·1398 工程科学学报，第43卷，第10期 established to detect the production range and development dynamics of flow field zone reserves in shale gas reservoirs.A production decline model for shale gas production was developed based on the characteristics of China's shale gas reservoirs.Based on the abovementioned theory,development design methods and classification and optimization target evaluation methods that are suitable for China's shale gas reservoirs have been proposed.The progress of the adaptability technology for China's shale gas fracturing development process was summarized.The future developmental direction of efficient shale gas development theory was forecasted on this basis to provide guidance for shale gas theory and technology research in China. KEY WORDS shale gas;nonlinear porous flow:nano-micron flow;multi-sector coupling;porous flow theory 我国页岩气储量十分丰富，目前探明储量已 1.1吸附-解吸机理 突破1万亿立方米山，估计储量达36.1万亿立方 由于页岩气储层具有自生自储的特征，它本 米，居世界首位.但作为典型的非常规油气藏，页 身富含有机质甲烷分子可大量吸附在这些有机 岩气的孔隙十分微小.孔隙直径通常在100~200nm 质的表面，以吸附气的形式赋存于储层之中忉当 间，渗透率小于0.1×10-3μm2,并随机分布微裂缝四 开井降压开采后，压力的降低可以导致部分气体 甲烷气体在如此微小的孔隙之中流动将与常规储 分子解吸，变为游离气.页岩气藏中吸附气量可达 层的流动具有显著的差别.具体表现在：流动偏离 总储集气量的20%~60%图 线性规律，为非达西流动，由于孔隙尺度微小，流 此前页岩气的吸附实验研究主要集中在 动的过程中将存在着滑脱效应、努森扩散等多种 5~15MPa的低压范围，很少涉及到超临界状态， 流态；此外，由于甲烷分子吸附在有机质表面，故 过剩吸附量与绝对吸附量基本相等.不同的页岩 降压开采时还会发生气体解吸现象)这些机理共 岩心样本往往具有不同的吸附特征，可用不同的 同作用于页岩气的传输过程之中.同时，页岩气从 吸附模型进行描述.如1995年，Zhang等通过实验 微裂缝流向人工裂缝的特性也导致页岩气的流动 发现了Langmuir模型可以准确地拟合页岩气在单 更加复杂刊，这一过程包括纳微米孔隙、微裂缝、 一温度下的吸附例.笔者利用江苏珂地公司的页岩 裂缝、水平井筒等一系列不同流动介质内的多流 气吸附测试仪也验证了龙马溪组的页岩岩心甲烷 态复杂流动.因此，相较于常规油气而言，对页岩 吸附符合Langmuir模型uo.郭为等也认为Langmuir 气藏工程的理论研究的深度和广度要求更高，技 模型与解吸式模型能很好地描述等温吸附和解吸 术难点也更为集中.其开发理论的快速发展可为 过程四.张志英和杨盛波四更利用经过修正的双 我国的油气行业带来更大的进步.本文从以上这 Langmuir模型，对页岩气的吸附及解吸滞后现象 些方面入手，从微观尺度流动机理出发，归纳总结 进行了描述.此外，Yu等ll通过对Marcellus页岩 不同流动机理的研究现状，以及以不同流动机理 的吸附实验研究，认为BET模型对其吸附特征的 研究为基础的页岩气开发非线性渗流理论、开发 描述更好.但总体而言，目前普遍采用Langmuir 指标预测方法和中国页岩气开发适应性技术等内 模型来描述页岩气的吸附-解吸行为. 容，对页岩气开发的研究进展进行了归纳，分析了 而在深层高压条件下，测定的将是气体的过 页岩气开发相关研究的发展脉络，总结了各个方 剩吸附量.目前有研究者发现高压时吸附曲线具 向的关键研究问题和重要成果，并介绍了其进一 有先上升后下降的趋势-，端祥刚等)和周尚 步的发展趋势，包含本课题组的最新研究成果，对 文等通过高压条件下的吸附-解吸实验，验证了 页岩气开发的进一步深入研究提供支撑 这种情况，表明了高压等温吸附曲线随压力变化 1 页岩气多流态跨尺度传输流动机理 存在最大过剩吸附量（图1），对应压力为临界解吸 压力，推导了相关数学模型.而陈花等则认为 页岩中纳米级孔隙占主导地位，是页岩气的 TOCH模型对高温甲烷吸附实验数据拟合精度最 主要储集空间，储层中微裂缝和压裂裂缝是流体 高这些研究对于下一步的深层页岩气开发尤 流通的主要通道的，这导致页岩气储层中流体的流 为重要 动包括解吸、扩散及多孔介质中的跨尺度流动，其 通过页岩吸附一解吸实验，表明页岩吸附气量 流动机制不符合达西定律，且涵盖连续流、滑移流 可随着温度升高而大幅降低.温度从40℃升高 等多种流态.所以，需要对页岩气流动的各种流态 到60℃时，吸附气量平均减少42.6%10实际上， 进行分析，以便形成页岩多流态非线性渗流理论 吸附-解吸为不完全可逆过程.因为甲烷分子吸附established to detect the production range and development dynamics of flow field zone reserves in shale gas reservoirs. A production decline  model  for  shale  gas  production  was  developed  based  on  the  characteristics  of  China's  shale  gas  reservoirs.  Based  on  the abovementioned theory, development design methods and classification and optimization target evaluation methods that are suitable for China's  shale  gas  reservoirs  have  been  proposed.  The  progress  of  the  adaptability  technology  for  China's  shale  gas  fracturing development process was summarized. The future developmental direction of efficient shale gas development theory was forecasted on this basis to provide guidance for shale gas theory and technology research in China. KEY WORDS    shale gas；nonlinear porous flow；nano-micron flow；multi-sector coupling；porous flow theory 我国页岩气储量十分丰富，目前探明储量已 突破 1 万亿立方米[1] ，估计储量达 36.1 万亿立方 米，居世界首位. 但作为典型的非常规油气藏，页 岩气的孔隙十分微小，孔隙直径通常在 100～200 nm 间，渗透率小于 0.1×10−3 μm2 ，并随机分布微裂缝[2] . 甲烷气体在如此微小的孔隙之中流动将与常规储 层的流动具有显著的差别. 具体表现在：流动偏离 线性规律，为非达西流动，由于孔隙尺度微小，流 动的过程中将存在着滑脱效应、努森扩散等多种 流态；此外，由于甲烷分子吸附在有机质表面，故 降压开采时还会发生气体解吸现象[3] . 这些机理共 同作用于页岩气的传输过程之中. 同时，页岩气从 微裂缝流向人工裂缝的特性也导致页岩气的流动 更加复杂[4] ，这一过程包括纳微米孔隙、微裂缝、 裂缝、水平井筒等一系列不同流动介质内的多流 态复杂流动. 因此，相较于常规油气而言，对页岩 气藏工程的理论研究的深度和广度要求更高，技 术难点也更为集中. 其开发理论的快速发展可为 我国的油气行业带来更大的进步. 本文从以上这 些方面入手，从微观尺度流动机理出发，归纳总结 不同流动机理的研究现状，以及以不同流动机理 研究为基础的页岩气开发非线性渗流理论、开发 指标预测方法和中国页岩气开发适应性技术等内 容，对页岩气开发的研究进展进行了归纳，分析了 页岩气开发相关研究的发展脉络，总结了各个方 向的关键研究问题和重要成果，并介绍了其进一 步的发展趋势，包含本课题组的最新研究成果，对 页岩气开发的进一步深入研究提供支撑. 1    页岩气多流态跨尺度传输流动机理 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[5] . 这导致页岩气储层中流体的流 动包括解吸、扩散及多孔介质中的跨尺度流动，其 流动机制不符合达西定律，且涵盖连续流、滑移流 等多种流态. 所以，需要对页岩气流动的各种流态 进行分析，以便形成页岩多流态非线性渗流理论. 1.1    吸附‒解吸机理 由于页岩气储层具有自生自储的特征，它本 身富含有机质[6] . 甲烷分子可大量吸附在这些有机 质的表面，以吸附气的形式赋存于储层之中[7] . 当 开井降压开采后，压力的降低可以导致部分气体 分子解吸，变为游离气. 页岩气藏中吸附气量可达 总储集气量的 20%～60% [8] . 此前页岩气的吸附实验研究主要集中 在 5～15 MPa 的低压范围，很少涉及到超临界状态， 过剩吸附量与绝对吸附量基本相等. 不同的页岩 岩心样本往往具有不同的吸附特征，可用不同的 吸附模型进行描述. 如 1995 年，Zhang 等通过实验 发现了 Langmuir 模型可以准确地拟合页岩气在单 一温度下的吸附[9] . 笔者利用江苏珂地公司的页岩 气吸附测试仪也验证了龙马溪组的页岩岩心甲烷 吸附符合 Langmuir 模型[10] . 郭为等也认为 Langmuir 模型与解吸式模型能很好地描述等温吸附和解吸 过程[11] . 张志英和杨盛波[12] 更利用经过修正的双 Langmuir 模型，对页岩气的吸附及解吸滞后现象 进行了描述. 此外，Yu 等[13] 通过对 Marcellus 页岩 的吸附实验研究，认为 BET 模型对其吸附特征的 描述更好. 但总体而言，目前普遍采用 Langmuir 模型来描述页岩气的吸附−解吸行为. 而在深层高压条件下，测定的将是气体的过 剩吸附量. 目前有研究者发现高压时吸附曲线具 有先上升后下降的趋势[14−16] ，端祥刚等[17] 和周尚 文等[18] 通过高压条件下的吸附‒解吸实验，验证了 这种情况，表明了高压等温吸附曲线随压力变化 存在最大过剩吸附量（图 1），对应压力为临界解吸 压力 ，推导了相关数学模型. 而陈花等则认为 TOCH 模型对高温甲烷吸附实验数据拟合精度最 高[19] . 这些研究对于下一步的深层页岩气开发尤 为重要. 通过页岩吸附−解吸实验，表明页岩吸附气量 可随着温度升高而大幅降低. 温度从 40 ℃ 升高 到 60 ℃ 时，吸附气量平均减少 42.6% [10] . 实际上， 吸附−解吸为不完全可逆过程. 因为甲烷分子吸附 · 1398 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期