页岩气藏流动机理
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ＤＯＩ ：１０ ．３７８７ ／ｊ ．ｉｓｓｎ ．１０００‐０９７６ ．２０１２ ．０９ ．００３
国内在页岩气成藏机理 、资源潜力等方面的研究 已经取得了一些进步［１‐３］ ，而针对气体在页岩储层中的 流动机理和 产 能 影 响 因 素 分 析 方 面 的 研 究 则 相 对 较 少 。 尤其是在页岩气藏产能影响因素分析方面 ，仅限 于产能递减曲线图版和室内物理模拟实验［４‐６］ 。 因此 ， 有必要研究气体在页岩中的储层流动机理并分析影响 页岩气藏产能的控制因素 。
Ｈｅｎｒｙ 等温吸附常数 ，ｍ３ ／（ｔ · Ｍ Ｐａ） ；ｐ 表示自由气平 衡压力 ，Ｍ Ｐａ ；Ｖ Ｆ 表示 Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ 吸附常数 ，ｍ３ ／（ｔ ·
Ｍ Ｐａｎ ） ；Ｖ Ｌ 表示 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 体积（当固体表面被单层分
子气体全部覆盖所需要的气体体积 ，是吸附气的最大
体积） ，ｍ３ ／ｔ ；ｐＬ 表示 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 压力（气体吸附量达到 最大吸附量 ５０％ 时的压力 ） ，Ｍ Ｐａ ；Ｖ Ｅｉ 表示指定组分
第 ３２ 卷第 ９ 期 地 质 勘 探
·１·
页岩气藏流动机理与产能影响因素分析
于荣泽１ ，２ 张晓伟１ ，２ 卞亚南１ 李 阳１ 郝明祥１
１ ．中国石油勘探开发研究院廊坊分院 ２ ．国家能源页岩气研发（实验）中心
·ຫໍສະໝຸດ Baidu·
透率［１５］ 。
Ｖ ＝ － Ｋ∞ μ
１＋
ｂ ｐ
楚ｐ
（７ ）
１ ．３ ．２ Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ 效应
Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ 在 １９０１ 年指出流体在多孔介质中
的高速运动偏离达西定律 ，并在达西方程中添加速度
修正项以描述这一现象［１６］ 。 天然气在页岩储层压裂
诱导裂缝中的高速流动遵循 Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ 定律 。 公式
数 ，ｍ２ ／ｓ ；Ａ 表示面积 ，ｍ２ ；ＺＳＣ 表示标准状况下气体压
缩因子 ，无量纲单位 ；Ｒ 表示通用气体常数 ；ＴＳＣ 表示标
准温度 ，℃ ；ｐＳＣ 表示标准压力 ，Ｍ Ｐａ ；Ｃ 表示摩尔浓度 ， ｋｇ ／ｍ３ ；ｔ 表示时间 ，ｓ 。
页岩气藏开发过程中 ，基质内的天然气浓度随时
间变化 ，非稳态扩散方程能够更准确地描述页岩气的
梯度成正比 。 式 （６ ）给出了非稳态扩散方程 （Ｆｉｃｋ 第
二定律） ，即扩散过程中扩散物质的浓度随时间变化 。
ｑｇ ＝
－ ＤＡ ＺＳＣ ＲＴＳＣ ｄ Ｃ
ｐＳＣ
ｄｘ
（５ ）
抄Ｃ 抄ｔ
＝
ＤＡ ＺＳＣ ＲＴ ＳＣ 抄２ Ｃ
ｐＳＣ
抄 ｘ２
（６ ）
式（５） ～ （６）中 ｑｇ 表示扩散流量 ，ｍ３ ／ｓ ；Ｄ 表示扩散系
气体的吸附气含量 ，ｍ３ ／ｔ ；Ｖ Ｌ ｉ 表 示 指 定 气 体 组 分 的
Ｌａｎｇｍｕｉｒ 体积常数 ，ｍ３ ／ｔ ；Ｂｉ 表示指定气体组分 的
Ｌａｎｇｍｕｉｒ 常数 ，１ ／Ｍ Ｐａ ；ｙｉ 表示指定气体的摩尔含量 ， 无量纲单位 。
３ 种等温吸附定律中 ，Ｈｅｎｒｙ 和 Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ 等温
游离相天然气从高浓度区域向低浓度区域运动 ，即天
然气由基质向裂缝系统进行扩散 ，当区域浓度平衡时 ，
扩散现象停止 。 依据扩散过程可以分为拟稳态扩散和
非稳态扩散［１３］ 。 式 （５ ）给出了拟稳态扩散方程 （Ｆｉｃｋ
第一定律） ，即单位时间内通过垂直于扩散方向的单位
截面积的扩散物质流量 （扩散通量 ）与该面积处的浓度
扩散过程 。 与常规气藏不同 ，天然气在页岩储层中的
流动属于解吸附 、扩散和渗流的共同作用 。 因此 ，除对
渗流和扩散过程进行数学描述外 ，如何划分两者的流
动区间并进行耦合还需要进一步的研究 。
１ ．３ 渗流
页岩储层中的渗流作用是指在流动势作用下 ，天
然气通过裂缝系统流向井底的过程 。 由于页岩储层极
（８）给出了考虑惯性效应的 Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ 方程 。 预测
Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ 系数的模型可以分为单相流动和两相流
动模型 。 两相流动模型中 ，水的存在影响气体流动的
有效迂曲度 、孔隙度和气相渗透率 。 水力压裂措施在
页岩储层中形成复杂的裂缝网络 ，由于裂缝网络的复
杂形状 ，因而使得支撑裂缝 、次级裂缝和基质具备不同
温度下固体 颗 粒 表 面 的 气 体 吸 附 量 和 压 力 呈 指 数 关
系［１０］ ，当压力增至某个门限值后 ，气体吸附量随压力
的增长趋势变缓 。 因此 ，Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ 指数等温吸附定
律也仅在低压条件下的小范围内才适用 。
Ｌａｎｇｍｕｉｒ 等温吸附定律 ：
ＶＥ
＝
ＶＬ ｐ ｐＬ ＋ ｐ
１ 气体在页岩储层中的流动机理
气体在页岩储层中的流动主要经历 ３ 个过程［７］ ： 吸附在页岩储层基质表面的天然气解吸附后形成自由 气存储在基质孔隙中 ，基质孔隙中的自由气（包括游离 态 、溶解态气体和解吸附后形成的气体 ）向低压区 （裂 缝网络系统）扩散 ，天然裂缝和压裂诱导裂缝中的自由 气以渗流的方式流向井底 。 以下分述之 。 １ ．１ 解吸附 页岩气藏与常规天然气藏最主要的区别是部分天
的 Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ 系数 。 目前 ，页岩气的数值模拟中已
经考试考虑 Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ 流动规律 。
－
楚ｐ＝
μ Ｋ
Ｖ
＋
βρＶ ２
（８ ）
式 （７ ） ～ （８ ）中 Ｖ 表示气体渗流速度 ，ｍ ／ｓ ；Ｋ ∞ 表示
·２·
天 然 气 工 业 ２０１２ 年 ９ 月
Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ 等温吸附定律 ：
ＶＥ ＝ Ｖ Ｆ ｐｎ
（２ ）
式（２ ）给出了 Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ 等温吸附方程 ，在特定
同一气体 ，在不同的平均压力下测得的气体渗透率不
同 ；同一岩石 ，同一平均压力 ，不同气体测得的渗透率
不同 ；同一岩石 ，不同气体测得的渗透率和平均压力的
直线关系交汇纵轴于一点 ，该点 （即平均压力无穷大）
的气体渗透率与同一岩石的液体渗透率是等价的 ，该
点的渗透率为等价液体渗透率 ，亦称 Ｋｌｉｎｋｅｎｂｅｒｇ 渗
分气体等温吸附方程 ，当混合气体组分中不同气体对
应的 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 体积常数差别较大时 ，多组分 Ｌａｎｇｍｕｉｒ
等温吸附公式的计算结果和实际存在一定的偏差 。
ＶＥｉ ＝
Ｖ ＬｉＢｉ ｐｙ ｉ ｎ
（４ ）
∑ １ ＋ Ｂｊ ｐ ｙ ｊ ｊ＝１
式（１ ） ～ （４ ）中 Ｖ Ｅ 表示吸附 气含量 ，ｍ３ ／ｔ ；Ｖ Ｈ 表 示
（３ ）
式 （３）给出了 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 等温吸附方程［１１‐１２］ ，其假
设条件 ：压降和气体解吸附过程同步 ，系统瞬间达到平
衡状态 。 低压条件下 ，气体吸附量随压力呈近似线性
增长关系 ；高压条件下 ，气体吸附量无限接近 Ｌａｎｇ‐
ｍｕｉｒ 体积 。 页岩气大部分为甲烷 ，页岩储层温度高于
甲烷的临界温度 ，甲烷以单分子层形式吸附在页岩储
层基质颗粒表面 。 因此 ，Ｌａｎｇｍｕｉｒ 等温吸附定律适用
于页岩气的吸附解吸附特性 。 目前 ，主要应用 Ｌａｎｇ‐
ｍｕｉｒ 等温吸附定律来描述页岩气的吸附解吸附过程 。
推广到多组分气体解吸附问题的 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 等温吸附
定律在页岩储层中也得到了应用 。 式 （４ ）给出了多组
低的基质渗透率 ，气体的渗流主要发生在由天然裂缝
和压裂诱导裂缝构成的裂缝网络中 。 页岩储层中的气
体渗流存在多种机理 ，主要包括 ：滑脱效应的广义达西
渗流 、高速 Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ 效应 ，详述如下 。
１ ．３ ．１ 达西渗流
天然气在页岩储层天然裂缝中的流动遵循滑脱效
应的广义达西定律 。 Ｋｌｉｎｋｅｎｂｅｒｇ 指出［１４］ ，同一岩石 ，
然气以吸附状态存储于页岩基质中 。 气体在页岩储层
基质颗粒表面上的吸附主要受温度 、压力 、吸附物（气体
类型和性质） 、吸附体（储层类型 、比表面积 、固体吸附能
力）等的影响［８］ 。 对于给定的页岩气藏 ，吸附体和吸附
物性质保持不变 ，气藏内温度变化范围较小 ，气体吸附
量是压力的函数 。 在钻井 、完井和开采过程中 ，孔隙压
力下降 ，吸附在基质颗粒表面的气体开始解吸附 。 在平
衡状态和特定温度条件下描述岩石表面气体吸附量的
函数形式主要有 ３ 种 ：Ｈｅｎｒｙ 线性等温吸附定律 、Ｆｒｅｕｎ‐
ｄｌｉｃｈ 指数等温吸附定律和 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 等温吸附定律 。
Ｈｅｎｒｙ 等温吸附定律 ：
ＶＥ ＝ ＶＨ ｐ
（１ ）
式（１ ）给出了 Ｈｅｎｒｙ 线性等温吸附方程［９］ ，在指
定温度下固体颗粒表面的气体吸附量是压力的线性函
数 ，随压力增加 ，气体吸附量增加 。 Ｈｅｎｒｙ 线性等温吸
附函数的假设条件是吸附气体为理想气体 ，因此 ，该方
程仅在低压小范围条件下适用 。
基金项目 ：国家科技重大专项“页岩气勘探开发关键技术研究项目”（编号 ：２０１１ＺＸ０５０１８‐００５） 。 作者简介 ：于荣泽 ，１９８３ 年生 ，工程师 ，博士 ；２０１１ 年毕业于中国科学院渗流流体力学研究所 ；主要从事页岩气开发方面的研究 工作 。 地址 ：（０６５００７）河北省廊坊市 ４４ 号信箱新能源研究所 。 电话 ：（０１０）６９２１３３４９ 。 Ｅ‐ｍａｉｌ ：ｙｕｒｏｎｇｚｅ２０１１＠ １６３ ．ｃｏｍ
透率 ；气体在岩石孔道中渗流时的“滑脱效应”是导致
气体渗透率大于液体渗透率的根本原因 。 Ｆｌｏｒｅｎｃｅ 还
提出了 一 种 理 论 模 型 来 预 测 不 同 类 型 气 体 的 视 渗
第 ３２ 卷第 ９ 期 地 质 勘 探
于荣泽等 ．页岩气藏流动机理与产能影响因素分析 ．天然气工业 ，２０１２ ，３２（９） ：１０‐１５ ． 摘 要 为研究气体在页岩储层中的流动机理并分析影响页岩气藏产能的控制因素 ，基于广泛的文献调研 ，描述了 页岩气在页岩储层中流动主要经历的 ３ 个过程 ：解吸附 、扩散和渗流 ，分析了其影响因素和适用条件 。 在此基础上 ，利用 数值模拟方法分析了吸附气含量 、Ｌａｎｇｍｕｉｒ 体积 、Ｌａｎｇｍｕｉｒ 压力 、扩散系数 、基质渗透率 、微裂缝渗透率和压裂诱导裂缝 导流能力等因素对页岩气水平井产能的影响情况 。 结果表明 ：① 天然气地质储量保持不变时 ，随吸附气含量增高 ，水平 井日产气量和相同开发时间累积产气量逐渐降低 ，地层平均压力下降速度加快 ；② 相同吸附气浓度条件下 ，随 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 体积和 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 压力的增加 ，水平井日产气量和相同开发时间累积产气量逐渐降低 ，初期产量递减速度加快 ；③ 气体扩 散系数对产能影响较小 ；④ 基质渗透率介于 １ ．０ × １０ － ９ ～ １ ．０ × １０ － ６ ｍＤ 时 ，基质渗透率是控制水平井产能的主要因素 ， 随基质渗透率增加 ，日产气量和累积产气量迅速增加 ；⑤ 基质渗透率大于 １ ．０ × １０ － ６ ｍＤ 时 ，基质渗透率和微裂缝渗透率 均是控制水平井产能的主要因素 ，日产气量和累积产气量随基质渗透率和微裂缝渗透率的增加而增加 ；⑥ 随压裂诱导裂 缝导流能力增加 ，水平井累积产气量逐渐增加 ，累积产气量增幅逐渐减小 ，压裂诱导裂缝存在着最优导流能力 。 关键词 页岩气 流动机理 解吸附 扩散 渗流 数值模拟 水平井 产能 影响因素
吸附定律仅在低压条件下得小范围内适用 ，但在实际
应用中受到了一定的限制 。 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 等温吸附定律
适用范围广 ，并且较好地描述了页岩气的吸附解吸附
规律 。 但在多组分气体吸附解吸附情况下 ，Ｌａｎｇｍｕｉｒ
等温吸附定律仍存在一定的偏差 ，需要进一步的研究 。
１ ．２ 扩散
页岩储层中的扩散作用是指在浓度差的作用下 ，
国内在页岩气成藏机理 、资源潜力等方面的研究 已经取得了一些进步［１‐３］ ，而针对气体在页岩储层中的 流动机理和 产 能 影 响 因 素 分 析 方 面 的 研 究 则 相 对 较 少 。 尤其是在页岩气藏产能影响因素分析方面 ，仅限 于产能递减曲线图版和室内物理模拟实验［４‐６］ 。 因此 ， 有必要研究气体在页岩中的储层流动机理并分析影响 页岩气藏产能的控制因素 。
Ｈｅｎｒｙ 等温吸附常数 ，ｍ３ ／（ｔ · Ｍ Ｐａ） ；ｐ 表示自由气平 衡压力 ，Ｍ Ｐａ ；Ｖ Ｆ 表示 Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ 吸附常数 ，ｍ３ ／（ｔ ·
Ｍ Ｐａｎ ） ；Ｖ Ｌ 表示 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 体积（当固体表面被单层分
子气体全部覆盖所需要的气体体积 ，是吸附气的最大
体积） ，ｍ３ ／ｔ ；ｐＬ 表示 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 压力（气体吸附量达到 最大吸附量 ５０％ 时的压力 ） ，Ｍ Ｐａ ；Ｖ Ｅｉ 表示指定组分
第 ３２ 卷第 ９ 期 地 质 勘 探
·１·
页岩气藏流动机理与产能影响因素分析
于荣泽１ ，２ 张晓伟１ ，２ 卞亚南１ 李 阳１ 郝明祥１
１ ．中国石油勘探开发研究院廊坊分院 ２ ．国家能源页岩气研发（实验）中心
·ຫໍສະໝຸດ Baidu·
透率［１５］ 。
Ｖ ＝ － Ｋ∞ μ
１＋
ｂ ｐ
楚ｐ
（７ ）
１ ．３ ．２ Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ 效应
Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ 在 １９０１ 年指出流体在多孔介质中
的高速运动偏离达西定律 ，并在达西方程中添加速度
修正项以描述这一现象［１６］ 。 天然气在页岩储层压裂
诱导裂缝中的高速流动遵循 Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ 定律 。 公式
数 ，ｍ２ ／ｓ ；Ａ 表示面积 ，ｍ２ ；ＺＳＣ 表示标准状况下气体压
缩因子 ，无量纲单位 ；Ｒ 表示通用气体常数 ；ＴＳＣ 表示标
准温度 ，℃ ；ｐＳＣ 表示标准压力 ，Ｍ Ｐａ ；Ｃ 表示摩尔浓度 ， ｋｇ ／ｍ３ ；ｔ 表示时间 ，ｓ 。
页岩气藏开发过程中 ，基质内的天然气浓度随时
间变化 ，非稳态扩散方程能够更准确地描述页岩气的
梯度成正比 。 式 （６ ）给出了非稳态扩散方程 （Ｆｉｃｋ 第
二定律） ，即扩散过程中扩散物质的浓度随时间变化 。
ｑｇ ＝
－ ＤＡ ＺＳＣ ＲＴＳＣ ｄ Ｃ
ｐＳＣ
ｄｘ
（５ ）
抄Ｃ 抄ｔ
＝
ＤＡ ＺＳＣ ＲＴ ＳＣ 抄２ Ｃ
ｐＳＣ
抄 ｘ２
（６ ）
式（５） ～ （６）中 ｑｇ 表示扩散流量 ，ｍ３ ／ｓ ；Ｄ 表示扩散系
气体的吸附气含量 ，ｍ３ ／ｔ ；Ｖ Ｌ ｉ 表 示 指 定 气 体 组 分 的
Ｌａｎｇｍｕｉｒ 体积常数 ，ｍ３ ／ｔ ；Ｂｉ 表示指定气体组分 的
Ｌａｎｇｍｕｉｒ 常数 ，１ ／Ｍ Ｐａ ；ｙｉ 表示指定气体的摩尔含量 ， 无量纲单位 。
３ 种等温吸附定律中 ，Ｈｅｎｒｙ 和 Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ 等温
游离相天然气从高浓度区域向低浓度区域运动 ，即天
然气由基质向裂缝系统进行扩散 ，当区域浓度平衡时 ，
扩散现象停止 。 依据扩散过程可以分为拟稳态扩散和
非稳态扩散［１３］ 。 式 （５ ）给出了拟稳态扩散方程 （Ｆｉｃｋ
第一定律） ，即单位时间内通过垂直于扩散方向的单位
截面积的扩散物质流量 （扩散通量 ）与该面积处的浓度
扩散过程 。 与常规气藏不同 ，天然气在页岩储层中的
流动属于解吸附 、扩散和渗流的共同作用 。 因此 ，除对
渗流和扩散过程进行数学描述外 ，如何划分两者的流
动区间并进行耦合还需要进一步的研究 。
１ ．３ 渗流
页岩储层中的渗流作用是指在流动势作用下 ，天
然气通过裂缝系统流向井底的过程 。 由于页岩储层极
（８）给出了考虑惯性效应的 Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ 方程 。 预测
Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ 系数的模型可以分为单相流动和两相流
动模型 。 两相流动模型中 ，水的存在影响气体流动的
有效迂曲度 、孔隙度和气相渗透率 。 水力压裂措施在
页岩储层中形成复杂的裂缝网络 ，由于裂缝网络的复
杂形状 ，因而使得支撑裂缝 、次级裂缝和基质具备不同
温度下固体 颗 粒 表 面 的 气 体 吸 附 量 和 压 力 呈 指 数 关
系［１０］ ，当压力增至某个门限值后 ，气体吸附量随压力
的增长趋势变缓 。 因此 ，Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ 指数等温吸附定
律也仅在低压条件下的小范围内才适用 。
Ｌａｎｇｍｕｉｒ 等温吸附定律 ：
ＶＥ
＝
ＶＬ ｐ ｐＬ ＋ ｐ
１ 气体在页岩储层中的流动机理
气体在页岩储层中的流动主要经历 ３ 个过程［７］ ： 吸附在页岩储层基质表面的天然气解吸附后形成自由 气存储在基质孔隙中 ，基质孔隙中的自由气（包括游离 态 、溶解态气体和解吸附后形成的气体 ）向低压区 （裂 缝网络系统）扩散 ，天然裂缝和压裂诱导裂缝中的自由 气以渗流的方式流向井底 。 以下分述之 。 １ ．１ 解吸附 页岩气藏与常规天然气藏最主要的区别是部分天
的 Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ 系数 。 目前 ，页岩气的数值模拟中已
经考试考虑 Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ 流动规律 。
－
楚ｐ＝
μ Ｋ
Ｖ
＋
βρＶ ２
（８ ）
式 （７ ） ～ （８ ）中 Ｖ 表示气体渗流速度 ，ｍ ／ｓ ；Ｋ ∞ 表示
·２·
天 然 气 工 业 ２０１２ 年 ９ 月
Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ 等温吸附定律 ：
ＶＥ ＝ Ｖ Ｆ ｐｎ
（２ ）
式（２ ）给出了 Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ 等温吸附方程 ，在特定
同一气体 ，在不同的平均压力下测得的气体渗透率不
同 ；同一岩石 ，同一平均压力 ，不同气体测得的渗透率
不同 ；同一岩石 ，不同气体测得的渗透率和平均压力的
直线关系交汇纵轴于一点 ，该点 （即平均压力无穷大）
的气体渗透率与同一岩石的液体渗透率是等价的 ，该
点的渗透率为等价液体渗透率 ，亦称 Ｋｌｉｎｋｅｎｂｅｒｇ 渗
分气体等温吸附方程 ，当混合气体组分中不同气体对
应的 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 体积常数差别较大时 ，多组分 Ｌａｎｇｍｕｉｒ
等温吸附公式的计算结果和实际存在一定的偏差 。
ＶＥｉ ＝
Ｖ ＬｉＢｉ ｐｙ ｉ ｎ
（４ ）
∑ １ ＋ Ｂｊ ｐ ｙ ｊ ｊ＝１
式（１ ） ～ （４ ）中 Ｖ Ｅ 表示吸附 气含量 ，ｍ３ ／ｔ ；Ｖ Ｈ 表 示
（３ ）
式 （３）给出了 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 等温吸附方程［１１‐１２］ ，其假
设条件 ：压降和气体解吸附过程同步 ，系统瞬间达到平
衡状态 。 低压条件下 ，气体吸附量随压力呈近似线性
增长关系 ；高压条件下 ，气体吸附量无限接近 Ｌａｎｇ‐
ｍｕｉｒ 体积 。 页岩气大部分为甲烷 ，页岩储层温度高于
甲烷的临界温度 ，甲烷以单分子层形式吸附在页岩储
层基质颗粒表面 。 因此 ，Ｌａｎｇｍｕｉｒ 等温吸附定律适用
于页岩气的吸附解吸附特性 。 目前 ，主要应用 Ｌａｎｇ‐
ｍｕｉｒ 等温吸附定律来描述页岩气的吸附解吸附过程 。
推广到多组分气体解吸附问题的 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 等温吸附
定律在页岩储层中也得到了应用 。 式 （４ ）给出了多组
低的基质渗透率 ，气体的渗流主要发生在由天然裂缝
和压裂诱导裂缝构成的裂缝网络中 。 页岩储层中的气
体渗流存在多种机理 ，主要包括 ：滑脱效应的广义达西
渗流 、高速 Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ 效应 ，详述如下 。
１ ．３ ．１ 达西渗流
天然气在页岩储层天然裂缝中的流动遵循滑脱效
应的广义达西定律 。 Ｋｌｉｎｋｅｎｂｅｒｇ 指出［１４］ ，同一岩石 ，
然气以吸附状态存储于页岩基质中 。 气体在页岩储层
基质颗粒表面上的吸附主要受温度 、压力 、吸附物（气体
类型和性质） 、吸附体（储层类型 、比表面积 、固体吸附能
力）等的影响［８］ 。 对于给定的页岩气藏 ，吸附体和吸附
物性质保持不变 ，气藏内温度变化范围较小 ，气体吸附
量是压力的函数 。 在钻井 、完井和开采过程中 ，孔隙压
力下降 ，吸附在基质颗粒表面的气体开始解吸附 。 在平
衡状态和特定温度条件下描述岩石表面气体吸附量的
函数形式主要有 ３ 种 ：Ｈｅｎｒｙ 线性等温吸附定律 、Ｆｒｅｕｎ‐
ｄｌｉｃｈ 指数等温吸附定律和 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 等温吸附定律 。
Ｈｅｎｒｙ 等温吸附定律 ：
ＶＥ ＝ ＶＨ ｐ
（１ ）
式（１ ）给出了 Ｈｅｎｒｙ 线性等温吸附方程［９］ ，在指
定温度下固体颗粒表面的气体吸附量是压力的线性函
数 ，随压力增加 ，气体吸附量增加 。 Ｈｅｎｒｙ 线性等温吸
附函数的假设条件是吸附气体为理想气体 ，因此 ，该方
程仅在低压小范围条件下适用 。
基金项目 ：国家科技重大专项“页岩气勘探开发关键技术研究项目”（编号 ：２０１１ＺＸ０５０１８‐００５） 。 作者简介 ：于荣泽 ，１９８３ 年生 ，工程师 ，博士 ；２０１１ 年毕业于中国科学院渗流流体力学研究所 ；主要从事页岩气开发方面的研究 工作 。 地址 ：（０６５００７）河北省廊坊市 ４４ 号信箱新能源研究所 。 电话 ：（０１０）６９２１３３４９ 。 Ｅ‐ｍａｉｌ ：ｙｕｒｏｎｇｚｅ２０１１＠ １６３ ．ｃｏｍ
透率 ；气体在岩石孔道中渗流时的“滑脱效应”是导致
气体渗透率大于液体渗透率的根本原因 。 Ｆｌｏｒｅｎｃｅ 还
提出了 一 种 理 论 模 型 来 预 测 不 同 类 型 气 体 的 视 渗
第 ３２ 卷第 ９ 期 地 质 勘 探
于荣泽等 ．页岩气藏流动机理与产能影响因素分析 ．天然气工业 ，２０１２ ，３２（９） ：１０‐１５ ． 摘 要 为研究气体在页岩储层中的流动机理并分析影响页岩气藏产能的控制因素 ，基于广泛的文献调研 ，描述了 页岩气在页岩储层中流动主要经历的 ３ 个过程 ：解吸附 、扩散和渗流 ，分析了其影响因素和适用条件 。 在此基础上 ，利用 数值模拟方法分析了吸附气含量 、Ｌａｎｇｍｕｉｒ 体积 、Ｌａｎｇｍｕｉｒ 压力 、扩散系数 、基质渗透率 、微裂缝渗透率和压裂诱导裂缝 导流能力等因素对页岩气水平井产能的影响情况 。 结果表明 ：① 天然气地质储量保持不变时 ，随吸附气含量增高 ，水平 井日产气量和相同开发时间累积产气量逐渐降低 ，地层平均压力下降速度加快 ；② 相同吸附气浓度条件下 ，随 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 体积和 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 压力的增加 ，水平井日产气量和相同开发时间累积产气量逐渐降低 ，初期产量递减速度加快 ；③ 气体扩 散系数对产能影响较小 ；④ 基质渗透率介于 １ ．０ × １０ － ９ ～ １ ．０ × １０ － ６ ｍＤ 时 ，基质渗透率是控制水平井产能的主要因素 ， 随基质渗透率增加 ，日产气量和累积产气量迅速增加 ；⑤ 基质渗透率大于 １ ．０ × １０ － ６ ｍＤ 时 ，基质渗透率和微裂缝渗透率 均是控制水平井产能的主要因素 ，日产气量和累积产气量随基质渗透率和微裂缝渗透率的增加而增加 ；⑥ 随压裂诱导裂 缝导流能力增加 ，水平井累积产气量逐渐增加 ，累积产气量增幅逐渐减小 ，压裂诱导裂缝存在着最优导流能力 。 关键词 页岩气 流动机理 解吸附 扩散 渗流 数值模拟 水平井 产能 影响因素
吸附定律仅在低压条件下得小范围内适用 ，但在实际
应用中受到了一定的限制 。 Ｌａｎｇｍｕｉｒ 等温吸附定律
适用范围广 ，并且较好地描述了页岩气的吸附解吸附
规律 。 但在多组分气体吸附解吸附情况下 ，Ｌａｎｇｍｕｉｒ
等温吸附定律仍存在一定的偏差 ，需要进一步的研究 。
１ ．２ 扩散
页岩储层中的扩散作用是指在浓度差的作用下 ，