·1400 工程科学学报，第43卷，第10期 次生裂缝网络，而此类孔隙的尺度往往相对较大， 为了更好地量化微小孔隙对气体流动的影 也需要对其中的页岩气流动状态进行研究所 响，宋付权等2利用纳米氧化铝膜，发明了纳米级 以，页岩气的流动本质上是一个多尺度导致多流 孔径的气体流动实验方法和装置（图7）.通过纳米 态的问题 管束中的气体渗流规律实验，可以看到气体在纳 1.4.】页岩基质纳微米孔隙非线性渗流规律 微米孔隙中的非线性流动特性：当孔径在14.51μm 通过电镜扫描，可见页岩基质岩样中发育有 左右时，气体的实验流量与泊肃叶公式的理论流 大量的纳米级孔隙（图5）通过页岩岩心的渗流 量相符合；但是当孔径降低到5.03m以下时，气 规律曲线可以看出，页岩气流动具有非达西渗流 体的实验流量显然高于泊肃叶理论计算流量，但 特征，表现出启动压力梯度的特点，其渗流曲线为 两者相差不大；可以看到，随着孔径降低到纳米级 明显的非线性特征（图6）流速越大所需压差越 别，实验流量与泊肃叶理论预测的流量偏离程度 大，且非线性增加.随着渗透率的增加，曲线的非 越来越高，孔径小于100nm时，实验流量可比理论 线性逐渐减弱，而后则趋向达西流 流量高1至2个数量级（图8）2由此可见，页岩 气在基质中的流动受纳微米效应的影响显著，随 着孔隙直径增大，这种影响逐渐减弱，最终趋向于 线性流动 Macropores h Residual OM+Clay Ma 200nm 200nm I um 图5基质页岩纳米孔隙 图7纳米多孔氧化铝膜.(a)12.6nm孔径：(b)89.2nm孔径 Fig.5 Nanopores in shale matrix7 Fig.7 Nanoporous alumina membrane:(a)pore diameter of 12.6 nm; (b)pore diameter of 89.2 nm 0.014 1.4.2页岩气微裂缝介质线性流动规律 0.012 页岩中纳米级孔隙占主导地位，是页岩气的 0.010 主要储集空间，储层中微裂缝和压裂裂缝是流体 0.008 流通的主要通道.页岩储层的复杂层理、裂缝性 0.006 0.004 特征决定了压裂可能形成更为复杂的裂缝或裂缝 Sample 2 0.002 ◆Sample3 网络，在人工压裂缝中存在大量的没有支撑剂支 Sample 4 0 撑的微裂缝，这些微裂缝对于页岩气产能具有较 20 406080100120140160180200 Squared difference of pressure/MPa? 大贡献3别马东旭等通过对巴西劈裂实验进行 图6基质岩心渗流规律曲线@ 改进，结合CT扫描裂缝特征、声发射实时监测技 Fig.6 Porous flow curves of matrix coresto 术，进行了页岩岩心裂缝扩展分析和多尺度渗流 2 (a) -Theoretical value (b) Theoretical value ◆ ◆Experimental value Experimental value 3 2 ◆ 0 0 2 4 0 0.05 0.10 0.15 0.20 Difference of pressure/MPa Difference of pressure/MPa 图8实验流量与泊肃叶理论流量的比较(a)5.03m孔径：(b)89.2nm孔径网 Fig.8 Comparison ofexperimental flow and poiseuille's theoretical calculation:(a)pore diameter of 5.03 m (b)pore diameter of89.2 nm次生裂缝网络，而此类孔隙的尺度往往相对较大， 也需要对其中的页岩气流动状态进行研究[26] . 所 以，页岩气的流动本质上是一个多尺度导致多流 态的问题. 1.4.1    页岩基质纳微米孔隙非线性渗流规律 通过电镜扫描，可见页岩基质岩样中发育有 大量的纳米级孔隙（图 5） [27] . 通过页岩岩心的渗流 规律曲线可以看出，页岩气流动具有非达西渗流 特征，表现出启动压力梯度的特点，其渗流曲线为 明显的非线性特征（图 6） [10] . 流速越大所需压差越 大，且非线性增加. 随着渗透率的增加，曲线的非 线性逐渐减弱，而后则趋向达西流. Macropores Residual OM+Clay 200 nm Macropore 图 5    基质页岩纳米孔隙[27] Fig.5    Nanopores in shale matrix[27] 0.014 0.012 0.010 0.008 0.006 Gas flow/(mL·min−1 ) 0.004 0.002 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4 Squared difference of pressure/MPa2 图 6    基质岩心渗流规律曲线[10] Fig.6    Porous flow curves of matrix cores[10] 为了更好地量化微小孔隙对气体流动的影 响，宋付权等[28] 利用纳米氧化铝膜，发明了纳米级 孔径的气体流动实验方法和装置（图 7）. 通过纳米 管束中的气体渗流规律实验，可以看到气体在纳 微米孔隙中的非线性流动特性：当孔径在 14.51 μm 左右时，气体的实验流量与泊肃叶公式的理论流 量相符合；但是当孔径降低到 5.03 μm 以下时，气 体的实验流量显然高于泊肃叶理论计算流量，但 两者相差不大；可以看到，随着孔径降低到纳米级 别，实验流量与泊肃叶理论预测的流量偏离程度 越来越高，孔径小于 100 nm 时，实验流量可比理论 流量高 1 至 2 个数量级（图 8） [28] . 由此可见，页岩 气在基质中的流动受纳微米效应的影响显著，随 着孔隙直径增大，这种影响逐渐减弱，最终趋向于 线性流动. (a) (b) 200 nm 1 μm 图 7    纳米多孔氧化铝膜. （a）12.6 nm 孔径；（b）89.2 nm 孔径[28] Fig.7     Nanoporous  alumina  membrane:  (a)  pore  diameter  of  12.6  nm; (b) pore diameter of 89.2 nm[28] 1.4.2    页岩气微裂缝介质线性流动规律 页岩中纳米级孔隙占主导地位，是页岩气的 主要储集空间，储层中微裂缝和压裂裂缝是流体 流通的主要通道. 页岩储层的复杂层理、裂缝性 特征决定了压裂可能形成更为复杂的裂缝或裂缝 网络，在人工压裂缝中存在大量的没有支撑剂支 撑的微裂缝，这些微裂缝对于页岩气产能具有较 大贡献[29−31] . 马东旭等通过对巴西劈裂实验进行 改进，结合 CT 扫描裂缝特征、声发射实时监测技 术，进行了页岩岩心裂缝扩展分析和多尺度渗流 2 1 0 4 3 2 1 0 0 2 4 Difference of pressure/MPa Difference of pressure/MPa 6 0 0.05 0.10 0.20 0.15 Theoretical value Experimental value Theoretical value Experimental value Gas flow/(10−9 kg·s−1 ) Gas flow/(10−5 kg·s−1 ) (a) (b) 图 8    实验流量与泊肃叶理论流量的比较. （a）5.03 μm 孔径；（b）89.2 nm 孔径[28] Fig.8    Comparison of experimental flow and poiseuille’s theoretical calculation: (a) pore diameter of 5.03 μm; (b) pore diameter of 89.2 nm[28] · 1400 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期