赵亚溥：为页岩油气储层“原位诊脉”

引言：电学研究所非线性电学国家重点试验室赵亚溥研究团队仍然坚持从事页岩油气开发运用领域的研究工作。最近，它们研制了一种“原位诊病”方法，运用页岩气储层开发过程时得到的射孔数据，对安装工程进展状况进行实时检测。该项技术早已应适于我国山西油井、长庆油井的120余口井，增产疗效明显，荣获了油井现场的高度评价。本刊特此公布介绍此项技术的文章，以飨读者。 #

为页岩油气储层“原位诊病”

杜书恒，孙富强你们或许晓得“诊脉”是西医对人体健康评估的一种有效方法，并且你据说过对岩体储层诊病吗？那就听我们讲讲吧。

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1页岩及页岩气 #

月球的表面被多种多样的岩体所覆盖着，月球岩体圈主要由三种岩体组成：火成岩、变质岩和沉积岩。其中浓度最多的为沉积岩，它又称水成岩，占覆盖地表的岩体的70%左右。风化的各类岩体颗粒经大气、水流、冰川等的搬运，到某个地点沉积，并经高压的成岩作用而渐渐产生的岩体即为沉积岩。在沧海桑田的变革中，与岩体颗粒一齐沉积出来的，也有包括动动物遗骨等所产生的有机物。很多有机物经常年的生物物理作用而产生油母质（又意译做“干酪根”）2023低风化岩石怎么判断，油母质不溶于普通的有机丙酮，但在月球内部的低温高压作用下，会分馏释放出石油或天然气2023低风化岩石怎么判断，这是现今世界的主要能源之陨石燃料。

图1含有欧盘的地下3500米页岩样品（作者采集自美国山西准安多北缘） #

页岩是沉积岩的一种，因其通常具备薄书册状或薄片层状结构而得名。页岩气就是以游离或吸附状态溶蚀于页岩储层中的天然气。它的总量很大，但开采难度高。近二三年来，因开采技术的日益成熟，富集于页岩中的油气资源得到了有效的商业开发，并在与常规能源的竞争中取得了一定的优势，因而影响世界能源格局。虽然，它直接关系到国家的能源战略安全。 #

2页岩储层特性与主要开采技术

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沉积岩因为是经悠悠时光的历史沉积而成，因此展现显著的平行分层特性，其中每一土层可大体觉得是水平延展的。储有页岩油气资源的基岩，通常称作页岩储层。我国页岩储层主要分布于云南北缘、塔里木北缘、河西门廊、鄂尔多斯北缘和松辽北缘等地区，大多潜藏在地下2000-4000米的基岩中，储层有效长度为20-200米。相比于美国的主要页岩储层而言，我国页岩储层潜藏更深。因为上覆岩体的净重大，所以也被压得更“实”，致使储层孔隙度和渗透率更低，也就是说我国页岩油气储层的空腔（在学术上选用“孔隙率”来表征）更少，货运流体的能力（在学术上选用“渗透率”来表征）更差，所以开采难度更大。同时，页岩储层处于高度复杂的受力环境之中，比如有地心的引力、地球版块的挤压等等。之外，随着潜藏深度的提高，岩体气温也随之提高。并且，储层岩体就会遭到地磁场等电磁作用。因此，页岩储层处于纷繁复杂的力、电、磁互相作用的环境之中。

图2我国主要页岩类别分布[4] #

本世纪以来，页岩气的成功商业开采主要依赖于两项技术的大规模应用，即水平井技术和水力射孔技术。水平井技术，顾名思义，就是页岩气的开采井在深层基本不变的水平方向延展。那样就满足了挖井方向与页岩储层的方向一致的要求，可以使开采井尽或许覆盖储层更多的区域。水力压裂技术，就是使用大量的（每天可达上万吨级）的低粘度射孔液，以极大浮力注入储层，目的是在页岩储层中形成为数诸多而密集、并且可以互相连缔结复杂形状的裂痕网路。虽然，必须使储层越碎越好，那样就可以摆脱页岩储层渗透率低的劣势，实现页岩气的有效开采。这么，页岩的真实破裂状况究竟怎样？是否所有页岩储层的破裂状况都一致呢？ #

3页岩储层破裂特性及安装工程辨识 #

通常而言，材料的破裂行为大体可分为两类：延性破裂和硬度脱落。他们的主要差别为：延性破裂即便发生，便会导致整块材料的全局性破裂，典型事例为防弹玻璃的碎裂，日常中的相机屏幕破碎也可归为这些；硬度破裂则是一条主要裂痕延展的局部脱落，典型事例为金属的破裂，日常中掀开包装袋的过程也可归为这些。图3给出水力油藏中岩体与流体互相作用造成破裂的示意。在页岩气开采过程中，储层的性质和油藏载荷这两个诱因就好似八极图中的四象，共同决定了后边的水力裂缝的产生与扩充状况。

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图3水力油藏中岩体与流体互相作用造成破裂的示意图（图片来源：作者描绘） #

显而易见，延性破裂更有促使页岩气的高效开采，由于可以最大程度勾通页岩孔隙。因此，延性破裂和硬度破裂并不是非此即彼的二元分类，他们之间存在着多种过渡状态。破裂特点的过渡程度也取决于材料自身性质，安装工程上称这些性质为“脆性”。因为储层的成岩过程和所处环境的不同，页岩储层延性展现着很大的差别，但是是同一储层，不同位置处页岩的性质差别也不容轻视。对页岩储层的延性进行评估，是设计射孔开采方案的重要一环，只有精准的延性评估才才能促使方案设计因地制宜、有的放矢。之外，在页岩气开采过程中还须要实时检测安装工程进展状况和储层断裂状况，便于及时调整射孔方案，保持安装工程平缓高效进行。 #

4为页岩诊病

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如前所述，安装工程的顺利进行还要对页岩储层和整体开采系统进行有效的评估。因此，对这么复杂且深层的系统进行评估，其难度不亚于确诊人体内部各个脏器的健康水平。由于因为安装工程量很大并且里面覆盖了几千米的基岩，对开采系统既不能“抽血验血”又不能“解剖观测”，所以丧失了“体内”的真实环境。这么，是否能找到有效的方式对页岩储层和开采系统进行评估呢？因此，中科院电学所赵亚溥研究团队的科研人员借鉴了西医确诊的“望闻问切”方法，将其中的“闻”与“切”两种方式结合一起应用到了页岩气开发的评估中来。

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图4为页岩原位“诊脉”的技术路线示意[3]

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你们晓得，西医中的“切”是指剖析人的心跳心跳规律。而在页岩气开发中也将所注入流体浮力随时间波动规律记载了出来，称为“施工曲线”。由于射孔液作为流体，在储层中流动时遇见岩体裂缝或天然裂痕、孔隙等时还会有相应的浮力变化。研究人员通过剖析施工曲线的变化规律，在施工曲线的特性点处获取关键信息，得到了储层岩体的硬度、断裂硬度、脆性等重要参数。这么，怎么对某些重要参数进行剖析和对比，使他们更好地服务于安装工程现场，便成了重要问题。因此，研究团队借鉴了安装工程材料界常拿来对材料性质进行迅速对比和表征的Ashby图研究方式，并于2023年将首次将这些技巧应用在地质安装工程领域。运用Ashby图方式，将从施工曲线中斩获的两个储层重要参数（岩体拉伸硬度和岩体破裂硬度）分别作为横座标和纵座标，便可以和其他储层进行纵向对比，也可以和储层自身不同时刻、不同位置的数据进行横向对比，因而找到最合适的射孔方案。这儿要非常强调的是，这些将施工曲线和Ashby图相结合的剖析方式无需将岩体样品取出，那样就防止了丧失原有储层环境条件的窘境，所斩获的参数为岩体在储层真实环境下的真数组数。这只是“原位”诊断的要义所在。同时，通常状况下即将施工之前常常还要试压，研究人员可以运用试压时的施工曲线荣获所需信息。这么荣获的真数组数将为施工方案的制订提供更为准确的信息。 #

在“切”的基础之上，中科院电学所赵亚溥研究团队的研究人员还利用了“闻”的方式。在储层射孔进行过程中，岩体的断裂常常会伴随着微水灾丑闻的发生，同时释放出弹性波（或称为微海啸波）。这些微海啸波的幅值常常较小，人们难以直接感知，但可以通过坐落地面和井下的微海啸侦测仪感知并记录。我们把这些利用仪器看到来自岩体断裂声音的方式，称之为“闻”。研究人员通过将射孔施工曲线和微水灾记录数据相结合进行剖析，发觉了有近80%左右的岩体断裂风波发生于射孔施工曲线波动的极值处与波动最猛烈处。这阐明现场的施工人员可以通过实时观测剖析施工曲线数据来得到地下几千米处储层的破裂状况，因而剖析、知晓安装工程对储层的扩建疗效怎么。那样就大大降低了现场施工和剖析反馈的周期，并且对施工方案的剖析与调整可以在施工过程中实时进行。图5是中科院电学所赵亚溥研究团队在运用它们所研制的“原位诊病”方法来研究页岩气储层开发过程时得到的三段射孔数据。在每幅图内，下方为微水灾等级的柱状图，顶部为施工曲线波动曲线。假如将下方的柱状微水灾等级数据与底部射孔施工曲线波动曲线相对应，我们就可以发觉大多数微水灾丑闻发生在施工曲线的浮力方差极值处和波动最猛烈处。那样，就验证了我们这些“原位诊病”方法的可行与牢靠。 #

图5为页岩储层原位诊病所得微海啸数据示意[3]

美国科学校电学研究所赵亚溥研究团队在多年来在研究特别规能源的高效开发和运用的实践中，基于地理电学的原理和技巧，提出并发展了一套通过理论、实验、仿真、人工智能等途径，对力场、辐射场、温度场、电场进行耦合研究的“力-能学”框架。这儿介绍的为页岩进行原位“诊脉”的研究就是“力-能学”研究框架下进行的，而且早已应适于我国山西油井、长庆油井120余口井，增产疗效明显，荣获了油井现场的高度评价。 #

参考文献 #

[1]赵亚溥.晚清连续介质电学,上海:科学出版社,2023.

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[2]Zhao,Y.P.(2022).intoandwithshaleoilandgas.China-,65,490-492. #

[3]Sun,F.,Du,S.,&Zhao,Y.P.(2022).ofin-situandin.,252,. #

[4]邹能够,董大忠,王社教,李建忠,李新景,王玉满,李登华,程克明.美国页岩气产生成因、地质特性及资源潜力.石油钻探与开发,2010,37(06):641-653.

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[5]Sun,F.,fú,W.,&Zhao,Y.P.(2023).ofafluid-crackunderin-situ.,29,.

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[6]Sun,F.,&Zhao,Y.P.(2023).:ANewofAshbyPlots.,13(11),2517.