美国阿巴拉契亚盆地Ohio组页岩、Marcellus组页岩等常压页岩气区已获得商业化开采,中国川东南地区五峰组—龙马溪组页岩虽已初步开发,但由于埋深大、储层物性差等原因导致产出效益没有美国典型页岩气田好。常压页岩气因储层深度导致绝对压力存在差异,从而对气体赋存状态产生影响,进而对含气性与可动性产生显著影响,因而亟须对中美常压页岩气储层条件、气体赋存状态、含气性、可动性差异等开展定量化研究。选取典型常压的中国彭水地区隆页1井五峰组—龙马溪组页岩与美国阿巴拉契亚盆地Marcellus组页岩与Ohio组页岩作为研究对象,以体积法为基础,综合考虑页岩储层温度、储层压力、成熟度、水、油对吸附程度与最大吸附能力的影响,以及温度、压力、孔隙度与含水饱和度对确定游离气量的影响,对三组页岩储层含气性进行评价,并以三组页岩储层压力作为起始压力,以5 MPa的降压幅度进行降压生产模拟,在分别阐明降压生产中吸附、游离气产出过程的基础上,揭示中美常压页岩气产量差异的根本原因：国内五峰组—龙马溪组页岩相比于阿巴拉契亚盆地Marcellus组页岩吸附能力较弱,吸附气量较低,游离气含量较低,导致总产气量也明显较低;而相比于Ohio组页岩,常压的五峰组—龙马溪组页岩埋深大,温度、压力高,由此造成吸附气采出程度极低,含气孔隙度略低导致游离气采出程度较低,二者综合导致总产气量也明显较低。

针对南川探区地表地下“双复杂”的地质特点,通过地震资料采集、处理及解释技术攻关,探索形成了一套较为完整的页岩气地球物理勘探思路及技术流程, 在南川地区页岩气勘探开发中取得了成功的应用效果。采集方面,通过实时优化激发点位,提高灰岩出露区、溶洞及采空区的地震资料品质;处理方面,采用复杂山地高精度静校正技术、溶洞及采空区针对性处理技术及各向异性叠前偏移成像技术,提高成像效果;解释方面,在精细构造解释基础上,从页岩气的富集性、储层的可改造性以及储层的驱动性三个维度开展页岩储层“甜点”预测,并在页岩气开发过程中,通过动态靶点埋深预测技术和水平井地层倾角预测技术,指导水平井钻探。

页岩气藏为“人造气藏”,流动机理复杂,影响气井产能的因素较多,明确气井产能影响因素并建立对应的产能评价模型,是科学高效开发页岩气田的关键。针对涪陵焦石坝页岩气田的地质条件和压裂效果,以分区研究为基础,系统分析页岩气多段压裂水平井的产能影响因素,并利用雷达面积模型和模糊层次分析方法对筛选出的8类产能影响因素进行综合分析。研究结果表明：不同分区各因素对产能的影响程度存在明显差异,主体北区和西区储层物性条件较好,水平段参数和压裂规模是气井产能的主控因素;东区气井产能则与保存条件相关性明显;主体南区埋深增大,可压性参数和压裂规模共同决定气井产能;西南区气井的可压性决定了气井产能。通过模糊层次分析法确定不同分区产能影响因素的权重,进而建立适用于页岩气井的产能综合评价模型。调整井的数值模拟分析和实际应用效果均表明,模糊层次综合评价模型预测的气井产能对焦石坝调整井适用,模型可用于分析和预测页岩气井的产能及开发效果。

利用总有机碳含量（TOC）、孔隙度等实验分析和水平井钻井试气等相关资料,开展了南川区块海相页岩储层源—储耦合关系与典型高低产井原因分析。研究表明,页岩有机质与储集空间紧密相连,互相依存,二者之间形成复杂的源—储耦合关系,TOC（源）和孔隙度（储）是表征源—储配置类型的关键参数,可划分为富碳高孔、中碳中孔、低碳低孔等12种类型,对页岩源—储相配置系进行半定量评价;同时,通过引入源—储分类新方法,建立了研究区五峰组—龙马溪组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类页岩储层源—储配置评价标准,结合研究区开采工艺相似的8口水平井源—储配置评价与试气产量分析表明,Ⅰ类源—储配置层段在水平井段中占比越大,压裂试气产量越高。源—储分类新方法是页岩气井地质评价与压后产能分析的实用工具,具有推广意义。

桂中坳陷上古生界海相页岩经历了复杂的构造演化和热演化,下石炭统泥页岩系作为页岩气的主力产层,其储层的微观孔隙结构表征与储层孔隙评价是亟待研究的重要内容。通过对野外和岩心样品开展岩石薄片、扫描电镜、全岩X衍射、孔隙度以及等温吸附等试验测试,对桂中坳陷北部下石炭统鹿寨组页岩储层的物质组成和储集孔隙进行了详细表征与评价。研究表明,桂北地区鹿寨组页岩的有机碳含量0.4 % ~ 6.6 %,有机质处于高成熟—过成熟热演化阶段,石英等脆性矿物含量较高,具备良好的可压裂性。鹿寨组页岩储层的孔隙度平均2.91 %,渗透率平均0.007 9 ×10^-3μm²,属于低孔—特低渗—较好突破压力的页岩气储层。页岩储层的储集孔隙有残余粒间孔、晶间孔、粒内溶孔、黏土矿物层间孔和有机孔5种类型,主要的贡献者为黏土矿物层间孔、有机孔和黄铁矿晶间孔,孔径17 ~ 65 nm,以小于50 nm的微孔和介孔为主,孔隙之间的连通性较差,孔隙内部具有一定连通性。

不同产能页岩气井,其储层测井响应特征存在明显差异。通过对比分析不同产能页岩气井测井曲线响应特征,进而总结高产页岩气储层的测井响应特征。分析不同产能页岩气井在岩性、电性、物性、地应力和孔隙压力等方面的差异,利用电阻率测井、放射性测井和声波扫描等地球物理测井信息,围绕有机质品质和地层压力等反映页岩气产能的关键参数,形成了一套基于测井综合响应特征的优质高产页岩储层识别方法。结果表明,优质高产页岩储层电性特征表现为高伽马、低密度、低中子、高声波时差和中高电阻率等特征,纵、横波时差交会图显示地层呈高压特征,该套分析方法能够准确判别页岩储层勘探开发潜力。通过川东南不同页岩气区块不同类型页岩气层现场试气结果与测井综合分析判定结果对比表明,该套判别方法符合率高,可以为页岩气井后期完井方案决策提供科学依据。

页岩气是以CH₄为主赋存在有机质页岩的非常规天然气,其中的吸附气是页岩气后期产量的主要来源,因此,研究页岩的吸附机理对页岩气开发有重要作用。利用Ⅱ型（混合型干酪根,来源于浮游生物）干酪根分子建立Ⅱ型干酪根模型,采用蒙特卡洛方法和分子模拟方法研究CH₄在Ⅱ型干酪根中的微观吸附行为和机理,通过实验数据验证了该模型,并进一步探究了孔径、温度和压力对吸附行为的影响。研究取得的认识如下：①孔径越大,CH₄超额吸附量越大;温度越高,CH₄超额吸附量越低;压力越大,CH₄绝对吸附量先快速上升后逐渐平缓,CH₄超额吸附量先上升后下降;②随着孔径的增加,CH₄的吸附热越来越少,并从吸附热看,CH₄在干酪根的吸附行为是物理吸附;③孔径小于1 nm时,CH₄在干酪根中为吸附相;孔径大于1 nm时,CH₄在干酪根中为吸附相与游离相共存。

页岩气储层天然裂缝发育,页岩裂缝对储层改造和后期压裂效果影响很大。基于井震结合的蚂蚁追踪技术进行裂缝预测,首先通过测井解释的天然裂缝,计算出井的裂缝发育密度曲线,然后通过多种模拟方法比较,选取高斯随机方法,该算法能体现页岩储层裂缝发育的非均质性特征,建立井间天然裂缝模型,最后通过协克里金算法体现井间裂缝发育属性,输入蚂蚁体属性进行质控,从而建立南川地区天然裂缝的预测模型。从预测结果来看,南川地区裂缝发育方向为北东向,平桥背斜东翼裂缝较核部发育,易形成网状缝,与实钻井吻合度高,裂缝预测技术能够指导该区的勘探开发。

为了表征松辽盆地沙河子组页岩微观孔隙结构,选取沙河子组9个页岩样品开展了饱和与干燥状态下的核磁共振T₂测试,同步进行了岩石物性测试和场发射扫描电镜观察,系统分析了核磁共振T₂弛豫特征,孔隙类型与分布特征,对比了核磁孔隙度与气测法孔隙度的差异。结果表明：沙河子组页岩样品的核磁共振T₂谱以单峰型为主,弛豫时间较短,孔隙直径主要分布在10~1 000 nm;孔隙类型以纳米级无机孔为主,有机孔和微裂缝相对不发育;扣除基底信号后计算的核磁共振孔隙度分布在0.68 %~3.66 %,与He（氦）孔隙度具有较好的匹配关系;孔隙度较小的样品更容易受岩石基质背景信号影响而造成测试结果的相对误差。总体认为,核磁共振技术能够准确分析低孔、低渗页岩样品的孔隙度和孔径分布,但需要注意页岩中有机质和黏土矿物束缚水产生的核磁信号干扰。

在不同的生产阶段采取对应的生产方式是实现页岩气高效生产的有效手段。南川区块平桥背斜南区为常压页岩气,产量和井口压力相对较低,需要进一步优化生产方式。为此,通过分析平桥背斜南区30口常压页岩气井不同阶段生产特征,总结合理的生产方式。研究表明：平桥背斜南区常压页岩气井可划分为控压生产、提产携液、间歇生产、增压开采和低压低产5个生产阶段。在控压生产阶段按“保压+排液”原则,采用井下油嘴生产方式提高自喷生产周期;在提产携液阶段取出井下油嘴提产带液,防止气井积液;在间歇生产阶段采用气举、泡排等措施提高气井携液能力;在增压开采阶段采用压缩机地面增压,降低管输压力的影响;在低压低产阶段采用射流泵等低成本排水采气工艺。通过细分页岩气井生产阶段,采取合理生产方式,在平桥背斜南区常压页岩气井取得较好效果,可为盆缘复杂构造区常压页岩气开发提供借鉴。

页岩气藏井间干扰严重制约气井生产,井间干扰程度评价与预测对页岩气高效开发具有重要意义。现有研究主要聚焦页岩气井间干扰现象、生产动态特征以及数值模拟参数优化等方面,但页岩气井间干扰程度定量评价及预测方面的研究较少,且参数体系不全,难以客观评价页岩气井间干扰程度。因此,采用机器学习方法综合考虑地质参数、压裂参数及生产参数,对A页岩气藏井间干扰程度进行评价及预测。先对初始数据进行数据处理,提高数据质量,然后基于处理后的数据,应用聚类分析及随机森林算法评价及预测Y页岩气井间干扰程度。结果表明：A页岩气藏中井间干扰程度低、中、高的井数占比分别为25.93 %、37.03 %、37.04 %,其中压裂因素对A页岩气藏井间干扰程度评价结果影响最大。调参后的页岩气井间干扰程度预测结果达到92.07 %,表明所建立的预测模型可应用于实际页岩气井间干扰程度预测,且模型精确度较高,为页岩气井井间干扰量化评价及预测提供了一种有效手段。

川南自贡区块构造位置位于四川盆地威远斜坡南翼,为北西—南东向单斜坡。该区目的层上奥陶统五峰组—下志留统龙一₁亚段为深水陆棚相富有机质黑色页岩沉积,储层纵向非均质性较强。水平井页岩“甜点段”钻遇程度的不同造成了测试效果的差异。为明确该区页岩最佳靶体纵向分布、指导水平井钻井轨迹跟踪调整,基于地层小层划分,综合运用钻井、录井、测井及分析化验等资料开展储层精细评价,并利用产气剖面资料评价靶体对页岩气水平井产能的影响。研究结果表明：①受沉积和构造作用的双重影响,目的层中龙一₁¹小层下部页岩段为最优的“地质—工程”双“甜点”;②生产测井分析表明,龙一₁¹小层下部具有最高的单位长度产气贡献率,是研究区的最佳靶体;③水平井的龙一₁¹小层下部页岩有效压裂段长是影响自贡区块气井产能的关键因素。该研究成果将自贡区块最佳靶体纵向分布厚度由2~5 m精确到1~2 m,有效支撑了页岩气产能评价工作,为该区块实现页岩气规模效益开发奠定了基础。

威荣深层页岩气垂深达3 800 m,地层坍塌压力系数高达1.95以上,区域超长水平井逐年增加,超长水平井成为后期气田稳产的重要开发手段。以旋转导向钻井方式研究为前提,通过水力裸眼评价模型和钻柱应力计算方法对地质参数、轨迹剖面、钻柱力学、水力参数和地面装备进行影响因素综合分析,不同钻机条件下和不同工况下超长水平段的延伸极限不同。剖面类型优选利于井间防碰和管柱安全下入,三维轨迹剖面钻柱力学所受应力强度是二维轨迹剖面的2倍,钻井液密度和黏度都将影响超长水平段的延伸。评价结果表明,在不考虑钻机能力的条件下,理论裸眼水平段极限为5 840 m,而70钻机因钻深能力限制最大水平段延伸为3 500 m,机泵排量越大,钻井液密度越低,延伸能力越长。

目前,水力压裂是开采页岩油气的关键性技术。压裂缝扩展过程中会遇天然裂缝,遇天然裂缝后的压裂缝扩展特征对压裂缝网形成有明显影响,从而影响最终压裂改造效果,因此,需要针对压裂缝遇天然裂缝开展研究。基于ABAQUS软件,考虑裂缝扩展形式及张性破坏,模拟在隔层效应下的二维水力裂缝与天然裂缝相交过程,并考虑不同应力差、相交角度、储隔层应力差以及储隔层弹性模量差对水力裂缝行为的影响。模拟结果表明,在隔层效应下,裂缝的破裂程度和开启效果会更好,且随着应力差的增加,天然裂缝的开启效果越差,直至水力裂缝穿过天然裂缝。当相交角度较小时,隔层效应对裂缝扩展路径没有影响,天然裂缝仅开启上部分,裂缝的张开程度更好,随着相交角度的增加,天然裂缝的开启效果更好,当相交角度为90°时,水力裂缝直接穿过天然裂缝。随着储隔层间应力差的增加,相交点处孔隙压力增大,天然裂缝开启的效果越好,当层间应力差超过某一值时,水力裂缝将穿过天然裂缝。储隔层间弹性模量差越大,地层抗扰动性越强,相交点处孔隙压力越大,两者相互作用下决定了裂缝的扩展行为,当层间弹性模量差较小或较大时,天然裂缝的开启效果更好。

深层页岩气井投产初期能量充足,大多采用套管快速排液,当井口压力降至带压作业能力范围内或气井出现携液困难时再下入油管生产,油管下入时机、下入深度及油管尺寸等参数设计基本依据作业进度或现场经验而定。目前,下入时机对气井产能的影响鲜有研究材料供参考,因此,基于川南深层页岩气在套管生产阶段的53井次井筒动态监测资料,优选了井筒压降计算模型。通过分析气井生命周期内井筒流型、井底流动压力、临界携液能力的变化规律,确定油管最佳下入时机;基于探明的不同油管深度下的井筒压降变化规律,提出了以井筒最小压降为目标的油管最优下入深度;综合携液、压力损耗敏感性研究,得到最优管柱尺寸。结果表明：川南深层页岩气井在井口压力降至15~25 MPa时,为油管最佳下入时机,油管最优下深井斜介于70°~85°,最优管径为62 mm。该设计在现场应用良好,通过油管参数设定,气井压降速度降低了50 %,单位压降产量增长2倍,对有效地指导川南深层页岩气水平井油管设计及实施具有重要意义。

钻井液漏失是制约深层超深层钻井的重要工程技术难题,储层段井漏是钻完井阶段最严重的储层损害方式。利用桥接堵漏材料对裂缝漏失通道进行封堵,是储层段钻井液漏失控制的主要方式。但是,桥接堵漏配方设计常采用经验或者半经验的方法,导致一次堵漏成功率低,堵漏效果差。通过CFD-DEM模拟（一种典型的基于欧拉—拉格朗日参考系的离散摸拟方法）,明确了架桥滞留、堆积填充、承压封堵是裂缝封堵层形成过程中的3个关键环节,考虑堵漏材料的高效架桥和致密填充,基于“绝对架桥加量”概念和紧密堆积理论,提出了承压堵漏实验配方设计新方法。采用“绝对架桥加量”为优化参数,确定配方中架桥材料加量;利用“补差法”改进了传统紧密堆积理论,克服了其对粒度分布不连续或重叠分布的各级填充材料适应性差的缺陷,确定堵漏配方中填充材料加量。室内实验和现场试验结果表明,深层裂缝性储层堵漏配方设计方法,可实现深层裂缝性储层堵漏配方快速高效设计,有效保证深层裂缝性储层堵漏配方封堵裂缝效果,有效减少堵漏配方中材料总用量,节约材料成本。提出的方法为深层裂缝性储层堵漏配方设计提供了新思路和理论依据。