朱维耀等：中国页岩气开发理论与技术研究进展 ·1399 2.0 岩心裂缝宽度逐渐增大，气体渗流阻力减小，滑脱 Maximum excess 1.6 adsorption 效应有所减弱.经测试，滑脱主要发生在页岩基质 孔隙中，基质中的滑脱因子是裂缝中的10倍四 1.2 1.3扩散机理 0.8 页岩气的扩散主要是纳微米孔隙中的Knudsen Critical 扩散.即气体分子在较为狭小的孔隙中输运时，分 desorption High voltage test data pressure Langmuir fitted value 子运动平均自由程与孔径几乎相差无几，分子以 10 20 30 40 50 60 无规则碰撞孔壁的形式输运通过实验结果可 Pressure/MPa 观察到，扩散系数对温度的敏感程度超强，呈现较 图1最大过剩吸附量和临界解吸压) 好的指函数递增关系.当温度从25℃增至85℃， Fig.1 Maximum excess adsorption capacity and critical desorption pressurelm 扩散系数快速增加，总体平均提高约8.36倍.而且， 温度越高，扩散系数增加的速度也越快（图3）2 时，散失分子速度，释放一定能量，因此大量分子 与之相对，有效应力则对页岩扩散系数有明显的 在解吸时没有足够能量挣脱固壁的吸引力，无法 抑制作用，二者呈现较好的指函数递减关系.随着 解吸，从而产生解吸滞后吸附效应，形成滞后环 有效应力从11MPa增加至19MPa时，扩散系数 (图2)而且孔道结构越复杂，分子能量补充越 下降了64.5%（图4）可见，分子热运动的活跃 迟缓，滞后程度将越高8- 程度直接影响着扩散系数的大小. 3.0 2 18 16 -Sample 1 Sample 2 14 2.0 12 10 1.0 6 0.5 -Adsorption curve Desorption curve 0 6912151821 24 士 Balance pressure/MPa 20 40 60 80 100 Temperature/℃ 图2在同一温度下的吸附-解吸曲线 Fig.2 Adsorption-desorption curve at the same temperature 图3扩散系数与温度的变化关系 Fig.3 Relationship between diffusion coefficient and temperature 1.2滑脱机理 9 对于致密的页岩储层多孔介质，滑脱效应尤 +Sample1·Sample2 为显著.大量实验和理论研究证实了，气体在页岩 气储层中的渗流受制于滑脱效应，并由此贡献一 个气体流量的附加通量，与不存在滑脱的情况相 比，气体分子在壁面的滑脱会降低气体的流动压 83 力差2o.Javadpour等通过计算页岩中的气体特性 参数Knudsen数（简记为Kn数），对页岩气的流态 10 12 14 16 18 20 进行划分，发现页岩中的气体流态处于滑脱流和 Effective stress/MPa 过渡流区.实际上，受制于气体流动通道的压力 图4扩散系数与有效应力的变化关系叫 和孔径宽度范围，滑脱效应的强弱有所不同.根据 Fig.4 Relationship between diffusion coefficient and effective stress 笔者所做的室内实验显示，当储层孔隙压力小于 1.4页岩气基质-裂缝多尺度渗流规律 1.5MPa时，滑脱效应明显，滑脱对渗透率的影响 页岩气藏的基质孔隙处于纳米尺度，气体传 较大；当储层孔隙压力大于1.5MPa时，滑脱效应 输主要为连续流动、滑脱流动和过渡流动，需要考 则不明显.从储层深度来考虑，即较深的页岩储层 虑纳微米效应对气体输运的非线性影响而且， 可以不需要考虑滑脱效应的影响，而对于较浅的 页岩储层中存在一定数量的微米级孔隙和大量的 页岩储层来说，滑脱效应则不可忽视.此外，随着 微裂缝，以及完井工程实现的大尺度人工裂缝和时，散失分子速度，释放一定能量，因此大量分子 在解吸时没有足够能量挣脱固壁的吸引力，无法 解吸，从而产生解吸滞后吸附效应，形成滞后环 （图 2） [16] . 而且孔道结构越复杂，分子能量补充越 迟缓，滞后程度将越高[18−19] . Balance pressure/MPa Adsorption capacity/(mL·g−1 ) 0 3 6 9 12 15 18 21 24 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 Adsorption curve Desorption curve 图 2    在同一温度下的吸附−解吸曲线[16] Fig.2    Adsorption‒desorption curve at the same temperature[16] 1.2    滑脱机理 对于致密的页岩储层多孔介质，滑脱效应尤 为显著. 大量实验和理论研究证实了，气体在页岩 气储层中的渗流受制于滑脱效应，并由此贡献一 个气体流量的附加通量，与不存在滑脱的情况相 比，气体分子在壁面的滑脱会降低气体的流动压 力差[20] . Javadpour 等通过计算页岩中的气体特性 参数 Knudsen 数（简记为 Kn 数），对页岩气的流态 进行划分，发现页岩中的气体流态处于滑脱流和 过渡流区[21] . 实际上，受制于气体流动通道的压力 和孔径宽度范围，滑脱效应的强弱有所不同. 根据 笔者所做的室内实验显示，当储层孔隙压力小于 1.5 MPa 时，滑脱效应明显，滑脱对渗透率的影响 较大；当储层孔隙压力大于 1.5 MPa 时，滑脱效应 则不明显. 从储层深度来考虑，即较深的页岩储层 可以不需要考虑滑脱效应的影响，而对于较浅的 页岩储层来说，滑脱效应则不可忽视. 此外，随着 岩心裂缝宽度逐渐增大，气体渗流阻力减小，滑脱 效应有所减弱. 经测试，滑脱主要发生在页岩基质 孔隙中，基质中的滑脱因子是裂缝中的 10 倍[22] . 1.3    扩散机理 页岩气的扩散主要是纳微米孔隙中的 Knudsen 扩散. 即气体分子在较为狭小的孔隙中输运时，分 子运动平均自由程与孔径几乎相差无几，分子以 无规则碰撞孔壁的形式输运[23] . 通过实验结果可 观察到，扩散系数对温度的敏感程度超强，呈现较 好的指函数递增关系. 当温度从 25 ℃ 增至 85 ℃， 扩散系数快速增加，总体平均提高约 8.36 倍. 而且， 温度越高，扩散系数增加的速度也越快（图 3） [24] . 与之相对，有效应力则对页岩扩散系数有明显的 抑制作用，二者呈现较好的指函数递减关系. 随着 有效应力从 11 MPa 增加至 19 MPa 时，扩散系数 下降了 64.5%（图 4） [24] . 可见，分子热运动的活跃 程度直接影响着扩散系数的大小. Sample 1 Sample 2 Diffusion coefficient/(10−6·cm2·s−1 ) 20 40 60 Temperature/℃ 80 100 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 图 3    扩散系数与温度的变化关系[24] Fig.3    Relationship between diffusion coefficient and temperature[24] Diffusion coefficient/(10−7·cm2·s−1 ) 10 12 14 Effective stress/MPa 16 20 18 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Sample 1 Sample 2 图 4    扩散系数与有效应力的变化关系[24] Fig.4    Relationship between diffusion coefficient and effective stress[24] 1.4    页岩气基质−裂缝多尺度渗流规律 页岩气藏的基质孔隙处于纳米尺度，气体传 输主要为连续流动、滑脱流动和过渡流动，需要考 虑纳微米效应对气体输运的非线性影响[25] . 而且， 页岩储层中存在一定数量的微米级孔隙和大量的 微裂缝，以及完井工程实现的大尺度人工裂缝和 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0 Maximum excess adsorption Critical desorption pressure High voltage test data Langmuir fitted value 0 10 20 30 Pressure/MPa Excess adsorption capacity/(m3·t−1 ) 40 50 60 图 1    最大过剩吸附量和临界解吸压力[17] Fig.1     Maximum  excess  adsorption  capacity  and  critical  desorption pressure[17] 朱维耀等： 中国页岩气开发理论与技术研究进展 · 1399 ·