页岩油气高效开发的关键基础理论与挑战.pdf

第 4 3 卷 第 5 期 2 0 1 5年 9月 石 油 钻 探 技 术 PE TROLE UM DRI I LI NG TECHNI QUE S Vo 1 ． 4 3 No ． 5 S e p ．， 2 0 1 5 ． ． 页岩油气高效开发专题 d o i 1 0 ． 1 l 9 1 1 ／ s y z t j s ． 2 0 1 5 0 5 0 0 2 页岩 油气 高效 开发 的关 键基础 理论与挑 战 陈 勉 ，葛洪魁 ， 赵金洲。 ， 姚 军 1 ． 中国石油大学 北京 石油工程学院 ， 北 京 1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 中国石油 大学 北 京 非常 规天然气 研究 院， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 3 ． 西南石 油大 学 ， 四川成都 6 1 0 5 0 0 ； 4 ． 中国石油 大学 华东 石油工程学 院， 山东青 岛 2 6 6 5 8 0 摘要 为更好地指导我国页岩气资源高效开发， 在概述我国页岩气资源和开采现状的基础上， 从地质特征预 测、 安全快速钻 井、 环保 高效开采等方 面系统 总结了我 国页岩气开采面临的工程地质 难题 ， 指 出页岩 非线性工程地 质力学特征与预测理论、 多重耦合下的页岩油气安全优质钻井理论、 页岩地层动态随机裂缝控制机理与无水压裂 技术、 页岩油气多尺度渗流特征与开采理论等是需要重点解决的关键理论问题， 钻采过程 中页岩储层物理力学化 学特征演化规律与数学表征， 多场耦合条件下非连续页岩与钻井完井流体作用机理， 页岩地层动态随机裂缝控制、 长效导流机制与无水压裂技术， 页岩微纳尺度吸附／ 解吸机制、 尺度升级及多场耦合的多相渗流理论等是亟需解决 的关键前沿理论问题， 并针对各前沿关键力学问题综述了研究进展和发展趋势， 对促进我国页岩油气的科学、 有效 开发具有一定的借鉴作 用。 关键词 页岩 油气 钻 井 渗流 储 层改造 中图分类号 TE 2 4 9 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 5 0 5 0 0 0 7 0 8 The Ke y Fu nd a me nt a l s f o r t he Ef f i c i e nt Ex pl o i t a t i o n o f S ha l e Oi l a nd Ga s a nd I t s Re l a t e d Cha l l e n g e s Ch e n M i a n ，Ge Ho n g k u i 。 ，Zh a o J i n z h o u 。 ，Ya o J u n 4 1 ．C o l l e g e o f P e t r o l e u m En g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m B e i j i n g ， B e i j i n g，1 0 2 2 4 9 ， Ch i n a；2 ．Th e Un c o n v e n t i o n a l Na r u r a l Ga s I n s t i t u t e ， Ch i n a Un i v e r s i t y 0 f Pe t r o l e u m Be z ’ i n g ， Be i j i n g， 1 0 2 2 4 9 ， C i n a； 3 ．S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y，C h e n g d u，Si c h u a n，6 1 0 5 0 0，Ch i n a；4 ．S c h o o l 0 f Pe t r o l e u m En g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m Hu a d o n g ， Qi n g d a o ， S h a n d o n g， 2 6 6 5 8 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r i d e n t i f i e s a n d d i s c u s s e s t h e mu l t i p l e g e o l o g i c e n g i n e e r i n g c h a l l e n g e s i n v o l v e d i n s h a l e g a s e x p l o i t a t i o n wh i c h i n c l u d e r e s e r v o i r c h a r a c t e r i z a t i o n。s a f e a n d f a s t d r i l l i n g．e n v i r o n me n t a l l y - f r i e n d l y a n d e f f i c i e n t e x p l o i t a t i o n ，a n d i t p u t s t h e m wi t h i n a c o n t e x t o f Ch i n a ’ S e x p e r i e n c e i n e x p l o r i n g f o r a n d e x p l o i t i n g s h a l e g a s ． Th e p a p e r e l a b o r a t e s u p o n t h e k e y f u n d a me n t a l s ， wh i c h i n c l u d e g e o l o g i c me c h a n i c a l b e h a v i o r a n d p r e d i c t i o n t h e o r i e s o f n o n - l i n e a r s h a l e e n g i n e e r i n g，s a f e a n d q u a l i t y s h a l e o i l a n d g a s we l l d r i l l i n g t h e o r i e s b a s e d o n mu l t i p l e c o u p l i n g ，d y n a mi c a n d r a n d o m f r a c t u r e c o n t r o l me c h a n i s ms a n d n o n - a q u e o u s f r a c t u r i n g t e c h n o l o g i e s o f s h a l e b e d s ，a n d mu l t i s c a l e s e e p a g e c h a r a c t e r i s t i c s a n d e x p l o i t a t i o n t h e o r i e s o f s h a l e o i l a n d g a s ．Th e f o l l o wi n g a d v a n c e d t h e o r e t i c a l i s s u e s s h o u l d b e s o l v e d a s s o o n a s p o s s i b l e ．I t wa s n e c e s s a r y t o i n v e s t i g a t e t h e e v o l u t i o n r u l e s o f p h y s i c a 1 ，c h e mi c a l a n d me c h a n i c a 1 p r o p e r t i e s o f s h a l e r e s e r v o i r s a n d c a r r y o u t ma t h e ma t i c a l c h a r a c t e r i z a t i o n，a n a l y z e t h e i n t e r a c t i o n b e t we e n d i s c o n t i n u o u s s u r r o u n d i n g r o c k s a n d d r i l l i n g a n d c o mp l e t i o n f l u i d s u n d e r mu l t i p l e c o u p l i n g c o n d i t i o n s ，d e v e l o p d y n a mi c a n d r a n d o m f r a c t u r e c o n t r o l me t h o d s 。l o n g t e r m e f f e c t i v e d i v e r t i n g me c h a n i s ms a n d n o n - a q u e o u s f r a c t u r i n g t e c h n o l o g i e s f o r s h a l e r e s e r v o i r s ，e x p l o r e mi c r o - n a n o s c a l e a d s o r p t i o n a n d d e s o r p t i o n me c h a n i s ms o f s h a l e 。 a n d s t u d y mu l t i p h a s e s e e p a g e t h e o r i e s wi t h u p s c a l i n g a n d mu l t i p l e c o u p l i n g ．Th e p a p e r c o n c l u d e s wi t h a s u mma r y o f r e s e a r c h p r o g r e s s a n d d e v e l o p me n t t r e n d s i n t h e k e y a d v a n c e d me c h a n i c a l i s s u e s ． Th i s p a p e r s e r v e s a s a r e f e r e n c e a n d g u i d a n c e f o r t h e s c i e n t i f i c a n d e f f i c i e n t d e v e l o p me n t o f s h a l e o i l a n d g a s i n Ch i n a ． Ke y wo r d s s h a l e o i l a n d g a s ；d r i l l i n g ；s e e p a g e ；r e s e r v o i r s t i mu l a t i o n 页岩气是近年来 国际油气资源开发的热点 ， 借 助水平井分段压裂技术的规模化应用 ， 美 国实现 了 页岩气大规模的商业开采， 并迎来了全球页岩气革 命 。据英 国石油公 司发布 的 2 0 1 4年 世界 能 源统 计 ， 2 0 1 4年度美 国天然气产 量 已达 到创纪 录 的 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 1 4 。 作者简 介 陈勉 1 9 6 2 一 ， 男， 辽宁沈 阳人 ， 1 9 8 2年毕 业于北京 大学力学系， 1 9 9 1 年 获中国矿业 大学矿 山工程 力 学专业博 士学位 ， 教授 ， 博 士生导师， 主要从 事石油工程岩石力学方面的研 究．Y - 作。 联 系方式 0 1 O 8 9 7 3 2 2 O 9 ， c h e n mi a n v i p ． 1 6 3 ． c o rn。 基金项 目 国家 自然科 学基金重 大项 目“ 页岩油气高效开发基础 理论研 究” 编号 5 1 4 9 0 6 5 0 Jt ． 国家 自然科学基金 重点项 目“ 页岩 气 开采岩石 力学” 编号 5 1 2 3 4 0 0 6 联合资助 。 石 油 钻 探 技 术 9 3 1 0 m3 ／ d 3 2 8 0 1 0 f t 。 ／ d ， 其中非常规天然气 产量远超常规天然气产量， 实现了天然气进 口国向出 口国的转变。美国能源信息署 2 0 1 3 年 6 月发布的评估 数据显示_ 2 ] ， 中国页岩气技术可采储量 3 1 ． 6 1 0 弛r n a ， 占世界页岩气技术可采储量 的 1 4 ． 3 。我 国作为页 岩油气资源丰富的大国， 如何 实现 向开采强国的转 变 ， 是实现国家能源结构升级 和低碳环保 战略的迫 切需求 。 近年来 ， 中国在 页岩气开发方面开展 了大量工 作。2 0 0 9 年 ， 中国石 油在 四川威远 、 长宁、 富顺、 永 J I I 等地 区启 动 了首批 页岩气 工业 化试 验 区建设 ； 2 0 1 0年 ， 中国石油在 四川盆地部署的威 2 0 1 井在寒 武系、 志留系页岩中获工业气流l 3 ； 2 0 1 2年 1 1月 ， 中国石化在涪陵焦石坝地区部署 的焦页 1 HF井龙 马溪组页岩层段经 l 5段大型压裂改造后 ， 获 日产无 阻流量 1 6 ． 7 1 O m3 的高产工业气流 ， 实现 了我国 海相页岩气勘探 的重大突破[ 4 3 ； 2 0 1 4年， 中国石化 在涪陵焦石坝地 区建成了我 国首个大型页岩气 田， 初步实现 了页岩气 的商业化 开发 。截至 2 0 1 5年 9 月 ， 中国石油在长宁一 威远、 昭通国家级页岩气示 范 区共完钻 1 0 8口气井 ， 其中 4 1口井进行 了试采 ， 累 计生产页岩气 5 ． 6 x1 0 m3 ， 取得 了页岩气勘探开 发的重 要 阶段成 果 ， 创造 了 国内多个第 一r 5 ] 。虽 然我国在局部地 区页岩气 勘探开发 中取得重要 突 破 ， 但 由于基础理论研究不足 ， 各个地 区的开发效 果差异很 大 ， 尚未掌握 我 国页岩气 开发 的一般 性 规律 。中国石化在 四川及其周缘的建南 、 涪陵 、 彭 水 、 丁山等 区块 开展 了页岩气 勘探 开发先 导性试 验_ 6 ] ， 除了涪陵焦石坝区块获得 突破外 ， 其他 区块 的页岩气 井产 量不佳 ， 无法 实现 页岩气 的经济 有 效 开 发 。 与美国页岩油气资源相 比， 我 国页岩油气的地 质条件更为复杂l_ 7 峭 ] 、 埋藏深度更深 、 地层年代更老 、 水资源更匮乏 ， 页岩油气开发中仍存在诸多重要 的 问题亟待解决_ g ] ， 页岩油气渗流机理 、 开采理论认识 不清 ， 导致现有的工程设计、 施工工艺等较大程度上 还停留在工程尺度和经验模仿层面， 无法在更广泛 区域推广应用 。笔者基于我国页岩气开发实 际， 从 页岩气开采面临的工程地质难题 出发 ， 详细 阐述 了 页岩油气开采过程 中涉及 的关键基础理论问题 ， 分 析了理论创新难点及挑 战， 提 出了页岩气开发基础 理论 、 研究方法和设计技术的研究方向， 以期为加速 我国页岩油气资源开发提供指导和借鉴 。 1 页岩油气开采面临 的工程地质难题 1 ． 1 地质条件复杂 。 页岩储层物理力学特征预测精 度差 我 国页岩储 层构造改造 强烈 ， 多尺度裂缝 、 节 理、 断裂发育 ， 岩性明显有别于砂岩、 碳酸盐岩储层 ， 非连续 的特性决定了现有岩石力学理论与方法难以 准确反映页岩力学特征。中美两 国的页岩在储层特 征上存在较大差异 见表 1 ， 美 国页岩工程地质力 学理论 与方 法不 能 直接 用 于我 国 页岩 气 勘探 开 发 中。 表 1 中美两 国页岩气储层差 异 Ta bl e 1 n化 di f f e r e n t c ha r ac t e r i s t i c s o f Chi ne s e a n d Ame r i c a n s h a l e g a s r e s e r v o i r s 1 ． 2 生态环境脆 弱， 地表条件复杂 ， 安全经济与环 保钻井难度大 我国西南地区生态环境脆弱 ， 对钻井流体的环 保性能要求高。由于页岩储层层理裂隙发育， 具有 较强的非均质性和各 向异性 ， 毛细管 自吸相关的微 尺度作用显著 ， 导致钻井过程中井壁失稳频发 ， 漏失 严重 ， 安全钻井风险高 如焦页 l 0 2 HF井在钻井过 程中井下故障频发 ， 采用油基钻井液能在一定程度 上缓解井壁失稳现象 ， 但是成本高 钻井液费用 占钻 井总费用的 1 O ～4 O 9 ／6 ， 且维护、 处理复杂， 对生 态环境影响大， 每 口井钻井成本约 4 0 0 0 万元 ， 远高 于国外 的 1 6 0 0万元； 同时， 为有效 降低成本 ， 采用 了“ 井工厂” 开采模式l_ l ， 但山区地貌使井场布置难 度加大， 现有的平台式工厂化作业设计、 评估理论与方 法已不能满足丛式水平井组的集约化施工的要求。 第 4 3 卷 第 5 期 陈勉等． 页岩 油气高效开发的 关键基础理论 与挑 战 9 1 ． 3 水资源匮乏， 少井高产与环保压力大 美国页岩气产区多为平原地区， 水资源丰 富， 通 过多井能实现高产 ， 我国西部地 区缺水 ， 南方多山区 丘陵， 必须通过全井段储层缝网体积改造实现少井高 产。全井段缝网体积改造面临两大难题 埋藏深 ， 裂 缝闭合压力高， 裂缝 自支撑能力不能满足长效导流的 要求 ； 水资源匮乏 美国人均水资源量 9 9 2 0 ， 我国 只有 2 1 0 0 m3 ， 并且我国页岩气富集区块大部分位于 西部生态脆弱 、 南方人口稠密地区， 不能承受页岩气开 发对水资源的巨大消耗和对地表水系的严重污染 。 1 ． 4 页岩气藏复杂 ， 油气产 能预测与方案设计针对 性 差 页岩气藏具备如下特征_ 1 1 页岩气赋存形式 多样 ， 游离气、 吸附气 、 溶解气共 存； 2 储存空 间复 杂 ， 纳米级有 机质粒 内孔 隙、 纳米一微米 级粒 间孔 隙、 微米～毫米级微裂缝和厘米级人工压裂缝发育， 具有多尺度特性 ； 3 储层孔渗极低 ， 渗透率纳达西级 别 ， 孔隙度小于 1 0 ； 4 页岩脆性大 1 ， 压裂裂缝扩 展随机性强 ， 微裂缝发育 。可见 ， 页岩气藏有别 于常 规气藏 ， 导致页岩气解吸一 扩散一 渗流机理以及渗流 规律异常复杂， 常规方法难以准确评价页岩气井产 能 ， 区块开发效果差异大 。 2 关键基础理论 问题 虽然我 国在常规油气开发方面已经形成 了比较 完整的基础理论体系 ， 但 由于页岩储层 明显有别于 砂岩、 碳酸盐储层 ， 因而页岩油气开采 中的许多重要 科学问题 尚未解决 ， 严重制约了我国页岩油气工业 化开采进程 。目前 ， 我 国页岩油气 开发存在 以下关 键基础理论问题尚待解决 。 2 ． 1 页岩非线性工程地质力学特征与预测理论 深部页岩的地质属性 、 力学行为和工程性质是 有别于其他地层的本质特征 ， 是影 响页岩油气高效 开发 的关键因素 。深部页岩 的地质属性具有高度的 隐蔽性 、 不确定性和时空变异性 ， 需要重点研究其多 尺度层理 、 节理及夹层发育特征， 提 出多节理 、 层理 页岩的跨尺度结构表征方法。就力学性质 而言 ， 需 要研究复杂应力条件下深部页岩的宏细观变形破坏 机理和强度特性 ， 建立非连续 页岩岩体宏观力学特 性评价的多尺度理论模型 ； 同时， 需要 突破峰前 的力 学参数或者峰后的应力衰减程度表征页岩脆性的局 限性 ， 提出科学的脆性指数定义 ， 建立相应评价方法 及分析预测模型 ， 形成非连续 页岩脆度峰后评价理 论体系 。就工程性质而言， 需要研究深部地层复杂 的应力环境及高精度的测试方法 ， 揭示具有 强烈构 造活动特征的储层异常压力及地应力场形成机制 ， 建立考虑强烈构造活动和非线性边界条件 的地层压 力预测及地应力场反演理论 ， 重点考虑压裂改造 中 扰动引起的三维应力场演化规律 ， 建立页岩地层 三 维地应力场形成与压裂扰动引起 的应 力场演化模 型。基于上述基础理论 ， 建立地球物理表征模型 ， 为 页岩油气高效开发理论研究提供必要 的地质力学模 型及相关数据。 2 ． 2 多重耦合下的页岩油气安全优质钻井理论 页岩油气是典型的边际油气资源， 工程技术要 求高 ， 作业风险大且成本高， 长水平段钻井与多级压 裂成为主要的勘探开发技术手段 ， 工厂化作业成 为 降低成本的主要模式 。 目标体 的复杂性、 高技术需 求和高成本压力给页岩油气钻井完井带来一系列基 础理论方面的挑战 ， 突出表现为传统理论和模型不 再适用、 力学一 化学及固体一 流体等多重耦合作用强 烈。为此， 需要进行技术攻关， 形成一套页岩储层安 全优质钻井基础理论 针对长裸 眼水平井和工厂化 钻井完井过程中普遍存在的油基钻井液成本高和环 保压力大、 井壁失稳 、 建井周期长和建井成本高等主 要技术难题 ， 需开展页岩储层伤害机理研究， 研发低 伤害环保型水基钻井液体系； 探索力学～ 化学、 固体一 流体双重耦合条件下的井筒失稳机理及规律， 建立水 平井井筒完整性理论； 依据可钻性与可压性进行高压 水射流技术适用性评价 ， 探索高压水射流钻井压裂一 体化技术原理 ， 形成页岩储层新型钻井完井方式 ； 建 立页岩水平井工厂化钻井完井评估与优化设计方法。 2 ． 3页岩地层动态 随机裂缝控 制机理与无水压 裂 技术 缝 网压裂改造是实现 页岩气 商业化开采 的关 键 ， 储层动态随机天然裂缝的相互连通是实现缝 网 体积改造的必要条件 。页岩储层随机分布天然裂缝 和层理弱面， 导致裂缝 的起裂特 征和动态扩展规律 异常复杂 ， 裂缝形态难 以辨识和掌握 ， 需要将大尺寸 真三轴物理模拟与声发射三维空间精准定位技术相 结合 ， 揭示页岩裂缝的空间起裂和扩展行为 ， 为页岩 缝 网压裂的数值模拟研究提供基础 。针对“ 井工厂” j 0 石 油 钻 探 技 术 模式的页岩储层体积压裂改造 ， 需要研究不同模式 、 工艺措施 、 施工参数 和储层随机天然裂缝分布条件 下多裂缝间的应力场干扰、 空间非平 面裂缝特征和 多井间裂缝 网络的连通性 ， 揭示“ 井工厂” 模式下网 络裂缝扩展与控制规律 ， 建立页岩复杂缝 网支撑剂 运移机制与长效导流能力评价模型。针对油气开采 和应力扰动诱发的页岩气井初始缝 网失效特征， 建 立应力扰动 与初始缝 网条件 下 的页岩重复造 缝理 论 ； 同时， 提出页岩气储层的无水压裂新理论 ， 揭示 无水压裂介质流变调控机制与造缝机理 ， 研制高性 能无水压裂介质体系， 建立无水压裂页岩储层缝网 改造体积的评价标准 ， 为页岩油气高效开发提供理 论模型。 2 ． 4 页岩油气多尺度渗流特征与开采理论 渗流机制和数值模拟方法是油气 田开发工程 的 基础。页岩油气藏储层介质具有明显的多尺度性 ， 流体赋存方式多样 ， 因此流动机制复杂， 基于连续介 质和达西方程的传统渗流力学无法准确刻画页岩油 气藏的多尺度流动机制。另外 ， 由于页岩致密 ， 很难 进行室内流动物理模拟试验。为此 ， 亟待研究有效 的微观流动数值模拟方法 ， 揭示 页岩微纳尺度流动 机制 ， 借 助于微 纳 尺度 的数 字 岩 心和格 子 B o l t z ma n n方法， 有效模拟气水 、 油水在页岩微纳孔隙中 的流动。在此基础上 ， 应建立尺度升级方法 ， 将页岩 的微观传输性质和流动模式升级到宏观层面， 为宏 观数值模拟、 试井解释、 产能评价以及潜力预测奠定 基础 。同时 ， 由于应力对页岩缝网的形成 、 页岩渗流 参数等影响较大 ， 有必要研究应力场和渗流场耦合 的数值模拟方法 ， 为井工厂的设计 、 生产动态模拟及 预测奠定理论基础 。 3 理论创新难点与挑战 我国“ 十二五” 规划明确要求“ 推进页岩气等非 常规油气资源开发利用” 。大力发展页岩油气迫切 需要解决的理论技术难题包括 1 深化认识 页岩工 程条件， 突破传统岩石力学和渗流理论； 2 实现安 全高效环保开发， 创新水平井钻井完井一体化和缝 网体长效压裂理论。 3 ． 1 钻采过程 中页岩储层物理力学化学特征演化 规律与数学表征 深部页岩多尺度裂缝、 层理发育， 非均质性 、 各 向异性特征显著 ， 明显区别于常规地质储层 ， 研究页 岩的力学行为、 物理化学特征 ， 是进行其他深入研究 的基 础 。 3 ． 1 ． 1 页岩天然裂缝、 节理、 断层等地质特征跨尺 度 表征 对于深部非连续 页岩而言， 缺乏专 门针对页岩 裂缝、 节理等地质特征从 细观到宏观的跨尺度表征 描述方法 ， 阻碍了钻井液、 压裂液 与页岩间力学、 化 学 、 流体与固体耦合 的相互作用机理研究 。国内外 研究岩体节理裂隙的模型有 3大类 力学模型、 几何 模型和几何力学模型。由于结构面发育 的随机性、 非均匀性和复杂性 ， 造成上述模型均不能准确地表 征页岩 的节理裂隙特征 。目前 ， 将 地质统 计学 、 分 形理论与 图论 等相关 理论 引入裂 隙模 型 ， 有 助于 准确地描述 和模 拟裂 缝 网络 ， 但是 相关 研究 处于 起步 阶段 ， 对 于非 连续页 岩岩体跨 尺度 表征需 进 一 步深 入 。 3 ． 1 ． 2 非连续页岩力学特性及峰后脆度评价 页岩脆性是评价其力学特性的关键指标 ， 对井 壁稳定和压裂效果影响显著。现有脆性评价方法有 2 O余种 ， R ． Ri c k ma n等人【 1 。 ] 提 出用矿物含量 表征 脆性 ， B o r i s T a r a s o v等人l_ 1 胡提出了单轴压缩条件下 基于能量理论的峰后脆度评价方法 。基于压缩试验 的页岩脆度理论和测井 、 矿物组分分析方法 ， 不能定 量解释页岩剪切或张性裂缝密度规律 ， 不能揭示其 在缝 网发育过程 中的作用机制 。李庆辉 等人_ 】 5 ] 采 用了基于全应力一 应变特征 的脆性表征方法反映峰 前和峰后力学特征， 能够较准确地反映页岩脆性破 坏的实质 ， 但是研究刚刚起步， 仍需深入研究。 3 ． 1 ． 3 跨尺度三维空间地应力分布特征与压裂裂 缝扰 动 下 的演化规 律 压裂缝网体发育过程对压裂空间三维应力场的 扰动机制不清楚 ， 地应力预测精度差 ， 不能有效支撑 压裂设计 。目前 ， 国际石油工程学术界开展 了应 力 阴影研究， J ． H y u n i l E 1 6 ] 及 R ． M． B r u c e 等人[ 1 分析 了局部 地应 力 场 的扰 动 和控 制机 制及 对 裂 缝转 向、 扩展的影响规律 ， 并形成 了水平井分段压裂 裂 缝问距设计 方法 ， 但对 天然裂 缝与人 工裂缝 同时 作用的应力场以及化 学作 用的应力场演化 尚鲜 有 涉 及 。 第 4 3卷第 5期 陈 勉等． 页岩 油气高效 开发 的关键基 础理论与挑战 3 ． 1 ． 4 各 向异 性 页 岩地 层 的地 球 物 理预 测 理论 与 方 法 页岩储层中非连续层理 、 片理特征决定了岩石物 理力学特征的各向异性 。L T h o ms e n [ ] 引入 了 3个 无量纲参数来表征岩石的各向异性程度， 但只能表征 弱各 向异性 介质 的 弹性性 质。J ． G ． B e r r y ma n [ 伸 在 Th o ms e n理论 的基础上得出了扩展 的 T h o ms e n方 程 ， 也可适用于强各 向异性介质。胡起等人 。 _ 通过 融合各 向异性微分 等效介质 D E M 理论 和 B r o wn - Ko r r i n g a各向异性流体替 换模型建立 了有机页岩 各向异性岩石物理模 型， 提 出了根据纵波速度反演 岩石等效孔隙纵横比进行页岩油气储层横波速度预 测的方法 。Xu We i y a 等人 1 ] 基于岩石各 向异性破 坏准则 ， 根据 回归映射基本原理 ， 推导出适用于横观 各向同性地层 的弹塑性模 型。 目前 ， 关于各 向异性 页岩地层岩石物理性质 的研究还很欠缺， 富有机质 多尺度页岩物理力学特性与地球物理参数缺乏定量 表征， 传统砂泥岩的解释模型预i 贝 4 精度差， 无法定量 预测地层特征， 导致钻井完井设计缺乏科学有效性 ， 需要进一步研究。 3 ． 2 多场耦合条件 下非连续页岩与钻 井完 井流体 作 用 机理 页岩与液体作用的力学与化学耦合理论是揭示 页岩水化后的受力 、 变形与破 坏动态变化规律 的重 要基础 ， 是从根本上解决页岩破岩效率 、 井壁失稳 的 时效性及储层伤害的关键科学问题 。 3 ． 2 ． 1 地 层 可钻性 与 可压性 评价研 究 高压射流破岩与压裂条件下页岩储层可钻性与 可压性评价是流固耦合下射流破岩和压裂改造的基 础 。现有可钻性评 价模型 主要 用于三牙 轮钻头和 P D C钻头 ， 存在 以下问题 1 已不能满 足混合 P Dc 钻头、 高压射流破岩等评价需要 ； 2 岩石破碎规律需 要深入研究 ， 流体一 页岩微观相互作用对破岩的重要 影响需结合到可钻性评价 中； 3 缺乏有效 的随钻评 价手段 ， 不能对实钻储层可钻性的横向变化进行有 效评价 。 传统理论认为， 储层可压性取决于岩石的脆性、 天然裂缝发育 以及各 向异性。B ． Ti r y a k i [ ] 探索利 用随钻录井或利用井场钻屑 X射线 S E M 评 价岩石 可压性 的方法 ， 存在的主要问题包括 1 将“ 脆性 系 数” 等同于可压性 ， 未充分考虑天然裂缝和应力各 向 异性的影响， 页岩储层可压性评价模 型有待进一步 完善 ； 2 未考虑压裂液对储层岩石的裂缝 扩展存在 的强烈微观物理化学作用； 3 缺乏有效的随钻评价 手段 ， 不能对水平段储层可压性 的横 向变化进行有 效评价 ； 4 需要结合新 型压裂改造方式进行可压性 评价 。 3 ． 2 ． 2 页岩 井 筒失稳机 理 和 完整性评 估 方法 页岩井壁稳定研究 主要考虑力 学化学耦合作 用。M． Yu等人 胡建立 了井筒在热应力 和溶质化 学扩散作用下 的三维井壁稳定性数学模型 ， 首次考 虑了钻井液性质对井壁稳定性的影 响。金衍等 人l 2 利用力学与化学耦合的研究方法， 提出了井壁 坍塌周期 的定量计算方法 。A． Gh a s s e mi 等人_ 2 I _ 系 统研究了力学、 化学与热力学等多场耦合条件下 的 井壁稳定 问题。Q． Wa n g等人l_ 2 。 ] 考虑 了由于钻井 液渗流和离子输运导致的岩石变形 ， 建立了流体一 固 体一 化学耦合作用模型 ， 精细描述了钻井液化学作用 对页岩井壁稳定性的影响。L i a n g C h u a n等人_ 2 ] 通 过试验研究 了井壁在钻头动载荷作用下的损伤失稳 过程。上述研究虽然得 出了一些有益结果 ， 但假设 页岩为各向同性 ， 无天然裂缝损伤 ， 对泥页岩井壁水 化失稳的机理和本质认识还不够深入和完 整， 仍未 考虑页岩气储层 中普遍存在的天然微裂缝和岩石各 向异性等因素对井壁稳定性的影响。 3 ． 2 ． 3 页岩储 层 伤 害机 理 与 环 保 型 水基 钻 井液 体 系研 究 页岩储层保护技术研究主要采用室 内试验和数 值模拟等方法。M． A． S i d d i q u i 等人L 2 。 通过室内试 验评估 了钻井液 中聚合物对致密储层的伤 害， 检测 了多种清洗液在去除泥饼方 面的效果 ， 优选 了钻井 液配方 ， 进行了现场试验并获得成功。I ． J ． L a k a t o s 等人l 2 9 l_ 研究 了致密砂岩储层 中钻井液的 自吸和渗 透现象 ， 结果发现 ， 因致密砂岩的孔隙结构和岩石润 湿性具有特殊性 ， 会产生较强的毛细管力来 自吸钻 井液 ， 造成储层“ 水锁” 伤害。对此 ， 国内外学者采用 特殊的表面活性剂 、 可溶性水溶剂和大分子添加剂 等化学处理剂来降低水基钻井液渗透和 自吸现象引 起的储层伤害， 并起到了良好的效果。 3 ． 3 页岩地层动态随机裂缝控制、 长效导流机制与 无水压裂技术 页岩储层分布有天然裂缝 和层理 ， 压裂过程 中 j 2 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 5年 9月 天然裂缝、 层理及人工裂缝相互作用 ， 裂缝控制难度 大 ， 在高闭合压力条件下如何增 大储层改造体积和 提高缝 网长效导流能力尤为关键 。同时， 页岩气开 发主要采用的滑溜水大型压裂要消耗大量水资源并 可能污染环境 ， 而我 国页岩气勘探 的有利区域大部 分处于重点缺水地区或邻近 区域 ， 面临着严峻的水 资源约束及环保问题 ， 有必要研究无水压裂理论 与 技术 ， 为我 国页岩气未来大规模高效开发奠定基础。 3 ． 3 ． 1 “ 井工厂” 模式下网络裂缝扩展与控制机理 国内外学者针对裂缝相互作用 、 裂缝扩展进行 了一系列研究 ， 较多学者引入位移不连续法 D DM 建立模型分析复杂裂缝 扩展机理 ， 部分学者选用有 限元方法研究裂缝扩展， 并指出储层局部应力差 、 天 然裂缝等是影响裂缝延伸路径的主控 因素 。目前该 类研究主要针对于单井裂缝扩展， 对于“ 井工厂” 井 组情况下多口水平井在多裂缝干扰下 的裂缝扩展模 型鲜有涉及 。 3 ． 3 ． 2 页岩复杂缝 网支撑剂运移机制与长效导流 能力模 型 R． S a h a i 等人[ 3 0 l 首次通过试验研究了垂直相交 裂缝中的支撑剂运移和沉降规律。G u o J i a n c h u n 等人[ 3 l l 考虑支撑剂颗粒 与地层岩石 的黏弹性蠕变 互作用 ， 建立了线弹性条件下支撑剂颗粒嵌入 预测 模型。D e n g S h o u c h u n等人L 3 。 ] 研究 了特 定条件下 页岩与支撑剂颗粒的互作用 。目前页岩缝 网中的支 撑剂运移研究尚未考虑流体流量 自动重分配 ， 同时 未考虑支撑剂颗粒与页岩长期互作用下的缝网导流 能力。 3 ． 3 ． 3 应 力扰 动 与初 始 缝 网条件 下 的 页岩 重 复造 缝 机 理 目前国 内未见页岩水平井重 复压 裂施工 的报 道， 针对