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气体在页岩储层中的渗流机理
气体在页岩储层中的流动主要经历３个过程：
（1）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；
（2）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；
（3）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。
1．解吸附作用
页岩气藏与常规天然气藏最主要的区别是部分天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。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、Freundlich指数等温吸附定律和Langmuir等温吸附定律。

Henry等温吸附定律：VEH=Vp

n
Freundlich等温吸附定律：VEF=Vp

VPLg
Langmuir等温吸附定律：Ve=
PPLg+
2扩散
页岩储层中的扩散作用是指在浓度差的作用下，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。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。

DAZscRTscdC
拟稳态扩散方程：qg=-
pscdx

dCDAZRTdC2
非稳态扩散方程：scsc
=2
dtpscdx
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。
3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，同一岩石，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透率：
kb
Vp=-¥(1)+Ñ
mp
4Forchheimer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。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（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：
m
Forchheimer流动规律：-Ñp=+VVbr2
k
除气体的解吸、扩散和渗流之外，页岩储层的流动机理还包括气体流动过
程中储层的压敏效应，与含水饱和度相关的两相流动，温度变化引起的热效应
等。页岩储层压敏效应是指储层渗透率、孔隙度、总应力、有效应力、岩
石属性（孔隙压缩性、基质压缩性、杨氏模量等）随应力变化而变化。页岩
储层的压敏效应主要考虑储层渗透率、孔隙度随压力的变化。两相流动是指
含水储层气水相对渗透率、毛细管力作用、相变、黏土膨胀等作用。其中
黏土膨胀作用可以在气水相对渗透率和毛细管力中应用不同的数学方程进行描
述。温度变化引起的热效应可以通过Peng‐Robinson状态方程来进行考虑。