页岩气水平井断裂网络暂态流动模型及非均质效应分析

致密岩气的重要性

未来世界大部分天然气可能来自那些看起来几乎不透水的岩层。在中国和其他地区，埋藏在数千米地下的页岩地层蕴藏着巨量天然气，但它被封存于致密岩石和极细微的裂缝中。工程师通过水力压裂构建复杂的断裂网络以释放气体，然而预测一口井在多年或数十年内的产量仍然很困难。本研究旨在应对这一挑战：通过建立一个详尽的数学模型来描述气体在这些断裂网络及周围岩石中的流动，并用两口页岩气井的实际产量数据对模型进行检验。

透视破裂的气藏

水力压裂后的水平页岩井并不像均质岩石中的简单管道那样工作。相反存在多级体系：与井筒直接连通的高导流性压裂缝、由许多较小裂缝和受形变影响的岩石构成的刺激储层体（SRV），以及更远处未受刺激的基质岩。气体最初以游离气体存在于微小孔隙中，并吸附在有机质上。随着压力下降，吸附气释放并从致密基质进入较小的自然裂缝，再进入较大的压裂缝，最终到达井筒。作者构建了一个分别表示这些区域但彼此耦合的流动模型，以便追踪压力和气体流动随时间的演化。

建立能反映真实复杂性的模型

早期模型常将刺激区域和裂缝视为具有均一属性，这掩盖了现场观测中常见的复杂现实。实际中，裂缝通道在传输气体能力上差异很大：支撑剂分布不均、有些裂缝段发生闭合或收窄，压力变化也会使裂缝受挤压而关合。为捕捉这些特征，研究者允许沿裂缝和SRV内的渗透率连续变化，而不是赋予单一常数值。他们利用先进的数学工具——包括伪压、受力敏感的渗透率项和微扰方法——以获得仍能高效计算的解析解。结果是一种“多尺度、多区带”的描述，能够再现压力波传播的细节以及产量随时间的衰减特征。

什么决定了岩石被排采的距离

有了模型，研究组探索了哪些岩性与裂缝属性对长期产量最关键。他们发现，致密基质的渗透率——即远离主裂缝网络的背景页岩——是影响压力能够传及多远和最终可排采气量的关键控制因素。较高的基质渗透率使压力变化传播更远，提高有效排采距离并维持产量。SRV内的渗透率也很重要：较高值扩大了排采面积，而非常低的SRV渗透率会延迟基质流的启动并缩小最终被排采区域。相比之下，仅仅将裂缝延长到很长带来的是边际收益递减；超过某一长度后，增加裂缝长度对能够贡献气体的储层体积影响甚微。

损伤与不均匀裂缝如何重塑产出

研究还考察了沿压裂缝的“损伤”以及SRV中不均匀性质如何改变产量曲线。如果井口附近的裂缝被阻塞（“根区损伤”），初期产率将大幅下降，因为通往井筒的流动从一开始就受限。如果损伤主要发生在裂缝尖端，早期产量看起来相对健康，但随后更快衰减，因为远处岩层的连通性较差。同样地，SRV中缓慢变化的渗透率表现得类似于均质介质，但渗透率的急剧下降会在中后期产量上产生明显损失。这些结果表明，保护井筒附近的裂缝导流能力并避免刺激岩体中的强瓶颈，对同时实现高初期产率和稳定的长期产出至关重要。

在真实油井上的模型验证

为检验理论在现场的适用性，作者将模型应用于中国鄂尔多斯盆地的两口页岩气水平井。他们将解析解与自动调整不确定参数（如裂缝长度、SRV渗透率和裂缝损伤程度）的优化算法结合，直到模拟产量曲线与实测数据相匹配。对于这两口井，模型在日产和累计产量上都取得了较高的统计拟合度，并给出了合理的最终采气量估算：每口井数千万立方米。这表明该模型不仅是数学上的演练，而是诊断井表现和推断地下裂缝网络布置的实用工具。

对未来页岩气井的启示

对非专业读者来说，核心信息是：在页岩气生产中，裂缝如何将岩石连接起来，与压裂出多少裂缝同样重要。研究表明，裂缝导流能力和被刺激岩体质量的微小差异，会强烈影响早期产量和长期采收率，而仅仅追求更长的裂缝未必划算。通过提供从常规产量数据推断隐蔽储层属性的方法，新模型可以帮助运营者优化压裂设计、更合理地确定井距，并预测井的衰竭速度。简而言之，它为气体从顽固致密岩到地表管道的路径提供了更现实的描绘。

引用: Xiong, W., Li, Y., Guo, W. et al. Transient Flow model and heterogeneity effect analysis for fracture networks in shale gas horizontal wells. Sci Rep 16, 11555 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40306-y

关键词: 页岩气, 压裂, 断裂网络, 储层模拟, 非均质渗透率