四川盆地龙马溪组S1l11-1亚层页岩渗透率各向异性与非达西效应：揭示页岩气高效开发的关键控制因素

针对页岩气开发中渗透率各向异性(Ap)与非达西效应的关键科学问题，研究人员通过立方体样品与粉碎颗粒样品联合测试，系统揭示了四川盆地龙马溪组S1l11-1亚层页岩的渗流特征。研究发现黏土定向排列使平行层理渗透率(KP)较垂直方向(KV)提升101-103倍，且Knudsen数(Kn)分析表明页岩气开发主要存在达西流与滑脱流。该研究为页岩气勘探开发提供了渗透率综合评价框架，对优化"甜点区"预测具有重要实践意义。

　　

页岩气作为21世纪变革性的非常规天然气资源，中国2024年产量已突破250亿立方米。然而页岩纳米级孔隙与层状结构导致的渗透率各向异性和非达西流行为，仍是制约高效开发的关键瓶颈。传统研究多采用水平/垂直钻孔岩心分析各向异性，但该方法难以准确表征高度非均质页岩的真实渗透率特征。更棘手的是，现有实验数据无法解释立方体样品与粉碎样品渗透率的差异，且不同方向渗流的主控因素尚不明确。

针对这些挑战，中国科学院地质与地球物理研究所等机构的研究人员创新性地采用立方体-粉碎颗粒联合实验方法，对四川盆地龙马溪组S1l¹_1-1亚层（中国页岩气主力产层）27个样品展开系统研究。通过脉冲衰减法测定立方体样品三个方向的渗透率，结合GRI方法获取粉碎样品数据，同步开展CT扫描与矿物组分分析，最终建立渗透率综合评价模型。相关成果发表在能源领域顶级期刊《Fuel》上。

关键技术方法包括：1）采用无水产状钻石线切割制备20mm立方体样品，在3D打印橡胶套中实现伪三轴加载；2）基于0.5-1.5MPa氦气压力梯度下的脉冲衰减实验，计算Klinkenberg滑脱系数；3）对8-20目（0.85-2.36mm）粉碎颗粒实施GRI渗透率测试；4）结合埋深2323-4389米的22口井样品，开展矿物组成（EDS）与孔隙度关联分析。

研究结果揭示：

1. 渗透率各向异性特征：平行层理渗透率(K_P=43nD-6.76×10⁵nD)较垂直方向(K_V=4-314nD)高1-3个数量级，各向异性系数(A_p=K_P/K_V)达1.5-1.7×10⁵。CT扫描证实层理微裂缝是导致高各向异性的主因。

2. 测试方法对比：垂直渗透率(K_V)与粉碎样品结果(K_C)高度吻合(R²=0.58)，均反映基质渗透率；而K_P较K_C高1-3个数量级，证实层理裂缝对平行方向渗流的显著增强作用。

3. 主控因素解析：黏土含量每增加5%可使K_P提升约1个数量级(R²=0.62)；而K_V和K_C主要受石英含量与孔隙度控制，证实石英骨架对基质孔隙的保护作用。

4. 非达西效应：基于Knudsen数计算发现，页岩气开发中达西流(Kn<0.01)与滑脱流(0.01<Kn<0.1)占主导，纯Knudsen扩散罕见。深层样品（如埋深>3500米的泸州、渝西区块）具有更宽的达西流区间。

5. 生产应用价值：实际井动态数据验证，当Kn<0.2且A_p<100时，页岩气井兼具高产特征与稳产能力。如泸州区块W8井(A_p=43.3)首年递减率仅59%，显著优于高各向异性井。

该研究首次通过立方体-粉碎颗粒渗透率联合表征，揭示了黏土定向排列对页岩各向异性的定量控制规律，建立了考虑非达西效应的渗透率评价新框架。特别是发现深层页岩（如泸州、渝西区块）因较高地层压力维持更长的达西流阶段，这对中国页岩气"甜点区"优选与开发策略制定具有重要指导意义。研究提出的"黏土含量-各向异性-生产动态"关联模型，为页岩气藏经济高效开发提供了理论依据与技术支撑。