引言

页岩气藏是特低孔、特低渗且存在吸附解吸特性的非常规气藏，其储渗空间介于纳微米数量级之间并具有很强的多尺度性，页岩气渗流涵盖了分子尺度、微观尺度及宏观尺度等范围。页岩气的产出过程是在微观孔喉、微裂缝、宏观裂缝以及水力裂缝等孔渗空间中多场耦合作用的结果。首先是裂缝中的自由气在压力差作用下流入井筒；而后随着压力波的传播，吸附在基质表面的吸附气在压降作用、浓度差作用、地层流动势的综合作用下发生解吸，并与原有的自由气体混合后一起运移至裂缝，最后由裂缝流到井筒^[1-3]。掌握页岩气的微观运移机理，有助于后期建立页岩气藏渗流数学模型，最终实现产能的准确评价与预测。为更好地了解页岩气渗流机理研究进展，本文从室内实验研究、页岩气微观渗流机理模拟两方面作为切入点，对当前页岩气渗流机理的研究现状、存在的主要问题及发展趋势进行全面阐述。

1 渗流机理研究进展 1.1 页岩气渗流实验研究 1.1.1 页岩孔隙结构特征实验研究

页岩的孔隙结构^[4-7]对甲烷在页岩储层中的赋存机制和渗流机制有重要影响。页岩孔隙结构包括孔隙的形态、孔隙的类型、比表面积、孔容、孔径大小范围及页岩的孔径分布等。它决定了页岩的储集能力，进而影响可采性，研究页岩的孔隙结构对于掌握页岩对甲烷吸附的影响具有重要意义。目前，页岩的孔隙结构研究有多种技术手段，包括借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、场发射扫描电子显微镜(EF-SEM)、聚焦离子束扫描电镜(FIB-SEM)、纳米-CT等实验设备来研究页岩的孔隙类型、孔隙形状、孔隙大小和孔隙的分布等；采用低压气体吸附(氮气和二氧化碳)、MICP、SANS等手段来研究页岩孔容、表面积、微孔孔容、微孔比表面积、孔径大小范围及孔径分布曲线等。

薛华庆等研究后发现页岩中的有机孔隙直径集中分布在2~60 nm，并以中孔、大孔为主，而页岩孔径主要分布在2~10 nm，以中孔居多^[8]。可见，有机孔隙的平均孔径大于其他孔径。并且随着页岩有机质含量的升高，其对应的孔径也增大。因此，页岩中的有机质含量对比表面积、总孔隙体积、孔径等有相当重要的作用。只有具备了丰富的有机质，在演化过程中方可形成较大的比表面积与孔隙体积，才会提高页岩气的开采价值。李勇明等^[7]研究发现页岩孔隙和喉道处于纳米尺度，它们二者之间的配置关系非常复杂，导致页岩基质渗透率极低，多介于纳达西范畴。在地层原始状态下，纳米孔隙由气体分子占据，且这些气体分子吸附于干酪根有机质表面。

Silin等^[9]采用超高压压汞，反向散射扫描电镜，核磁共振，CT扫描等技术分析页岩微观结构后发现，页岩储层中以纳米孔隙为主，该孔隙类型较宏孔隙相比有更大的比表面积，有利于气体的吸附。Curtis认为矿物组分的排列方式直接决定了页岩的孔隙结构，与此同时页岩的沉积环境和成岩作用亦对其孔隙结构有一定影响^[10]。虽然页岩储层孔喉半径远小于常规储层，甚至达到了纳米级，但仍可通过压汞法与核磁共振法间接描述页岩孔喉半径分布，利用数字岩芯技术对孔隙结构与分布空间进行定量分析和模拟计算^[11-14]。

1.1.2 吸附解吸规律研究

页岩中天然气的吸附解吸规律研究对了解页岩孔隙表面结构特征及认识气体分子在固体表面活动及吸附状态具有重要意义。在页岩气开采过程中，随着地层压力的下降，原来吸附态的气体得以解吸，从而减缓压力下降速度，维持页岩气井稳产年限。

目前研究富含有机质页岩对甲烷的吸附性能主要基于室内等温吸附实验的方法，包括体积法、重力法等。其中体积法是一种主流的测试方法，基于体积法进行等温吸附实验的研究较多，重量法也是进行等温吸附实验一种有效的方法。目前德国Rubotherm公司的ISOSORP-HP型等温测量吸附仪(磁悬浮天平重量法高温高压等温吸附仪)，其测量的原理为重量吸附测量法，最高的吸附实验压力为70 MPa, 最高吸附实验温度为150 ℃。

张志英等^[15]根据物质平衡原理，利用自主研发的页岩气吸附解吸测试仪对取自鄂尔多斯盆地的多块页岩岩样进行了不同温度(30~90 ℃)、不同压力(0.1~10.0 MPa)条件下的页岩气吸附解吸规律研究。实验结果显示，吸附量随有机碳含量、压力的增加而增大；但温度升高反而会促进页岩气解吸。相同的温度压力条件下，与吸附过程相比，解吸过程存在一定的滞后现象，同时页岩气解吸不完全。当页岩中黏土含量较大时，兰格缪尔模型拟合出现较大偏差，而利用修正的双兰格缪尔模型则可与实验结果高精度拟合。

1.1.3 含气量研究

页岩气一般由游离气、吸附气和溶解气3部分组成，这3者比例构成由页岩的沉积环境、有机质成熟度等因素共同决定。页岩含气量的高低直接决定了页岩气藏是否具有经济开采价值，因此，它一方面是资源潜力评价的重要指标^[6]，另一方面也是分析资源可采性的物质前提。页岩气含气性评价一般从吸附气和游离气两方面进行。准确测量页岩储层的含气量，对于掌握页岩气的渗流机理与储量评价具有重要意义。

含气量测量^[16]主要借助相关实验设备来完成，常见的页岩气含量测试仪包括美国LECO公司生产的CS230分析仪，中国石化华东油气分公司利用美国矿业局的直接法自主研发的无压阻微压损型“页岩解吸气连续组分自动测试仪”等。该连续组分自动测试仪具有连续采集，提高数据拟合程度，降低系统误差；实时组分，精确计算损失气量，研究解吸规律；自动测量，提高工作效率，降低人为误差的特点。图 1和图 2分别为华东油气分公司连续组分测试仪测试结果与Weatherford、Schlumberger的测试结果对比。

从图 1和图 2中可以看出，中国页岩含气量测试结果与国外对比良好，表明中国的页岩气含气量测量技术已达到国外先进技术水平。

1.1.4 应力敏感性研究

在页岩气藏开采过程中，储层孔隙压力不断下降，引起页岩储层产生应力敏感，进而影响储层中的气体流动形态和气井产能，为实现页岩气藏的经济高效开发带来诸多难题^[17-18]。为解决这一问题，需要进行页岩的应力敏感性研究，包括页岩气藏基质及天然裂缝渗透率对应力的敏感程度研究等。原地测试、压力脉冲衰减及其改良法、解吸流动法等是当前测定页岩渗透率的常用技术手段^[19]。

张烨等^[20]针对龙马溪组页岩采用氮气脉冲压力延迟法进行应力敏感性实验评价，测试结果表明：与垂直层理方向相比，平行层理方向取芯页岩的应力敏感性更强；天然裂缝由方解石充填可大幅度提高岩芯整体渗透率，且闭合型页岩天然裂缝应力敏感性强于张开型天然裂缝岩芯。

张睿等^[21]首先从毛细管、平板裂缝和双重孔隙介质的渗透率应力敏感机理出发，得到了多孔介质渗透率应力敏感系数表达式，然后开展了基于页岩岩芯的覆压孔渗联测实验，最后得出页岩应力敏感的机理。结果表明，页岩岩芯微裂缝较发育，微裂缝尺度与孔隙尺度相当时岩芯孔渗幂指数低于3，微裂缝尺度远大于孔隙尺度时岩芯的孔渗幂指数高于3；与砂岩相比，实验所用页岩具有较低的孔渗幂指数，但孔隙压缩系数较高，因此页岩的应力敏感较强。

1.1.5 页岩储层渗流实验研究

一般气体渗流实验采用“压差-流量法”，即给定一个围压测试与其相对应的流量。通常对常规储层来讲，可以忽略由于有效应力变化而引起的应力敏感特性，但是由于页岩储层的物性特殊，在页岩中由于应力变化产生的岩石储渗空间变化不可忽略。该变化可能会破坏页岩的层理和节理，并使得微裂缝闭合，最终影响渗流规律的测试结果。页岩气渗流实验装置如图 3所示，高压气瓶为渗流实验提供所需要的注入气体，并且为有效控制注入气体的压力，需要使用调压阀。此外，系统中各个部分的压力可由该装置中的数据自动采集系统实现。在实验过程中通常采用三轴岩芯夹持器，以期仿真实际地层的应力特征。气体的计量多采用皂沫流量计实现；对于围压系统，则需要借助高精度的柱塞驱替泵。利用高精度的数字压力传感器测定压力，并借助高线性压差传感器达到精确采集岩芯两端压差的目的。最后，为固定实验环境的温度，需要借助恒温箱，其可调温度范围0~180℃。

何应付等^[22]利用低速渗流实验装置，研究了煤层气藏中的应力敏感特性和渗流特征，并比较了煤层气藏岩芯和砂岩取芯的测试结果。分析结果表明，单相气体在煤层气藏中的渗流具有滑脱效应，在渗透率相差不大的情况下，其滑脱效应弱于低渗透砂岩气藏。邓佳^[23]在考虑页岩储层应力敏感性的前提下，按照定净围压方式开展了页岩气渗流规律实验，结果表明随着注入压力的增加页岩气的渗流流量也会增加，而渗流曲线则由曲线段和拟线性段组成，从而证明页岩气流动过程中存在非线性特征。

1.2 页岩气微观渗流机理模拟

目前页岩气藏中流体的渗流机理主要通过实验进行定性研究，由此带来很多问题，诸如实验得到的渗流规律仍停留在宏观尺度上、很多微观机理无法考虑到运移机制等等。近年来，国内外学者关于微纳尺度气体流动机理方面开展了大量的研究，常用的方法包括分子动力学(MD)方法、直接蒙特卡洛方法(DSMC)和格子Boltzmann方法(LBM)等，目前已有多位学者将这些方法运用到页岩气渗流机理研究中。

1.2.1 分子动力学方法(MD)

在孔隙中页岩气的流动规律与页岩的孔隙大小是紧密相关的。使用分子动力学模拟流体分子在纳米孔隙中的运动规律，对深入研究页岩气藏开发中的流体渗流机理有重要意义^[24]。分子动力学方法通过将原子的运动与特定轨道联系起来, 进而求解原子的牛顿运动方程得到体系的热力学性质。计算全部粒子的运动规律和轨迹是分子动力学模拟的核心问题，在计算过程中假设所有的粒子均遵循经典的牛顿力学定律，通过求解粒子运动的微分方程求取微粒的运动轨迹。黄婉莹等^[24]借助分子动力学手段构造了两块彼此平行的石墨烯平板，通过改变平板间距，来研究水的流量和密度的变化情况。研究发现水的动力学行为与经典微管里的poiseuille流有很大不同，即板间距1~2 nm时水的密度分布会产生较大变化，板间距4~5 nm时水的速度和氢键分布都产生了较大变化。Riewchotisakul等采用非平衡分子动力学模拟方法^[25]，研究了油藏条件下甲烷在微小碳管中的稳态流动规律，结果表明，页岩有机毛细管中存在流动吸附项，且吸附项对气体运移有重要影响。

2015年，He等^[26]采用分子动力学方法首先模拟了天然气在两平行平板模型及碳纳米管模型中的赋存、运移机理，而后结合数字岩芯重构技术，再次利用MD方法模拟了纳米级孔隙在内的超低渗页岩基质中天然气赋存、运移规律。结果表明，存在滑移边界、努森扩散流等气体运移的非连续特征，证实常规达西流动不足以表征页岩气藏中的流动特征，最终通过分子模拟得到了努森扩散系数。Stukan等^[27]以石墨片作为孔隙壁，建立了分子尺度下的孔隙与甲烷模型，模型中孔隙尺寸分布在0.7~4.0 nm，而且孔隙与储层相互连通。在此基础上利用分子动力学方法，考虑气体分子在干酪根中纳米孔隙表面吸附作用的影响，模拟了页岩储层中的甲烷运移机制。结果发现，产气速度是自由气体分子运移、孔隙壁表面的吸附气分子解吸共同作用的结果。

1.2.2 直接蒙特卡洛方法(DSMC)

基于分子动力学方法，Bird结合蒙特卡洛法中的概率论原理，建立了直接蒙特卡洛方法(DSMC)^[28]。DSMC在本质上来讲，是以分子运动理论为依据，由分子运动的机理出发，使用有限数量的仿真分子表征大量的真实气体分子。其主要思想是通过跟踪仿真分子的运动轨迹并记录其状态参数，然后以统计平均的方式处理这些仿真分子。

董岳等^[29]借助DSMC方法分别模拟了一维微纳孔道、二维直微纳孔道、二维变孔径微纳孔隙中页岩气渗流规律，研究结果表明：(1) 页岩气在一维微纳尺度孔道中的滑移流区流量与努森数呈负相关，在自由分子流区流量与努森数呈正相关，流量的极小值出现在过渡流区；(2) 页岩气在二维微纳孔道中，随平均压力的增大，孔道中心线上整个速度分布与压力分布均趋势一致；(3) 在变孔径微纳孔隙中，孔隙尺寸小的部分有降压的作用，导致速度分布快速升高。Chariton等^[30]首先通过微CT扫描页岩岩样，获取三维孔隙结构，然后利用直接蒙特卡洛方法无线并行模拟了流体在其中的流动机理。模型中假定气体全部是甲烷，且为可变刚性球体分子间碰撞，考虑过渡流、滑脱效应。结果表明，气体流动特征的显著差别取决于努森数和流型，而且速度分布依赖于努森数。Ismail等借助蒙特卡洛方法模拟了1~20 nm的缝状孔隙中甲烷、正丁烷的等温吸附现象^[31]。研究表明，随着孔隙尺度的增加，气体与孔隙壁面交互作用减弱，吸附分子的密度减小。

1.2.3 格子Boltzmann方法(LBM)

格子Boltzmann方法是一种应用非连续介质思想研究宏观物理现象，并可平行运行，求解流体力学问题的新方法，它的独特优势^[32]使得其在多孔介质领域得到广泛应用。其中，孔隙尺度和表征单元体尺度(REV)模拟是该方法在多孔介质流动与传热模型研究时的两个常见类别。在孔隙尺度模拟中，能够获得介质内的具体流动情况，有利于研究宏观渗流的内在微观机理，并且为宏观渗流模型的建立和检验奠定基础。

截至目前，很多学者都已运用LBM方法模拟页岩储层中气体的微观运移机理，如Fathi等^[33-35]借助该方法对简单形状的纳米管道中页岩气流动规律进行了模拟，其主要是针对页岩气微尺度流动规律进行研究，未进行影响因素分析。Ren等^[36]建立了考虑表面扩散、气体滑脱、吸附层影响的格子Boltzmann模型，模拟了干酪根孔隙中的真实气体流动规律。同时，基于兰格缪尔等温吸附方程及反弹/镜面反射边界条件，考虑气态-固态分子、气态-气态分子在固体表面的相互作用，研究了干酪根孔隙中气体滑脱、表面扩散对自由气体流速和质量流量的影响。孙海等^[37-38]在三维数字岩芯中借助LBM方法模拟了气体在页岩岩芯中的流动规律以及干酪根等有机质中气体解吸、扩散等现象。姚军等^[39]对气体在微观尺度运移机理的影响因素进行了详细探究，他们通过在LBM中考虑努森层和气体稠密性的影响，模拟分析了孔喉大小、温度以及压力等因素对气体流动规律的影响，最终获得微尺度效应同努森数之间的对应关系。结果表明，孔隙尺寸、温度和压力的改变都会影响气体在微尺度孔道中的流动特征，这些参数对处于滑移区和自由分子流区的气体微观尺度影响较小，但是会对过渡区的微尺度效应产生较大影响。换言之，努森数可以表征气体的微尺度流动特征。当气体流动处于滑移区和自由分子流区时，努森数的变化对微观尺度下的气体流动影响较小，只有在过渡区时努森数数变化才会对气体的微尺度流动产生影响。

2 发展趋势 2.1 实验研究

综合分析前面论述的多项实验研究内容，发现当前的实验设备及技术手段尚未达到测试纳米尺度下的标准，所以实验结果精度较差，引起微纳观尺度的流动问题定量描述困难、页岩气多尺度渗流机理不明确等系列问题。同时，当前的渗流实验研究多基于单相气体渗流，未考虑气水两相流动情况。事实上，通过调研国内外相关文献及页岩气田现场生产数据发现，气液两相流动是存在的，而且还会伴随页岩气藏开发的较长时期。

按照地层压力系数(一般以1.2为界)，中国页岩气藏可分为超压型和常压型页岩气藏两类，表 1中列出了这两类页岩气藏的工程及地质特征。

从表 1可以看出，页岩储层中确实存在气水两相渗流情况，仅研究单相气体渗流规律远远不够，应开展不同含水饱和度下页岩岩芯低速渗流实验，同时还应基于开发过程中气体吸附程度不断变化的情况，设计实验，研究气体吸附程度对渗流规律的影响。此外，研制气藏条件下页岩气多尺度介质流动机理实验评价装置，改善实验测量精度与测试条件，是未来的发展方向。

2.2 微观渗流机理模拟方面

分子动力学方法^[40]主要是利用牛顿经典力学来求解分子间的相互作用方程。通过对微观粒子的相关信息进行统计平均来获取系统的温度、压力、能量等宏观属性。与蒙特卡洛方法不同的是，在分子动力学中，粒子的运动有明确的物理依据，其准确度高，并且可以获得系统动态和热力学统计资料，同时可广泛应用于各类特性的探讨，但经验势场和参数的选取对分子动力学模拟的精度产生一定影响^[41]。

蒙特卡洛模拟方法则是一种非确定性模拟方法，其中间取值没有实际意义，但该方法即使是对于影响因素非常复杂的问题也能够简单地解决。格子Boltzmann基于原始的物理背景对流动进行“直接”的模拟^[42]，为油气渗流理论的发展提供了崭新的研究手段和方法。LBM能够解决微纳尺度的流体流动规律，为页岩气、致密气藏中的气体渗流规律研究带来新思路，但是格子Boltzmann方法还处于发展完善阶段。同时，模拟页岩储层中的流体运移规律要构建数字岩芯，在该数字岩芯中利用LBM模拟渗流机理。构建数字岩芯需要扫描岩样，但纳米扫描岩样的尺寸很小，即使对于均质性较好的岩芯，岩样选取位置不同，最终得到的岩芯参数也会有所差异，对于非均质性强的岩芯，结果差异会更大。而且数字岩芯孔隙拓扑结构的不规则性势必造成边界条件复杂、计算量大且速度慢等问题。

总的来看，LBM方法较MD和MDSC方法在微纳尺度气体流动机理模拟方面应用广泛，但是3种方法均未开展气水两相流动模拟，利用这些方法模拟页岩中的气液两相流动规律具有重要意义。考虑到3种方法在微纳尺度气体流动机理模拟方面各有优缺点，应根据研究内容的需要选择合适的方法进行研究，必要时综合运用其中的两种或3种方法，使模拟结果更准确、可靠。在此基础上，还应建立相应的尺度升级方法，将页岩的微观传输性质和流动机理上升到宏观层面，为宏观渗流机理的研究奠定基础。

3 结论

(1) 页岩孔隙结构表征、含气性测量、吸附解吸规律、应力敏感性分析等实验技术均已比较成熟，可为页岩气渗流机理研究奠定基础。

(2) 气体吸附程度对渗流规律也有一定影响，建议基于开发过程中气体吸附程度不断变化的情况，设计实验开展研究。

(3) 页岩气渗流实验多是参照煤层气、致密气等非常规能源的已开展实验，建议研制一套气藏条件下页岩气多尺度介质流动机理实验评价装置，以完成不同尺度下页岩气渗流机理及影响因素研究。

(4) 页岩气藏需要借助水力压裂技术实现经济开采，资料调研发现多数页岩气藏中存在气水两相流动，对页岩气藏气水两相流动规律的实验与理论研究将是以后的研究重点。

(5) LBM方法较MD和MDSC方法在微纳尺度气体流动机理模拟方面应用广泛，但是3种方法均未开展气水两相流动模拟，利用这些方法模拟两相流动规律具有重要意义。