頁巖氣井液巖相互作用機理與燜井制度研究進展

楊兆中，杜慧龍，易良平，2 ，李小剛，茍良杰

1.油氣藏地質及開發工程全國重點實驗室·西南石油大學，四川 成都 610500 2.西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500

引言

中國發育海相、海陸過渡相及陸相等3 類頁巖氣，經過二十多年的勘探開發，中國已成為除北美之外最大的頁巖氣生產國[1-2]。2020 年，中國頁巖氣探明地質儲量和年總產氣量分別突破2×1012m3和200×108m3[3]。目前，頁巖氣藏開采方式以水平井聯合大型多段壓裂為主，滑溜水憑借低成本、可造復雜縫網和低儲層污染的優勢深受現場喜愛[4-7]。在現場實際作業過程中，一部分頁巖氣井壓裂后關井一段時間再返排，通常產氣量更高、產水量更低[8-9]?；诖?，學者們對燜井增產機理進行深入研究，取得了豐碩的成果，但仍存在諸多不足。以最佳燜井時間為例，模型結果從幾個小時到上百天不等，不同模型得出的結論差別在幾個數量級。一方面，不同參數對燜井增產效果的影響差別巨大；另一方面，目前對于燜井增產機理認識不夠深入，導致燜井制度科學性不足。

燜井過程是多尺度應力場、物理場和化學場的綜合體現，儲層條件下液巖相互作用是燜井增產的本質，液巖相互作用程度是制定燜井制度的關鍵?；趪鴥韧鈱W者在頁巖氣井燜井期間液巖相互作用對儲層的改造和損害機理、模型及影響因素等方面的研究成果，總結了液巖相互作用機理和現有燜井制度。本文主要從儲層的持續改造和損害兩方面闡述燜井期間液巖相互作用機理，分析現有燜井制度研究方法的缺陷，展望液巖相互作用多尺度和高度非線性特征的潛在研究方法。

1 燜井期間液巖相互作用機理

燜井期間液巖相互作用對儲層兼具改造和損害作用：1）水力壓裂結束后進行燜井，在高應力差和促使巖性劣化的共同作用下實現對頁巖儲層的長期微改造，促進微裂縫起裂延伸，擴大裂縫波及面，增大儲集層改造體積[10-15]；同時，促進壓裂液與儲層氣體的相互置換，降低主裂縫含水飽和度，起到了一定的增產效果[16]。2）燜井期間液巖相互作用使得黏土礦物水化膨脹、運移造成固相堵塞[17]；高壓流體和毛管力共同作用，促使液相滲吸進入頁巖儲層深部，最終滯留于裂縫或空隙之中，產生水相圈閉[18-19]，影響氣體產出。

1.1 液巖相互作用對儲層的持續改造

1.1.1 微裂縫擴展延伸

Stegent 等[20]采集了Permian 盆地下部和中部Wolfcamp 地層400 多個微地震數據，見圖1。Wolfcamp 地層的5U 井在壓裂結束后，仍監測到一定數量的微地震數據點。針對四川盆地頁巖，國內諸多學者在常溫常壓或圍壓條件下采用端面自吸或浸泡實驗研究了[21-26]宏觀裂縫、納微米級孔隙的形態、尺寸和動態演化規律（表1）。研究表明，在燜井期間有新的裂縫產生或促使原有裂縫繼續擴展延伸。

表1 實驗室實驗方法Tab.1 Laboratory experiment methods

圖1 Wolfcamp 地層5U 井壓裂施工及結束后微地震監測數據[20]Fig.1 Microseismic monitoring data of Well 5U in Wolfcamp Formation during fracturing construction and after completion

燜井期間以微裂縫的萌生擴展為主，壓裂液侵入頁巖儲層發生水化反應，非膨脹性礦物在水化應力的作用下被壓縮，膨脹性礦物隨水化時間的增加體積增大，頁巖與流體之間的物理化學作用導致巖石顆粒間的膠結強度劣化，顆粒交界面被溶蝕破壞，誘發顆粒解體分散。頁巖層理結構發育、黏土礦物定向排列的特征加劇巖性劣化，為裂縫繼續擴展延伸提供有利條件[26-27]。頁巖整體表現為抗拉強度顯著降低，使得裂縫尖端應力大于地應力和巖石強度的合力，進一步促進裂縫擴展延伸[27-30]。

燜井期間裂縫擴展總體呈現為兩個階段：1）微觀尺度裂縫的萌生擴展。2）宏觀尺度裂縫的起裂或擴展。燜井期間微裂縫具有先快速發育而后緩慢發育的擴展特征，如圖2 所示。

圖2 實驗室條件下裂縫擴展延伸動態演化過程[21，34]Fig.2 Dynamic evolution process of fracture propagation and extension under laboratory conditions

此外，微裂縫擴展延伸程度與黏土礦物組成密切相關，伊利石和蒙脫石含量是影響裂縫擴展延伸的主要因素，蒙脫石改善孔隙結構的潛力更大[26]。裂縫的復雜程度與壓裂液的性質有關，研究表明，相比于滑溜水，清水與頁巖相互作用不僅能夠促使原始裂縫延伸，而且還有可能誘發微細裂縫萌生擴展[31]。裂縫擴展方向與頁巖各向異性有關，頁巖水化誘發的微裂縫以順層裂縫為主[23，32-35]。

1.1.2 氣液滲吸置換

燜井期間，孔隙中以液滴狀存在的壓裂液“置換”其中的氣體[36]和壓裂液滲析進入更深的孔隙或基質中，消除部分水相圈閉損害，恢復原有孔隙滲透率，使氣相流速增加[37]是燜井增產的又一機理。

Bertoncello 等[36]提出了一個考慮孔隙結構的滲吸置換模型，認為頁巖儲層有機質連通孔隙是滲析置換的主要通道，無機黏土中的小孔隙是儲存壓裂液的主要場所。燜井期間，較大的有機孔隙中高壓壓裂液會自發滲析到較小的水濕孔隙中，置換出小孔隙中的氣體（圖3a～圖3e）。導致水力裂縫垂向上含水飽和度呈現先迅速下降，然后緩慢下降的分布趨勢，而裂縫氣相相對滲透率則隨含水飽和度的降低而增大[38-40]，見圖3f 和圖3g。

圖3 燜井期間氣液置換過程及裂縫含水飽和度分布[36，38]Fig.3 Gas liquid replacement process during soaking and water saturation distribution of shale fractures

Shen 等[24]研究表明，孔隙度對單井初期產量影響不大，滲透率是影響初期單井產量的關鍵。因此，隨燜井時間的增加，氣液滲析置換可以減弱水相圈閉損害，促進氣相滲流通道的建立，而目前尚未報道有利于滲吸置換的壓裂液配方的研究。此外，巖芯尺度的物理模擬實驗結果證明儲集層燜井期間具有滲吸置換的潛力[41]，滲流通道的復雜程度和儲層基質的潤濕性是影響氣液滲吸置換效果的重要因素[37，42-45]，毛管壓力是氣液滲吸置換的主要驅動力[46-49]。但是關于燜井期間氣液滲析置換與降低水相圈閉損害對單井產量的貢獻值仍不清楚，仍需深入研究。

1.1.3 液巖相互作用對儲層的改造模型

微裂縫擴展延伸和氣液滲吸置換是是液巖相互作用對儲層改造的有利表現?，F有研究在宏觀裂縫擴展方面相對成熟，微裂縫萌生和擴展的精細研究相對較少，氣液滲吸置換定量表征相對缺乏。Pollet等[50]、Lawn[51]和Maugis[52]基于熱力學和反應動力學原理，共同建立了亞臨界條件下裂縫尖端的擴展速率模型。該理論將燜井期間微裂縫的擴展描述為裂縫亞臨界擴展的初始階段和裂縫擴展進入階段，見式（1）和式（2）。

式中：

uI—亞臨界擴展初始階段時的裂縫擴展速率，m/s；

α0—原子間的晶格間距，m；

v0—基礎晶格頻率，s-1；

k—玻爾茲曼常數，J/K；

T—環境溫度，K；

αI—活化面積，m2；

GM—機械能釋放率，J/m2；

GE—裂縫擴展阻力，N/m。

式中：

uII—裂縫擴展進入階段時的裂縫擴展速率，m/s；

a0—裂縫尖端位置吸附間距，m；

pE—氣體分子的分壓，MPa；

η—吸附位置被環境介質分子占據的概率，無因次；

E—巖石的彈性模量，GPa；

M－氣體分子的分子質量，g/mol；

l—氣體的平均分子自由程，m。

韓慧芬等[53]采用裂縫閉合系數判斷裂縫閉合狀態，如式（3）所示。針對張開裂縫，考慮裂縫尖端非奇異應力項，分別計算裂縫尖端最大周向應力和最大有效剪切應力，判斷裂縫發生拉伸起裂和剪切起裂時縫內流體壓力下限。

式中：

Bf—裂縫閉合系數，無因次；

G－巖石的剪切模量，MPa；

λ2—裂縫短軸半長與長軸半長的比值，無因次；

κ－平面應變，無因次；

β－裂縫傾角，（°）；

λ1—最大水平主應力與垂直應力的比值，無因次；

σ1—最大水平主應力，MPa。

韓東旭等[54]認為液巖反應能有效改善儲層孔隙度，在嵌入式離散裂縫模型的基礎上進一步加入化學場，描述液巖反應過程中儲層基質和裂縫的孔隙度變化

式中：

?—孔隙度，無因次；

t—時間，s；

?0—儲層初始時刻孔隙度，無因次；

rn—化學反應率，mol（/kg·s）；

ρf—壓裂液密度，kg/m3；

ρs—礦物密度，kg/m3；

Ms—礦物摩爾質量，kg/mol。

1.2 液巖相互作用對儲層的損害

1.2.1 固相堵塞

燜井期間壓裂液滲吸進入儲層造成頁巖水化膨脹，微粒運移[17]，而頁巖儲層壓裂后的滲流通道以微米級裂縫為主，與固相粒度處于同一量級，潛在固相損害嚴重[55]。此外，滯留于儲層中的高礦化度壓裂液的液相蒸發速率與氣藏壓降呈正相關關系[56-57]。蒸發作用使液相中可溶鹽析出，頁巖儲層滲流通道被鹽結晶充填，巖樣絕對滲透率降低[58]。

1.2.2 壓裂液侵入引起的水相圈閉

目前，水相圈閉損害評價已成為分析頁巖氣藏儲層傷害程度、產量快速遞減的重要手段[59]，而壓裂液自發滲吸和滯留是造成水相圈閉的主要原因[60-61]。因此，深入研究水相圈閉損害是正確認識和有效防控水相圈閉的基礎。國內外諸多學者的研究表明，頁巖氣井壓后壓裂液分布位置主要有3 種：1）由于頁巖巨大的毛細管力（部分頁巖儲層毛管力超過50 MPa[62]）使得壓裂液被吸入更深的部位[48，63-64]。2）頁巖氣井壓裂后形成復雜的縫網，壓裂液吸附于次級裂縫壁面或充填裂縫[65-68]。3）燜井期間，縫內流體壓力下降，次級裂縫以及部分開啟的天然裂縫閉合，壓裂液滯留其中[62，69]。其中，前兩種是造成水相圈閉的主要原因，見圖4。

圖4 壓裂液滯留位置圖[70]Fig.4 Fracturing fluid retention location diagram

諸多學者研究了不同影響因素與水相圈閉損害程度之間的關系（表2），結果表明，黏土礦物含量越高，孔隙結構越復雜，滲透率越小，孔隙度越小，含水飽和度越高的親水性儲層潛在水相圈閉損害越嚴重，即這類儲層燜井增產潛力不足。且壓裂液黏度、燜井時間和生產壓差等工程因素也會造成水相圈閉損害。但縱觀以上研究發現，大多研究停留在定性分析的層面，難以針對具體儲層做出定量判斷。

表2 水相圈閉損害影響因素Tab.2 Influencing factors of water trapping damage

1.2.3 液巖相互作用對儲層的損害模型

國內外諸多學者提出了基于巖芯驅替實驗的水相圈閉損害評價方法，包括：滲透率損害率、APTi指數、MAPTi指數、BVW、PTC 系數和PTI 指數等[78-81]，為液相對儲層的損害程度評價提供依據。但以上模型并非經過理論推導而來，難以定量計算水相圈閉損害程度[70]。

此外，現有模型沒有考慮頁巖氣跨尺度、多種傳遞過程中水相圈閉損害的多尺度性[82]，也沒有考慮液巖相互作用過程中相滲曲線的變化，在模擬過程中使用同一個相滲曲線，這顯然是不合理的。

1.3 燜井期間液巖相互作用機理

綜合上述研究成果，如圖5 所示，液巖相互作用對儲層兼具改造和損害作用，且具有強時間效應，前者對儲層有效孔隙結構參數具有積極作用，后者對儲層有效孔隙結構參數具有消極作用，建立液巖相互作用與儲層有效孔隙結構參數之間的未知橋梁是研究燜井制度的關鍵。

圖5 燜井期間液巖相互作用機理及燜井制度優化模式Fig.5 Mechanism of liquid-rock interaction during well soaking and optimization mode of soaking system

此外，以盡可能地增大對儲層的改造，避免對儲層的損害為目標，以微裂縫萌生擴展、氣液滲析置換、固相堵塞和水相圈閉誘發特征為導向，對優化燜井制度具有重要啟示意義。

2 頁巖氣藏燜井制度研究進展

對頁巖相互作用機理的分析表明，燜井措施具備一定的改善氣井性能的潛力，且在現場實際作業過程中，燜井亦不可避免。因此，進行燜井制度的研究是十分必要的。目前關于燜井制度的研究方式主要從3 個方面展開：1）通過室內巖芯滲析實驗研究頁巖最佳水化時間。2）建立滲流微分方程，采用解析解、半解析解或數值解研究壓后燜井制度。3）采用礦場數據統計直接建立燜井時間與產量之間的關系。

2.1 燜井制度優化模型

如表1 所示，國內外諸多學者在常溫常壓或高溫高壓條件下通過巖芯端面自吸或浸泡實驗，研究了頁巖巖芯顆粒形態、孔徑、比表面積和滲透率等孔隙結構參數的動態變化，將孔隙結構參數拐點時間確定為最佳燜井時間。在最佳燜井時間范圍內，液巖相互作用一方面抵消了由應力敏感引起的滲透率降低，另一方面促進原有孔隙-裂縫結構擴展延伸和新微裂縫的萌生，增加巖芯裂縫復雜程度和改善孔隙-裂縫其連通性，巖芯滲透率增大[83-84]。

Wijaya 等[85]建立一維巖芯數值模型，結果表明，正確的關井時機能夠減輕對儲層的傷害，對于干燥巖芯，壓后返排一段時間后再燜井能有效緩解水相圈閉損害，生產后期具有更高的氣相相對滲透率。Zhang 等[38]建立了三維單孔數值模型，分析了壓后立即燜井和壓后返排一段時間再燜井兩種情況下返排率和產量的差異，結果表明，壓后直接燜井初期產氣量先減小后增大，長期產氣量先增大后減??；壓后返排一段時間后再燜井則初期產期量增大，長期產氣量減小。張相春等[86]建立兩相滲流模型研究了不同因素與燜井時間的關系，結果表明，燜井時間與基質區滲透率呈負相關，與SRV 區滲透率呈正相關，與毛管力大小呈強正相關關系。

礦場統計方面，Yaich 等[9]通過調查研究Marcellus 區域氣井采取燜井措施前后性能的動態變化建立了歸一化壓力變化率與燜井時間的關系，如式（5）所示。結果表明，燜井能夠顯著改善井的性能，且黏土含量較低和干酪根成熟度較高的儲層具有更大的改善潛力。

式中：RM—生產30 d 平均PNR 與返排結束時PNR比值，無因次；

Vc—儲層平均黏土含量，%；

Ro—鏡質體反射率，%；

mC—黏土結合水干燥斜率，無因次；

t′燜井時間，d；

B，C，D，E，F，G－模型校準常數，無因次。

Ibrahim 等[8]建立了增產效果與燜井時間的關系，如式（6）所示，結果表明，高含水飽和度、高壓及高成熟度儲層燜井后增產潛力高，低含水飽和度儲層則不適合采取燜井措施。

式中：Rr—燜井后與燜井前采收率比值，無因次；

Swi—初始含水飽和度，%；

Tr—地層水與壓裂液礦化度比值，無因次；

γg—天然氣相對密度，無因次；

dpG—地層壓力梯度與靜液柱壓力梯度比值，無因次；

ttick—氣體突破時間，d。

對上述研究方式分析可知：1）實驗室條件與真實地層條件相差甚遠[87-89]，且研究人員大多基于單因素分析，并采取一些簡化和假設，導致實驗結果過于理想。2）數值模型不夠完善，考慮因素各不相同，且一般以均質地層為主，這顯然與頁巖的性質不符[89]。此外，解析解和半解析模型求解過于復雜[65，90-91]。3）礦場總結模型泛化能力較差，擬合過程中輸入參數較少，輸入參數與燜井時間關聯性不強。但綜合各類因素考量，數值模擬仍是目前研究壓后燜井制度較為理想的方法。

2.2 數值模擬存在的問題

2.2.1 頁巖儲層相關參數非均質性表征

Li等[92]通過真三軸壓裂實驗對頁巖壓后裂縫形態進行研究，結果表明，頁巖儲層壓后裂縫系統并非經典雙翼裂縫，裂縫形態與頁巖礦物組成和孔隙結構等因素息息相關。因此，建模過程中考慮非均質性是必要的。目前，關于頁巖儲層非均質性的表征主要有3 種方式：1）通過滲透率張量統一表征裂縫和基質的滲透率。2）通過隨機函數的方法生成隨機裂縫模型，并通過概率分布函數隨機取樣獲得裂縫相關參數。3）采用分形維數表征地層中孔隙結構的非均質性和復雜程度。

Snow 等[93]為解決滲透率各向異性問題提出滲透率張量理論，之后，劉嘉等[94-96]采用滲透率張量表征頁巖非均質性。但滲透率張量的獲取需要大量的裂縫產狀參數、幾何參數等支撐，而這些參數獲取困難，因而該方法不適用于天然裂縫發育、非均質性較強的頁巖儲層[97]。由于在井筒附近只能觀察到該區域中裂縫網絡的一小部分，不可能對整個裂縫網絡進行確定性建模[98]，因此，國內外諸多學者基于泊松模型[89]、截斷泊松模型[99]、多點統計模型[100]等方法獲取裂縫的長度、方位、開度、密度、傾角等參數。

上述方法雖然能獲取裂縫的相關參數，但無法判斷獲取的裂縫是否為有效裂縫[101]。此外，國內外諸多學者對頁巖分形維數進行了研究[102-108]，為模擬孔隙結構的非均質性提供理論依據。游先勇[95]基于分形離散裂縫法，采用倍增串級的方法來生成天然裂縫網絡，從而更真實地刻畫出地層中裂縫的分布特征。

2.2.2 頁巖氣藏裂縫-基質數值模型

頁巖氣藏模型的建立是研究頁巖氣井燜井制度的基礎，目前，國內外學者對于基質-裂縫關系簡化處理通常有3 種模型：連續介質模型、離散裂縫模型和等效連續介質模型（表3）?，F有模型的缺陷主要有以下3 點：1）未考慮實際裂縫網絡高度的分布隨機性，嚴重的非均質性以及復雜的尺度多樣性。2）假設模擬初始時刻裂縫擴展達到動態平衡，未考慮燜井期間裂縫的擴展延伸。3）燜井前后使用同一個相滲曲線，未考慮由于液巖相互作用造成的裂縫、基質絕對滲透率的動態變化。

表3 頁巖氣藏數值模型研究現狀Tab.3 Research status of numerical models for shale gas reservoirs

3 展望

燜井是提高頁巖氣井產量的一種有效方式，且已經在一些頁巖氣藏中獲得成功。但液巖相互作用特征是多尺度應力場、物理場、化學場的綜合體現，目前主要有兩大問題制約液巖相互作用研究：1）微觀研究與宏觀研究各自形成了獨特的研究體系和方法，但跨越微觀和宏觀的橋梁仍未建立。2）液巖相互作用影響因素眾多，不同因素對燜井增產效果的影響差別巨大，且大多數兼具積極和消極兩方面的影響，難以建立直接的線性映射關系。針對上述兩個問題，提出了基于分子動力學的有效裂縫刻畫模型和工業級人工智能頁巖氣井燜井優化模型。

3.1 基于分子動力學的有效裂縫刻畫模型

根據前文所述燜井期間液巖相互作用機理可知，頁巖礦物組成是影響液巖相互作用程度主要因素，而伊利石和蒙脫石在液巖相互作用過程中的壓縮和膨脹過程直接造成了頁巖儲層孔隙度和滲透率的變化。目前，雖然有很多關于微觀視域下蒙脫石水化膨脹和收縮的研究[122-124]，但是并未將液巖相互作用過程中伊利石和蒙脫石等礦物成分的收縮和膨脹應用到燜井過程儲層有效孔隙度、有效滲透率等參數動態變化的研究之中。

為此，提出了基于分子動力學的有效裂縫刻畫模型，該模型實現步驟為：1）基于分子動力學對壓裂液侵入區域微觀礦物反應進行刻畫。2）精確描述壓裂液侵入區內的有效裂縫的生成過程。3）建立相應的微觀力學裂縫擴展延伸準則。4）基于能量最低原理，采用數學方法，進一步將微觀擴展至宏觀裂縫擴展延伸準則，最終實現對研究區域有效裂縫網絡的刻畫。

3.2 工業級人工智能頁巖氣井燜井優化模型

現有的頁巖氣井燜井時間優化模型受到儲層參數的多變量和非對稱性以及流體流動的高度非線性的限制，存在兩方面難題：1）計算量龐大求解困難。2）建立的模型過于理想，無法滿足工程的實際需求，且不同參數（如黏土礦物含量）影響差別巨大，而且這些參數同時具有改造和損害兩方面的影響。目前，現場應用的經驗公式僅考慮壓力、產量對燜井時間的影響，不足以精確捕捉燜井時間和模型參數間的強非線性映射關系，模型泛化能力較差。為有效捕捉頁巖氣井的燜井時間與地質-工程等多種參數之間的關系，應建立地質-工程燜井時間數據庫，基于機器學習在高度復雜的非線性和非確定性系統中的優勢，在數據集、模型建立、評價參數等多個環節采用領域知識和機理模型的引導和約束，挖掘頁巖氣井燜井時間與工程-地質參數之間的因果性形成工業級頁巖氣井燜井優化模型。

4 結論

1）燜井期間液巖相互作用對儲層兼具改造和損害作用，對儲層的改造包括微裂縫的萌生擴展和氣液滲吸置換；對儲層的損害包括固相堵塞和壓裂液侵入引起的水相圈閉。建立液巖相互作用與儲層有效孔隙結構參數之間的未知橋梁是研究燜井增產機理的關鍵。

2）目前燜井制度研究方式主要包括室內實驗、數值模擬和礦場統計3 種方式，但數值模擬仍是目前研究壓后燜井制度較為理想的方法。而頁巖非均質性強，燜井期間諸多變量相互作用，具有高度的非線性特征，難以定量表征是制約燜井制度數值模型精確度的主要原因。

3）液巖相互作用特征是多尺度應力場、物理場、化學場的綜合體現，針對目前制約頁巖相互作用研究的跨尺度和高度非線性問題，提出了基于分子動力學的有效裂縫刻畫模型和工業級人工智能頁巖氣井燜井優化模型。