摘  要  為研究氣體在頁(yè)巖儲(chǔ)層中的流動(dòng)機(jī)理并分析影響頁(yè)巖氣藏產(chǎn)能的控制因素，基于廣泛的文獻(xiàn)調(diào)研，描述了頁(yè)巖氣在頁(yè)巖儲(chǔ)層中流動(dòng)主要經(jīng)歷的3個(gè)過(guò)程：解吸附、擴(kuò)散和滲流，分析了其影響因素和適用條件。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬方法分析了吸附氣含量、Langmuir體積、Langmuir壓力、擴(kuò)散系數(shù)、基質(zhì)滲透率、微裂縫滲透率和壓裂誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力等因素對(duì)頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)能的影響情況。結(jié)果表明：①天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量保持不變時(shí)，隨吸附氣含量增高，水平井日產(chǎn)氣量和相同開(kāi)發(fā)時(shí)間累積產(chǎn)氣量逐漸降低，地層平均壓力下降速度加快；②相同吸附氣濃度條件下，隨Langmuir體積和Langmuir壓力的增加，水平井日產(chǎn)氣量和相同開(kāi)發(fā)時(shí)間累積產(chǎn)氣量逐漸降低，初期產(chǎn)量遞減速度加快；③氣體擴(kuò)散系數(shù)對(duì)產(chǎn)能影響較??；④基質(zhì)滲透率介于1.0×10^-9～1.0×10^-6 mD時(shí)，基質(zhì)滲透率是控制水平井產(chǎn)能的主要因素，隨基質(zhì)滲透率增加，日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量迅速增加；⑤基質(zhì)滲透率大于l.0×10^-6 mD時(shí)，基質(zhì)滲透率和微裂縫滲透率均是控制水平井產(chǎn)能的主要因素，日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量隨基質(zhì)滲透率和微裂縫滲透率的增加而增加；⑥隨壓裂誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力增加，水平井累積產(chǎn)氣量逐漸增加，累積產(chǎn)氣量增幅逐漸減小，壓裂誘導(dǎo)裂縫存在著最優(yōu)導(dǎo)流能力。

關(guān)鍵詞  頁(yè)巖氣  流動(dòng)機(jī)理  解吸附  擴(kuò)散  滲流  數(shù)值模擬  水平井  產(chǎn)能  影響因素

國(guó)內(nèi)在頁(yè)巖氣成藏機(jī)理、資源潛力等方面的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)步^[1-3]，而針對(duì)氣體在頁(yè)巖儲(chǔ)層中的流動(dòng)機(jī)理和產(chǎn)能影響因素分析方面的研究則相對(duì)較少。尤其是在頁(yè)巖氣藏產(chǎn)能影響因素分析方面，僅限于產(chǎn)能遞減曲線圖版和室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)^[4-6]。因此，有必要研究氣體在頁(yè)巖中的儲(chǔ)層流動(dòng)機(jī)理并分析影響頁(yè)巖氣藏產(chǎn)能的控制因素。

1  氣體在頁(yè)巖儲(chǔ)層中的流動(dòng)機(jī)理

氣體在頁(yè)巖儲(chǔ)層中的流動(dòng)主要經(jīng)歷3個(gè)過(guò)程^[7]：吸附在頁(yè)巖儲(chǔ)層基質(zhì)表面的天然氣解吸附后形成自由氣存儲(chǔ)在基質(zhì)孔隙中，基質(zhì)孔隙中的自由氣(包括游離態(tài)、溶解態(tài)氣體和解吸附后形成的氣體)向低壓區(qū)(裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))擴(kuò)散，天然裂縫和壓裂誘導(dǎo)裂縫中的自由氣以滲流的方式流向井底。以下分述之。

1．1  解吸附

頁(yè)巖氣藏與常規(guī)天然氣藏最主要的區(qū)別是部分天然氣以吸附狀態(tài)存儲(chǔ)于頁(yè)巖基質(zhì)中。氣體在頁(yè)巖儲(chǔ)層基質(zhì)顆粒表面上的吸附主要受溫度、壓力、吸附物(氣體類(lèi)型和性質(zhì))、吸附體(儲(chǔ)層類(lèi)型、比表面積、固體吸附能力)等的影響^[8]。對(duì)于給定的頁(yè)巖氣藏，吸附體和吸附物性質(zhì)保持不變，氣藏內(nèi)溫度變化范圍較小，氣體吸附量是壓力的函數(shù)。在鉆井、完井和開(kāi)采過(guò)程中，孔隙壓力下降，吸附在基質(zhì)顆粒表面的氣體開(kāi)始解吸附。在平衡狀態(tài)和特定溫度條件下描述巖石表面氣體吸附量的函數(shù)形式主要有3種：Henry線性等溫吸附定律、Freundlich指數(shù)等溫吸附定律和Langmuir等溫吸附定律。

    Henry等溫吸附定律：

    V_E=V_H p   (1)

式(1)給出了Henry線性等溫吸附方程^[9]，在指定溫度下固體顆粒表面的氣體吸附量是壓力的線性函數(shù)，隨壓力增加，氣體吸附量增加。Henry線性等溫吸附函數(shù)的假設(shè)條件是吸附氣體為理想氣體，因此，該方程僅在低壓小范圍條件下適用。

Freundlich等溫吸附定律：

    V_E=V_Fpⁿ      (2)

式(2)給出了Freundlich等溫吸附方程，在特定溫度下固體顆粒表面的氣體吸附量和壓力呈指數(shù)關(guān)系^[10]，當(dāng)壓力增至某個(gè)門(mén)限值后，氣體吸附量隨壓力的增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。因此，Freundlich指數(shù)等溫吸附定律也僅在低壓條件下的小范圍內(nèi)才適用。

式(3)給出了Langmuir等溫吸附方程^[11-l2]，其假設(shè)條件：壓降和氣體解吸附過(guò)程同步，系統(tǒng)瞬間達(dá)到平衡狀態(tài)。低壓條件下，氣體吸附量隨壓力呈近似線性增長(zhǎng)關(guān)系；高壓條件下，氣體吸附量無(wú)限接近Langmuir體積。頁(yè)巖氣大部分為甲烷，頁(yè)巖儲(chǔ)層溫度高于甲烷的臨界溫度，甲烷以單分子層形式吸附在頁(yè)巖儲(chǔ)層基質(zhì)顆粒表面。因此，Langmuir等溫吸附定律適用于頁(yè)巖氣的吸附解吸附特性。目前，主要應(yīng)用Langmuir等溫吸附定律來(lái)描述頁(yè)巖氣的吸附解吸附過(guò)程。推廣到多組分氣體解吸附問(wèn)題的Langmuir等溫吸附定律在頁(yè)巖儲(chǔ)層中也得到了應(yīng)用。式(4)給出了多組分氣體等溫吸附方程，當(dāng)混合氣體組分中不同氣體對(duì)應(yīng)的Langmuir體積常數(shù)差別較大時(shí)，多組分Langmuir等溫吸附公式的計(jì)算結(jié)果和實(shí)際存在一定的偏差。

式(1)～(4)中V_E表示吸附氣含量，m³／t；V_H表示Henry等溫吸附常數(shù)，m³／(t·MPa)；p表示自由氣平衡壓力，MPa；V_F表示Freundlich吸附常數(shù)，m³／(t·MPaⁿ)；V_L表示Langmuir體積(當(dāng)固體表面被單層分子氣體全部覆蓋所需要的氣體體積，是吸附氣的最大體積)，m³／t；p_L表示Langmuir壓力(氣體吸附量達(dá)到最大吸附量50％時(shí)的壓力)，MPa；V_Ei表示指定組分氣體的吸附氣含量，m³／t；V_Li表示指定氣體組分的Langmuir體積常數(shù)，m³／t；B_i表示指定氣體組分的Langmuir常數(shù)，1／MPa；y_i表示指定氣體的摩爾含量，無(wú)量綱單位。

3種等溫吸附定律中，Henry和Freundlich等溫吸附定律僅在低壓條件下得小范圍內(nèi)適用，但在實(shí)際應(yīng)用中受到了一定的限制。Langmuir等溫吸附定律適用范圍廣，并且較好地描述了頁(yè)巖氣的吸附解吸附規(guī)律。但在多組分氣體吸附解吸附情況下，Langmuir等溫吸附定律仍存在一定的偏差，需要進(jìn)一步的研究。

1．2  擴(kuò)散

頁(yè)巖儲(chǔ)層中的擴(kuò)散作用是指在濃度差的作用下，游離相天然氣從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運(yùn)動(dòng)，即天然氣由基質(zhì)向裂縫系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)散，當(dāng)區(qū)域濃度平衡時(shí)，擴(kuò)散現(xiàn)象停止。依據(jù)擴(kuò)散過(guò)程可以分為擬穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散和非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散^[13]。式(5)給出了擬穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程(Fick第一定律)，即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量(擴(kuò)散通量)與該面積處的濃度梯度成正比。式(6)給出了非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程(Fick第二定律)，即擴(kuò)散過(guò)程中擴(kuò)散物質(zhì)的濃度隨時(shí)間變化。

式(5)～(6)中q_g表示擴(kuò)散流量，m³／s；D表示擴(kuò)散系數(shù)，m²／s；A表示面積，m²；Z_SC表示標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體壓縮因子，無(wú)量綱單位；R表示通用氣體常數(shù)；T_SC表示標(biāo)準(zhǔn)溫度，℃；p_SC表示標(biāo)準(zhǔn)壓力，MPa；C表示摩爾濃度，kg／m³；t表示時(shí)間，s。

頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，基質(zhì)內(nèi)的天然氣濃度隨時(shí)間變化，非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程能夠更準(zhǔn)確地描述頁(yè)巖氣的擴(kuò)散過(guò)程。與常規(guī)氣藏不同，天然氣在頁(yè)巖儲(chǔ)層中的流動(dòng)屬于解吸附、擴(kuò)散和滲流的共同作用。因此，除對(duì)滲流和擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述外，如何劃分兩者的流動(dòng)區(qū)間并進(jìn)行耦合還需要進(jìn)一步的研究。

1．3滲流

頁(yè)巖儲(chǔ)層中的滲流作用是指在流動(dòng)勢(shì)作用下，天然氣通過(guò)裂縫系統(tǒng)流向井底的過(guò)程。由于頁(yè)巖儲(chǔ)層極低的基質(zhì)滲透率，氣體的滲流主要發(fā)生在由天然裂縫和壓裂誘導(dǎo)裂縫構(gòu)成的裂縫網(wǎng)絡(luò)中。頁(yè)巖儲(chǔ)層中的氣體滲流存在多種機(jī)理，主要包括：滑脫效應(yīng)的廣義達(dá)西滲流、高速Forchheimer效應(yīng)，詳述如下。

1．3．1  達(dá)西滲流

天然氣在頁(yè)巖儲(chǔ)層天然裂縫中的流動(dòng)遵循滑脫效應(yīng)的廣義達(dá)西定律。Klinkenberg指出^[14]，同一巖石，同一氣體，在不同的平均壓力下測(cè)得的氣體滲透率不同；同一巖石，同一平均壓力，不同氣體測(cè)得的滲透率不同；同一巖石，不同氣體測(cè)得的滲透率和平均壓力的直線關(guān)系交匯縱軸于一點(diǎn)，該點(diǎn)(即平均壓力無(wú)窮大)的氣體滲透率與同一巖石的液體滲透率是等價(jià)的，該點(diǎn)的滲透率為等價(jià)液體滲透率，亦稱(chēng)Klinkenberg滲透率；氣體在巖石孔道中滲流時(shí)的“滑脫效應(yīng)”是導(dǎo)致氣體滲透率大于液體滲透率的根本原因。Florence還提出了一種理論模型來(lái)預(yù)測(cè)不同類(lèi)型氣體的視滲透率^[15]。

1．3．2  Forchheimer效應(yīng)

Forchheimer在1901年指出流體在多孔介質(zhì)中的高速運(yùn)動(dòng)偏離達(dá)西定律，并在達(dá)西方程中添加速度修正項(xiàng)以描述這一現(xiàn)象^[16]。天然氣在頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂誘導(dǎo)裂縫中的高速流動(dòng)遵循Forchheimer定律。公式(8)給出了考慮慣性效應(yīng)的Forchheimer方程。預(yù)測(cè)Forchheimer系數(shù)的模型可以分為單相流動(dòng)和兩相流動(dòng)模型。兩相流動(dòng)模型中，水的存在影響氣體流動(dòng)的有效迂曲度、孔隙度和氣相滲透率。水力壓裂措施在頁(yè)巖儲(chǔ)層中形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，由于裂縫網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜形狀，因而使得支撐裂縫、次級(jí)裂縫和基質(zhì)具備不同的Forchheimer系數(shù)。目前，頁(yè)巖氣的數(shù)值模擬中已經(jīng)考試考慮Forchheimer流動(dòng)規(guī)律。

式(7)～(8)中V表示氣體滲流速度，m／s；K_∞表示Klinkenberg滲透率，mD；μ表示氣體黏度，Pa·s；b表示與巖石結(jié)構(gòu)及氣體分子平均自由程相關(guān)的系數(shù)，亦稱(chēng)Klinkenberg系數(shù)，MPa；ρ表示密度，kg／m³；β表示Forchheimer系數(shù)，m^-1。

除氣體的解吸、擴(kuò)散和滲流之外，頁(yè)巖儲(chǔ)層的流動(dòng)機(jī)理還包括氣體流動(dòng)過(guò)程中儲(chǔ)層的壓敏效應(yīng)，與含水飽和度相關(guān)的兩相流動(dòng)，溫度變化引起的熱效應(yīng)等。頁(yè)巖儲(chǔ)層壓敏效應(yīng)是指儲(chǔ)層滲透率、孔隙度、總應(yīng)力、有效應(yīng)力、巖石屬性(孔隙壓縮性、基質(zhì)壓縮性、楊氏模量等)隨應(yīng)力變化而變化。頁(yè)巖儲(chǔ)層的壓敏效應(yīng)主要考慮儲(chǔ)層滲透率、孔隙度隨壓力的變化。兩相流動(dòng)是指含水儲(chǔ)層氣水相對(duì)滲透率、毛細(xì)管力作用、相變、黏土膨脹等作用。其中黏土膨脹作用可以在氣水相對(duì)滲透率和毛細(xì)管力中應(yīng)用不同的數(shù)學(xué)方程進(jìn)行描述。溫度變化引起的熱效應(yīng)可以通過(guò)Peng—Robinson狀態(tài)方程來(lái)進(jìn)行考慮。

2頁(yè)巖氣藏產(chǎn)能分析

以頁(yè)巖氣藏流動(dòng)機(jī)理為基礎(chǔ)，借鑒國(guó)外頁(yè)巖儲(chǔ)層典型參數(shù)^[17]頁(yè)巖氣水平井地質(zhì)模型，利用數(shù)值模擬方法研究吸附氣含量，氣體解吸附、擴(kuò)散、滲流過(guò)程中主控參數(shù)對(duì)水平井產(chǎn)能的影響。研究分別給出了吸附氣含量、解吸附過(guò)程氣體Langmuir壓力和Langmuir體積、擴(kuò)散過(guò)程中氣體的擴(kuò)散系數(shù)、滲流過(guò)程中頁(yè)巖儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率、微裂縫滲透率和壓裂誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力對(duì)頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)能的影響。

2．1地質(zhì)模型

頁(yè)巖儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率極低且發(fā)育不同程度的微裂縫，整體表現(xiàn)為雙孔特征。因此，通常應(yīng)用雙孔模型對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過(guò)借鑒國(guó)外頁(yè)巖儲(chǔ)層典型參數(shù)建立了頁(yè)巖氣藏水平井雙孔地質(zhì)模型，頁(yè)巖儲(chǔ)層深度2 000 m，有效厚度30 m，孔隙度0.05，基質(zhì)滲透率0.001 mD，原始含氣飽和度為0.70，原始地層壓力20 MPa，Langmuir壓力3 MPa，Langmuir體積13 m³／m³，天然氣總地質(zhì)儲(chǔ)量5.4276×10⁸ m³。頁(yè)巖氣藏水平井地質(zhì)模型長(zhǎng)l 210 m，寬810 m，縱向上劃分為3層，采用均勻網(wǎng)格劃分將模型劃分為l21×81×3的三維網(wǎng)格模型，總結(jié)點(diǎn)數(shù)為29 403。圖l給出了頁(yè)巖氣藏水平井地質(zhì)模型的三維網(wǎng)格圖。地質(zhì)模型中問(wèn)設(shè)置一口頁(yè)巖氣水平井，水平段長(zhǎng)710 m。模擬過(guò)程中考慮體積壓裂措施，人工壓裂為6段，主裂縫半縫長(zhǎng)75 m，主裂縫間距為130 m。增產(chǎn)體積(SRV)長(zhǎng)810 m，寬310 m，微裂縫滲透率為0.01 mD。雙孔模型中基質(zhì)一裂縫竄流系數(shù)為0.12。頁(yè)巖氣水平井以井底壓力恒定方式(4 MPa)生產(chǎn)，模擬過(guò)程中忽略溫度變化和高速Forchheimer效應(yīng)。

2．2產(chǎn)能影響因素分析

2．2．1吸附氣含量

天然氣通常以游離態(tài)和溶解態(tài)賦存于常規(guī)儲(chǔ)層中，而對(duì)于頁(yè)巖儲(chǔ)層，吸附氣的存在不僅增加了氣體的賦存方式，也對(duì)頁(yè)巖氣藏產(chǎn)能產(chǎn)生了一定的影響。為了研究不同吸附氣含量對(duì)頁(yè)巖氣藏產(chǎn)能的影響，設(shè)計(jì)了6套方案進(jìn)行模擬計(jì)算。在保持地質(zhì)儲(chǔ)量和開(kāi)發(fā)條件不變的條件下，方案l到方案6的吸附氣含量分別為0、20％、40％、60％、80％、l00％。最后，將不同方案的日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量和地層壓力進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2給出了不同吸附氣含量條件下頁(yè)巖氣水平井的日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量和地層平均壓力曲線。由圖2可知：吸附氣含量直接影響氣井的初始產(chǎn)量和遞減速度。吸附氣含量由0至100％時(shí)，對(duì)應(yīng)的初始產(chǎn)氣量分別為6.97×10⁴ m³／d、6.72×10⁴ m³／d、6.42×10⁴ m³／d、6.02×10⁴ m³／d、5.42×10⁴ m³／d、4.13×10⁴ m³／d。隨吸附氣含量增加，氣井初始產(chǎn)氣量降低，產(chǎn)量遞減速度減緩。不同吸附氣含量條件下的累積產(chǎn)氣量表明：隨吸附氣含量增加，頁(yè)巖氣藏采氣速度和相同開(kāi)發(fā)時(shí)間對(duì)應(yīng)的累積產(chǎn)氣量逐漸降低。天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量保持不變時(shí)，隨吸附氣含量增加，地層平均壓力下降速度加快。

2．2．2解吸附規(guī)律

頁(yè)巖氣藏中吸附氣占據(jù)較大的比例，吸附氣的解吸附規(guī)律直接影響產(chǎn)能。吸附氣的解吸附過(guò)程主要受解吸附規(guī)律和地層壓力的控制。氣藏中吸附氣含量一定時(shí)，Langmuir壓力和Langmuir體積直接控制吸附氣開(kāi)始解吸附時(shí)的壓力。為了研究相同吸附氣濃度條件下解吸附規(guī)律對(duì)頁(yè)巖氣藏產(chǎn)能的影響，利用Langmuir等溫吸附方程描述吸附氣的解吸附規(guī)律，設(shè)計(jì)了5套方案進(jìn)行模擬計(jì)算。針對(duì)每套方案，給定初始吸附氣含量為10 m³／m³，吸附氣儲(chǔ)量占天然氣總地質(zhì)儲(chǔ)量的50％，將不同Langmuir體積和Langmuir壓力下水平井的日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3給出了相同吸附氣濃度和開(kāi)發(fā)條件下，不同Langmuir體積(V_L)和Langmuir壓力(p_L)對(duì)應(yīng)的日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量。吸附氣濃度相同時(shí)，隨Langmuir體積和Langmuir壓力增加，頁(yè)巖氣水平井初始產(chǎn)氣量和相同開(kāi)發(fā)時(shí)間累積產(chǎn)氣量逐漸降低，產(chǎn)量遞減速度加快。吸附氣濃度相同時(shí)，Langmuir壓力和Langmuir體積直接影響吸附氣開(kāi)始解吸附的條件。

2．2．3擴(kuò)散系數(shù)

頁(yè)巖儲(chǔ)層呈現(xiàn)明顯的雙孔特征，微裂縫為天然氣提供主要的流動(dòng)通道，基質(zhì)塊為天然氣提供主要的存儲(chǔ)空間。存儲(chǔ)在基質(zhì)塊中的天然氣(包含自由氣和解吸附氣體)通過(guò)擴(kuò)散作用運(yùn)移至微裂縫中。氣體擴(kuò)散規(guī)律直接影響基質(zhì)塊向微裂縫系統(tǒng)供氣的速度。為了研究擴(kuò)散過(guò)程對(duì)頁(yè)巖氣藏產(chǎn)能的影響，設(shè)計(jì)了4套方案計(jì)算不同擴(kuò)散系數(shù)(D_g)下水平井日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量。

圖4給出了不同級(jí)別擴(kuò)散系數(shù)條件下頁(yè)巖氣水平井的日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量曲線，由圖4可知：氣體擴(kuò)散系數(shù)由0.001 m²／d變化至1.0 m²／d時(shí)，相同時(shí)間水平井日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量略有增高。不同級(jí)別擴(kuò)散系數(shù)對(duì)應(yīng)的日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量差別較小，故認(rèn)為氣體擴(kuò)散系數(shù)對(duì)頁(yè)巖氣藏水平井產(chǎn)能影響較小。

2．2．4儲(chǔ)層滲透率

頁(yè)巖儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率、微裂縫滲透率和壓裂誘導(dǎo)主裂縫的滲透率是影響氣體滲流過(guò)程的主要因素，也是影響頁(yè)巖氣水平井產(chǎn)能的主要因素之一。為了研究?jī)?chǔ)層滲透率對(duì)頁(yè)巖氣藏水平井產(chǎn)能的影響，設(shè)計(jì)了53套方案進(jìn)行模擬計(jì)算，將不同基質(zhì)滲透率、微裂縫滲透率和壓裂誘導(dǎo)主裂縫導(dǎo)流能力條件下氣井的累積產(chǎn)氣量進(jìn)行對(duì)比分析。

圖5給出了模擬時(shí)間為l0 a時(shí)不同基質(zhì)滲透率和微裂縫滲透率對(duì)應(yīng)的累積產(chǎn)氣量曲線。由圖5可知：K_m<1.0×10^-9mD時(shí)，由于極低的基質(zhì)滲透率導(dǎo)致水平井產(chǎn)量難以達(dá)到工業(yè)氣流。K_m介于1.0×10^-9～1.0×10^-6mD時(shí)，隨微裂縫滲透率增大，累積產(chǎn)氣量變化較?。浑S基質(zhì)滲透率增加，累積產(chǎn)氣量增幅明顯，基質(zhì)滲透率是控制水平井產(chǎn)能的主要因素。K_m >1.0×10^-6 mD時(shí)，隨基質(zhì)滲透率和微裂縫滲透率增加，累積產(chǎn)氣量明顯增加，基質(zhì)滲透率和微裂縫滲透率均是控制水平井產(chǎn)能的主要因素?；|(zhì)滲透率相同時(shí)，累積產(chǎn)氣量隨微裂縫滲透率增加而增加，累積產(chǎn)氣量增幅逐漸變小。圖6給出了不同壓裂誘導(dǎo)主裂縫導(dǎo)流能力(F_CD)條件下水平井累積產(chǎn)氣量曲線。由圖6可知：相同開(kāi)發(fā)時(shí)間累積產(chǎn)氣量隨壓裂誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力增加而增加，累積產(chǎn)氣量增幅逐漸變緩。因此，對(duì)于頁(yè)巖氣藏水平井，壓裂誘導(dǎo)裂縫存在著最優(yōu)導(dǎo)流能力。

圖2～6中q_g表示日產(chǎn)氣量，l0⁴ m³／d；N_A表示吸附氣地質(zhì)儲(chǔ)量，l0⁸ m³；N表示天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量，l0⁸m³；Q_g表示累積產(chǎn)氣量，10⁸ m³；pf表示地層平均壓力，MPa；D_g表示擴(kuò)散系數(shù)，m²／d；Km表示基質(zhì)滲透率，mD；K_f表示微裂縫滲透率，mD；F_CD表示壓裂誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力，mD·m。

3結(jié)論

1)天然氣在頁(yè)巖儲(chǔ)層中的流動(dòng)主要?jiǎng)澐譃榻馕?、擴(kuò)散和滲流3個(gè)過(guò)程。Langmuir等溫吸附定律很好地描述了頁(yè)巖氣的吸附解吸附規(guī)律，但在描述多組分氣體吸附解吸附時(shí)仍存在一定的問(wèn)題，需要進(jìn)一步的研究。Fick第二定律能夠準(zhǔn)確地描述頁(yè)巖氣的擴(kuò)散過(guò)程，但如何劃分滲流和擴(kuò)散的流動(dòng)區(qū)間并進(jìn)行耦合還需要進(jìn)一步的研究。氣體在天然裂縫網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)遵循滑脫效應(yīng)的廣義達(dá)西定律且存在高速Forchheimer效應(yīng)。天然氣在頁(yè)巖儲(chǔ)層的流動(dòng)存在壓敏、氣水兩相流動(dòng)、溫度變化引起的熱效應(yīng)，相變等多種流動(dòng)機(jī)理，需要進(jìn)一步的研究。

2)頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量保持不變時(shí)，隨吸附氣含量增高，水平井日產(chǎn)氣量和相同開(kāi)發(fā)時(shí)間累積產(chǎn)氣量逐漸降低，產(chǎn)量遞減速度變慢，地層平均壓力下降速度加快。相同吸附氣濃度條件下，隨Langmuir體積和Langmuir壓力增加，水平井日產(chǎn)氣量和相同開(kāi)發(fā)時(shí)間累積產(chǎn)氣量逐漸降低，產(chǎn)量遞減速度加快。氣體擴(kuò)散系數(shù)對(duì)產(chǎn)能影響較小。基質(zhì)滲透率介于l.0×10^-9～1.0×10^-6 mD時(shí)，基質(zhì)滲透率是控制水平井產(chǎn)能的主要因素，隨基質(zhì)滲透率增加，日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量迅速增加?；|(zhì)滲透率大于1.0×10^-6mD時(shí)，基質(zhì)滲透率和微裂縫滲透率均是控制水平井產(chǎn)能的主要因素，日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量隨基質(zhì)滲透率和微裂縫滲透率增加而增加。隨壓裂誘導(dǎo)裂縫導(dǎo)流能力增加，水平井累積產(chǎn)氣量逐漸增加，累積產(chǎn)氣量增幅逐漸減小，壓裂誘導(dǎo)裂縫存在著最優(yōu)導(dǎo)流能力。

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本文作者：于榮澤  張曉偉  卞亞南  李陽(yáng)  郝明祥

作者單位：中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院  國(guó)家能源頁(yè)巖氣研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心