页岩气的开采涉及破裂和收集输运两个关键过程。 如何实现2000m以下、复杂地应力作用下、多相复杂介质组分的页岩层内网状裂纹的形成，同时将孔洞、缝隙中的游离、吸附气体进行高效收集，涉及到诸多的核心力学问题。
近日，一个由来自中科院力学研究所、中国石油勘探开发研究院、清华大学、中国科学院大学的28位科研人员组成的研究团队针对近年来我们国家页岩气勘探开发工作所取得的成就及后续发展中面临的前沿力学问题, 在综合介绍页岩气藏的基本特征和开发技术的基础上, 以页岩气开采中的若干力学前沿问题为主线, 从页岩力学性质及其表征方法、页岩气藏实验模拟技术、页岩气微观流动机制及流固耦合特征、水力压裂过程数值模拟方法、水力压裂过程微地震监测技术、高效环保的无水压裂技术等6 个方面的最新研究进展进行了总结和展望, 结合页岩气藏开发的工程实践, 深入探究了其中力学关键问题。研究成果以《页岩气开采中的若干力学前沿问题》为题发表于《力学进展》。论文第一作者为刘曰武研究员。
页岩气的开采已经有近200 年的历史, 其在近20 年的井喷式发展主要依赖于水力压裂、水平钻井等关键技术的突破。目前全球页岩气资源量为4.562 4×1014 m3, 主要分布在北美、中亚、中国、拉美、中东、北非和前苏联, 中国拥有丰富的页岩气资源, 初步计算页岩气资源量约为(1.5~3.0)×1013 m3 。 近年来, 中国页岩气勘探开发工作获得重要突破, 先后设立了涪陵、长宁{ 威远和昭通等国家级页岩气示范区, 提交探明地质储量5.441 29×1011 m3, 2016 年页岩气产量为7.8×109 m3, 实现了工业化生产。
按照页岩气开发过程中所涉及的各方面的问题, 除去集输阶段的多相管流问题,研究团队从以下7 个方面阐述了页岩气开采过程中的相关力学前沿问题：
（1）页岩气藏及其开采方式: 以页岩气藏的基本特征为基础, 以开采方法的发展为主线, 介绍直井及直井压裂开发、水平井及水平井压裂开发、同步压裂开发方式、工厂化水平井压裂开发等的发展历程以及我国在水平井及水平井压裂开发方面的最新工程实践情况。
（2）页岩材料本构关系及力学行为表征: 岩体在细(微) 观上存在大量的微裂隙、孔洞、矿物夹杂和层面等缺陷, 在宏观上存在节理、断层和各向异性等特征。 这些宏微观结构使得岩体呈现不连续性、不均匀性和各向异性等特征, 并极大地影响着岩体的力学行为, 例如塑性变形、损伤及破坏、各向异性、渗透性、多场耦合等。 为了更真实地描述、解释和预测岩体材料的力学行为, 解决复杂的工程实际岩体力学问题, 构建合理的岩体本构关系是岩体力学一直以来的重要研究方向。 这一部分介绍岩体本构关系的发展和研究现状, 并对主要本构理论的优缺点和适用性进行简要评述。 水力压裂的关键是在含天然裂隙的页岩中获得三维裂纹网络。 这一部分还从天然裂缝分布、页岩脆性、弹性、断裂强度等方面对现有页岩研究成果进行介绍, 并就页岩天然裂缝方向的分布、页岩脆性及其断裂韧性等方面的研究提供了前瞻性观点。
（3）页岩气藏实验模拟技术: 页岩储层具有低孔低渗、微纳米孔隙发育、富含有机质等非常规特征, 其实验研究需要采用\非常规" 的测试技术和实验方法。 在大量调研国内外页岩实验方法和测试技术的基础上, 总结了页岩储层评价技术、开发模拟实验技术和含气量计算方法等方面的研究进展, 结合渗流所非常规实验室的研究成果, 探讨了页岩的孔隙结构特征、气体赋存与扩散机理、储层吸水特征、耦合流动规律和含气量计算方法。
（4）页岩气宏微观输运机理: 页岩气等非常规油气藏储层的孔隙结构尺度极低, 页岩喉道大小在0~1000nm 之间。 这样微小尺度的孔隙喉道难以形成有效的页岩气渗流通道。 页岩气的渗流主要依赖于储层中天然发育的微裂隙以及开采时的人工压裂裂隙。 微裂隙是页岩气储层中天然发育裂隙的主要存在形式, 同时它们对页岩气的开采起到了至关重要的作用: 微裂隙作为页岩的主要储集空间, 影响着气藏的富集程度, 页岩孔隙与微裂隙越发育, 气藏富集度越高; 其次微裂隙能够在很大程度上提高泥页岩的渗流能力, 为页岩气从基岩孔隙进入井孔提供必要的运移通道。 该部分深入讨论了有机质丰度、孔隙度、渗透率、储层的可压裂性、地应力、含气性及吸游比等因素对页岩油气开发后期产油效率的影响, 同时从基础研究方面讨论了现阶段理解负责裂缝网络渗流规律的理论模型。
（5）页岩气水力压裂计算和数值模拟: 通过理论计算来再现压裂过程, 评估压裂效果,针对不同地质环境探索最优压裂方案一直是水力压裂技术发展的一个热点问题。 这一部分详细介绍了水力压裂的理论计算模型的发展以及各类模型的优缺点。
（6）水力压裂的微地震监测技术: 水力压裂过程的一个重点和难点是如何评估压裂效果。 通过对页岩气开采水力压裂期间岩体破裂过程中, 所发生的微地震的数据采集、记录、实时分析, 不仅可以确定微地震事件的具体位置分布, 实现裂纹及裂纹网络实时成像, 还可以优化压裂过程设计, 从而增加岩体的有效压裂体积提高页岩气开采的经济效益。 虽然微地震监测技术已经在美国的页岩气开采中被广泛使用, 并且在页岩气的前期勘探、中期开采和后期的经验总结等各个阶段都起到了关键作用, 但是目前微地震监测技术仍然面临一些挑战存在难点问题, 需要在水力压裂过程中微地震事件的有效识别(包括初至时间的拾取、多震源的定位、复杂环境干扰信号的滤波)、微地震波的全波形分析和时频域瞬时谱分解、震源机制的合理反演以及监测数据的分析结果与实际情况不自洽、大数据的采集和处理等方面加强基础理论和工程应用的研究。 这一部分对微地震监测技术及其面临的机遇和挑战做了一个全面介绍。
（7）页岩气开采的无水压裂技术: 成熟的页岩气开采技术一般采用水力压裂, 该技术需要数万立方米的淡水资源, 且目前淡水资源可重复利用率较低, 消耗量大。 考虑到我国目前页岩气所在区域有时淡水资源短缺, 难以远距离输送, 限制了水力压裂技术的应用, 因此有必要对其他新型环保的压裂技术开展探索。 这一部分就目前采用超临界CO2 压裂技术、N2 压裂技术、石油液化气压裂技术、爆炸压裂技术以及高能气体压裂技术等研究热点进行了探讨, 综述了相关的研究进展, 以及其中可能需要关注的重点问题。
页岩气开采的基本流程示意图
页岩气开采过程中涉及到关键力学问题
