基于文獻(xiàn)分析的儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)技術(shù)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀研究

劉新，肖璇(大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712)

0 引言

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)“地質(zhì)力學(xué)”有著不同的理解和認(rèn)識(shí)。國(guó)內(nèi)地質(zhì)力學(xué)學(xué)科是李四光先生于20世紀(jì)40年代創(chuàng)立，屬于地質(zhì)學(xué)一門分支學(xué)科，是中國(guó)特有的大地構(gòu)造學(xué)派，它從活動(dòng)論的觀點(diǎn)出發(fā)，利用運(yùn)動(dòng)力學(xué)原理研究地殼構(gòu)造和地殼運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也被稱為地球自傳速度變化說(shuō)或者油氣地質(zhì)力學(xué)理論，代表人物康玉柱等，英文表述 Geomechanics。

國(guó)外地質(zhì)力學(xué)是巖石力學(xué)與土力學(xué)的合稱，最初研究巖石與土的力學(xué)行為，也稱做巖土力學(xué)，研究領(lǐng)域與國(guó)內(nèi)工程地質(zhì)，巖土工程研究領(lǐng)域有重疊。巖土力學(xué)應(yīng)用在石油工程后，主要研究對(duì)油藏、井筒及完井裝置產(chǎn)生影響的應(yīng)力與壓力，因此地質(zhì)力學(xué)被當(dāng)前石油行業(yè)定義為綜合巖石力學(xué)、地球物理、石油物理和地質(zhì)學(xué)等多學(xué)科且由于應(yīng)力、孔隙壓力和地層溫度變化引起的地殼巖石反應(yīng)，也被稱為油藏(儲(chǔ)層)地質(zhì)力學(xué)，指在油藏或儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)中遇到的各種地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題，代表人物Mark D, Zoback等，英文表述Reservior Geomechanics,Petroleum Geomechanics和Rock Geomechanics。

1 技術(shù)起源及發(fā)展歷程

地質(zhì)力學(xué)作為一門科學(xué)相對(duì)比較年輕，在石油行業(yè)的應(yīng)用時(shí)間比較短暫。通過(guò)EI庫(kù)和Scopus庫(kù)的儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)文獻(xiàn)檢索，目前可查的最早文獻(xiàn)始見(jiàn)于1968年，是美國(guó)紐約Springer出版社收錄的MUELLER ED L及FAIRHURST ED C于1967年10月26—27日發(fā)表在奧地利薩爾茨堡的奧地利地質(zhì)力學(xué)學(xué)會(huì)第十七次研討會(huì)上的一篇論文，名為《CURRENT PROBLEMS IN GEOMECHANICS AND THEIR THEORETICAL APPLICATIONS》[1](《當(dāng)前地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題及其理論應(yīng)用》)。

最初，國(guó)外的地質(zhì)力學(xué)研究用于采礦和城市工程建設(shè)，而當(dāng)時(shí)的大多數(shù)鉆井與生產(chǎn)部門沒(méi)有特別關(guān)注地層應(yīng)力和地質(zhì)力學(xué)分析。隨著油氣資源量的不斷遞減以及油價(jià)的不斷上升，作業(yè)者越鉆越深, 油井軌跡越來(lái)越復(fù)雜。當(dāng)評(píng)估鉆井與開(kāi)采存在困難時(shí)，作業(yè)者開(kāi)始關(guān)注地質(zhì)力學(xué)分析，尤其是那些在高溫高壓構(gòu)造活躍探區(qū)或超深水探區(qū)安裝了昂貴的完井裝置并想竭盡全力保護(hù)其投資的作業(yè)者。不重視地質(zhì)力學(xué)分析將會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果，例如：過(guò)量泥漿漏失、井筒失穩(wěn)、套管擠壓或剪切、油藏壓實(shí)、地表下沉、出砂、斷層復(fù)活、油藏蓋巖失去密封性均是地層內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化的表現(xiàn)。

20世紀(jì)70—80年代，人工誘發(fā)地震在美國(guó)科羅拉Rangely油田(1970s)以及壓實(shí)和沉降在北海Ekofish油田(1980s)應(yīng)用，讓世界石油行業(yè)的工程師們意識(shí)到地質(zhì)力學(xué)在油藏范疇的作用。

20世紀(jì)80—90年代，地質(zhì)力學(xué)研究正式引入油氣行業(yè)，用來(lái)改善水力壓裂和鉆井作業(yè)效率，并迅速被眾多石油公司認(rèn)識(shí)和應(yīng)用，成為快速增長(zhǎng)的領(lǐng)域，并發(fā)展成整個(gè)石油勘探開(kāi)發(fā)生產(chǎn)周期各領(lǐng)域都密不可分的分支技術(shù)，小如鉆井和射孔用的PDC，大如油田和盆地模擬工作，都離不開(kāi)地質(zhì)力學(xué)應(yīng)用，其成為油田開(kāi)發(fā)方案的重要組成部分[2]。

2000年至今，隨著美國(guó)頁(yè)巖氣革命成功并向世界蔓延，低孔低滲頁(yè)巖儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)引起研究人員對(duì)巖石力學(xué)各向異性的極大研究熱情，正是這些油藏的敏感性和復(fù)雜性，使地質(zhì)力學(xué)原理的應(yīng)用變得更為緊迫，其在優(yōu)化水力壓裂工藝幫助頁(yè)巖油氣產(chǎn)量最大化發(fā)揮了關(guān)鍵作用[3]。這一領(lǐng)域是地質(zhì)力學(xué)用于油田的最早領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)成為主要的應(yīng)用領(lǐng)域。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 研究概況

基于EI庫(kù)和Scopus庫(kù)的儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)文獻(xiàn)檢索結(jié)果，圖1顯示了當(dāng)前世界主要國(guó)家歷年儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量對(duì)比情況，其中美國(guó)、加拿大、中國(guó)、英國(guó)的研究文獻(xiàn)位居前列，尤其是美國(guó)儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)的技術(shù)文獻(xiàn)遙遙領(lǐng)先，研究應(yīng)用力度最大。

圖1 世界主要國(guó)家儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)文獻(xiàn)歷年數(shù)量變化曲線

通過(guò)對(duì)比歷年發(fā)文量前三位國(guó)家(美國(guó)、加拿大和中國(guó))文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，美國(guó)儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)研究較為系統(tǒng)，涉及水力壓裂完井增產(chǎn)、地質(zhì)力學(xué)模型與模擬、儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)特征、地質(zhì)力學(xué)評(píng)價(jià)與分析、提高采收率、油氣藏優(yōu)化管理以及鉆井與井位優(yōu)化。研究應(yīng)用對(duì)象包括天然裂縫油藏、泥頁(yè)巖非常規(guī)致密油氣藏、深水油氣藏、煤層氣儲(chǔ)層、稠油油氣藏和碳酸鹽巖油氣藏。從文獻(xiàn)看，地質(zhì)力學(xué)建模、水力壓裂和非常規(guī)頁(yè)巖油氣藏應(yīng)用的研究力度最大。加拿大的儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)研究范圍也包括了上述內(nèi)容，如：水力壓裂、建模、特征及作用研究、提高采收率、油藏優(yōu)化管理等，地質(zhì)力學(xué)研究在非常規(guī)油氣藏、碳酸鹽巖、裂縫性油氣藏、煤層氣儲(chǔ)集層也均有應(yīng)用。中國(guó)文獻(xiàn)重點(diǎn)在非常規(guī)油氣藏，尤其是四川頁(yè)巖氣儲(chǔ)層中地質(zhì)力學(xué)模擬，在碳酸鹽巖、煤層氣應(yīng)用有少量涉及。

2.2 研究領(lǐng)域

進(jìn)入2010年以后，儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)技術(shù)各分支領(lǐng)域研究進(jìn)入快速發(fā)展階段。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的分析歸類，如圖2所示，儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)可以分成13個(gè)主要研究子領(lǐng)域，主要研究?jī)?nèi)容包括：(1)地質(zhì)力學(xué)模型，包括建模方法、耦合模型、建模軟件；(2)水力壓裂、各種耦合模型及其作用；(3)地質(zhì)力學(xué)特征分析，包括利用巖心、地震、測(cè)井等數(shù)據(jù)表征地質(zhì)力學(xué)特征以及認(rèn)識(shí)地質(zhì)力學(xué)特征對(duì)油氣藏的儲(chǔ)層表征及完井設(shè)計(jì)的作用特征等。應(yīng)用油藏類型主要包括裂縫性及頁(yè)巖油氣藏。

圖2 儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)主要研究分支及其歷年文獻(xiàn)數(shù)量曲線

2.3 研究熱點(diǎn)：儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)模擬方法

地質(zhì)情況、井筒方位對(duì)于鉆井和生產(chǎn)引起的應(yīng)力變化之間的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的三維過(guò)程。隨著時(shí)間變化，這種相互作用不斷變化，增加了相互作用的復(fù)雜性，例如：探井的鉆井與測(cè)試、其他井的鉆井與生產(chǎn)等。

20世紀(jì)50年代初期，基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型問(wèn)世，用于了解和預(yù)測(cè)加州Wilmimgton油田的沉降。20世紀(jì)80年代初期出現(xiàn)的有限元分析和更全面的計(jì)算機(jī)模型用于了解北海Ekofish油田的沉降。20世紀(jì)90年代，英國(guó)Bracknell的V.I.P.S(Vector國(guó)際處理系統(tǒng)，2007年4月被斯倫貝謝收購(gòu)，更名為油藏地質(zhì)力學(xué)卓越中心)公司研發(fā)了VISAGE應(yīng)力分析模擬軟件，用于北海及其他地區(qū)注水方向性分析。該軟件可以求出巖石應(yīng)力、孔隙壓力與形變和油藏性質(zhì)之間的關(guān)系方程解，采用了有限元模擬和有限差分模擬方法[3-4]，從而可以描述和模擬地質(zhì)力學(xué)和流體流動(dòng)隨時(shí)間變化時(shí)的耦合特性，這是研發(fā)三維和時(shí)序四維巖石力學(xué)模型的關(guān)鍵。之后出現(xiàn)的巖石力學(xué)模型(MEM)不僅考慮油藏、還考慮上覆巖層、下伏巖層或油藏的巖石，以及應(yīng)力邊界條件的側(cè)覆巖石或圍巖，是成熟的數(shù)值模擬模型，需要輸入大量參數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

地質(zhì)力學(xué)作為一門新興學(xué)科，具有十分光明的應(yīng)用前景，能夠解決許多油氣新發(fā)現(xiàn)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，改善和集成油氣田項(xiàng)目管理，可以將最前沿的影響油田生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的數(shù)值模擬技術(shù)引入到常規(guī)勘探開(kāi)發(fā)中。斯倫貝謝等國(guó)際知名石油公司已經(jīng)認(rèn)識(shí)到地質(zhì)力學(xué)學(xué)科的作用，并建立了相關(guān)的地質(zhì)力學(xué)研究團(tuán)隊(duì)。正確應(yīng)用儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)，對(duì)常規(guī)和非常規(guī)油氣資源的有效勘探開(kāi)發(fā)具有重要意義。