第1章绪论
2005年至2019年北美非常规页岩油气革命的接续成功，促使美国于2019年实现能源*立，一跃成为全球*大的石油和天然气供应国。这一变革标志着世界能源中心发生重大变化，深刻改变着全球能源供求格局，弱化了石油输出国组织的作用，增加了全球能源价格的不确定性。以长水平井钻井和水平井分段体积压裂为核心的工程技术跨越性进步，促进全球页岩油气勘探开发的快速发展，油气勘探开发进入了非常规时代。以思维观念理论变革、水平井钻井和体积压裂工程技术革命和市场化专业化工厂化项目管理革命为核心的北美页岩油气革命，推动了我国非常规油气勘探开发技术的持续进步和市场变革，驱动着我国非常规天然气产量快速增长。“十三五”期间，我国不断加大非常规天然气开发力度，产量从2015年的109亿立方米增长至2020年的318亿立方米，增长192%，复合年均增长率达24%。从结构上来看，我国非常规天然气产量占比从8.06%增长至16.52%，其中页岩气表现亮眼，产量占比从2015年的3.41%增长至2020年的10.6%，2023年全国页岩气产量达250亿立方米。“十四五”及“十五五”期间，我国页岩气产业将加快发展，有望在2030年实现页岩气产量500亿立方米以上。
1.1页岩气储层的人造气藏
页岩气，是指蕴藏于富含有机质页岩中的天然气资源，主要成分是甲烷气，属于低碳清洁、高效的能源资源和化工原料。页岩气本质上是源岩内的“自生自储”非常规富集成藏，局部存在近距离的微运移聚集成藏，属于页岩地层型连续性气藏，以吸附态和游离态两种主要形式赋存于页岩储集空间。
页岩气储层，具有*特的微纳米级孔隙储集空间结构，富气甜点受沉积岩性矿物、微裂缝、孔隙结构和地应力等主要因素控制而突显显著的非均质性。鉴于此，页岩内的烃类气体流动除传统储层常见的渗流之外，还存在吸附气明显降压下的规模性气体解吸、气体扩散及滑脱效应，由此显著区别于致密砂岩气藏储层。特别是大规模体积压裂过程中新产生的人造裂缝与页岩基质的微纳米孔隙间可能导致渗吸作用存在（包括气液置换现象）。页岩气储层特殊的储集孔隙空间结构特征和气体赋存方式，预示着页岩气井在正常的地质条件下通常无自然产能，只有通过体积压裂改造形成复杂缝网的人造裂缝型气藏才会有页岩气的高产能。因此，深入理解和研究页岩储层气体流动机理对有效开发和利用页岩气资源具有重要意义。
页岩气地层中，微小的孔隙和可能存在的天然裂缝构成了气体的存储空间。这些孔隙和裂缝中，气体主要以游离气和吸附气的形式存在，形成了孔隙（天然裂缝空间）压力。除此之外孔隙空间中还分布着不溶于碱、非氧化性酸和非极性有机溶剂的分散干酪根，气体分子依靠吸附的机理吸附在干酪根的表面，这类气体就是吸附气；值得注意的是在干酪根的内部，也有另一部分气体分子存在，这部分气体被称为溶解气，即以溶解在干酪根内部的形式存在的气体。图1.1展示了在页岩气地层中气体存储的三种形式。
图1.1页岩气地层气体储存机理
页岩气以甲烷气为主，甲烷分子直径为0.4nm。基于*简单的过成熟干气型页岩孔隙模型，理论上无水页岩*窄的甲烷分子流动通径，要大于甲烷分子直径的3.75倍（即
1.5nm）。若考虑吸附的电荷引力、扩散浓度、摩擦阻力、滑脱效应等因素，能畅通渗流的游离态甲烷需要的孔隙通径要大得多。所以，游离气存储在
孔径相对较大和连通性微孔隙/裂缝的孔隙空间中，气体分子填充了孔隙空间，造成了孔隙压力的存在。当某个孔隙和周围空间的孔隙连通，且存在压力梯度的时候，游离气将会在压力梯度的作用下进行孔隙介质渗流。由于是连续孔隙介质流动，其渗流特征大体遵循达西定律，但又因其孔隙尺度较小，因此在页岩地层中的孔隙渗流展现出*特的特点。
按照流体流动的尺度划分，大可有以下五个级别的尺度：宏观尺度、细观尺度、微观尺度、纳米级尺度和分子运动尺度（图1.2）。宏观尺度一般用于描述气藏范围内的流体流动状况，对流体运动机理一般处理为理想的达西流动；细观尺度一般用于描述孔隙之间和裂缝内部等渗流介质内的流体流动状态；微观尺度主要用于描述微孔隙、微小裂缝之间和内部的流体流动；纳米级尺度用于描述纳米级孔隙内部的流体流动；分子运动尺度用于描述分子运动的过程，运动
机理有别于孔隙介质的渗流。总体来讲，页岩气在地下储层
图1.2流体流动机理尺度划分
中的流动机理横跨多个尺度。与常规气藏的地下流动机理不同，页岩气地下流动机理需要认真考虑小尺度的流动，尤其是微观尺度、纳米级尺度和分子运动尺度下的气体运移机理。
吸附是页岩气地层存储气体的重要机理。在世界某些页岩气区块的储量评价中，得出的较高储量数值中，有相当一部分的地下储量来自吸附气。吸附气在总储量中的比例在不同的区块有所不同，其浮动范围较大。页岩气地层中的吸附气主要依靠孔隙压力吸附在干酪根的表面。当压力发生变化时，单位质量岩体能够吸附的气体分子总量是变化的。用于评价岩石吸附气总量和压力的关系有很多，而朗缪尔（Langmuir）模型应用*广泛。此外，还有亨利型等温吸附模型以及弗罗因德利希（Freundlich）等温吸附模型。图1.3显示了一条典型的朗缪尔等温吸附*线。
图1.3朗缪尔等温吸附*线示例图
扩散作用也是页岩气地层中气体运移的一个重要机理，而扩散作用依赖的动力不是压力梯度而是浓度梯度。干酪根中的溶解气分子浓度要大于孔隙空间的游离气分子浓度，也大于干酪根表面的吸附气分子浓度。所以依靠浓度差异，干酪根内部的溶解气分子有向气体分子浓度较低的表面扩散的趋势。
页岩气地层中气体流动的特征除了在机理上与其他非常规储层不同，还有一些其他的特征。比如，在页岩气地层中，微观孔隙空间的尺度一般比较小，甚至可以达到纳米级。而这种微小的孔隙喉道半径与气体分子的自由程量级相当，所以气体分子在流动的时候很有可能失去黏性流动的特征，而更带有分子运动的色彩。换句话说，气体分子在流动的过程中，在孔隙表面气体分子的运动速度并不一定为零，这就是气体的滑脱效应。
页岩储层的纳米级孔隙结构特征决定了页岩气井无自然产能，从而页岩气井需要进行储层压裂改造构建形成人造裂缝型气藏才能获得满足工业生产要求的产量，为此页岩气藏开采也被称为“人造气藏”，绝大部分具有工业开采价值的页岩气井为多级压裂水平井，所以，裂缝对页岩气井的产能具有决定性的意义。页岩层的矿物组成、地应力场及天然裂缝发育及分布情况往往比较复杂，压裂改造后与水平页岩气井相沟通的裂缝形态也纷繁复杂（图1.4）。裂缝的规模和展布形态不仅仅决定了页岩气从基质向井筒流动的通路形态，而且决定了页岩气井改造页岩体积的大小，进而间接地决定了单井控制的可采储量及产能，结果是没有完全相同的页岩气生产井，只有形似神异的人造页岩气“一井一藏”。除此之外，裂缝的导流能力也是决定产能的重要因素。在较复杂的裂缝形态中，主裂缝和裂缝分支的导流能力有所不同，即使在主缝内部，裂缝导流能力也有可能随时间和空间发生变化。
图1.4几种页岩气井裂缝形态
1.2页岩气压排采一体化实时监测评价与动态优化
页岩气藏属于以水力压裂为主的储层改造“人造气藏”，通常没有自然产能和工业产能，因此其地层原始参数（尤其是渗透率及孔隙度）对页岩气勘探开发似乎变得无关紧要（本质上却决定着页岩气基质的资源蕴藏富裕程度）。储层压裂成为页岩气开发提高单井产能的核心工程，压后形成的储层改造体积（stimulated reservoir volume，SRV）区域，以及SRV区域内的渗透率、孔隙度、裂缝规模和平均压力等人造页岩气藏参数变成了页岩气开发的“原始指纹”，成为优化页岩闷井时间、科学设计排采制度的关键。
页岩气开发的人造裂缝成藏过程是一个涉及多尺度孔隙/裂缝（启裂、扩展与闭合）、岩石力学与缝网启生成消、人造缝的支撑与应力敏感变化、高温高压多组分混合气体、压裂液的多相流体，以及渗流、解吸/吸附、扩散、渗吸与滑脱的复杂机理问题；其流动路径又涉及地层、裂缝、水平管流、垂直管流、水嘴节流及地面管线等多种复杂区域；其开采生命周期历程包括压裂、闷井、返排、生产多个环节。因此，可以说页岩气人造裂缝成藏与开采生产全生命周期，涉及四大宏观基础力学理论，即固体力学（裂缝启裂与扩展及应力敏感闭合）、爆炸力学（多簇射孔）、流体力学（多相流管流渗流和非线性流）及热力学（气体与井筒温度梯度及低温压裂液进入高温地层）。因此，要实现页岩气的经济高效开采，需要基于四大力学的系列大型计算软件来监测支撑和动态评价工程实施的效果。正是这些计算工具的缺乏，目前实际开发的页岩气井压后评价及闷井时间、排采制度等一般都是专家借鉴常规气藏相关标准，并结合其他页岩气井（或国外页岩气井）的开采经验给出定性的指导，这些定性的结论无法给出页岩气开发中动态储量、气井无阻流量等核心参数的数值。因缺少SRV渗透率、压力等参数也无法进行产能预测，难以对页岩气开发进行精准优化与指导，也就出现目前普遍存在的同平台内单井产能产量迥然不同的现象。
众所周知，流体产量与地层压力是油气开发的核心和效益的来源，油气开发无论哪一种措施都围绕这两个参数，即要实现产量的*大化，且保持地层足够高压力的前提下，流量及压力也是*重要的动态参数。页岩气开采整个过程都伴随着压力及流量这两个动态参数，在压裂改造、压后闷井、返排测试、生产排采中不仅有流动产生的高能压力，也存在高能的波动压力。我们分析认为，这些压力高频变动应该体现了人造页岩气藏的本质变化规律，由此大胆推断出，如果能够精细精准地连续采集相关信息、实现大数据实时处理解释，就可以动态评估人造气藏的变化特征，及时就提质增效的目标提出工程实施上可优化设计和调整实施的意见，这应是气藏监测技术“无中生有”的重大突破点和研究方向。
有鉴于此，按照“实时监测、智能处理、动态评估、预警优化”全链条一体化的工作观念和“研制仪器设备→现场监测采集作业→大数据处理解释”系统化的工程思维，为准确捕捉波动压力及流动压力的变化规律，我们敢为人先创新地提出研制开发出一种与人造裂缝型页岩气藏相适应的压排采一体化高频压力监测动态评价技术构想。拟设计的监测评价技术构成和路径，框架是：①基于爆炸力学原理研制能记录人造油气藏变化信息的高频压力计（研制设备利剑）；②通过在现场井口安装高频压力计对页岩气开发的压裂、闷井、返排、生产全过程的高精度监测（现场有硬通抓手保障）；③研发与其相关的压力数据反演、人造油气藏变化的评估与制度优化及产能预测等系列大型数值计算软件（定量解释评价有智能化的软件平台）。
基于上述思路设想和技术路径，通过系统研发、研制设备、开发软件、技术提升和现场试验应用，创新形成了基于人造裂缝型页岩气藏压排采一体化高频压力连续监测大数据的气藏动态评价及优化调整技术，核心是高频压力计研发、大数据智能分析及优化云计算解释。主要功能有：
（1）采集及传输设备：在井口安装高频压力计，连接数据采集系统，同时通过云端与高性能计算服务器相连接。采用高频不仅可以测量压力，而且可以监测压裂泵注液体和返排生产中的波动信号。
（2）压裂效果评价：通过去噪、滤波等将测试的压力分解为波动压力及渗流压力；通过对波动压力倒谱分析及渗流压力反演，获得如下参数。
（3）压后闷井时间优化：通过闷井*线拟合分析、流动段分析、流态分析及数值模拟，获得如下参数：①SRV区域变化情况；裂缝闭合（裂缝半长变化、SRV区域渗透率变化、闭合时间及闭合压力）；②依据上述计算参数确定*佳闷井时间。
（4）生产排采制度动态优化：采用压力折算、生产数据分析及产能预测软件确定：
①动态储量、气井无阻流量、裂缝闭合及渗透率变化等；②产能预测、气井配产及气嘴直径优化等；③气举、连续油管设计等。
通过在湖北宜昌远安页岩气探区、昭通***页岩气示范区和渝西大安深层页岩气田等的矿场试
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