受多期次、强构造运动的剧烈改造影响, 四川盆地及周缘龙马溪/五峰组的页岩储层发育了复杂的断裂/天然裂缝系统^[1], 这是我国海相页岩气储层的典型地质特点。经过近十年的页岩气勘探开发, 人们深刻认识到“地质工程一体化”是页岩气增产提效的必由之路^[2]。地质工程一体化实际上是利用地震、钻井、录井、岩心、测井、水力压裂及返排生产等所有数据建立一体化共享综合地学模型, 用于支持钻井、压裂、生产和开发等工程的实施^[3]。页岩储层内部高度发育的天然裂缝改善了页岩的渗流能力, 天然裂缝既是储集空间, 也是渗流通道, 影响着页岩气的保存条件^[4]。直接穿过井筒的裂缝会导致泥浆漏失、遇阻、遇卡等钻井风险, 压裂时容易造成压裂液滤失, 形成砂堵, 影响压裂改造效果^[5]。因此合理表征页岩储层内天然裂缝系统的空间分布及其受力状态, 作为地质工程一体化中的重要环节, 对建立合理的地质力学模型、支持页岩气甜点优选和水平井部署、支持钻井和压裂工程都至关重要^[1]。

目前, 页岩气地质工程一体化中的离散裂缝网络建模主要存在以下3个方面的挑战。

一是天然裂缝精细预测问题。三维地震资料具有覆盖范围大、横向分辨率高的优势, 断层/天然裂缝的存在导致地震反射波的振幅、频率及相位等特征参数出现明显异常。近年来, 随着地震解释技术和地震属性技术的发展, 能够反映和描述断层/天然裂缝的地震属性越来越多, 包括叠前各向异性反演属性^[6]和叠后属性^[7]。叠前各向异性反演要求全方位或宽方位地震采集、具有足够的覆盖次数以保证地震资料信噪比、各个方位的覆盖次数尽可能均匀^[6], 能够满足条件的地震数据有限, 因此更多时候是采用叠前时间偏移得到的叠后属性进行天然裂缝预测。针对四川盆地及周缘龙马溪/五峰组页岩地层, 应用相干属性、方差属性、边缘检测、曲率、振幅对比、混沌体、蚂蚁追踪等不连续检测属性技术进行检测, 受地震资料品质和分辨率的影响, 天然裂缝预测精度存在一定局限。

二是天然裂缝尺度划分问题。受多种成因机制影响, 龙马溪组页岩发育复杂的多尺度天然裂缝系统, 根据测量方式及裂缝规模可以划分为5种尺度, 即大尺度、中尺度、小尺度、细尺度、微尺度^[2]。大尺度裂缝为地震能够直接识别的大断层或断裂, 比较容易预测, 在水平井部署时需尽量避开。中尺度裂缝表现为地震不连续检测属性(如蚂蚁追踪体)的异常, 地震剖面上表现为小断层或者天然裂缝带, 其附近可以部署水平井, 但会对钻井和压裂产生不同程度的影响。此外, 虽然可以采用成像测井的方法描述小尺度裂缝、岩心描述细尺度裂缝、岩心薄片或电镜描述微尺度裂缝, 但是必须通过钻井取心才能进行上述研究, 目前此种数据量少之又少, 因此, 几乎无法对小尺度、细尺度和微尺度的天然裂缝进行三维描述和预测。针对不同的工程需求对地震可识别的裂缝(断裂)进行合理的尺度划分成为页岩气地质工程一体化的另一个挑战。

三是天然裂缝力学参数设定问题。天然裂缝模型是页岩气地质工程一体化中的重要一环, 如何将其集成到三维地质力学建模中, 以及定量刻画天然裂缝对原场应力的扰动, 尤其是获取不同尺度裂缝系统的力学参数, 一直是研究地应力场面临的挑战。上述挑战具体表现在以下3个方面: ①在非均质地层中存在各种规模的天然裂缝, 它们表现出不同的力学性质, 尽管岩心实验或声波测井能够在一定程度上获得小尺度和细尺度裂缝的力学性质, 但无法获得大、中尺度裂缝的力学性质; ②三维建模区域可达数十至数百平方千米, 垂直覆盖范围可以从地表延伸到地下5000m, 模型精度要保证三维应力场的适用性, 应用于水力压裂的模型一般具有上千万网格的运算量, 无论从计算规模还是运算量来看都可视作巨型模型; ③将地层中难以计数的天然裂缝升级到可管理数量, 同时又保持关键分布模式和对地应力场的整体影响。

本文首先优选高品质地震数据体进行蚂蚁追踪裂缝预测, 并将其与手工解释断裂、钻井工程复杂事件、成像测井解释进行对比; 然后对蚂蚁追踪结果进行质控, 以确保天然裂缝的预测精度; 再根据蚂蚁追踪与地震剖面不连续特征的对比, 对蚂蚁异常进行尺度划分; 而后将蚂蚁异常线性转换成不同尺度的裂缝密度, 并结合地震、成像测井和岩心观察的裂缝产状, 进行不同尺度离散裂缝建模; 接着选择相对合理的天然裂缝力学参数赋值方法, 将天然裂缝集成到地质力学模型中形成综合地学模型; 最后介绍集成了多尺度天然裂缝系统的地质力学模型在钻井和压裂中的应用效果。

我们根据多年的一体化项目经验, 总结了页岩气地质工程一体化过程中天然裂缝建模的综合解决方案, 得到的多尺度裂缝建模技术流程如图 1所示。为了提高天然裂缝预测精度, 从叠前道集出发, 对龙马溪/五峰组优质页岩段的道集进行优化处理, 优选部分道集进行叠加处理, 将处理结果作为蚂蚁追踪的输入数据, 然后利用多种数据对蚂蚁追踪结果进行质控, 使得天然裂缝预测结果更加精细可靠^[8]。

图 1(Fig. 1)

图 1 页岩气地质工程一体化中的多尺度裂缝建模技术流程

将预测结果与手工解释的断层进行对比, 根据所解释断层的大小尺度对蚂蚁体异常进行划分, 将其线性地转换成4种尺度的裂缝密度, 结合由岩心和测井获得的裂缝几何形态, 进行离散裂缝模拟, 获得4组不同尺度的离散裂缝网络模型。该方法将地震可识别的断层和天然裂缝带与成像测井解释的小尺度断层相结合, 转化成4个裂缝网络模型, 分别应用于后续研究。地震无法识别的细尺度和微尺度裂缝则不在考虑之列, 一方面因为目前的工程实践尚未发现细、微尺度裂缝对钻完井工程造成风险, 另一方面目前的技术手段还无法预测细、微尺度裂缝的三维空间分布。

对4个不同尺度的裂缝网络模型分别粗化, 根据刚度参数与裂缝尺度的关系, 将4组裂缝模型分别集成到地质力学模型中, 用于评价天然裂缝的稳定性、预测钻井和压裂风险、模拟水力缝网以及研究天然裂缝与水力裂缝之间的关系。

蚂蚁追踪技术是基于蚂蚁算法的仿生物学技术, 能够突出地震数据的不连续性, 强化断裂特征属性, 提高断裂预测精度, 该技术在刻画地质构造细节方面具有客观性和评价标准的一致性^[8-9]。在常规油气勘探中, 蚂蚁追踪属性主要用于断裂自动解释, 关键技术流程通常包括4步: ①地震资料预处理, 如构造平滑、噪声压制等; ②边界检测, 如方差体、混沌体等; ③蚂蚁追踪; ④断层自动拾取。该流程需尽可能地去除噪声干扰, 以确保能够较好地提取大断层。随着致密油气、页岩油气等非常规勘探研究的不断深入, 蚂蚁追踪技术更多用于天然裂缝的预测, 这就需要在去除噪声干扰的同时尽可能保留地震不连续的细节, 以确保裂缝定位的准确性。

可用于蚂蚁追踪的属性很多, 要测试这些参数并获得比较满意的裂缝预测实属不易, 本文中蚂蚁追踪主要采用了6个参数^[8]。基于笔者多年的经验, 要提高裂缝预测精度, 最重要的因素是蚂蚁追踪的地震资料品质以及对研究区的地质认识, 也就是对结果的人工判断质控。具体的技术流程见图 1中的裂缝预测部分。本文主要论述两个部分: 一是输入地震数据的优化, 二是蚂蚁追踪结果的质控。后者包括: 对比蚂蚁追踪结果与手工解释断裂, 以了解蚂蚁追踪异常与断裂尺度的关系; 对比蚂蚁追踪结果与钻井复杂事件, 以了解蚂蚁异常与工程复杂事件的关系; 对比蚂蚁追踪结果与成像测井解释裂缝, 以了解蚂蚁异常与成像测井解释裂缝的关系。

通常地震资料处理并不一定只针对特定目的层, 可能针对从浅到深的所有地层, 因此地震数据体对于目的层而言不一定最优, 如图 2a原始道集中的目的层仍然具有优化空间。为提高天然裂缝预测的精度, 首先从叠前道集出发, 针对目的层的叠前道集进行去噪、拉平、提频等预处理, 然后选择地震资料中品质较好的道集进行部分叠加, 再优选输入数据体, 最后进行构造平滑、边缘检测和蚂蚁追踪。

图 2(Fig. 2)

图 2 叠前时间偏移原始道集(a)、去噪后(b)和拉平后(c)的道集

图 2a和图 2b分别为去噪前、后的叠前时间偏移道集, 可以看到去噪处理前的道集噪声严重, 且目的层从近道到远道同相轴不平。进行多次波去噪和随机噪声压制后, 图 2b中道集的信噪比明显提高, 在此基础上采用非刚性匹配(non-rigid matching, NRM)技术^[10]进行道集拉平处理, 可以看到道集目的层同相轴明显变平(图 2c)。图 2中近道和远道的地震反射振幅均较弱, 明显与振幅随炮检距变化的理论不符, 因此针对目的层进行道集叠加时, 我们可以选择中间振幅相对较强的道集进行叠加, 获得部分叠加道集。

为了提高地震资料对天然裂缝的识别能力, 采用拓频技术(bandwidth extension, BWXT)^[11]对优选的道集叠加体进行处理。BWXT作为一种以时变的方式拓宽地震波平均振幅谱的频带拓宽技术, 可以在相对保幅的情况下提高地震分辨率。图 3展示了拓频处理处理前、后的道集叠加体频谱及合成地震记录标定的差异, 对原始数据进行拓频处理后可以看出, 频谱从8~85Hz展宽到5~98Hz(图 3a)。对相同子波的合成地震记录进行标定, 可以看出, 拓频处理后的道集叠加体与合成地震记录的匹配程度更高, 分辨率明显提高(图 3b和图 3c)。图 4为道集拓频处理前、后水平井轨迹剖面, 处理后的目的层反射横向变化更明显, 更能反映天然裂缝带的横向变化。

图 3(Fig. 3)

图 3 拓频处理前、后道集叠加体频谱(a)、拓频处理前道集叠加体(b)以及拓频处理后道集叠加体(c)与合成地震记录

图 4(Fig. 4)

图 4 道集拓频处理前(a)、后(b)水平井轨迹剖面

由于蚂蚁追踪结果受多种因素影响, 不同时期处理的地震数据、不同的边界探测参数(方差体、混沌体等)、不同的蚂蚁追踪参数等都会产生不同的蚂蚁异常, 虽然大断裂系统差别不大, 但是在细节上有时差别很大, 而裂缝预测精度的关键在于细节, 因此蚂蚁追踪结果的质控就显得尤为重要。可用于质控的数据很多, 区域断裂系统控制着天然裂缝的走向, 地震解释的数据控制着天然裂缝的位置, 钻井录井数据以及测井数据(特别是成像测井数据)控制着微小裂缝的发育程度, 对于非常规油气勘探而言还有压裂数据、微地震数据等。此外, 生产数据在某种程度上也对天然裂缝存在指示作用^[12]。本文主要利用人工解释断裂、裂缝引起的钻井复杂问题, 并采用测井解释裂缝等方式对蚂蚁追踪结果进行质控。

为了更好地与人工解释的断层进行对比验证, 沿地震解释的层位提取蚂蚁体属性并将其与人工解释的断层进行叠合显示(图 5)。由于地震资料分辨率的限制, 很难在地面地震剖面上识别单条1~10m的断层或微裂缝, 但是龙马溪/五峰优质页岩段与下伏灰岩地层为连续性较好的强波阻抗界面, 10m以下的断层或裂缝带虽然不会造成地震反射同相轴错断, 但是仍然存在反射能量的变化、倾角突变、曲率变化、瞬时相位变化等, 这种变化在蚂蚁体属性平面图上通常呈中等偏弱异常线性分布。断距超10m的断层在蚂蚁体上往往表现为相对较强的异常值。

图 5(Fig. 5)

图 5 某区块龙马溪/五峰优质页岩段人工解释断层平面分布(a)和沿层蚂蚁追踪属性与人工解释断层叠合显示(b)

图 5a为某区块龙马溪/五峰组优质页岩段手工解释断层平面图, 图中的黑色虚线指示研究区断层的走向为北北东、北西向, 红色实线指示延伸长度大于4000m、断距大于40m的大断层, 蓝色实线指示延伸长度数百米至上千米、断距10m以上的中型断层, 绿色实线指示几十至上百米的延伸长度、剖面上无明显断距, 但可见同相轴扭动或振幅明显减弱的小断层。该区手工解释断裂系统符合区域构造演化特征, 指示该区经历了从燕山晚期到喜山中期近南—北、北北东—南南西和北西西—南东东3个不同方向的挤压运动^[1]。

图 5b为沿龙马溪/五峰优质页岩段的蚂蚁属性与人工解释断层叠合显示图。对比蚂蚁异常与地震断层解释结果发现, 蚂蚁追踪结果在强度和连续性上表现为3个级别: 强连续、强异常基本对应手工解释的大型断层(图 5a中红色实线), 中连续、较强异常对应手工解释的中型断层(图 5a中蓝色实线), 弱连续、弱异常基本可对应小型断层或裂缝带或地层倾角变化带(图 5a中绿色实线)。图 5a并未解释出图 5b中许多的蚂蚁追踪属性异常, 这也反映出了蚂蚁追踪结果比人工解释结果更加精细、客观。蚂蚁追踪结果表现出较好的规律性, 与断层展布、断层发育规律吻合很好; 在工程实施监督指导中, 裂缝带与地层倾角变化预测结果被现场工程施工所证实, 蚂蚁体异常及其解释结果在该区域展示了良好的可靠性和适用性, 蚂蚁体异常的特征如表 1所示, 相应的剖面特征如图 6所示。

表 1

表 1 蚂蚁体异常的特征对比 蚂蚁体异常分类 强度 平面长度 平面形态 地质特征 地震反射特征 强异常 强 千米—百米 较连续线状 大型断层 同相轴错断 中等异常 中等 百米 连续条状 中型断层 同相轴错断 弱异常 较弱 数十米 近网状或不规则条状 小型断层、裂缝带或地层倾角突变 同相轴轻微扭曲或振幅减弱

表 1 蚂蚁体异常的特征对比

图 6(Fig. 6)

图 6 蚂蚁体异常与地震振幅体叠合显示

图 7为蚂蚁追踪结果与已钻井的钻井复杂事件对比显示, 可以看到HA-1, HA-3和HA-5井钻遇蚂蚁异常较弱, 钻井过程中未发生钻井复杂事件; HA-7钻井过程中划眼较多, 但未发生严重的复杂状况; HA-8, HA-6和HA-2井泥浆漏失与蚂蚁异常吻合较好, 而HA-4井指端漏失与蚂蚁异常不吻合。HA-6井实钻与设计不吻合, 该井实钻是经过调整后的轨迹。HB平台根据蚂蚁异常分布对轨迹进行了适当微调以避免蚂蚁异常预测的裂缝带。

图 7(Fig. 7)

图 7 蚂蚁追踪结果与已钻井的钻井复杂事件对比显示

通常天然裂缝倾角较大, 直井眼不一定能刚好钻遇天然裂缝, 因此其成像测井解释的裂缝分布不一定与平面预测的结果相符; 水平井通常能够钻遇较多的裂缝, 其成像测井解释结果与平面预测结果具有较好的匹配度, 但是由于成本控制及井筒条件不适合等原因, 水平井成像测井较少。图 8a和图 8b均采用相同的蚂蚁追踪参数, 只是输入的数据体不同, 对比某页岩气水平井成像测井解释的裂缝与蚂蚁追踪结果, 可以看出, 虽然总体上裂缝系统差别不大, 但是细节上存在较大差别。图 8a中蚂蚁异常与裂缝发育强度吻合程度相对较好; 图 8b在裂缝发育强度较大的位置, 即红色曲线偏离较大的井轨迹位置, 蚂蚁异常反而较弱, 因此选择图 8a的蚂蚁体数据体作为下一步裂缝建模的输入数据。

图 8(Fig. 8)

图 8 某页岩气水平井不同输入数据体的成像测井解释裂缝与蚂蚁追踪结果对比显示 a输入体为22°~28°部分入射角叠加体; b输入体为10°~28°部分入射角叠加体

地下天然裂缝的形状及其分布情况复杂, 既无法仅利用地震资料进行预测, 也无法仅利用测井方法得到预测结果。我们通过各种不同的简化模型来描述裂缝的分布情况。离散裂缝网络模型通过建立不同大小、方位和形状的裂缝片, 对裂缝实际尺寸和分布形态进行高分辨率的非结构化描述, 使裂缝模型更加可靠。离散裂缝网络建模的核心是井-震结合^{[6, 13]}, 以测井及岩心解释识别的天然裂缝为基础, 结合三维地震天然裂缝预测结果, 建立不同尺度的断层、天然裂缝带、小尺度裂缝等离散天然裂缝网络模型, 其所需的输入数据包括裂缝发育强度、方位、倾角、延伸长度及高度等^{[6, 13-14]}。

前文所述的三维地震资料蚂蚁追踪方法对天然裂缝预测的效果较好, 根据成像测井解释的天然裂缝密度对蚂蚁体进行标定, 将蚂蚁体异常值的大小对应于不同的天然裂缝尺度(表 1)。本次研究将蚂蚁属性体作为输入数据, 通过线性变换将其转换为与井上裂缝发育强度可对比的属性体。根据蚂蚁体异常值和裂缝强度划分天然裂缝发育强度, 共分为4组(表 2)。

表 2

表 2 天然裂缝发育强度划分结果 裂缝组 蚂蚁体异常值 裂缝强度 地震响应 地质类别 1 > -0.10 > 0.069 同相轴明显错断或者扭曲，方差体强反映，蚂蚁体强反映, 可手动追踪 大断层为主，横向规模百米到千米级 2 -0.45~-0.10 0.042~0.069 带状分布, 同相轴扭曲、分叉, 方差体有响应, 蚂蚁体中等响应 小断层和裂缝带，横向规模几十到百米级 3 -0.70~-0.45 0.023~0.042 同相轴振幅变弱, 方差体响应弱，蚂蚁体响应变弱 小型裂缝带或为2级裂缝带的扩展，横向米级到几十米级 4 < -0.70 < 0.023 同相轴几乎无变化，不确定性较大 米级裂缝

表 2 天然裂缝发育强度划分结果

第1组对应大尺度, 受区域构造运动控制, 可延伸数千米, 在地震剖面上, 错断1个到数个同相轴, 可被清楚地解释, 一般会对页岩储层具有破坏作用, 对页岩气的保存不利, 布井时应尽量考虑避开。

第2组对应中尺度, 平面上延伸约几百米, 在地震剖面上, 同相轴表现为产状变化(扭曲)或振幅变化(变弱), 地震剖面上可见, 但蚂蚁追踪结果较地震剖面更清晰。中尺度的小断层或者裂缝带对于页岩气工程施工具有重要影响。首先是对钻井和地质导向提出了挑战, 裂缝带或者小断层如果发生剪切滑动, 对井壁稳定性会产生重要的影响, 微构造的存在则会影响地质导向。其次, 对于压裂改造而言, 中等尺度的裂缝会对压裂的效率和水力压裂裂缝的扩展产生影响, 穿过井筒的裂缝会增加套变风险、导致加砂困难等问题。由此可见中等尺度裂缝的重要性, 对该尺度的裂缝可以采用建立离散裂缝模型的表征方法。

第3组对应小断层或天然裂缝带、微裂缝, 受断层和小型褶皱控制, 为米级到十米级别, 可见于成像测井资料及岩心资料。

第4组仅凭地震资料难以分辨, 一般为米级的小微尺度的裂缝, 能够增加页岩气的储存空间, 对于页岩气增产有利, 但是由于其空间分布很难探测, 裂缝建模时可采用随机建模的方法来表征。

受测井资料精度的限制, 目前中等尺度天然裂缝的主要参数无法直接测量, 但通过分析断层的产状可以获取裂缝的主要发育规律。从图 9a可以看出, 研究区目的层天然裂缝大致可分为3组: 近东西(E-W)向, (北)北东—(南)南西((N)NE-(S)SW)向, 北北东—南南西(NNW-SSE)向。从图 9b和图 9c的统计结果可以看出, 断层以近南北向为主, 倾角通常超过60°。

图 9(Fig. 9)

图 9 两口井成像测井解释施密特投影(a)、全区断层倾角(b)与走向统计(c)

无法从成像测井获得地下天然裂缝的长度及高度, 露头区裂缝延伸长度的测量表明多数裂缝延伸长度小于100m^[15]。根据模拟的需要将离散裂缝网络中的裂缝片长度设置为0~100m, 平均长度为50m(图 10), 裂缝片长高比为2∶1。

图 10(Fig. 10)

图 10 离散裂缝网络(discrete fracture network, DFN)裂缝片长度直方统计结果

基于业内的普遍经验^[14], 以表 2中4组裂缝强度作为空间约束, 结合井上裂缝和地震解释的断裂产状, 将裂缝片形状设为矩形, 大小用正态分布描述, 分别建立4组不同尺度的离散裂缝网络模型。图 11中裂缝组1, 2, 3, 4分别对应百米~千米级的大型断层、几十~百米级的小型断层、米级~几十米级的天然裂缝带以及米级的裂缝带。

图 11(Fig. 11)

图 11 多尺度DFN天然裂缝模型

不同尺度天然裂缝模型包括了互相独立的裂缝组, 可以单独应用: 如裂缝组1和2由于断距较大, 应避免水平井直接穿越, 裂缝组3和4有可能引起钻完井工程风险, 工程实施时应注意事先确定风险控制预案; 也可以结合起来应用: 如用于后续地质力学建模、预测天然裂缝的稳定性、用于研究在水力压裂过程中天然裂缝对压裂的影响、模拟天然裂缝与水力压裂裂缝的关系等。

通过整合地震、地质构造、测井和岩心数据可以建立三维全场地质力学模型^[16-18]。在页岩气三维地质力学建模中, 如何定量刻画断层和天然裂缝系统对于原场应力的扰动, 尤其是不同尺度下裂缝系统的力学参数获取, 一直是地应力场研究面临的挑战之一。

为了解决上述问题, 我们制定了一个迭代的技术流程(图 1)。

第一步, 裂缝模型粗化。由于硬件计算能力的限制, 模型网格不可能无限细分, 这就需要用一定精度的网格尽可能表达真实的天然裂缝系统。本文从地应力模拟的角度, 要求裂缝的条数与模型网格大小兼容, 且裂缝分布特征与观察到的天然裂缝系统保持一致。通过两个算例, 验证了裂缝刚度与裂缝间距的关系。算例1:裂缝的法向刚度K_n为5.4GPa/m, 切向刚度K_s为2.16GPa/m, 裂缝间距为1m;算例2:裂缝的法向刚度K_n为0.54GPa/m, 切向刚度K_s为0.216GPa/m, 裂缝间距为10m。

计算结果如图 12所示, 可以看出两个算例的计算结果几乎相同, 表明等效刚度(裂缝刚度×裂缝间距)对应力结果具有控制作用。同一个研究区, 裂缝间距越大, 表明裂缝条数越少; 裂缝间距越小, 表明裂缝条数越多。因此可以通过等效刚度的方式对裂缝模型进行粗化。在裂缝建模时已经根据地质力学建模需要和网格大小限定了裂缝的条数, 但仍需要反复迭代测试, 得到每种尺度裂缝模型相对合理的粗化结果。

图 12(Fig. 12)

图 12 水平最小主应力井轨迹剖面算例1(a)、算例2(b)及两个算例的应力差(c)

第二步, 基于蚂蚁体裂缝预测结果将天然裂缝系统划分不同尺度。上文中我们划分了4组裂缝(表 2), 分别对应米级(最不发育)、十米级(较不发育)、百米级(较发育)和千米级(最发育)。

第三步, 设置不同尺度裂缝的刚度参数。对于天然裂缝的刚度参数, 业内已有许多经验认识, 利用这些认识可以有效地进行参数优选。许多天然裂缝系统的开度遵循幂定律, 与较小规模的裂缝相比, 大型裂缝具有更大的开度^[19]和更低的刚度, 对于应力场的扰动也更大。有学者认为天然裂缝的刚度以幂次规则随裂缝长度的增加而降低^[18], 在实际建模工作中, 不同尺度天然裂缝的刚度与模型网格大小、裂缝密度有关, 不一定遵循幂定律。获得法向刚度后, 需要进一步确定剪切刚度, 有学者通过室内实验发现裂缝剪切刚度约为法向刚度的50%^[20], 本文沿用这一观点, 以减少变量个数, 提高参数优选效率。

结合离散裂缝建模的尺度划分, 我们进行了3个法向刚度算例实验(图 13)。算例1:等比增长, 裂缝尺度每增加一级, 刚度参数降低一半, 对地应力场的扰动增强; 算例2:指数增长, 裂缝刚度随着裂缝尺度的减小呈现指数型的增长, 该算例能够突出中等尺度和大尺度的天然裂缝影响; 算例3:快速强化, 除第1组裂缝外, 其它3组裂缝的刚度迅速增大, 对应力场的影响很弱, 主要突出最发育的1组裂缝对应力场的影响。基于此假设, 通过调整裂缝组1的法向刚度, 得到4组裂缝的力学参数。基于等效强度原理^[17]进行三维应力场建模, 并根据应力场校核标准^[17]对比3个算例, 这些标准包括: ①使用集成了天然裂缝系统的应力场进行水力压裂建模, 产生与微地震数据和其它监测数据一致的水力压裂裂缝网络; ②沿井眼计算的泥浆密度窗口应与观察到的钻井事件一致; ③集成天然裂缝的垂向应力与理论值一致, 符合裂缝减弱岩石强度的认识。最终发现“快速强化”算例(算例3)所确定的垂向应力与理论值更加符合, 沿井眼的泥浆密度窗口与实钻井观察到的钻井事件一致性更好。因此, 根据表 3确定了最优的裂缝组的地质力学参数, 并将其整合到地质力学模型中, 用于后续的数据模拟。

图 13(Fig. 13)

图 13 4组裂缝的3个法向刚度算例

表 3

表 3 裂缝组的地质力学参数 裂缝发育程度 对应裂缝组 法向刚度Kn/(GPa·m-1) 切向刚度Ks/(GPa·m-1) 裂缝数/条 最不发育 4 120.51 60.26 52937 较不发育 3 110.00 55.00 41363 较发育 2 82.00 41.00 29136 最发育 1 6.00 3.00 17897 总数 — — — 141000

表 3 裂缝组的地质力学参数

天然裂缝稳定性是新井选址、井轨迹优化、压裂优化设计的重要参考因素之一。天然裂缝如果发生力学失稳, 就会发生剪切错动, 导致裂缝导流能力增大。裂缝滑动风险的计算原理如下: 依据摩尔-库伦强度准则, 分别计算裂缝面剪切应力与抗剪强度, 然后比较两者的大小关系, 假如剪切应力超过抗剪切强度, 裂缝就会滑动, 此时称为极限应力状态^[17]。基于三维地质力学模型可以计算天然裂缝的滑移因子, 进而预测天然裂缝的稳定性^[17]。

在原场地应力作用下, 任何天然裂缝均受到剪应力及正应力的影响。天然裂缝的稳定性可以通过滑动因子(S_t)来表征, 计算公式如下:

式中: σ_n, τ分别为裂缝面正应力和剪应力; c, φ分别为天然裂缝的内聚力和摩擦角。当滑动因子小于1时, 裂缝处于稳定状态; 当滑动因子等于1时, 裂缝达到极限应力状态; 当滑动因子大于1时, 裂缝发生滑动。

受裂缝面不整合及内部自我支撑机制的作用, 剪切滑动对天然裂缝的渗透率具有显著的影响^[21]。一般认为, 处于极限应力状态(即裂缝面的剪切力大于阻滑力)的裂缝容易发生剪切滑动, 导致裂缝渗透率增大。在钻井过程中钻遇滑动裂缝带时容易发生漏失; 压裂时也容易造成压裂液滤失, 增加砂堵风险。从图 14可以看出天然裂缝导流能力和稳定性的关系, 根据近井流量测量结果将天然裂缝分为高导流能力和低导流能力两类。图中每个点代表一条裂缝, 红线为摩尔库伦破坏包络线, 高于此线的裂缝发生了滑动。不难发现, 高导流能力的天然裂缝大多数处于发生滑动的状态, 而低导流能力的天然裂缝恰好相反。

图 14(Fig. 14)

图 14 裂缝稳定性对导流能力的影响[21]

三维地质力学模型提供了可靠的全区原场地应力, 结合天然裂缝模型, 可以计算全区天然裂缝的应力状态, 判断哪些裂缝容易发生剪切滑动。图 15为H20平台天然裂缝稳定性预测结果, 红黄色代表的天然裂缝容易滑动, 导流能力较强; 反之, 蓝绿色代表的天然裂缝不容易滑动, 导流能力较弱。可以看出, H20-1和H20-3钻遇天然裂缝, 但未发生漏失, 其钻遇的天然裂缝滑动因子较小, 稳定性较高; H20-4沿井轨迹无明显天然裂缝带, 钻进过程无漏失; H20-6在3658m和3811m钻进中漏失, 钻至3811m井漏严重, 提前完钻; H20-8在3480m, 3622m和3751m钻进中漏失, 在2962m处遇阻并漏失。从图中可见, 漏失位置发育天然裂缝, 且滑动因子较大, 裂缝稳定性较差。

图 15(Fig. 15)

图 15 H20平台天然裂缝稳定性预测结果

水力压裂裂缝遇到天然裂缝时, 有可能穿越也有可能被捕获, 天然裂缝有可能被激活并由此成为水力压裂缝网的一部分, 其具体表现形式受到如下多种因素的综合影响^[16]: 水力压裂裂缝和天然裂缝的夹角(逼近角)、最大和最小水平主应力的差值、水力压裂裂缝内流体压力、天然裂缝的摩擦系数和内聚力等。基于上述地质力学模型, 对研究区3口水平井水力压裂裂缝的三维几何形态进行模拟, 图 16为研究区某平台水力压裂裂缝网络与天然裂缝模型的平面叠合显示, 可以看出, 天然裂缝以近南北向为主, 水力压裂裂缝以近东西向为主, 二者夹角较大, 天然裂缝在一定程度上限制了水力压裂裂缝的延伸, 且增大了缝网的复杂程度。图 16中黄色虚线位置的水力压裂裂缝明显受到了天然裂缝的限制, 故延伸较短; 在其它天然裂缝相对不发育的位置, 水力压裂裂缝延伸较长且相对较简单。由此可知, 天然裂缝的发育既可以限制水力压裂缝网的延伸, 也可以使裂缝网络变得更复杂, 增大储层改造体积。

图 16(Fig. 16)

图 16 研究区某平台水力压裂裂缝网络与天然裂缝模型的平面叠合显示

受复杂地质条件的限制, 地质工程一体化是实现页岩气增产提效的关键, 多尺度天然裂缝建模是地质工程一体化中的重要技术环节之一, 实现合理有效的天然裂缝建模, 可以及时有效地支撑工程作业。本文得到如下4条研究结论。

1) 通过有针对性的精细化的叠前道集处理, 提高地震资料的保真保幅性, 为利用地震属性预测天然裂缝提供保障。地震蚂蚁追踪提高了大、中尺度断层和天然裂缝带预测精度, 为水平井钻完井工程风险的准确预测奠定了基础。

2) 不同尺度裂缝的力学性质不同, 对钻完井工程的影响也不同, 通过将不同的蚂蚁体异常值对应于不同尺度的裂缝, 并结合成像测井分别建立不同尺度的离散裂缝模型, 为精细刻画天然裂缝对应力场的扰动提供了可能。

3) 分别对研究区4组裂缝模型进行粗化, 利用“等效刚度”原则, 对4组天然裂缝的力学参数采用“快速强化”的方式进行赋值, 在地质力学模型中集成不同尺度天然裂缝系统, 合理刻画天然裂缝对应力场的扰动。

4) 集成了天然裂缝系统的地质力学模型应用广泛。比如可用于判断天然裂缝的应力状态, 处于极限应力状态的天然裂缝容易引起钻井复杂事件, 特别是容易造成严重的泥浆漏失, 因此可有效应用于复杂钻井的预测; 还可应用于水力压裂裂缝模拟, 分析天然裂缝与水力压裂裂缝的关系, 分析水力压裂缝网的复杂程度以及几何形态, 进而可应用于压裂设计优化。