博孜区块位于库车盆地克拉苏冲断带—克拉苏构造带—克深区带—博孜段，储层为白垩系巴什基奇克组砂岩，储气量丰富，且储层整体天然裂缝较发育，裂缝密度高，开发潜力大^[1-2]。由于目前博孜区块仅完钻4口评价井，在开发上主要借鉴了地质条件相似并且技术较成熟的克深区块的经验。根据克深区块的开发经验，裂缝的密度和走向是该类储层产量的首要主控因素，对于裂缝密度较高的储层，只要进行常规酸压即可获得效益产能^[3-4]。但是对博孜区块的评价井进行酸压改造后发现效果一般，压后产量与裂缝的发育情况矛盾。初步分析发现，相比克深区块，博孜区块尽管裂缝密度不低，但填充程度高，估计常规酸压并没有使得存在的天然裂缝得到充分动用。因此仅用裂缝密度来表征博孜区块储层裂缝的发育情况并进行产量预测存在着局限性，应当更多关注储层改造能够激活的那部分天然裂缝的数量和质量。为此既需要对储层天然裂缝的有效性进行系统的评价，又需要对天然裂缝的力学活动性，即天然裂缝可被激活的难易程度进行分析和统计。通过这样的分析，不仅有望实现有效天然裂缝发育程度和产量的匹配，更可以为储层改造方式的优选提供支持。

1 国内外研究现状

对博孜区块裂缝进行有效性分析是客观评价区块改造潜能的关键。裂缝有效性取决于裂缝的张开程度、连通状况和径向延伸情况^[5-6]，通常根据区块认识和资料收集情况，综合多种数据进行评价^[7-8]，如任康绪等^[9]采用成像测井、常规测井与工程录井相结合对库车坳陷的裂缝性储层提出了分类评价标准；李佳阳等^[10]利用成像测井和声波测井来评价裂缝有效性；刘金华等^[11]提出了用野外露头、岩心、薄片等的观察结合测井方法，对裂缝有效性进行综合分析；屈海洲等^[12]综合岩心—电成像资料对裂缝进行了定量表征，计算了裂缝的线密度、面缝率、平均宽度和长度等信息；信毅等^[13]、孙加华等^[14]在成像测井裂缝识别的基础上依据多极子横波测井资料中快、慢横波的分裂来识别裂缝的有效性；柳智利等^[15]指出构造运动、裂缝的充填程度、溶蚀作用以及现今地应力场与裂缝走向大的关系等因素均能影响裂缝有效性。

上述天然裂缝的前期评价只考虑其初始状况，它们能否在改造后被有效利用取决于其能否被激活。目前文献已对天然裂缝激活条件进行了一些研究，例如Cheng等^[16]在PKN模型的基础上建立天然裂缝激活模型，并结合实验确定各个逼近角下激活压力；金衍等^[17]推导了井周应力集中下，打开天然裂缝需要的起裂压力；赵金洲等^[18]推导了水力裂缝尖端应力场作用下，天然裂缝的稳定性；Busetti^[19]对水力压裂过程进行了数值模拟，并提出采用微地震数据进行标定，反推天然裂缝的激活压力；仲冠宇等^[20]、Behnia等^[21]则采用间断位移法，对人工裂缝尖端处天然裂缝的活动性和滑移量进行了计算。

在讨论裂缝力学活动性时，上述文献主要关注裂缝倾角、倾向和地应力状态，极少会使用前期评价中裂缝有效性、填充性等信息。这种脱节可能使得对改造后裂缝的预期表现和实际出现偏差，无法有效地指导储层改造策略的优选。本文通过模拟说明裂缝有效性对其力学活动性有着重要的影响，提出在裂缝力学活动性研究中应考虑裂缝有效性的影响；并根据博孜区块储层特点，对裂缝的有效性进行了多方面的综合分析，提出了裂缝分类方案；最后基于裂缝评价和力学活动性分析结果提出改造方式的优选策略。作为案例，以本文思路优化了一口井的压裂设计，实测产量表明，该井的增产效果远优于同区域其他井。

2 研究方法 2.1 裂缝的力学活动性

裂缝的力学活动性是描述天然裂缝在储层改造中激活的难易程度的力学性质。分析裂缝的力学活动性，对储层改造设计有着指导意义。在改造时，一方面主缝内充满较高压力的压裂液，同时在缝尖附近形成应力集中，从而改变天然裂缝的受力状态，引起裂缝面的剪切滑移^[16-18]；另一方面，压裂液部分进入天然裂缝，对裂缝形成支撑，减小了裂缝上的有效接触正应力，从而有助于其发生剪切激活，因此必须考虑流体压力分布的效应。

流体压力在天然裂缝激活过程中的支撑作用，可以通过建立基于离散元方法的天然裂缝与主缝交会的流固耦合模型进行说明。如图 1所示，储层处于原始地应力状态，压裂主缝沿最大主应力方向，天然裂缝方向与最大主应力斜交，流体可在裂缝中流动。通过在模型中固定井筒处的地层压力为施工时井底压力，可以模拟裂缝中压力随时间变化的情况。为研究裂缝有效性对其激活的影响，模拟时采用了两种不同导流能力的天然裂缝作为对比。

流固耦合模型计算结果反映出裂缝的导流能力对压裂过程中天然裂缝激活程度有重要影响。图 2为相同地应力和裂缝走向时，不同导流能力裂缝压力的模拟结果。可以看出，在同样的力学条件和井底流压下，导流能力弱的天然裂缝缝内阻力大，压裂液不容易进入，导致天然裂缝内压力梯度较高，而平均压力较低。

根据裂缝的库伦强度模型，天然裂缝发生剪切激活的压力条件为：

$ {\tau _{\rm{n}}} > {\tau _{\rm{f}}} + {\mu _{\rm{f}}}\left( {{\sigma _{\rm{n}}}-{p_{\rm{p}}}} \right) $

(1)

式中τ_n、σ_n——分别是主缝裂尖到达天然裂缝时作用在裂缝面上的平均剪切应力和正应力，估算方法见文献[18]；

p_p——缝内流体的平均压力；

μ_f——裂缝面的摩擦系数；

τ_f——天然裂缝的固有剪切强度。

从公式（1）中看出，缝内流体的平均压力p_p增大，有利于天然裂缝剪切激活；反之，若平均压力p_p过低，不利于激活天然裂缝，而使得主压裂缝更倾向于直接穿过天然裂缝。从裂缝压力分布以及天然裂缝剪切滑移位移的模拟结果均可以看出这一点（图 2、图 3）。

因此在相同的裂缝几何条件和地应力场下，有效性差的天然裂缝需要更大的施工井底流压，才能使得缝内平均压力p_p足够高，从而激活裂缝。激活需要的井底流压越高，说明天然裂缝越不容易激活，因此可以用激活压力p₀来表征裂缝的力学活动性。考虑到要分析大量天然裂缝的力学活动性的统计情况，逐一按照上述数值模拟方法进行流固耦合分析过于繁琐，可通过下面方法快速估计裂缝激活压力：由于流体摩阻的存在，压裂时缝内平均压力p_p低于激活压力p₀，形式上有：

$ {p_{\rm{p}}} = {\alpha _{\rm{f}}} + {p_0} $

(2)

式中α_f为井底流压支撑裂缝面的有效程度，根据其物理意义，它介于基质比奥系数α和1之间，并且与裂缝的导流能力或有效性呈正相关关系。

如果对大量天然裂缝进行有效性评价，并据此估计α_f的取值，再将公式（2）代入公式（1），即可快速地求解出每条天然裂缝的激活压力p₀，从而对储层改造能动用的天然裂缝的密度有更全面的认识。

2.2 裂缝的综合分析

要进行上述裂缝力学活动性的计算，并在此基础上针对不同裂缝的储层优选压裂改造策略，需要针对裂缝进行精细研究。反映裂缝有效性的参数有很多，针对博孜区块的资料情况，在提取可以反映区块裂缝有效性的关键参数的基础上，进行裂缝的评价和分类。下面针对这几个反映裂缝的参数进行一一论述。

2.2.1 钻井液漏失

在博孜区块和邻区，由于是碎屑岩储层，溶蚀较少，因此钻井液漏失一般是裂缝性漏失，在一定程度上反映了远井眼的裂缝发育情况，可以间接反映地层产能，是裂缝分类的重要指标。在进行钻井液漏失分析时，从迪那、大北、克深等气田统计来看，基本存在井漏量越大、漏速越高、单井产量越高的特征。不仅是漏失量，漏失速率也是一个重要的指标。C.G.Dyke就提出了如何利用钻井液池的变化以及漏失速率来判断裂缝的特征和性质等^[22]，但是这个工作需要详细的计量工具，在研究区并不具备，因此本文主要利用钻井液漏失量作为参考。如图 4所示，钻井液漏失量较小的井酸压产能普遍较低，漏失量较大的井酸压产能普遍较高。因此在进行后期的精细裂缝评价时，钻井液漏失量将作为裂缝评价的一级指标，反映裂缝发育的程度。

2.2.2 成像测井得出的裂缝定量参数

研究区已钻的4口井中有3口井有成像测井资料，2口井有取心资料，因此利用岩心刻度后的成像测井进行裂缝的定性及定量评价是非常可靠的。成像测井可以反映全井段的裂缝发育情况，因此是非常好的裂缝评价工具，本文主要利用裂缝宽度、裂缝倾角及力缝夹角这3个参数对裂缝进行综合评价。

2.2.2.1 裂缝宽度

裂缝宽度主要通过成像测井定量计算得到。Stepan.M.Luthi等^[23]针对FMI成像仪器提出了裂缝宽度的定量计算公式：

$ W = c \times A \times R_{\rm{m}}^b \times R_{{\rm{xo}}}^{\left( {1-b} \right)} $

(3)

式中W——裂缝宽度；

A——由裂缝造成的电导异常面积；

R_xo——冲洗带电阻率；

R_m——裂缝中流体电阻率，取值为井底温度下的钻井液电阻率^[24]；

b、c——系数，取决于FMI成像测井仪器的具体结构。

当FMI的测量电极靠近裂缝时，裂缝内钻井液的异常低电阻将引起FMI测量电极电流的增大，直至该测量电极远离这一裂缝而不受其低电阻异常的影响。由于这一原因，一个仅为0.1mm宽的裂缝在微电阻率扫描成像测井图像上的宽度可能显示为实际宽度的好几倍甚至几十倍。这就使得从成像上可以识别出宽度小于0.1mm的裂缝。

通过成像测井计算，博孜区块裂缝宽度一般小于0.1mm，B井裂缝宽度较大，在某些层段可以大于0.1mm，博孜C井裂缝宽度较小（图 5）。

2.2.2.2 裂缝倾角

不管是从野外露头的分析还是直观的岩心观察，裂缝倾角始终是评价裂缝发育的重要指标。倾角大的裂缝沟通的储层厚度大，有效性较好。博孜C井的倾角最低，主频为65°左右，因此裂缝的有效性较低，博孜B井裂缝倾角主频为72°，博孜D井裂缝倾角主频为71°左右（图 6）。

2.2.2.3 力缝夹角

力缝夹角是指天然裂缝与最大水平主应力之间的夹角，Zhang^[24]认为力缝夹角是产量的重要的指标，力缝夹角大于30°的井产量较低，裂缝的渗透率也受到力缝夹角的影响。力缝夹角较小的裂缝，受到现今地应力的挤压相对较小，对开启有利，因此对产能的贡献较大；反之，力缝夹角较大的裂缝对产能贡献较小。研究区博孜B井大部分的力缝夹角小于30°，C井力缝夹角较大，普遍大于30°，两口井酸压结果显示博孜B井产量比博孜C井高50%以上，因此力缝夹角可以作为衡量裂缝有效性的因素之一。博孜D井顶底的力缝夹角较大，主力储层段力缝夹角较小，整体与博孜B井相当（图 7）。

2.2.3 R/S变尺度方法

变尺度分析法，即R/S分析，是一种半定量的裂缝性储层描述方法，主要以常规声波测井资料为基础。其中R为极差，是一组序列最大累积离差与最小累积离差之差，代表序列的复杂程度；S称为标准差，代表序列的平均趋势；二者之比R/S代表无因次的序列相对波动强度。在此基础上做出R/S对n的双对数图像，记该图像的斜率为k。那么分维值D=2-k，其意义代表构造裂缝发育的复杂程度，分维值越大，天然裂缝网络越复杂，当D > 1.2时表明裂缝十分发育^[8]。

由博孜区块的R/S变尺度分析结果可以看出，博孜B井的裂缝发育最好，其次为博孜D井，博孜C井裂缝发育较差（图 8）。

2.2.4 裂缝的综合分类方法

基于上述的裂缝评价标准，建立了裂缝精细分类的标准，将研究区的裂缝分为3类，其中Ⅰ类裂缝的有效性最好，Ⅲ类最差（图 9）。

根据上述裂缝的精细分类标准，将博孜区块3口井的成像测井资料解释得到的裂缝进行了分类(图 10)。博孜B井解释Ⅰ类裂缝42条，占比14.7%；Ⅱ类裂缝89条，占比31.2%；Ⅲ类裂缝154条，占比54%。博孜C井解释II类裂缝21条，占比19.6%；III类裂缝86条，占比80.4%。博孜D井解释Ⅱ类裂缝41条，占比22%；Ⅲ类裂缝145条，占比78%。综合来看，博孜区块裂缝发育程度由好到坏依次为：博孜B井，博孜D井，博孜C井。

3 基于裂缝力学分析的储层改造策略 3.1 裂缝激活压力的分布

根据裂缝激活压力条件计算方法，对博孜区块3口井储层段成像测井识别到的裂缝计算了激活压力。根据实验结果和文献，公式（1）和公式（2）中计算参数分别取μ_f=0.6，α=0.65，而τ_f根据裂缝填充程度取0~10MPa^[25]。根据裂缝有效性和参数α_f的正相关关系，3类裂缝的α_f分别取为0.9、0.8和0.7，则各井的裂缝激活压力分布如图 11所示。

受施工工艺限制，估计实际施工井底压力可达到145MPa。此时从图 11可以看出，大部分的天然裂缝实际上无法被激活；其中博孜C井几乎没有激活天然裂缝，而博孜B井仅能够打开不到20%的天然裂缝（包括所有的Ⅰ类裂缝和约40%的Ⅱ类裂缝）。事实上，根据博孜B井和博孜C井的实际压裂曲线（图 12、图 13），博孜C井未见多裂缝特征，博孜B井有不明显的多裂缝特征，与图 11吻合较好。对于尚未改造的博孜D井同样可激活约40%的Ⅱ类缝，但其激活裂缝条数多于博孜B井，并且考虑到博孜D井的裂缝发育段较博孜B井短，其可激活的裂缝条数高于博孜B井，是3口井中最有利于形成缝网的。

裂缝的走向和倾角对裂缝激活难易程度有着明显的影响，图 14统计了博孜D井的裂缝走向分布情况，可以看出，可激活裂缝的走向大多接近最大水平主应力方向，且多为高角度缝。同时也需要明确走向和倾角并不是影响裂缝活动性的唯一因素，例如尽管有很多裂缝处于易激活的方位，但由于本身填充程度过高，实际上也难以激活。

3.2 储层改造技术思路

通过前述裂缝力学活动性分析可以看出，较高的压力和较低的黏度对打开天然裂缝比较有利。对博孜区块的裂缝进行统计可发现，Ⅰ类裂缝和Ⅱ类裂缝本身的力缝夹角对于天然裂缝激活比较有利，以施工井底压力最大可达到的145MPa进行分析，约有90%的Ⅰ类裂缝和40%的Ⅱ类裂缝能够被激活，而Ⅲ类裂缝几乎不能被激活。因此可根据各井的3类裂缝发育来预测压裂改造中天然裂缝的激活情况，从而优选改造方式。

对于主要发育Ⅰ类裂缝的储层，天然裂缝本身有效性高，近井裂缝容易激活，考虑到改造成本，可优先选择体积酸压的方式进行改造；对于主要发育Ⅱ类裂缝的储层，天然裂缝有效性适中，激活难度稍大，但仍有争取的空间和必要性，因此为了尽可能动用天然裂缝增产，可选择缝网压裂的改造方式^[26]；而对于主要发育Ⅲ类裂缝的储层，天然裂缝有效性差，难以被改造手段大量激活，但是这反过来使得改造时输入的能量不易消散，有利于造长缝，沟通远井的裂缝网络，因此可以选择大规模加砂压裂的改造方式。上述改造方式优选策略的总结见表 1。

4 应用实例分析

博孜区块博孜D井为继博孜A井、博孜B井、博孜C井之后的第4口评价井，2016年9月完钻，储层段为白垩系巴什基奇克组，在本文研究开展前尚未进行储层改造。

从基质和裂缝两方面对博孜D井和邻井进行对比。用孔隙度与储层厚度的乘积代表基质的物质基础，则博孜D井的物质基础处于博孜B井与博孜C井之间（图 15）；从裂缝数量和分类情况来看，博孜D井的裂缝发育情况也介于博孜B井和博孜C井之间（图 16）。综合来看，博孜D井储层条件居于区块的中等水平，生产测试也表明博孜D井自然产能和博孜B井接近。据此可以估计如果按照博孜B井和博孜C井的方式改造博孜D井，则改造后产量与博孜B井相当或略低，经济效益不高。因此采用本文所述方法优选储层改造方案，以期获得更大产量。

对博孜D井的裂缝进行力学活动性分析，可知博孜D井Ⅱ类、Ⅲ类裂缝均发育，其中Ⅱ类裂缝激活压力在137~155MPa，平均为145MPa左右，Ⅲ类裂缝激活压力在166~187MPa，平均为180MPa左右（图 17）。进一步研究发现，博孜D井测试段上部（6757~6800m）Ⅱ类裂缝发育密度较大，见角度较高直劈缝，裂缝宽度大，力缝夹角约30°，且水平两向应力差异小，岩石脆性较好，具备一定的缝网改造条件，考虑通过滑溜水加冻胶复合加砂压裂和分级多簇射孔等方式提高缝网复杂程度；测试段下部（6800~6850m），Ⅲ类裂缝发育密度较大，裂缝倾角中等，裂缝宽度较小，裂缝有效性较差，应采用大规模加砂压裂，尽可能沟通远井区域天然裂缝，提高改造体积与泄油气面积。据此将博孜D井储层分两段，分别采用缝网压裂和大规模加砂压裂的改造方案。

对改造后施工曲线进行分析可知，博孜D井的停泵压力为76.1MPa，延伸压力为152.5MPa，闭合压力为146.7MPa，净压力为5.82MPa，可见主裂缝开启和延伸过程中具备激活部分有效性好的Ⅱ类裂缝的条件。因此该井加砂压裂时Ⅱ类裂缝相当于部分已经开启，Ⅲ类裂缝被打开的几率比较小，在压裂施工曲线上也观察到明显多裂缝特征。

改造前后的无阻流量对比如图 18所示。可以看出，前期改造的博孜B井、博孜C井酸压后绝对增量不大。而依托于地质工程一体化的研究，博孜D井进行了具有针对性的压裂施工策略、方案制定及工艺优化，后期施工实施顺利，取得了该地区的产量突破，增产倍数远高于邻井。现在博孜D井日产气量在51×10⁴m³左右，与邻井相比，高了5倍左右，达到了效益开发产量。如前所述，博孜D井的储层条件与该区域邻井相比并无明显优势，估计通过在该区块推广本文方法，可有效提高博孜区域的生产效益，为该区块近千亿立方米储量的开发提供技术支持。

5 结论

采用离散元方法对水力裂缝逼近天然裂缝的过程进行了模拟，结果显示天然裂缝能否在储层改造中被激活，不仅取决于其走向和倾向，还与天然裂缝的有效性有关。初始有效性越强的天然裂缝在储层改造中越容易发生剪切滑移而被激活，而有效性差的天然裂缝易被水力裂缝直接穿过。据此提出了天然裂缝激活压力的估算方法。

裂缝性致密砂岩储层中，裂缝发育程度是产量的主控因素，通过对钻井液的漏失情况，成像测井得到的定量描述参数，包括裂缝宽度、裂缝倾角以及力缝夹角等因素的综合分析，可以对储层发育的裂缝进行精细分类，从而为后期裂缝的力学活动性提供计算基础。

基于裂缝的分类和力学活动性，可以计算裂缝的激活压力分布。根据压裂施工曲线，可以分析裂缝的激活程度，从而判断压裂过程中裂缝的激活状态以及比例。通过这样的分析可以应用到后期的新井压裂设计上。

应用上述方法对博孜区块D井进行了裂缝的精细分类以及激活压力的计算，从而得到了比较合适的压裂设计方案，方案实施后，博孜D井的产量得到了大幅度的提升。因此表明，基于地质工程一体化的裂缝精细研究和力学活动性计算的方法，可以实现有效增产的效果，同样的方法也可以推广到其他裂缝性油气藏中。

致谢:

塔里木油田地质工程一体化的技术专家团队对本文研究工作给予了大力支持，在生产分析、数据处理和施工设计论证方面提出了宝贵建议，在此表示感谢。