息息相關(guān)。因此，建模過(guò)程中考慮非均質(zhì)性是必要的。目前，關(guān)于頁(yè)巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性的表征主要有3 種方式：1）通過(guò)滲透率張量統(tǒng)一表征裂縫和基質(zhì)的滲透率。2）通過(guò)隨機(jī)函數(shù)的方法生成隨機(jī)裂縫模型，并通過(guò)概率分布函數(shù)隨機(jī)取樣獲得裂縫相關(guān)參數(shù)。3）采用分形維數(shù)表征地層中孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性和復(fù)雜程度。

Snow 等[93]為解決滲透率各向異性問(wèn)題提出滲透率張量理論，之后，劉嘉等[94-96]采用滲透率張量表征頁(yè)巖非均質(zhì)性。但滲透率張量的獲取需要大量的裂縫產(chǎn)狀參數(shù)、幾何參數(shù)等支撐，而這些參數(shù)獲取困難，因而該方法不適用于天然裂縫發(fā)育、非均質(zhì)性較強(qiáng)的頁(yè)巖儲(chǔ)層[97]。由于在井筒附近只能觀察到該區(qū)域中裂縫網(wǎng)絡(luò)的一小部分，不可能對(duì)整個(gè)裂縫網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行確定性建模[98]，因此，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者基于泊松模型[89]、截?cái)嗖此赡Ｐ蚚99]、多點(diǎn)統(tǒng)計(jì)模型[100]等方法獲取裂縫的長(zhǎng)度、方位、開(kāi)度、密度、傾角等參數(shù)。

上述方法雖然能獲取裂縫的相關(guān)參數(shù)，但無(wú)法判斷獲取的裂縫是否為有效裂縫[101]。此外，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)頁(yè)巖分形維數(shù)進(jìn)行了研究[102-108]，為模擬孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性提供理論依據(jù)。游先勇[95]基于分形離散裂縫法，采用倍增串級(jí)的方法來(lái)生成天然裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而更真實(shí)地刻畫出地層中裂縫的分布特征。

2.2.2 頁(yè)巖氣藏裂縫-基質(zhì)數(shù)值模型

頁(yè)巖氣藏模型的建立是研究頁(yè)巖氣井燜井制度的基礎(chǔ)，目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于基質(zhì)-裂縫關(guān)系簡(jiǎn)化處理通常有3 種模型：連續(xù)介質(zhì)模型、離散裂縫模型和等效連續(xù)介質(zhì)模型（表3）。現(xiàn)有模型的缺陷主要有以下3 點(diǎn)：1）未考慮實(shí)際裂縫網(wǎng)絡(luò)高度的分布隨機(jī)性，嚴(yán)重的非均質(zhì)性以及復(fù)雜的尺度多樣性。2）假設(shè)模擬初始時(shí)刻裂縫擴(kuò)展達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，未考慮燜井期間裂縫的擴(kuò)展延伸。3）燜井前后使用同一個(gè)相滲曲線，未考慮由于液巖相互作用造成的裂縫、基質(zhì)絕對(duì)滲透率的動(dòng)態(tài)變化。

表3 頁(yè)巖氣藏?cái)?shù)值模型研究現(xiàn)狀Tab.3 Research status of numerical models for shale gas reservoirs

3 展望

燜井是提高頁(yè)巖氣井產(chǎn)量的一種有效方式，且已經(jīng)在一些頁(yè)巖氣藏中獲得成功。但液巖相互作用特征是多尺度應(yīng)力場(chǎng)、物理場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)的綜合體現(xiàn)，目前主要有兩大問(wèn)題制約液巖相互作用研究：1）微觀研究與宏觀研究各自形成了獨(dú)特的研究體系和方法，但跨越微觀和宏觀的橋梁仍未建立。2）液巖相互作用影響因素眾多，不同因素對(duì)燜井增產(chǎn)效果的影響差別巨大，且大多數(shù)兼具積極和消極兩方面的影響，難以建立直接的線性映射關(guān)系。針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題，提出了基于分子動(dòng)力學(xué)的有效裂縫刻畫模型和工業(yè)級(jí)人工智能頁(yè)巖氣井燜井優(yōu)化模型。

3.1 基于分子動(dòng)力學(xué)的有效裂縫刻畫模型

根據(jù)前文所述燜井期間液巖相互作用機(jī)理可知，頁(yè)巖礦物組成是影響液巖相互作用程度主要因素，而伊利石和蒙脫石在液巖相互作用過(guò)程中的壓縮和膨脹過(guò)程直接造成了頁(yè)巖儲(chǔ)層孔隙度和滲透率的變化。目前，雖然有很多關(guān)于微觀視域下蒙脫石水化膨脹和收縮的研究[122-124]，但是并未將液巖相互作用過(guò)程中伊利石和蒙脫石等礦物成分的收縮和膨脹應(yīng)用到燜井過(guò)程儲(chǔ)層有效孔隙度、有效滲透率等參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的研究之中。

為此，提出了基于分子動(dòng)力學(xué)的有效裂縫刻畫模型，該模型實(shí)現(xiàn)步驟為：1）基于分子動(dòng)力學(xué)對(duì)壓裂液侵入?yún)^(qū)域微觀礦物反應(yīng)進(jìn)行刻畫。2）精確描述壓裂液侵入?yún)^(qū)內(nèi)的有效裂縫的生成過(guò)程。3）建立相應(yīng)的微觀力學(xué)裂縫擴(kuò)展延伸準(zhǔn)則。4）基于能量最低原理，采用數(shù)學(xué)方法，進(jìn)一步將微觀擴(kuò)展至宏觀裂縫擴(kuò)展延伸準(zhǔn)則，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)域有效裂縫網(wǎng)絡(luò)的刻畫。

3.2 工業(yè)級(jí)人工智能頁(yè)巖氣井燜井優(yōu)化模型

現(xiàn)有的頁(yè)巖氣井燜井時(shí)間優(yōu)化模型受到儲(chǔ)層參數(shù)的多變量和非對(duì)稱性以及流體流動(dòng)的高度非線性的限制，存在兩方面難題：1）計(jì)算量龐大求解困難。2）建立的模型過(guò)于理想，無(wú)法滿足工程的實(shí)際需求，且不同參數(shù)（如黏土礦物含量）影響差別巨大，而且這些參數(shù)同時(shí)具有改造和損害兩方面的影響。目前，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式僅考慮壓力、產(chǎn)量對(duì)燜井時(shí)間的影響，不足以精確捕捉燜井時(shí)間和模型參數(shù)間的強(qiáng)非線性映射關(guān)系，模型泛化能力較差。為有效捕捉頁(yè)巖氣井的燜井時(shí)間與地質(zhì)-工程等多種參數(shù)之間的關(guān)系，應(yīng)建立地質(zhì)-工程燜井時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù)，基于機(jī)器學(xué)習(xí)在高度復(fù)雜的非線性和非確定性系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)，在數(shù)據(jù)集、模型建立、評(píng)價(jià)參數(shù)等多個(gè)環(huán)節(jié)采用領(lǐng)域知識(shí)和機(jī)理模型的引導(dǎo)和約束，挖掘頁(yè)巖氣井燜井時(shí)間與工程-地質(zhì)參數(shù)之間的因果性形成工業(yè)級(jí)頁(yè)巖氣井燜井優(yōu)化模型。

4 結(jié)論

1）燜井期間液巖相互作用對(duì)儲(chǔ)層兼具改造和損害作用，對(duì)儲(chǔ)層的改造包括微裂縫的萌生擴(kuò)展和氣液滲吸置換；對(duì)儲(chǔ)層的損害包括固相堵塞和壓裂液侵入引起的水相圈閉。建立液巖相互作用與儲(chǔ)層有效孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的未知橋梁是研究燜井增產(chǎn)機(jī)理的關(guān)鍵。

2）目前燜井制度研究方式主要包括室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和礦場(chǎng)統(tǒng)計(jì)3 種方式，但數(shù)值模擬仍是目前研究壓后燜井制度較為理想的方法。而頁(yè)巖非均質(zhì)性強(qiáng)，燜井期間諸多變量相互作用，具有高度的非線性特征，難以定量表征是制約燜井制度數(shù)值模型精確度的主要原因。

3）液巖相互作用特征是多尺度應(yīng)力場(chǎng)、物理場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)的綜合體現(xiàn)，針對(duì)目前制約頁(yè)巖相互作用研究的跨尺度和高度非線性問(wèn)題，提出了基于分子動(dòng)力學(xué)的有效裂縫刻畫模型和工業(yè)級(jí)人工智能頁(yè)巖氣井燜井優(yōu)化模型。