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(zhì)及開發(fā)工程全國重點實驗室·西南石油大學(xué)，四川 成都 610500 2.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院，四川 成都 610500

引言

中國發(fā)育海相、海陸過渡相及陸相等3 類頁巖氣，經(jīng)過二十多年的勘探開發(fā)，中國已成為除北美之外最大的頁巖氣生產(chǎn)國[1-2]。2020 年，中國頁巖氣探明地質(zhì)儲量和年總產(chǎn)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(lián)合大型多段壓裂為主，滑溜水憑借低成本、可造復(fù)雜縫網(wǎng)和低儲層污染的優(yōu)勢深受現(xiàn)場喜愛[4-7]。在現(xiàn)場實際作業(yè)過程中，一部分頁巖氣井壓裂后關(guān)井一段時間再返排，通常產(chǎn)氣量更高、產(chǎn)水量更低[8-9]?；诖?，學(xué)者們對燜井增產(chǎn)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(jié)果從幾個小時到上百天不等，不同模型得出的結(jié)論差別在幾個數(shù)量級。一方面，不同參數(shù)對燜井增產(chǎn)效果的影響差別巨大；另一方面，目前對于燜井增產(chǎn)機理認識不夠深入，導(dǎo)致燜井制度科學(xué)性不足。

燜井過程是多尺度應(yīng)力場、物理場和化學(xué)場的綜合體現(xiàn)，儲層條件下液巖相互作用是燜井增產(chǎn)的本質(zhì)，液巖相互作用程度是制定燜井制度的關(guān)鍵?；趪鴥?nèi)外學(xué)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(jié)了液巖相互作用機理和現(xiàn)有燜井制度。本文主要從儲層的持續(xù)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(xiàn)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(jié)束后進行燜井，在高應(yīng)力差和促使巖性劣化的共同作用下實現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)生水相圈閉[18-19]，影響氣體產(chǎn)出。

1.1 液巖相互作用對儲層的持續(xù)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(shù)據(jù)，見圖1。Wolfcamp 地層的5U 井在壓裂結(jié)束后，仍監(jiān)測到一定數(shù)量的微地震數(shù)據(jù)點。針對四川盆地頁巖，國內(nèi)諸多學(xué)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(tài)、尺寸和動態(tài)演化規(guī)律（表1）。研究表明，在燜井期間有新的裂縫產(chǎn)生或促使原有裂縫繼續(xù)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(jié)束后微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)[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(fā)生水化反應(yīng)，非膨脹性礦物在水化應(yīng)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(xué)作用導(dǎo)致巖石顆粒間的膠結(jié)強度劣化，顆粒交界面被溶蝕破壞，誘發(fā)顆粒解體分散。頁巖層理結(jié)構(gòu)發(fā)育、黏土礦物定向排列的特征加劇巖性劣化，為裂縫繼續(xù)擴展延伸提供有利條件[26-27]。頁巖整體表現(xiàn)為抗拉強度顯著降低，使得裂縫尖端應(yīng)力大于地應(yīng)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(xiàn)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(fā)育而后緩慢發(fā)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(tài)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(guān)，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(jié)構(gòu)的潛力更大[26]。裂縫的復(fù)雜程度與壓裂液的性質(zhì)有關(guān)，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(fā)微細裂縫萌生擴展[31]。裂縫擴展方向與頁巖各向異性有關(guān)，頁巖水化誘發(fā)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(zhì)中，消除部分水相圈閉損害，恢復(fù)原有孔隙滲透率，使氣相流速增加[37]是燜井增產(chǎn)的又一機理。

Bertoncello 等[36]提出了一個考慮孔隙結(jié)構(gòu)的滲吸置換模型，認為頁巖儲層有機質(zhì)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(fā)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(dǎo)致水力裂縫垂向上含水飽和度呈現(xiàn)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(chǎn)量影響不大，滲透率是影響初期單井產(chǎn)量的關(guān)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(jié)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(fù)雜程度和儲層基質(zhì)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(qū)動力[46-49]。但是關(guān)于燜井期間氣液滲析置換與降低水相圈閉損害對單井產(chǎn)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(xiàn)。現(xiàn)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(xué)和反應(yīng)動力學(xué)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(chǔ)晶格頻率，s-1；

k—玻爾茲曼常數(shù)，J/K；

T—環(huán)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(huán)境介質(zhì)分子占據(jù)的概率，無因次；

E—巖石的彈性模量，GPa；

M－氣體分子的分子質(zhì)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(shù)判斷裂縫閉合狀態(tài)，如式（3）所示。針對張開裂縫，考慮裂縫尖端非奇異應(yīng)力項，分別計算裂縫尖端最大周向應(yīng)力和最大有效剪切應(yīng)力，判斷裂縫發(fā)生拉伸起裂和剪切起裂時縫內(nèi)流體壓力下限。

式中：

Bf—裂縫閉合系數(shù)，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(yīng)變，無因次；

β－裂縫傾角，（°）；

λ1—最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值，無因次；

σ1—最大水平主應(yīng)力，MPa。

韓東旭等[54]認為液巖反應(yīng)能有效改善儲層孔隙度，在嵌入式離散裂縫模型的基礎(chǔ)上進一步加入化學(xué)場，描述液巖反應(yīng)過程中儲層基質(zhì)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(xué)反應(yīng)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(zhì)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(fā)速率與氣藏壓降呈正相關(guān)關(guān)系[56-57]。蒸發(fā)作用使液相中可溶鹽析出，頁巖儲層滲流通道被鹽結(jié)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(chǎn)量快速遞減的重要手段[59]，而壓裂液自發(fā)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(chǔ)。國內(nèi)外諸多學(xué)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(fù)雜的縫網(wǎng)，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(nèi)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(xué)者研究了不同影響因素與水相圈閉損害程度之間的關(guān)系（表2），結(jié)果表明，黏土礦物含量越高，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)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(chǎn)潛力不足。且壓裂液黏度、燜井時間和生產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，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(nèi)外諸多學(xué)者提出了基于巖芯驅(qū)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(shù)、MAPTi指數(shù)、BVW、PTC 系數(shù)和PTI 指數(shù)等[78-81]，為液相對儲層的損害程度評價提供依據(jù)。但以上模型并非經(jīng)過理論推導(dǎo)而來，難以定量計算水相圈閉損害程度[70]。

此外，現(xiàn)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(yīng)，前者對儲層有效孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)具有積極作用，后者對儲層有效孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)具有消極作用，建立液巖相互作用與儲層有效孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的未知橋梁是研究燜井制度的關(guān)鍵。

圖5 燜井期間液巖相互作用機理及燜井制度優(yōu)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(biāo)，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(fā)特征為導(dǎo)向，對優(yōu)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(xiàn)場實際作業(yè)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(guān)于燜井制度的研究方式主要從3 個方面展開：1）通過室內(nèi)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(shù)值解研究壓后燜井制度。3）采用礦場數(shù)據(jù)統(tǒng)計直接建立燜井時間與產(chǎn)量之間的關(guān)系。

2.1 燜井制度優(yōu)化模型

如表1 所示，國內(nèi)外諸多學(xué)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(tài)、孔徑、比表面積和滲透率等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的動態(tài)變化，將孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)拐點時間確定為最佳燜井時間。在最佳燜井時間范圍內(nèi)，液巖相互作用一方面抵消了由應(yīng)力敏感引起的滲透率降低，另一方面促進原有孔隙-裂縫結(jié)構(gòu)擴展延伸和新微裂縫的萌生，增加巖芯裂縫復(fù)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(shù)值模型，結(jié)果表明，正確的關(guān)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(chǎn)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(shù)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(chǎn)量的差異，結(jié)果表明，壓后直接燜井初期產(chǎn)氣量先減小后增大，長期產(chǎn)氣量先增大后減小；壓后返排一段時間后再燜井則初期產(chǎn)期量增大，長期產(chǎn)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(guān)系，結(jié)果表明，燜井時間與基質(zhì)區(qū)滲透率呈負相關(guān)，與SRV 區(qū)滲透率呈正相關(guān)，與毛管力大小呈強正相關(guān)關(guān)系。

礦場統(tǒng)計方面，Yaich 等[9]通過調(diào)查研究Marcellus 區(qū)域氣井采取燜井措施前后性能的動態(tài)變化建立了歸一化壓力變化率與燜井時間的關(guān)系，如式（5）所示。結(jié)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(chǎn)30 d 平均PNR 與返排結(jié)束時PNR比值，無因次；

Vc—儲層平均黏土含量，%；

Ro—鏡質(zhì)體反射率，%；

mC—黏土結(jié)合水干燥斜率，無因次；

t′燜井時間，d；

B，C，D，E，F(xiàn)，G－模型校準常數(shù)，無因次。

Ibrahim 等[8]建立了增產(chǎn)效果與燜井時間的關(guān)系，如式（6）所示，結(jié)果表明，高含水飽和度、高壓及高成熟度儲層燜井后增產(chǎn)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(shè)，導(dǎo)致實驗結(jié)果過于理想。2）數(shù)值模型不夠完善，考慮因素各不相同，且一般以均質(zhì)地層為主，這顯然與頁巖的性質(zhì)不符[89]。此外，解析解和半解析模型求解過于復(fù)雜[65，90-91]。3）礦場總結(jié)模型泛化能力較差，擬合過程中輸入?yún)?shù)較少，輸入?yún)?shù)與燜井時間關(guān)聯(lián)性不強。但綜合各類因素考量，數(shù)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(shù)值模擬存在的問題

2.2.1 頁巖儲層相關(guān)參數(shù)非均質(zhì)性表征

Li等[92]通過真三軸壓裂實驗對頁巖壓后裂縫形態(tài)進行研究，結(jié)果表明，頁巖儲層壓后裂縫系統(tǒng)并非經(jīng)典雙翼裂縫，裂縫形態(tài)與頁巖礦物組成和孔隙結(jié)構(gòu)等因素息息相關(guān)。因此，建模過程中考慮非均質(zhì)性是必要的。目前，關(guān)于頁巖儲層非均質(zhì)性的表征主要有3 種方式：1）通過滲透率張量統(tǒng)一表征裂縫和基質(zhì)的滲透率。2）通過隨機函數(shù)的方法生成隨機裂縫模型，并通過概率分布函數(shù)隨機取樣獲得裂縫相關(guān)參數(shù)。3）采用分形維數(shù)表征地層中孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性和復(fù)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(zhì)性。但滲透率張量的獲取需要大量的裂縫產(chǎn)狀參數(shù)、幾何參數(shù)等支撐，而這些參數(shù)獲取困難，因而該方法不適用于天然裂縫發(fā)育、非均質(zhì)性較強的頁巖儲層[97]。由于在井筒附近只能觀察到該區(qū)域中裂縫網(wǎng)絡(luò)的一小部分，不可能對整個裂縫網(wǎng)絡(luò)進行確定性建模[98]，因此，國內(nèi)外諸多學(xué)者基于泊松模型[89]、截斷泊松模型[99]、多點統(tǒng)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(shù)。

上述方法雖然能獲取裂縫的相關(guān)參數(shù)，但無法判斷獲取的裂縫是否為有效裂縫[101]。此外，國內(nèi)外諸多學(xué)者對頁巖分形維數(shù)進行了研究[102-108]，為模擬孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性提供理論依據(jù)。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(wǎng)絡(luò)，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(zhì)數(shù)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(chǔ)，目前，國內(nèi)外學(xué)者對于基質(zhì)-裂縫關(guān)系簡化處理通常有3 種模型：連續(xù)介質(zhì)模型、離散裂縫模型和等效連續(xù)介質(zhì)模型（表3）?，F(xiàn)有模型的缺陷主要有以下3 點：1）未考慮實際裂縫網(wǎng)絡(luò)高度的分布隨機性，嚴重的非均質(zhì)性以及復(fù)雜的尺度多樣性。2）假設(shè)模擬初始時刻裂縫擴展達到動態(tài)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(zhì)絕對滲透率的動態(tài)變化。

表3 頁巖氣藏數(shù)值模型研究現(xiàn)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(chǎn)量的一種有效方式，且已經(jīng)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(yīng)力場、物理場、化學(xué)場的綜合體現(xiàn)，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(chǎn)效果的影響差別巨大，且大多數(shù)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(guān)系。針對上述兩個問題，提出了基于分子動力學(xué)的有效裂縫刻畫模型和工業(yè)級人工智能頁巖氣井燜井優(yōu)化模型。

3.1 基于分子動力學(xué)的有效裂縫刻畫模型

根據(jù)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(guān)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(yīng)用到燜井過程儲層有效孔隙度、有效滲透率等參數(shù)動態(tài)變化的研究之中。

為此，提出了基于分子動力學(xué)的有效裂縫刻畫模型，該模型實現(xiàn)步驟為：1）基于分子動力學(xué)對壓裂液侵入?yún)^(qū)域微觀礦物反應(yīng)進行刻畫。2）精確描述壓裂液侵入?yún)^(qū)內(nèi)的有效裂縫的生成過程。3）建立相應(yīng)的微觀力學(xué)裂縫擴展延伸準則。4）基于能量最低原理，采用數(shù)學(xué)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(xiàn)對研究區(qū)域有效裂縫網(wǎng)絡(luò)的刻畫。

3.2 工業(yè)級人工智能頁巖氣井燜井優(yōu)化模型

現(xiàn)有的頁巖氣井燜井時間優(yōu)化模型受到儲層參數(shù)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(shù)（如黏土礦物含量）影響差別巨大，而且這些參數(shù)同時具有改造和損害兩方面的影響。目前，現(xiàn)場應(yīng)用的經(jīng)驗公式僅考慮壓力、產(chǎn)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(shù)間的強非線性映射關(guān)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(zhì)-工程等多種參數(shù)之間的關(guān)系，應(yīng)建立地質(zhì)-工程燜井時間數(shù)據(jù)庫，基于機器學(xué)習(xí)在高度復(fù)雜的非線性和非確定性系統(tǒng)中的優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)集、模型建立、評價參數(shù)等多個環(huán)節(jié)采用領(lǐng)域知識和機理模型的引導(dǎo)和約束，挖掘頁巖氣井燜井時間與工程-地質(zhì)參數(shù)之間的因果性形成工業(yè)級頁巖氣井燜井優(yōu)化模型。

4 結(jié)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(jié)構(gòu)參數(shù)之間的未知橋梁是研究燜井增產(chǎn)機理的關(guān)鍵。

2）目前燜井制度研究方式主要包括室內(nèi)實驗、數(shù)值模擬和礦場統(tǒng)計3 種方式，但數(shù)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(zhì)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(shù)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(yīng)力場、物理場、化學(xué)場的綜合體現(xiàn)，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(xué)的有效裂縫刻畫模型和工業(yè)級人工智能頁巖氣井燜井優(yōu)化模型。