高陡構造易漏地層鉆前裂縫定量描述方法

柯珂，王志遠，周宇陽，孫寶江，王斌

（1.中國石化石油工程技術研究院，北京100101；2.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島266580；3.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249；4.中國石化集團國際石油勘探開發(fā)公司，北京100083）

0 引言

高陡構造地質(zhì)條件復雜，構造裂縫發(fā)育，鉆井過程中的漏失現(xiàn)象比較嚴重，給安全鉆井帶來極大的危害，因此地層漏失的鉆前預測具有重要意義［1-4］。目前，國內(nèi)外學者對漏失預測方法的重點在于通過巖石力學理論對地應力進行預測與評價［5-7］，對構造裂縫的形成進行局部力學分析與研究，從而求取漏失壓力［8-9］，確定安全鉆井液密度窗口，但沒有將構造裂縫與區(qū)域地質(zhì)構造環(huán)境有效聯(lián)系起來，缺乏對構造裂縫的定量描述［10］，如裂縫的密集程度、裂縫的開度、裂縫產(chǎn)生后的孔隙度以及流體在裂縫中的滲透情況等。而采用常規(guī)方法很難對其進行定量描述，這就降低了高陡構造易漏地層鉆前漏失預測的科學性。因為同樣是發(fā)育構造裂縫，但是如果裂縫的密度、開度、孔隙度及滲透率不同，在實際鉆開漏層時，漏失量也會有較大差別［11］；因此，裂縫參數(shù)的定量描述是漏失定量預測的基礎。

1 構造裂縫定量描述思路

高陡構造裂縫定量描述的整體思路為：

首先，在區(qū)域地質(zhì)構造及其演化研究的基礎上，構建區(qū)域地質(zhì)構造模型；根據(jù)巖石力學實驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)場地應力測量統(tǒng)計結果，對地質(zhì)體的地應力分布進行有限元數(shù)值模擬，確定此區(qū)域的地應力分布特征及變化規(guī)律。

然后，依據(jù)上述地質(zhì)構造模型、應力分布情況，結合巖石破裂準則和室內(nèi)巖心實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)能量守恒原理，判斷裂縫發(fā)育區(qū)及裂縫方位，獲取此區(qū)域構造裂縫的分布規(guī)律，結合裂縫性能參數(shù)確定方程，評價裂縫的開度、密度、滲透率及孔隙度等性能參數(shù)。

2 地質(zhì)構造模型的建立

與油藏工程中常用的地質(zhì)構造建模不同，本文主要通過地層分組簡化，重點建立此區(qū)域的構造幾何模型，為后續(xù)有限元模擬奠定基礎。

2.1 地質(zhì)構造特征分析

從區(qū)塊所處區(qū)域構造入手，對區(qū)域構造位置和構造演化歷史、 所處盆地構造特征及盆地地層層序進行研究和分析，從而進一步弄清區(qū)塊的地質(zhì)構造特征［12-13］。重點需要弄清區(qū)塊構造所包含的構造帶和構造類型、地層組分、巖性及走向，獲得此區(qū)塊各組地層的底深構造圖，以便后續(xù)建模使用。

2.2 地質(zhì)模型的建立

根據(jù)地質(zhì)構造特征分析的結果，對巖性相近地層合并，依據(jù)構造圖等資料進行幾何簡化，從而建立起此區(qū)塊的地質(zhì)模型。

3 有限元模擬及區(qū)域應力分布的求取

為了對模型進行有限元分析，必須求取建立模型的邊界條件及負載參數(shù)，以便得到構造應力的分布。

1）地應力的求取。通過已鉆井地應力的求取結果，對獲取地質(zhì)力學模型的邊界條件和負載具有重要意義。目前根據(jù)鉆井測井資料、層速度資料求取地應力方法有多種［14-15］，本文主要根據(jù)文獻［14］的計算公式進行地應力的求取。

2）邊界條件與模型負載。根據(jù)水平及上覆應力求解分析結果，即可確定模型的邊界條件和所施加的載荷。

3）有限元模擬過程。有限元整體求解過程如圖1所示。

圖1 構造裂縫有限元模擬流程

4 構造裂縫定量計算方法

主要預測過程如下：首先，計算裂縫位置及分布，通過選取適當?shù)膸r石力學破壞準則，根據(jù)已有地應力分布條件，即可求取哪些區(qū)域存在裂縫；然后，對裂縫的分布情況進行描述，結合其描述方程，即可求取裂縫參數(shù)（線密度、開度、孔隙度及滲透率）［16］。

4.1 線密度

在應力作用下，巖石發(fā)生彈塑性形變，在形變的同時，應力能轉(zhuǎn)化為應變的勢能。當巖石內(nèi)部的應變勢能累積到一定程度，即釋放效率達到單位面積裂縫生成所需的能量（表面能密度）時，巖石破壞產(chǎn)生斷裂。巖石破裂的同時，其應變勢能一部分轉(zhuǎn)變?yōu)樾略隽芽p表面積需要的表面能量［17］，另一部分轉(zhuǎn)換為彈性波的形式（斷面能）進行釋放。斷面能數(shù)量級較小，可忽略。根據(jù)能量守恒原理，得到三向擠壓應力狀態(tài)下的裂縫密度、計算模型［18］：

有張應力時，裂縫密度計算公式為

式中：Dvf為裂縫的體積密度，m2/m3；Dlf為裂縫的線密度，條/m；σ1，σ2，σ3分別為最大、中間、最小主應力，Pa；E 為彈性模量，Pa；μ 為泊松比；L1，L3分別為巖體沿最大、 最小主應力方向上的邊長，m；σd為巖石即將產(chǎn)生大裂縫時的單軸壓應力值，Pa，可由實驗確定；J 為裂縫表面能密度，J/m2；θ 為裂縫走向與最大主應力之間的夾角，即破裂角，（°）。

4.2 開度

裂縫開度b 的計算公式為［17］

式中：εf為裂縫應變；ε 為現(xiàn)今應力條件下的張應變；ε0為巖石彈性最大張應變。

4.3 孔隙度

與巖石孔隙度類似，裂縫孔隙度定義為所有裂縫體積總和與巖石整體體積之比。裂縫孔隙度與體積密度、開度的相互關系為［19］

式中：φft為裂縫總孔隙度；n 為裂縫組數(shù)；bi為第i 組裂縫開度，m；Dvfi為第i 組裂縫的體積密度，m2/m3。

4.4 滲透率

依據(jù)裂隙彈性理論，在二維裂隙平面內(nèi)，流體垂直于裂隙平面的滲流或滲透可以忽略［20］，從而可以使用平板滲流模型來計算單元體中裂縫的滲透率。利用上述方法，即可求取裂縫及其主要參數(shù)隨構造的分布情況，從而達到定量描述裂縫的目的。

5 構造裂縫定量描述實例應用

圖2a為某氣田F 區(qū)塊構造剖面的簡化圖。該構造的地層包含5 個組，分別是L1—L5。根據(jù)實測地應力結果，最大主應力為水平方向，方位東北75～89°，此模型剖面主要受較大的東西向外擠力。在實際鉆井過程中，鉆至L4 組時漏失情況尤其嚴重?，F(xiàn)以L4 組為例進行有限元分析，對該層的構造裂縫定量描述。其中，L4 組的平面分布如圖2b所示，彈性模量為32 GPa，泊松比為0.26。

圖2 F 區(qū)塊構造

從應力場分布可以看出，背斜構造或褶皺構造頂部的應力值明顯大于其他區(qū)域，出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，也說明這些區(qū)域的應力作用更為強烈，對巖石的破壞作用也更為強烈（見圖3）。

圖3 F 區(qū)塊L4 組構造裂縫的應力分布

以計算得出的應力分布為基礎，選取摩爾-庫倫準則和格里菲斯準則作為巖石破裂判據(jù)，結合構造裂縫定量計算方法，即可得到裂縫參數(shù)。F 區(qū)塊L4 組裂縫開度的預測結果如圖4所示。在褶皺構造的核部及高陡構造的頂部，裂縫開度明顯大于其他區(qū)域，其最大開度預測值達到了0.5 mm 數(shù)量級，已經(jīng)屬于大開度裂縫，鉆遇此位置時極易發(fā)生漏失。計算得到裂縫開度，不但有助于漏失量的計算，而且可以為堵漏材料類型及尺寸的選擇提供依據(jù)。

圖4 F 區(qū)塊L4 組構造裂縫的開度分布

圖5為F 區(qū)塊L4 組構造裂縫的孔隙度及滲透率分布，孔隙度和滲透率的分布情況與裂縫開度的分布情況保持了高度一致性，即裂縫開度較大的區(qū)域其孔隙度和滲透率值也較大。其中，在頂部位置孔隙度達到25%左右，滲透率也達到了50×10-3μm2。圖6分別為東西向、南北向和總的裂縫線密度分布，與圖3類似，高陡構造頂部的裂縫線密度明顯大于其他區(qū)域，總線密度可達到0.55 條/m 以上。

圖5 F 區(qū)塊L4 組構造裂縫的孔隙度及滲透率分布

圖6 F 區(qū)塊L4 組構造裂縫的線密度分布

通過以上分析，得到了F 區(qū)塊L4 組構造裂縫關鍵參數(shù)的分布情況。采用同樣的方法，對L1，L2，L3，L5組進行有限元分析，即可得到整個構造不同位置的構造裂縫關鍵參數(shù)。依據(jù)整個構造上裂縫的開度、 孔隙度、滲透率及線密度的計算值，結合滲流力學理論，就能夠?qū)Υ烁叨笜嬙觳煌恢玫穆┦闆r進行預測。

6 結束語

對高陡構造易漏地層構造裂縫的定量描述，使得鉆前漏失的定量預測成為可能，也有助于堵漏材料類型和尺寸的選擇。針對高陡構造區(qū)域地質(zhì)構造特征，應用有限元基礎理論，通過建立區(qū)域地質(zhì)構造模型，應用巖石力學、斷裂力學和損傷力學理論，結合巖石的破裂判據(jù)，確定裂縫的發(fā)育區(qū)域及裂縫參數(shù)，從而得出此區(qū)域構造裂縫的分布情況及變化規(guī)律，并對裂縫進行評價。裂縫開度、孔隙度、滲透率及線密度分布結果與各類應力的分布結果一致，即應力作用較大的區(qū)域，裂縫開度、孔隙度、滲透率及線密度就越大，反之則越小。對高陡構造易漏地層鉆前構造裂縫的定量描述，為漏失量的鉆前預測、防漏措施的準備提供了科學依據(jù)。

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