<储层地质力学>页岩气开发需要突破的基础理论
本文摘要：（由ai生成）
文章聚焦于页岩气开发中需突破的地质力学理论，强调了对储层岩石力学行为、裂缝网络形成与扩展以及水力压裂力学效应的理解。微地震监测是评估储层改造效果的关键，同时讨论了水力压裂对储层产量的影响，包括裂缝网络、储层性质、压裂参数及其与裂缝的互动。这些研究为页岩气开发提供了重要理论基础和优化策略。
低黏度：滑溜水相对于传统的压裂液具有较低的黏度，这使得它能够更好地渗透页岩裂缝，并提高天然气或石油的采集效率。
高液体亲水性：滑溜水具有高液体亲水性，能够有效地与页岩岩石表面产生良好的接触，促进裂缝的扩展和产气。
化学添加剂：滑溜水通常包含一些化学添加剂，如缓蚀剂、抗菌剂、pH调节剂等。这些添加剂可以改善水力压裂的效果，减少管道堵塞和胶结现象，并保护岩石和设备免受腐蚀和污染。
水资源利用：相对于传统的压裂液，滑溜水使用的水量相对较少，有助于减少对水资源的需求，同时减少废水产生和处理的压力。
页岩储层特性研究：基础理论需求包括对页岩储层的地质特征、岩性组成、孔隙结构、渗透性和孔隙度等方面的研究。这些研究有助于了解页岩储层的地质特征和物性，为开发页岩气提供基础数据。
页岩气运移机理研究：基础理论需求还包括页岩气在储层中的运移机理研究，例如气体吸附解吸、渗流机制、渗透性衰减等方面。通过研究页岩气在储层中的运移行为，可以深入了解气体在页岩中的分布规律和采集特点。
压裂液与页岩相互作用研究：页岩气开采中广泛使用水力压裂技术，因此需要研究压裂液与页岩的相互作用机理，包括压裂液的渗透性、吸附特性、与页岩岩石的化学反应等方面。这对于优化压裂设计、改善压裂效果至关重要。
环境影响研究：页岩气开发可能对环境产生一定的影响，包括地下水污染、地震活动、气体泄漏等。基础理论需求包括对这些环境影响的研究，以评估和管理开发过程中的环境风险，并制定相应的保护措施。
经济评估和可持续性研究：基础理论需求还包括对页岩气开发的经济评估和可持续性研究，包括成本效益分析、市场需求预测、社会影响评估等方面。这有助于制定可持续的开发策略，并为政策制定者和决策者提供决策依据。
应力：储层中的应力状态对水力压裂具有重大影响。应力状态决定了压裂期间裂缝扩展的方向和程度。主应力，即最大水平应力（SHmax）、最小水平应力（SHmin）和垂直应力（SV），影响裂缝的形成和扩展。水力压裂通常通过高压注入流体来克服最小水平应力并形成与最大水平应力垂直的裂缝。了解应力状态对于设计有效的压裂处理至关重要。
裂缝：岩石层中的天然裂缝对压裂的成功与否起着重要作用。预存在的裂缝可以作为流体流动的通道，促进引发裂缝的生长。然而，天然裂缝的存在也可能使注入的流体偏离预期的裂缝网络，导致压裂效果不佳。评估天然裂缝的方向、密度和连通性对于优化压裂设计和预测裂缝传播路径至关重要。
岩石性质：岩石性质对页岩气储层中的压裂成功起着重要作用。这些性质包括脆性、孔隙度、渗透率和岩石矿物组成。
脆性：脆性较高的页岩更容易发生断裂，在压裂过程中能够形成更多的裂缝网络，从而改善储层连通性和气体产量。
孔隙度和渗透率：页岩储层通常具有较低的孔隙度和渗透率，这影响储层储存和传输气体的能力。压裂技术旨在形成并连接人工裂缝，增加储层的有效孔隙度和渗透率。
岩石矿物组成：页岩的矿物组成影响其机械强度、脆性以及对水力压裂的响应。不同的矿物表现出不同程度的硬度、韧性和弹性特性，影响裂缝行为和岩石维持形成的裂缝的能力。
注入阶段：初始阶段，在注入阶段，高压流体（压裂液）被注入井筒，随后进入储层。随着流体的注入，井筒和裂缝网络中的压力增加，对周围岩石形成水力压力。压力增加导致储层中应力的重新分布。
裂缝扩展：随着注入的继续，水力压力超过了最小水平应力，引发储层中裂缝的形成和扩展。裂缝内的流体压力导致裂缝的张开和延伸。裂缝沿着弱面（如层理面或预存在的裂缝）传播，响应注入引起的应力集中。
应力重新分布：诱发裂缝的生长会影响储层内的应力分布。注入的流体在不断扩展的裂缝后面形成应力阴影区，其中应力减小。因此，应力集中转移到裂缝周围的剩余完整岩石团块。应力的重新分布可能导致额外裂缝的张开和传播，尤其是如果存在预存在的裂缝或弱面。
压力释放和闭合：注入完成后，流体压力开始下降，通过岩石基质和天然裂缝逐渐消散。随着流体压力的降低，储层中的应力开始重新调整。闭合应力，即最大水平应力和最小水平应力之间的差值，导致裂缝部分或完全闭合。闭合应力取决于岩石性质和储层的地质力学特征。
应力松弛和储层回弹：随着时间的推移，储层中的应力逐渐松弛，岩石形成适应新状态。这种松弛可能导致一定程度的裂缝闭合和储层压实。然而，根据储层条件，应力的松弛和压实可能导致储层的一定程度回弹，使裂缝部分或完全重新开启。
在压裂过程中，压力和应力的演变是复杂的，取决于多种因素，包括注入速率、流体性质、岩石性质、地质力学特征和天然裂缝的存在。准确建模和理解这些过程对于优化压裂设计和预测页岩气储层中裂缝行为至关重要。
影响地震和非地震变形机制的因素以及其对产量的影响
许多因素会影响地震和非地震变形机制，并且这些机制对地质储层的产量产生重大影响。以下是关键因素及其影响：
岩石性质：储层岩石的力学性质，如弹性、脆性和孔隙度，影响变形机制。脆性较高的岩石更容易发生断裂，而较高的弹性岩石往往会发生弹性变形。岩石的孔隙度影响流体流动，并可能影响孔隙压力和应力分布，从而影响变形行为。
应力状态：储层中的应力状态，包括主应力的大小和方向，影响变形机制。高应力条件下可能导致断裂和断层活动，引发地震事件。相反，较低的应力条件下，非地震变形机制如压实、膨胀或蠕变可能占主导地位。
流体压力：储层内部流体压力的变化会影响变形机制。较高的流体压力可以降低有效应力并削弱岩石，使其更容易发生地震变形。相反，较低的流体压力可能导致非地震变形，如压实或沉降。
地质结构：地质结构的存在，如断层、节理和层理面，可以影响变形机制。断层作为运动的优先面，可以促进地震滑动和地震事件的发生。节理和层理面可能有助于非地震变形机制，如颗粒间滑动或塑性变形。
储层耗竭：在烃类储层中，产量活动（如流体开采）会导致储层耗竭。耗竭引起的孔隙压力和应力分布的变化可以激活变形机制。这些机制可以包括由储层压实和断层再活动引起的地震事件，以及非地震的沉降和压实。
这些因素的具体组合和相互作用决定了储层中主导的变形机制及其对产量的影响。地震变形机制，如断裂和断层活动，可以创建流体流动通道，通过增加储层连通性来增加产量。然而，它们也可能导致不受欢迎的流体迁移、诱发地震活动和储层分区。非地震变形机制，如压实和沉降，可能导致储层压实和渗透率降低，影响产量和采收率。
了解这些因素及其对变形机制的影响对于储层管理和产量优化至关重要。地质力学研究、微地震活动监测和储层建模技术被用于评估这些因素并预测其对产量的影响，以制定有效的储层管理策略。
Mark D. Zoback是一位在地质力学和岩石力学领域享有盛誉的专家。他在页岩气领域进行了广泛的研究，并发表了许多重要的论文和著作。部分研究成果如下图所示，
