页岩气作为重要的非常规天然气资源，在保障能源供应和推动天然气增储上产中具有重要意义。页岩储层通常具有低孔隙度、纳米级孔隙结构和极低渗透率等特征，气体在基质微纳米孔隙中的传质过程涉及粘性流、Knudsen扩散、表面扩散和解吸附等多种机制。受沉积环境、矿物组分、干酪根与黏土定向排列以及层理结构影响，页岩常表现出显著的横观各向同性特征，平行层理方向与垂直层理方向的孔隙连通性、孔径分布、孔壁粗糙度和渗透率差异明显。

目前，实验测试和数学模型是认识页岩基质传质能力的重要手段。已有模型在真实气体效应、应力敏感、含水饱和度和多流态耦合等方面不断完善，但对三维孔径分布、孔壁粗糙度和孔隙不完全连通性等因素的综合考虑仍不充分，尤其难以准确描述页岩平行层理与垂直层理方向的各向异性渗透率演化规律。西南石油大学曾凡辉教授团队等围绕这一问题，开展了考虑页岩各向异性特征的气体传质模型研究，基于定向岩心实验测试和三维分形理论，建立了综合考虑多尺度孔隙、连通性、粗糙度、水膜、应力敏感及真实气体效应的页岩基质传质模型，为页岩储层流动能力评价提供了新的理论方法。相关研究认识刊登在《石油学报》第47卷第5期。

（1）系统表征了页岩平行层理方向与垂直层理方向的各向异性物性参数。研究选取四川盆地井研-犍为筇竹寺组页岩岩心，分别沿平行层理方向和垂直层理方向定向取样，开展氦气覆压孔渗、TOC含量、孔径分布、表面扩散系数和应力敏感系数等测试。结果表明，TOC含量、孔径、连通性、孔壁粗糙度、表面扩散系数和应力敏感程度均具有显著方向差异，为定量刻画页岩各向异性传质奠定了实验基础。

（2）联合高压压汞和核磁共振实验定量评价了页岩多尺度孔隙分布及连通性。研究以连通孔隙体积与总孔隙体积之比表征基质孔隙连通性，得到平行层理方向连通性无因次因子约为40.0%，垂直层理方向仅约为2.4%，揭示了孔隙连通性差异是导致页岩气体沿不同层理方向传质能力分异的重要因素。与此同时，结合原子力显微镜（AFM）测试和圆锥粗糙元物理模型，对纳米尺度孔壁粗糙形貌进行表征，发现平行层理方向平均粗糙度约0.798nm，垂直层理方向约2.160nm，说明垂直层理方向孔壁粗糙起伏更强。

（3）建立了考虑页岩各向异性特征的多尺度微纳米孔气体传质模型。该模型基于三维分形理论，综合多尺度孔径分布、迂曲度分形特征、孔隙连通性、孔壁粗糙度、水膜、应力敏感和真实气体效应，耦合粘性流、Knudsen扩散、表面扩散和解吸附效应等传输机理，实现了从微观孔隙结构到宏观基质渗透率的统一表征。与已有模型相比，该模型同时引入粗糙度和连通性修正，更适用于页岩各向异性渗透率预测。

（4）模型验证和敏感性分析表明，所建模型预测结果与实验结果吻合好，平均误差为3.24%～5.12%，研究样品中平行层理方向与垂直层理方向渗透率比值约为17。基质渗透率与TOC含量、孔径、连通性和表面扩散系数呈正相关，有机质对孔径与连通性的敏感程度大于无机质；渗透率与粗糙度、孔渗修正系数之比s/q呈负相关，毛细管越粗糙，气体分子的Knudsen扩散越容易受阻。该成果有助于深化对页岩微纳米孔隙中气体传质机制和各向异性渗透率演化规律的认识。

论文链接：http://www.syxb-cps.com.cn/CN/10.7623/syxb202605008