页岩气井液岩相互作用机理与焖井制度研究进展

杨兆中，杜慧龙，易良平，2 ，李小刚，苟良杰

1.油气藏地质及开发工程全国重点实验室·西南石油大学，四川 成都 610500 2.西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500

引言

中国发育海相、海陆过渡相及陆相等3 类页岩气，经过二十多年的勘探开发，中国已成为除北美之外最大的页岩气生产国[1-2]。2020 年，中国页岩气探明地质储量和年总产气量分别突破2×1012m3和200×108m3[3]。目前，页岩气藏开采方式以水平井联合大型多段压裂为主，滑溜水凭借低成本、可造复杂缝网和低储层污染的优势深受现场喜爱[4-7]。在现场实际作业过程中，一部分页岩气井压裂后关井一段时间再返排，通常产气量更高、产水量更低[8-9]。基于此，学者们对焖井增产机理进行深入研究，取得了丰硕的成果，但仍存在诸多不足。以最佳焖井时间为例，模型结果从几个小时到上百天不等，不同模型得出的结论差别在几个数量级。一方面，不同参数对焖井增产效果的影响差别巨大；另一方面，目前对于焖井增产机理认识不够深入，导致焖井制度科学性不足。

焖井过程是多尺度应力场、物理场和化学场的综合体现，储层条件下液岩相互作用是焖井增产的本质，液岩相互作用程度是制定焖井制度的关键。基于国内外学者在页岩气井焖井期间液岩相互作用对储层的改造和损害机理、模型及影响因素等方面的研究成果，总结了液岩相互作用机理和现有焖井制度。本文主要从储层的持续改造和损害两方面阐述焖井期间液岩相互作用机理，分析现有焖井制度研究方法的缺陷，展望液岩相互作用多尺度和高度非线性特征的潜在研究方法。

1 焖井期间液岩相互作用机理

焖井期间液岩相互作用对储层兼具改造和损害作用：1）水力压裂结束后进行焖井，在高应力差和促使岩性劣化的共同作用下实现对页岩储层的长期微改造，促进微裂缝起裂延伸，扩大裂缝波及面，增大储集层改造体积[10-15]；同时，促进压裂液与储层气体的相互置换，降低主裂缝含水饱和度，起到了一定的增产效果[16]。2）焖井期间液岩相互作用使得黏土矿物水化膨胀、运移造成固相堵塞[17]；高压流体和毛管力共同作用，促使液相渗吸进入页岩储层深部，最终滞留于裂缝或空隙之中，产生水相圈闭[18-19]，影响气体产出。

1.1 液岩相互作用对储层的持续改造

1.1.1 微裂缝扩展延伸

Stegent 等[20]采集了Permian 盆地下部和中部Wolfcamp 地层400 多个微地震数据，见图1。Wolfcamp 地层的5U 井在压裂结束后，仍监测到一定数量的微地震数据点。针对四川盆地页岩，国内诸多学者在常温常压或围压条件下采用端面自吸或浸泡实验研究了[21-26]宏观裂缝、纳微米级孔隙的形态、尺寸和动态演化规律（表1）。研究表明，在焖井期间有新的裂缝产生或促使原有裂缝继续扩展延伸。

表1 实验室实验方法Tab.1 Laboratory experiment methods

图1 Wolfcamp 地层5U 井压裂施工及结束后微地震监测数据[20]Fig.1 Microseismic monitoring data of Well 5U in Wolfcamp Formation during fracturing construction and after completion

焖井期间以微裂缝的萌生扩展为主，压裂液侵入页岩储层发生水化反应，非膨胀性矿物在水化应力的作用下被压缩，膨胀性矿物随水化时间的增加体积增大，页岩与流体之间的物理化学作用导致岩石颗粒间的胶结强度劣化，颗粒交界面被溶蚀破坏，诱发颗粒解体分散。页岩层理结构发育、黏土矿物定向排列的特征加剧岩性劣化，为裂缝继续扩展延伸提供有利条件[26-27]。页岩整体表现为抗拉强度显著降低，使得裂缝尖端应力大于地应力和岩石强度的合力，进一步促进裂缝扩展延伸[27-30]。

焖井期间裂缝扩展总体呈现为两个阶段：1）微观尺度裂缝的萌生扩展。2）宏观尺度裂缝的起裂或扩展。焖井期间微裂缝具有先快速发育而后缓慢发育的扩展特征，如图2 所示。

图2 实验室条件下裂缝扩展延伸动态演化过程[21，34]Fig.2 Dynamic evolution process of fracture propagation and extension under laboratory conditions

此外，微裂缝扩展延伸程度与黏土矿物组成密切相关，伊利石和蒙脱石含量是影响裂缝扩展延伸的主要因素，蒙脱石改善孔隙结构的潜力更大[26]。裂缝的复杂程度与压裂液的性质有关，研究表明，相比于滑溜水，清水与页岩相互作用不仅能够促使原始裂缝延伸，而且还有可能诱发微细裂缝萌生扩展[31]。裂缝扩展方向与页岩各向异性有关，页岩水化诱发的微裂缝以顺层裂缝为主[23，32-35]。

1.1.2 气液渗吸置换

焖井期间，孔隙中以液滴状存在的压裂液“置换”其中的气体[36]和压裂液渗析进入更深的孔隙或基质中，消除部分水相圈闭损害，恢复原有孔隙渗透率，使气相流速增加[37]是焖井增产的又一机理。

Bertoncello 等[36]提出了一个考虑孔隙结构的渗吸置换模型，认为页岩储层有机质连通孔隙是渗析置换的主要通道，无机黏土中的小孔隙是储存压裂液的主要场所。焖井期间，较大的有机孔隙中高压压裂液会自发渗析到较小的水湿孔隙中，置换出小孔隙中的气体（图3a～图3e）。导致水力裂缝垂向上含水饱和度呈现先迅速下降，然后缓慢下降的分布趋势，而裂缝气相相对渗透率则随含水饱和度的降低而增大[38-40]，见图3f 和图3g。

图3 焖井期间气液置换过程及裂缝含水饱和度分布[36，38]Fig.3 Gas liquid replacement process during soaking and water saturation distribution of shale fractures

Shen 等[24]研究表明，孔隙度对单井初期产量影响不大，渗透率是影响初期单井产量的关键。因此，随焖井时间的增加，气液渗析置换可以减弱水相圈闭损害，促进气相渗流通道的建立，而目前尚未报道有利于渗吸置换的压裂液配方的研究。此外，岩芯尺度的物理模拟实验结果证明储集层焖井期间具有渗吸置换的潜力[41]，渗流通道的复杂程度和储层基质的润湿性是影响气液渗吸置换效果的重要因素[37，42-45]，毛管压力是气液渗吸置换的主要驱动力[46-49]。但是关于焖井期间气液渗析置换与降低水相圈闭损害对单井产量的贡献值仍不清楚，仍需深入研究。

1.1.3 液岩相互作用对储层的改造模型

微裂缝扩展延伸和气液渗吸置换是是液岩相互作用对储层改造的有利表现。现有研究在宏观裂缝扩展方面相对成熟，微裂缝萌生和扩展的精细研究相对较少，气液渗吸置换定量表征相对缺乏。Pollet等[50]、Lawn[51]和Maugis[52]基于热力学和反应动力学原理，共同建立了亚临界条件下裂缝尖端的扩展速率模型。该理论将焖井期间微裂缝的扩展描述为裂缝亚临界扩展的初始阶段和裂缝扩展进入阶段，见式（1）和式（2）。

式中：

uI—亚临界扩展初始阶段时的裂缝扩展速率，m/s；

α0—原子间的晶格间距，m；

v0—基础晶格频率，s-1；

k—玻尔兹曼常数，J/K；

T—环境温度，K；

αI—活化面积，m2；

GM—机械能释放率，J/m2；

GE—裂缝扩展阻力，N/m。

式中：

uII—裂缝扩展进入阶段时的裂缝扩展速率，m/s；

a0—裂缝尖端位置吸附间距，m；

pE—气体分子的分压，MPa；

η—吸附位置被环境介质分子占据的概率，无因次；

E—岩石的弹性模量，GPa；

M－气体分子的分子质量，g/mol；

l—气体的平均分子自由程，m。

韩慧芬等[53]采用裂缝闭合系数判断裂缝闭合状态，如式（3）所示。针对张开裂缝，考虑裂缝尖端非奇异应力项，分别计算裂缝尖端最大周向应力和最大有效剪切应力，判断裂缝发生拉伸起裂和剪切起裂时缝内流体压力下限。

式中：

Bf—裂缝闭合系数，无因次；

G－岩石的剪切模量，MPa；

λ2—裂缝短轴半长与长轴半长的比值，无因次；

κ－平面应变，无因次；

β－裂缝倾角，（°）；

λ1—最大水平主应力与垂直应力的比值，无因次；

σ1—最大水平主应力，MPa。

韩东旭等[54]认为液岩反应能有效改善储层孔隙度，在嵌入式离散裂缝模型的基础上进一步加入化学场，描述液岩反应过程中储层基质和裂缝的孔隙度变化

式中：

ϕ—孔隙度，无因次；

t—时间，s；

ϕ0—储层初始时刻孔隙度，无因次；

rn—化学反应率，mol（/kg·s）；

ρf—压裂液密度，kg/m3；

ρs—矿物密度，kg/m3；

Ms—矿物摩尔质量，kg/mol。

1.2 液岩相互作用对储层的损害

1.2.1 固相堵塞

焖井期间压裂液渗吸进入储层造成页岩水化膨胀，微粒运移[17]，而页岩储层压裂后的渗流通道以微米级裂缝为主，与固相粒度处于同一量级，潜在固相损害严重[55]。此外，滞留于储层中的高矿化度压裂液的液相蒸发速率与气藏压降呈正相关关系[56-57]。蒸发作用使液相中可溶盐析出，页岩储层渗流通道被盐结晶充填，岩样绝对渗透率降低[58]。

1.2.2 压裂液侵入引起的水相圈闭

目前，水相圈闭损害评价已成为分析页岩气藏储层伤害程度、产量快速递减的重要手段[59]，而压裂液自发渗吸和滞留是造成水相圈闭的主要原因[60-61]。因此，深入研究水相圈闭损害是正确认识和有效防控水相圈闭的基础。国内外诸多学者的研究表明，页岩气井压后压裂液分布位置主要有3 种：1）由于页岩巨大的毛细管力（部分页岩储层毛管力超过50 MPa[62]）使得压裂液被吸入更深的部位[48，63-64]。2）页岩气井压裂后形成复杂的缝网，压裂液吸附于次级裂缝壁面或充填裂缝[65-68]。3）焖井期间，缝内流体压力下降，次级裂缝以及部分开启的天然裂缝闭合，压裂液滞留其中[62，69]。其中，前两种是造成水相圈闭的主要原因，见图4。

图4 压裂液滞留位置图[70]Fig.4 Fracturing fluid retention location diagram

诸多学者研究了不同影响因素与水相圈闭损害程度之间的关系（表2），结果表明，黏土矿物含量越高，孔隙结构越复杂，渗透率越小，孔隙度越小，含水饱和度越高的亲水性储层潜在水相圈闭损害越严重，即这类储层焖井增产潜力不足。且压裂液黏度、焖井时间和生产压差等工程因素也会造成水相圈闭损害。但纵观以上研究发现，大多研究停留在定性分析的层面，难以针对具体储层做出定量判断。

表2 水相圈闭损害影响因素Tab.2 Influencing factors of water trapping damage

1.2.3 液岩相互作用对储层的损害模型

国内外诸多学者提出了基于岩芯驱替实验的水相圈闭损害评价方法，包括：渗透率损害率、APTi指数、MAPTi指数、BVW、PTC 系数和PTI 指数等[78-81]，为液相对储层的损害程度评价提供依据。但以上模型并非经过理论推导而来，难以定量计算水相圈闭损害程度[70]。

此外，现有模型没有考虑页岩气跨尺度、多种传递过程中水相圈闭损害的多尺度性[82]，也没有考虑液岩相互作用过程中相渗曲线的变化，在模拟过程中使用同一个相渗曲线，这显然是不合理的。

1.3 焖井期间液岩相互作用机理

综合上述研究成果，如图5 所示，液岩相互作用对储层兼具改造和损害作用，且具有强时间效应，前者对储层有效孔隙结构参数具有积极作用，后者对储层有效孔隙结构参数具有消极作用，建立液岩相互作用与储层有效孔隙结构参数之间的未知桥梁是研究焖井制度的关键。

图5 焖井期间液岩相互作用机理及焖井制度优化模式Fig.5 Mechanism of liquid-rock interaction during well soaking and optimization mode of soaking system

此外，以尽可能地增大对储层的改造，避免对储层的损害为目标，以微裂缝萌生扩展、气液渗析置换、固相堵塞和水相圈闭诱发特征为导向，对优化焖井制度具有重要启示意义。

2 页岩气藏焖井制度研究进展

对页岩相互作用机理的分析表明，焖井措施具备一定的改善气井性能的潜力，且在现场实际作业过程中，焖井亦不可避免。因此，进行焖井制度的研究是十分必要的。目前关于焖井制度的研究方式主要从3 个方面展开：1）通过室内岩芯渗析实验研究页岩最佳水化时间。2）建立渗流微分方程，采用解析解、半解析解或数值解研究压后焖井制度。3）采用矿场数据统计直接建立焖井时间与产量之间的关系。

2.1 焖井制度优化模型

如表1 所示，国内外诸多学者在常温常压或高温高压条件下通过岩芯端面自吸或浸泡实验，研究了页岩岩芯颗粒形态、孔径、比表面积和渗透率等孔隙结构参数的动态变化，将孔隙结构参数拐点时间确定为最佳焖井时间。在最佳焖井时间范围内，液岩相互作用一方面抵消了由应力敏感引起的渗透率降低，另一方面促进原有孔隙-裂缝结构扩展延伸和新微裂缝的萌生，增加岩芯裂缝复杂程度和改善孔隙-裂缝其连通性，岩芯渗透率增大[83-84]。

Wijaya 等[85]建立一维岩芯数值模型，结果表明，正确的关井时机能够减轻对储层的伤害，对于干燥岩芯，压后返排一段时间后再焖井能有效缓解水相圈闭损害，生产后期具有更高的气相相对渗透率。Zhang 等[38]建立了三维单孔数值模型，分析了压后立即焖井和压后返排一段时间再焖井两种情况下返排率和产量的差异，结果表明，压后直接焖井初期产气量先减小后增大，长期产气量先增大后减小；压后返排一段时间后再焖井则初期产期量增大，长期产气量减小。张相春等[86]建立两相渗流模型研究了不同因素与焖井时间的关系，结果表明，焖井时间与基质区渗透率呈负相关，与SRV 区渗透率呈正相关，与毛管力大小呈强正相关关系。

矿场统计方面，Yaich 等[9]通过调查研究Marcellus 区域气井采取焖井措施前后性能的动态变化建立了归一化压力变化率与焖井时间的关系，如式（5）所示。结果表明，焖井能够显著改善井的性能，且黏土含量较低和干酪根成熟度较高的储层具有更大的改善潜力。

式中：RM—生产30 d 平均PNR 与返排结束时PNR比值，无因次；

Vc—储层平均黏土含量，%；

Ro—镜质体反射率，%；

mC—黏土结合水干燥斜率，无因次；

t′焖井时间，d；

B，C，D，E，F，G－模型校准常数，无因次。

Ibrahim 等[8]建立了增产效果与焖井时间的关系，如式（6）所示，结果表明，高含水饱和度、高压及高成熟度储层焖井后增产潜力高，低含水饱和度储层则不适合采取焖井措施。

式中：Rr—焖井后与焖井前采收率比值，无因次；

Swi—初始含水饱和度，%；

Tr—地层水与压裂液矿化度比值，无因次；

γg—天然气相对密度，无因次；

dpG—地层压力梯度与静液柱压力梯度比值，无因次；

ttick—气体突破时间，d。

对上述研究方式分析可知：1）实验室条件与真实地层条件相差甚远[87-89]，且研究人员大多基于单因素分析，并采取一些简化和假设，导致实验结果过于理想。2）数值模型不够完善，考虑因素各不相同，且一般以均质地层为主，这显然与页岩的性质不符[89]。此外，解析解和半解析模型求解过于复杂[65，90-91]。3）矿场总结模型泛化能力较差，拟合过程中输入参数较少，输入参数与焖井时间关联性不强。但综合各类因素考量，数值模拟仍是目前研究压后焖井制度较为理想的方法。

2.2 数值模拟存在的问题

2.2.1 页岩储层相关参数非均质性表征

Li等[92]通过真三轴压裂实验对页岩压后裂缝形态进行研究，结果表明，页岩储层压后裂缝系统并非经典双翼裂缝，裂缝形态与页岩矿物组成和孔隙结构等因素息息相关。因此，建模过程中考虑非均质性是必要的。目前，关于页岩储层非均质性的表征主要有3 种方式：1）通过渗透率张量统一表征裂缝和基质的渗透率。2）通过随机函数的方法生成随机裂缝模型，并通过概率分布函数随机取样获得裂缝相关参数。3）采用分形维数表征地层中孔隙结构的非均质性和复杂程度。

Snow 等[93]为解决渗透率各向异性问题提出渗透率张量理论，之后，刘嘉等[94-96]采用渗透率张量表征页岩非均质性。但渗透率张量的获取需要大量的裂缝产状参数、几何参数等支撑，而这些参数获取困难，因而该方法不适用于天然裂缝发育、非均质性较强的页岩储层[97]。由于在井筒附近只能观察到该区域中裂缝网络的一小部分，不可能对整个裂缝网络进行确定性建模[98]，因此，国内外诸多学者基于泊松模型[89]、截断泊松模型[99]、多点统计模型[100]等方法获取裂缝的长度、方位、开度、密度、倾角等参数。

上述方法虽然能获取裂缝的相关参数，但无法判断获取的裂缝是否为有效裂缝[101]。此外，国内外诸多学者对页岩分形维数进行了研究[102-108]，为模拟孔隙结构的非均质性提供理论依据。游先勇[95]基于分形离散裂缝法，采用倍增串级的方法来生成天然裂缝网络，从而更真实地刻画出地层中裂缝的分布特征。

2.2.2 页岩气藏裂缝-基质数值模型

页岩气藏模型的建立是研究页岩气井焖井制度的基础，目前，国内外学者对于基质-裂缝关系简化处理通常有3 种模型：连续介质模型、离散裂缝模型和等效连续介质模型（表3）。现有模型的缺陷主要有以下3 点：1）未考虑实际裂缝网络高度的分布随机性，严重的非均质性以及复杂的尺度多样性。2）假设模拟初始时刻裂缝扩展达到动态平衡，未考虑焖井期间裂缝的扩展延伸。3）焖井前后使用同一个相渗曲线，未考虑由于液岩相互作用造成的裂缝、基质绝对渗透率的动态变化。

表3 页岩气藏数值模型研究现状Tab.3 Research status of numerical models for shale gas reservoirs

3 展望

焖井是提高页岩气井产量的一种有效方式，且已经在一些页岩气藏中获得成功。但液岩相互作用特征是多尺度应力场、物理场、化学场的综合体现，目前主要有两大问题制约液岩相互作用研究：1）微观研究与宏观研究各自形成了独特的研究体系和方法，但跨越微观和宏观的桥梁仍未建立。2）液岩相互作用影响因素众多，不同因素对焖井增产效果的影响差别巨大，且大多数兼具积极和消极两方面的影响，难以建立直接的线性映射关系。针对上述两个问题，提出了基于分子动力学的有效裂缝刻画模型和工业级人工智能页岩气井焖井优化模型。

3.1 基于分子动力学的有效裂缝刻画模型

根据前文所述焖井期间液岩相互作用机理可知，页岩矿物组成是影响液岩相互作用程度主要因素，而伊利石和蒙脱石在液岩相互作用过程中的压缩和膨胀过程直接造成了页岩储层孔隙度和渗透率的变化。目前，虽然有很多关于微观视域下蒙脱石水化膨胀和收缩的研究[122-124]，但是并未将液岩相互作用过程中伊利石和蒙脱石等矿物成分的收缩和膨胀应用到焖井过程储层有效孔隙度、有效渗透率等参数动态变化的研究之中。

为此，提出了基于分子动力学的有效裂缝刻画模型，该模型实现步骤为：1）基于分子动力学对压裂液侵入区域微观矿物反应进行刻画。2）精确描述压裂液侵入区内的有效裂缝的生成过程。3）建立相应的微观力学裂缝扩展延伸准则。4）基于能量最低原理，采用数学方法，进一步将微观扩展至宏观裂缝扩展延伸准则，最终实现对研究区域有效裂缝网络的刻画。

3.2 工业级人工智能页岩气井焖井优化模型

现有的页岩气井焖井时间优化模型受到储层参数的多变量和非对称性以及流体流动的高度非线性的限制，存在两方面难题：1）计算量庞大求解困难。2）建立的模型过于理想，无法满足工程的实际需求，且不同参数（如黏土矿物含量）影响差别巨大，而且这些参数同时具有改造和损害两方面的影响。目前，现场应用的经验公式仅考虑压力、产量对焖井时间的影响，不足以精确捕捉焖井时间和模型参数间的强非线性映射关系，模型泛化能力较差。为有效捕捉页岩气井的焖井时间与地质-工程等多种参数之间的关系，应建立地质-工程焖井时间数据库，基于机器学习在高度复杂的非线性和非确定性系统中的优势，在数据集、模型建立、评价参数等多个环节采用领域知识和机理模型的引导和约束，挖掘页岩气井焖井时间与工程-地质参数之间的因果性形成工业级页岩气井焖井优化模型。

4 结论

1）焖井期间液岩相互作用对储层兼具改造和损害作用，对储层的改造包括微裂缝的萌生扩展和气液渗吸置换；对储层的损害包括固相堵塞和压裂液侵入引起的水相圈闭。建立液岩相互作用与储层有效孔隙结构参数之间的未知桥梁是研究焖井增产机理的关键。

2）目前焖井制度研究方式主要包括室内实验、数值模拟和矿场统计3 种方式，但数值模拟仍是目前研究压后焖井制度较为理想的方法。而页岩非均质性强，焖井期间诸多变量相互作用，具有高度的非线性特征，难以定量表征是制约焖井制度数值模型精确度的主要原因。

3）液岩相互作用特征是多尺度应力场、物理场、化学场的综合体现，针对目前制约页岩相互作用研究的跨尺度和高度非线性问题，提出了基于分子动力学的有效裂缝刻画模型和工业级人工智能页岩气井焖井优化模型。