頁巖氣儲層四維地應(yīng)力演化及加密井復(fù)雜裂縫擴(kuò)展研究進(jìn)展

朱海燕，宋宇家，唐煊赫

1 成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059

2 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500

0 引言

受美國頁巖氣革命的啟發(fā)和影響，我國在頁巖氣勘探與開發(fā)上取得了階段性成果，使我國油氣資源結(jié)構(gòu)，勘探開發(fā)理念和技術(shù)發(fā)生重大變化。自2009年，我國鉆探了第一口頁巖氣調(diào)查井渝頁1井開始，我國頁巖氣勘探開發(fā)工作快速推進(jìn)，截至2018年底，我國頁巖氣探明地質(zhì)儲量約1.17×1012m3，頁巖氣產(chǎn)量108×108m3，約占全國天然氣產(chǎn)量的6.74%[1-3]。與此同時(shí)，我國頁巖氣開發(fā)也逐步形成一套較為完善的方法體系，該體系主要采用“水平井+體積壓裂”的開發(fā)工藝，配合“井工廠”的開發(fā)模式，一次性部署多口水平井，集中施工，集中投產(chǎn)[4-6]。我國頁巖氣儲量大，產(chǎn)量增速快，但仍存在地質(zhì)儲藏環(huán)境復(fù)雜，開發(fā)程度低，氣井遞減快，開發(fā)難度大等問題[1-2,7]。因此，目前我國在繼續(xù)勘探新儲量的同時(shí)，還需保證現(xiàn)有開發(fā)區(qū)域產(chǎn)能建設(shè)，通過部署加密井或?qū)暇M(jìn)行重復(fù)改造來彌補(bǔ)產(chǎn)量遞減，提高儲層動(dòng)用程度[8-10]。

地層巖石力學(xué)性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、天然裂縫發(fā)育、非均質(zhì)性及各向異性等特征對水力裂縫擴(kuò)展影響至關(guān)重要[11-15]。在頁巖氣開采過程中，氣井周圍地層壓力下降，老井周圍儲層存在不同程度的壓降漏斗，儲層壓力下降擾動(dòng)原地層應(yīng)力狀態(tài)，而儲層應(yīng)力隨開采時(shí)間不斷演化(即四維地應(yīng)力)，導(dǎo)致加密井壓裂裂縫及老井重復(fù)壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律發(fā)生明顯變化，從而影響氣井壓裂和氣藏開發(fā)效果。如何準(zhǔn)確計(jì)算頁巖氣藏長期開采過程中儲層四維動(dòng)態(tài)地應(yīng)力場，并以此優(yōu)化加密井和重復(fù)壓裂井的壓裂設(shè)計(jì)，是當(dāng)前我國頁巖氣開發(fā)領(lǐng)域亟待解決的難題，同時(shí)也是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

因此，本文詳細(xì)論述了油氣藏滲流—地質(zhì)力學(xué)多物理場耦合方法，解釋了頁巖氣開采過程中地層屬性變化規(guī)律及其對頁巖氣井復(fù)雜裂縫擴(kuò)展的影響，從而深化對頁巖氣儲層四維動(dòng)態(tài)應(yīng)力場演化的認(rèn)識，提高我國頁巖氣儲層的壓裂改造效果，加快頁巖氣藏開發(fā)進(jìn)程。

1 油氣藏滲流—地質(zhì)力學(xué)多物理場耦合數(shù)值模擬方法研究

油氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)研究表明，在油氣藏開發(fā)過程中，油氣開采、流體注入等措施會(huì)引起地層多孔介質(zhì)中孔隙壓力變化，導(dǎo)致儲層巖石發(fā)生形變，而這種變化又反過來影響地層多孔介質(zhì)中流體滲流規(guī)律。通常我們將流體與多孔介質(zhì)之間的相互作用稱為滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合作用，或流—固耦合作用，而建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和合理的求解方式是研究這一問題的核心和關(guān)鍵。

1.1 油氣藏滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合求解形式

流體和多孔介質(zhì)的相互作用研究起始于Terzahgi提出的著名的有效應(yīng)力理論，認(rèn)為有效應(yīng)力變化會(huì)引起多孔彈性介質(zhì)變形，而有效應(yīng)力與其總應(yīng)力和孔隙壓力有關(guān)[16]。Biot[17]最早在Terzaghi的一維流動(dòng)—應(yīng)力耦合理論基礎(chǔ)上提出了三維多孔介質(zhì)彈性力學(xué)模型，而后Geertsma[18]提出孔隙和巖石體積變化理論，并討論了地應(yīng)力變化對巖石彈性形變和孔隙體積的影響。巖石孔隙壓力減小，有效應(yīng)力增大，巖石和孔隙體積壓縮使巖石滲流性降低。1952年，F(xiàn)att等[19-20]最早通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了應(yīng)力變化對巖石滲透率的影響，反映了應(yīng)力變化會(huì)對巖石中流體滲流產(chǎn)生影響。1964年，Benham和Hoyle[21]系統(tǒng)總結(jié)了熱應(yīng)力的理論模型，認(rèn)為溫度變化會(huì)影響介質(zhì)應(yīng)力變化，該理論為流—固—熱耦合研究提供理論依據(jù)。1977年，Brownell等[22]從平衡方程角度系統(tǒng)總結(jié)了多孔介質(zhì)中多相流體滲流與熱力學(xué)間相互作用的數(shù)學(xué)模型。1986年，Lewis等[23]撰寫出版了第一部針對多孔介質(zhì)變形的專著，其中首次將多孔介質(zhì)的滲流數(shù)學(xué)模型和應(yīng)力應(yīng)變數(shù)學(xué)模型及其求解進(jìn)行了總結(jié)，并長期對總結(jié)結(jié)果進(jìn)行更新。

從20世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)外許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上對多物理場油氣藏滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模型進(jìn)行完善，用于研究儲層壓實(shí)、地面沉降[24-25]、注水驅(qū)替引起的地層形變和天然裂縫開啟[26]等問題。隨著SAGD、CO2埋存、地?zé)崮荛_采、水合物開采等技術(shù)的出現(xiàn)與大量應(yīng)用，需要在滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合的基礎(chǔ)上，考慮溫度對流體性質(zhì)、多孔介質(zhì)應(yīng)力形變的影響，以及注入流體與地層巖石、流體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等，在此基礎(chǔ)上建立流—固—熱三場耦合[27-32]和流—固—熱—化四場耦合模型[33-34]，但其耦合的核心依然在于滲流場和應(yīng)力場之間的耦合。

目前，滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合的數(shù)值方法按照耦合求解形式可劃分為全耦合、順序耦合和單向耦合3種，此外，還存在一種擬耦合形式。上述4種耦合求解形式的特征及差別如表1所示：

表1 不同耦合求解形式對比Table 1 Comparison of coupling solutions

(1)全耦合模型

Lewis等[24]和Gutierrez[25]最早提出了全耦合模型理念，該模型通過某一離散方法，同步求解滲流公式和地質(zhì)力學(xué)公式中所涉及到的變量。常用的離散方法主要包括有限差分法和有限元法。其中有限差分法離散算法相對簡單，計(jì)算效率較高，其更適用于區(qū)域較為規(guī)則的線性問題[35-36]。而有限元法則相對復(fù)雜，可用于解決非線性問題。同時(shí)，該方法單元體劃分較為靈活，對于復(fù)雜巖石形變計(jì)算較為適用[37-38]。雖然全耦合能夠保證應(yīng)力平衡方程和流動(dòng)質(zhì)量平衡方程的協(xié)調(diào)性，但是由于滲流方程和應(yīng)力方程同步求解時(shí)需要對大型矩陣進(jìn)行計(jì)算，不僅收斂性較差，而且計(jì)算時(shí)間也相當(dāng)長[39]。因此，全耦合分析一般適用于較小尺度模型的分析。

(2)順序耦合模型

順序耦合也稱迭代耦合，Settari等[40-41]為解決全耦合模型收斂性差等問題，提出順序迭代耦合有限元模型。該模型分為滲流模型和地質(zhì)力學(xué)模型，兩者需要分開建立并求解。由于滲流模型必須要在時(shí)間域上求解，而地質(zhì)力學(xué)模型則只需要關(guān)注不同邊界條件變化對應(yīng)力平衡的影響，進(jìn)而計(jì)算應(yīng)力形變即可，因此，在求解過程中，需要根據(jù)研究需求將滲流模型的時(shí)間域劃分成多個(gè)時(shí)間段，每一段作為一個(gè)時(shí)間步，在一個(gè)時(shí)間步內(nèi)，首先求解滲流模型，并將滲流模型的計(jì)算結(jié)果(孔隙壓力、溫度等)傳遞給地質(zhì)力學(xué)模型進(jìn)行平衡步分析，計(jì)算本時(shí)間步內(nèi)固相介質(zhì)的形變及應(yīng)力變化，結(jié)合應(yīng)力敏感性模型，更新孔滲參數(shù)并將其傳遞給滲流模型，進(jìn)行下一時(shí)間步的計(jì)算。

由于滲流模型和地質(zhì)力學(xué)模型各自獨(dú)立計(jì)算，因此只要保證2個(gè)模型分別收斂就能得到計(jì)算結(jié)果，同時(shí)由于不需要進(jìn)行全耦合中的大型矩陣計(jì)算，其計(jì)算效率大大提高。經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，在同一網(wǎng)格系統(tǒng)內(nèi)，順序迭代耦合可達(dá)到與全耦合模擬結(jié)果相近的效果，這證實(shí)了順序耦合模型也可具備良好的計(jì)算精度[39-40]。另外，Tortike等[42]在其基礎(chǔ)上，考慮了熱力影響。Chin等[43]提出平行力學(xué)求解模型，對迭代耦合求解方法進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升了耦合計(jì)算精度。

(3)單向耦合模型

單向耦合也稱顯式耦合，在滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合數(shù)值建模方法發(fā)展的初期，F(xiàn)ung[27]、Koutsabeloulis[44]、Minkoff等[45]就提出單向耦合模型。相對于全耦合和順序耦合，單向耦合以其求解簡便迅速的優(yōu)勢被廣泛關(guān)注。該模型計(jì)算方法是在滲流模型中完成整個(gè)分析時(shí)間內(nèi)的求解后，將計(jì)算結(jié)果作為地質(zhì)力學(xué)模型在不同時(shí)間點(diǎn)的平衡條件，進(jìn)行應(yīng)力平衡求解，從而得到對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)介質(zhì)的應(yīng)力形變情況。由于單向耦合不考慮固相介質(zhì)應(yīng)力形變對滲流參數(shù)的影響，因此其計(jì)算精度相對較差。目前單向耦合多用于井筒失穩(wěn)分析及儲層地質(zhì)力學(xué)環(huán)境的變化趨勢預(yù)測等。

(4)擬耦合模型

早期在求解滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合問題時(shí)，為了提高計(jì)算效率，將孔隙壓縮性簡化為與孔隙壓力有關(guān)的函數(shù)，在滲流求解過程中根據(jù)孔隙壓力變化即可計(jì)算孔滲參數(shù)變化和巖石變形情況，而不需進(jìn)行復(fù)雜的力學(xué)計(jì)算[46]。由于該模型準(zhǔn)確性嚴(yán)重依賴于孔隙壓縮性經(jīng)驗(yàn)公式，因此，對于均質(zhì)和各向同性地層，其耦合模擬計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確[47]。

不同的耦合求解方法，其迭代計(jì)算方式不同，因此各自計(jì)算效率、計(jì)算精度和適用性會(huì)有所差異[39]。通常全耦合方法被認(rèn)為計(jì)算精度最高，但計(jì)算效率最低，迭代耦合、單向耦合和擬耦合方法的計(jì)算精度依次降低，而計(jì)算效率依次升高。雖然在某些模型中，或某些優(yōu)化方法作用下，迭代耦合，甚至于擬耦合，能同時(shí)保證較高的計(jì)算精度和計(jì)算效率，但針對實(shí)際問題，還需根據(jù)模型特征、計(jì)算效率和精度需求等綜合考量應(yīng)該使用哪種算法[29,48]。

1.2 油氣藏滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合求解方法

近年來，商業(yè)求解器逐漸在滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模擬中發(fā)揮出強(qiáng)大的優(yōu)勢。相比于自編程序需要同時(shí)兼顧滲流模型和地質(zhì)力學(xué)模型所付出的巨大工作量，商業(yè)求解器能夠提供適用于大部分研究需求的滲流模型及地質(zhì)力學(xué)模型，這極大簡化了建模流程，提高了分析效率。對于特殊儲層或研究需求，現(xiàn)有商業(yè)求解器模型無法滿足要求時(shí)，只需針對儲層的特征對商業(yè)求解器進(jìn)行二次開發(fā)，寫入自己提供的數(shù)學(xué)模型，并利用商業(yè)求解器進(jìn)行求解計(jì)算即可。

目前應(yīng)用較廣、認(rèn)可度較高的耦合系統(tǒng)主要有 以CodeBright[49]、DYNAFLOW[50]、FEHM[51]和COMSOL[52]等為代表的全耦合模擬器，以TOUGH和FLAC3D耦 合[53]、ECLIPSE或CMG與ABAQUS耦合[54]、ATHOS和VISAGE耦合[55]等為代表的順序耦合模擬器組合，還有以ECLIPSE與VISAGE耦合[56]、NUFT與LDEC耦合[57]為代表的單向耦合模擬器組合，另外CMG軟件平臺中融合了巖石壓縮模塊，可用于進(jìn)行擬耦合計(jì)算。表2為不同滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模擬器組合的數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)、離散求解方法及適用性等對比情況，可以看出，各求解器組合之間存在較大差異，可根據(jù)計(jì)算需求選擇合適的耦合求解方法。

然而，目前的滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模型仍存在諸多不足：(1)針對裂縫性儲層，主流滲流模型中需要增加一套網(wǎng)格系統(tǒng)對裂縫進(jìn)行等效處理，同時(shí)由于大型求解器中的滲流模型采用正六面體網(wǎng)格，這種等效方式會(huì)使得天然裂縫的尺寸及形態(tài)描述不夠準(zhǔn)確。而以離散元或邊界元為代表的耦合方式雖然能夠準(zhǔn)確模擬裂縫形態(tài)，但是卻無法考慮復(fù)雜基質(zhì)滲流；(2)面對復(fù)雜的耦合問題，順序迭代耦合可以提供靈活高效的求解思路，但其一般需要依賴兩套以上求解器分別處理滲流模型和地質(zhì)力學(xué)模型，這勢必存在兩套模型之間的參數(shù)傳遞與數(shù)據(jù)耦合，難以避免由于網(wǎng)格算法而產(chǎn)生的誤差；(3)受各自數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法限制，現(xiàn)有耦合模型多基于對實(shí)際情況的簡化和假設(shè)，這勢必產(chǎn)生諸多誤差和矛盾，因此，需要針對不同的實(shí)際問題，優(yōu)化耦合模型方法。

2 頁巖氣藏滲流與地質(zhì)力學(xué)耦合的四維地應(yīng)力演化研究進(jìn)展

頁巖氣井生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生地層孔隙壓力變化，引起四維地應(yīng)力演化。頁巖氣儲層天然裂縫發(fā)育，地層流體運(yùn)動(dòng)和巖石變形機(jī)理復(fù)雜，開采過程中氣藏滲流和巖石變形的耦合模擬還需考慮基質(zhì)、微裂縫及宏觀裂縫的多介質(zhì)、多尺度和多維度問題[58-60]。

2.1 頁巖儲層四維地應(yīng)力演化模擬方法研究進(jìn)展

頁巖儲層四維地應(yīng)力演化是一個(gè)復(fù)雜的多孔介質(zhì)滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合過程，其源于Terzahgi提出的著名的有效應(yīng)力理論，而Biot[61]及Nur等[62]在此基礎(chǔ)上提出了有效應(yīng)力系數(shù)，被稱為Biot有效應(yīng)力理論(式1)，并建立三維固結(jié)理論[63]，奠定了巖石力學(xué)基礎(chǔ)，一直沿用至今。

在有效應(yīng)力理論中，biot有效應(yīng)力系數(shù)的確定極為重要。Geertsma[18]和Skempton[64]根據(jù)介質(zhì)線彈性形變理論，提出一種廣泛認(rèn)同的計(jì)算方法，如式2所示。并且他們針對該公式提出了相應(yīng)的測量方法，即：在巖心三軸壓縮試驗(yàn)中，當(dāng)孔隙壓力為0時(shí)，即可測得巖石體積模量；而當(dāng)孔隙壓力與圍壓相同時(shí)，即可測得巖性中固體顆粒體積模型。Todd和Simmons[65]對有效應(yīng)力系數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行了擴(kuò)展，如式3所示，這很大程度上提高了有效應(yīng)力系數(shù)測試的靈活性，其中Q可以用縱波波速等參數(shù)取代。隨后有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)用縱、橫波波速及計(jì)算得到的體積模量、泊松比等同樣可以計(jì)算得到有效應(yīng)力系數(shù)[66]，這被稱作動(dòng)態(tài)有效應(yīng)力系數(shù)[67]。同時(shí)，部分學(xué)者認(rèn)為滲透率也可作為有效應(yīng)力系數(shù)的計(jì)算參數(shù)[68-69]。而通過測量體積應(yīng)變方式計(jì)算得到的有效應(yīng)力系數(shù)，被稱為靜態(tài)有效應(yīng)力系數(shù)[70-72]。對于有效應(yīng)力系數(shù)取值，一直頗有爭議，而目前普遍認(rèn)為，其變化范圍為0～1之間，且動(dòng)態(tài)和靜態(tài)有效應(yīng)力系數(shù)基本保持一致[73-74]。

其中：Kbulk為巖心體積模量，GPa；Kgrain為巖心固體顆粒體積模量，GPa；Q為任意檢測的物理量；P為孔隙壓力，MPa；σeff為Terzahgi有效應(yīng)力，即圍壓與孔隙壓力之差，MPa。

有效應(yīng)力系數(shù)變化受多種因素影響，包括巖石組分，孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙度等，其具有明顯的各向異性[75-79]。而頁巖的有效應(yīng)力系數(shù)通常小于砂巖及碳酸鹽巖，其取值范圍約0.5～0.8，但在不同地區(qū)和儲層中，其取值具有較大差異[80-82]。同時(shí)，有效應(yīng)力系數(shù)還受環(huán)境因素影響，通常孔隙壓力增大、圍壓減小、溫度減低會(huì)使其有效應(yīng)力系數(shù)增大[70,74,81-82]。因此，在頁巖氣藏生產(chǎn)開發(fā)過程中，地層狀態(tài)變化對有效應(yīng)力系數(shù)的影響不容忽視。但該規(guī)律尚未得到一個(gè)普適性公式，因此目前在頁巖儲層滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模擬過程中，通常將其視為常數(shù)。另外，巖體在高圍壓或高孔隙壓力下表現(xiàn)為彈塑性特征，部分學(xué)者正在進(jìn)行該方面的研究和探索，但目前尚未取得統(tǒng)一性認(rèn)識[83-84]。

頁巖地層天然裂縫發(fā)育，傳統(tǒng)連續(xù)性模型已不能滿足計(jì)算需求，需要在模擬方法上加以改進(jìn)，而目前改進(jìn)模型主要分為連續(xù)介質(zhì)模型和離散裂縫模型[58-60]。

連續(xù)介質(zhì)模型是將孔隙介質(zhì)分為基質(zhì)孔隙介質(zhì)和裂縫孔隙介質(zhì)，并針對兩種介質(zhì)分別構(gòu)建平衡方程和連續(xù)性方程等，設(shè)置兩種介質(zhì)之間的物質(zhì)及能量傳導(dǎo)關(guān)系。1996年Lewis和Ghafouri[85]最早提出基于有限元方法的雙孔模型，對天然裂縫進(jìn)行了等效處理。Jalali和Dusseault[86]對雙孔模型中基質(zhì)和裂縫孔隙介質(zhì)應(yīng)力模型進(jìn)行完善，將兩者有效結(jié)合。Wei和Zhang[87]在此基礎(chǔ)上，提出適用于煤層的三孔雙滲有限體積模型，并考慮吸附引起的形變影響。但由于天然裂縫展布發(fā)育差異較大，該類模型無法準(zhǔn)確模擬天然裂縫非均勻變化。

而離散裂縫模型是將巖體處理為非連續(xù)介質(zhì)，用特殊單元表征宏觀裂縫，允許流體同時(shí)在基質(zhì)和裂縫中流動(dòng)，分別計(jì)算基質(zhì)和裂縫非線性變形情況[88]。該模型數(shù)值模擬方法主要包括離散元法[11,89]、擴(kuò)展有限元法[90-91]和有限元法[92-93]。其中離散元方法是在宏觀離散裂縫基礎(chǔ)上，對基質(zhì)網(wǎng)格進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格剖分，其計(jì)算量大，計(jì)算精度難以保證，同時(shí)離散元模型無法準(zhǔn)確模擬基質(zhì)中流體復(fù)雜流動(dòng)情況[94]。而有限元方法則是在原有連續(xù)網(wǎng)格基礎(chǔ)上，引入cohesive黏聚力區(qū)域模型，從而實(shí)現(xiàn)離散裂縫滲流和形變效果[95]，該方法計(jì)算準(zhǔn)確度高，但依然需要進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，計(jì)算效率較低。擴(kuò)展有限元?jiǎng)t不需要把裂縫當(dāng)作為幾何實(shí)體，該方法中裂縫面網(wǎng)格與結(jié)構(gòu)內(nèi)部的幾何形狀或物理界面無關(guān)，從而減小網(wǎng)格劃分難度，但該方法主要用于二維空間，三維模型依然在探索[90,96]。

上述模型多采用全耦合方法，較適用于均質(zhì)模型，但對于頁巖非均質(zhì)性儲層，采用迭代耦合方法計(jì)算時(shí)效性較高。因此，本課題組針對頁巖儲層的復(fù)雜特征，提出了一種有限差分滲流模擬器和有限元地質(zhì)力學(xué)模擬器相結(jié)合的交叉迭代耦合模擬方法(圖1)，研究生產(chǎn)過程中地應(yīng)力變化及其對孔滲參數(shù)的影響[97-99]。該方法中可加入離散裂縫模型，模擬天然裂縫和老井水力裂縫展布，真實(shí)反映儲層實(shí)際非均質(zhì)性和各向異性特征，裂縫屬性可通過Oda法進(jìn)行等效處理，轉(zhuǎn)化為連續(xù)介質(zhì)模型屬性，參與迭代耦合計(jì)算[100]。

圖1 滲流—地質(zhì)力學(xué)迭代耦合模擬方法[99]Fig.1 Modeling workflow of flow and geomechanical iterative coupling[99]

迭代耦合模型中不同求解器之間網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存在差異(圖2a)，為解決該問題，Samier等[101]提出相同網(wǎng)格條件下不同求解模型間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法。但由于地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同求解模型網(wǎng)格劃分方式多樣(圖2(b)、(c))，為了保證各模擬器的網(wǎng)格劃分靈活性和計(jì)算準(zhǔn)確性，課題組自主開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)映射子程序，通過球形自適應(yīng)搜索算法(圖3)，最大程度滿足不同模擬器之間網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化需求[97]。

圖2 有限差分模型和有限元模型網(wǎng)格對比[97]Fig.2 The grid differences between FD model and FE model[97]

圖3 有限差分模型和有限元模型網(wǎng)格間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[97]Fig.3 Data communicating between the FD grid in the flow model and the FE grid in the geomechanical model[97]

頁巖氣藏流體運(yùn)移機(jī)理復(fù)雜，儲層中同時(shí)存在基質(zhì)孔隙、微裂縫及宏觀裂縫等多種孔隙介質(zhì)系統(tǒng)，現(xiàn)有模型對此做了大量的簡化。連續(xù)介質(zhì)模型注重于宏觀尺度上基質(zhì)孔隙和微裂縫滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模型，而忽略的宏觀裂縫影響。而離散裂縫模型則重點(diǎn)研究宏觀裂縫及基質(zhì)，或微觀尺度上微裂縫及基質(zhì)之間的滲流及形變規(guī)律，忽略了不同尺度下微裂縫、宏觀裂縫的非均勻變形規(guī)律及其對儲層力學(xué)狀態(tài)的影響。

2.2 頁巖儲層四維地應(yīng)力演化規(guī)律研究

頁巖儲層滲透率低、氣井產(chǎn)量遞減較快，國內(nèi)外已開始重新調(diào)整開發(fā)方案，優(yōu)化井網(wǎng)，挖掘儲層產(chǎn)能。其中最為有效的方式為老井重復(fù)壓裂和部署加密井，而地層應(yīng)力狀態(tài)嚴(yán)重影響壓裂改造裂縫擴(kuò)展，因此，頁巖儲層四維地應(yīng)力演化規(guī)律對頁巖氣藏開發(fā)至關(guān)重要。

Guo等[102-103]、Sangnimnuan等[104]、Gupta等[105]采用有限元方法、Roussel等[106]采用有限元與邊界元方法、Safari等[107]采用邊界元和有限差分方法模擬研究了頁巖氣藏簡單兩翼水力裂縫水平井生產(chǎn)過程中地應(yīng)力變化情況。研究結(jié)果表明：開發(fā)速率越快，地層孔隙壓力和最小水平主應(yīng)力下降越快。由于頁巖儲層滲透率較低，應(yīng)力變化主要集中在水力裂縫附近。初始水平兩向應(yīng)力越小，兩井之間(水力裂縫尖端位置)越易發(fā)生水平兩向地應(yīng)力反轉(zhuǎn)。當(dāng)井間距離減小時(shí)，孔隙壓力及地應(yīng)力下降速率加快。同時(shí)，水力裂縫形態(tài)也會(huì)對地應(yīng)力分布產(chǎn)生影響(圖4)，而楊氏模量差異對地應(yīng)力影響較小。另外，水平井空間位置、水力裂縫空間延展等也會(huì)影響地應(yīng)力大小和方向分布變化。相鄰兩井布井層位相同時(shí)，更容易引起井間水平應(yīng)力轉(zhuǎn)向。而對位于不同層位兩口鄰井，水力裂縫高度和長度變化引起的井間干擾會(huì)使空間應(yīng)力變化更加復(fù)雜。

圖4 不同水力裂縫形態(tài)下孔隙壓力及地應(yīng)力分布變化[103]Fig.4 Pore pressure and stress distribution with different fracture geometries after production[103]

Ren等[108]和Moradi等[109]結(jié)合離散裂縫模型，考慮了天然裂縫的影響。研究表明：天然裂縫可形成高滲流通道，使其周圍的孔隙壓力快速降低。同時(shí)，天然裂縫也會(huì)影響改變巖體形變規(guī)律，如圖5所示，橫向裂縫會(huì)阻隔巖體形變趨勢，而使巖體沿裂縫面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。

圖5 注采過程中地層位移變化分布[108]Fig.5 Formation displacement distribution after production and injection[108]

本課題組結(jié)合有限差分和有限元方法，綜合考慮頁巖氣儲層的非均質(zhì)性和地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的各向異性特征，以及老井復(fù)雜水力裂縫系統(tǒng)(圖6)，研究了四川盆地涪陵頁巖氣藏生產(chǎn)過程中四維地應(yīng)力的演化規(guī)律[97,100]。研究表明：受氣井生產(chǎn)影響，隨著開采程度的提高，地層孔隙壓力減小，有效應(yīng)力增大，三向主應(yīng)力減小(圖7(a))，且主要集中在水力裂縫改造區(qū)域，而垂向兩向應(yīng)力差及水平兩向應(yīng)力差則增大(圖7(b))。該區(qū)域最大主應(yīng)力方向發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)，且主要集中在井筒趾部和跟部的水力裂縫邊緣，井間區(qū)域應(yīng)力方向無明顯偏轉(zhuǎn)，該規(guī)律與Hwang等[110]及Rod等[111]研究結(jié)果相同。另外，對于非均質(zhì)頁巖地層，頁巖水平主應(yīng)力、壓實(shí)程度、孔滲條件等與孔隙壓力變化呈明顯的非線性關(guān)系，圖8為不同地層條件下，孔隙壓力與地層壓實(shí)程度的變化關(guān)系。

圖6 水平井水力裂縫模擬結(jié)果[100]Fig.6 Simulated complex fractures of horizontal wells

圖7 生產(chǎn)后地層應(yīng)力分布與變化[100]Fig.7 Stress distribution and change after production[100]

圖8 地層壓實(shí)程度與孔隙壓力關(guān)系[97]Fig.8 Relationship between the reservoir compaction and pore pressure[97]

頁巖儲層地質(zhì)特征及壓裂工藝復(fù)雜，在四維地應(yīng)力演化模擬過程中需考慮地層天然裂縫、非均質(zhì)性和各向異性特征，以及老井水力裂縫影響，因此，目前模型還需逐漸完善。生產(chǎn)過程中頁巖儲層應(yīng)力與孔隙壓力變化規(guī)律已基本形成統(tǒng)一認(rèn)識，但由于模擬方法及初始地質(zhì)工程條件方面存在差異，在水平兩向主應(yīng)力分布變化規(guī)律方面仍存在分歧，特別是井間區(qū)域水平兩向主應(yīng)力是否存在轉(zhuǎn)向可能等問題。因此，在此方面還需深入研究探討。

3 頁巖氣加密井復(fù)雜裂縫擴(kuò)展研究

3.1 油氣藏滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合的復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模型研究

地層力學(xué)狀態(tài)變化直接影響水力裂縫擴(kuò)展形態(tài)，因此需要在常規(guī)靜態(tài)條件下的裂縫擴(kuò)展模型基礎(chǔ)上結(jié)合油氣藏滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模型。1980年，Settari[112]和Hagoort等[113]首次考慮油藏滲流引起的儲層孔隙壓力和地應(yīng)力變化，建立了油藏滲流—地質(zhì)力學(xué)與壓裂裂縫擴(kuò)展耦合的數(shù)值模型。隨后，Ji等[114]建立了油藏滲流與地質(zhì)力學(xué)全耦合的裂縫擴(kuò)展有限元模型，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)油藏注采誘導(dǎo)地應(yīng)力場動(dòng)態(tài)變化條件下的單條平面裂縫擴(kuò)展模擬。

近年來，由于非常規(guī)油氣開發(fā)的需要，許多學(xué)者開展了加密井裂縫擴(kuò)展的數(shù)值模擬研究。2012年，Gupta等[105]首次將老井生產(chǎn)效應(yīng)與加密井水力壓裂裂縫擴(kuò)展相結(jié)合，利用有限元模型分析了老井生產(chǎn)引起的地應(yīng)力變化對加密井壓裂裂縫擴(kuò)展的影響。隨后，Roussel等[106]、Kumar和 Ghassemi[9]、Rezaei等[115]結(jié)合有限元與位移不連續(xù)方法(DDM)、Safari等[10]結(jié)合有限差分和DDM方法，分析了均質(zhì)地層條件下，老井生產(chǎn)過程中的地應(yīng)力變化，以及在其變化下加密井的水力裂縫轉(zhuǎn)向和非均勻擴(kuò)展，但模型中加密井水力裂縫均為簡單兩翼裂縫。Zhang等[11]在離散元模型中引入離散裂縫網(wǎng)絡(luò)(DFN)，研究了老井生產(chǎn)對加密井復(fù)雜水力裂縫擴(kuò)展的影響，并系統(tǒng)討論了裂縫性儲層中水力裂縫起裂和擴(kuò)展，以及天然裂縫與水力裂縫、多條水力裂縫之間影響。為了描述真實(shí)的儲層地質(zhì)特征，Huang等[116]、Marongiu-Porcu等[117]通過集成“地質(zhì)力學(xué)—微地震監(jiān)測—?dú)獠貪B流—離散天然裂縫網(wǎng)絡(luò)”多物理場模型，提出了一套加密井復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模擬的地質(zhì)工程一體化解決方案，但其滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模型較為簡單，水力裂縫擴(kuò)展為擬三維狀態(tài)，無法真實(shí)表達(dá)頁巖地層水力壓裂復(fù)雜裂縫三維擴(kuò)展。

本課題組[98,100]針對涪陵頁巖氣的真實(shí)儲層特征及生產(chǎn)參數(shù)，提出了集成“離散天然裂縫網(wǎng)絡(luò)—老井壓裂復(fù)雜裂縫擴(kuò)展—老井氣藏滲流與應(yīng)力耦合—加密井裂縫擴(kuò)展”的綜合建模方法(圖9)，研究了頁巖氣藏加密井復(fù)雜裂縫擴(kuò)展機(jī)理。該方法根據(jù)地震、測井、巖心觀察及實(shí)驗(yàn)測試等資料，分別建立了精細(xì)三維地質(zhì)網(wǎng)格屬性模型、地質(zhì)力學(xué)模型及離散裂縫模型，并在此基礎(chǔ)上建立基于離散裂縫的水力壓裂復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模型，采用Oda方法將離散裂縫屬性等效轉(zhuǎn)化為連續(xù)網(wǎng)格屬性。通過滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模型計(jì)算老井生產(chǎn)過程中地層屬性變化情況，并在此基礎(chǔ)上模擬加密井裂縫擴(kuò)展情況。

圖9 加密井復(fù)雜裂縫模擬流程[100]Fig.9 Complex fracture propagation simulation workflow of infill well[100]

現(xiàn)有加密井裂縫擴(kuò)展模型主要有2種類型，一是考慮油藏滲流—地質(zhì)力學(xué)全耦合的均質(zhì)各向同性儲層模型，該模型無法考慮復(fù)雜裂縫擴(kuò)展問題；二是“地質(zhì)模型—老井壓裂—?dú)獠貪B流與地質(zhì)力學(xué)耦合模擬—加密井復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模擬”多模型交叉迭代的非均質(zhì)性和各向異性儲層模型，復(fù)雜裂縫的擴(kuò)展均是基于解析或簡化的裂縫本構(gòu)模型，這些均不能真實(shí)反映頁巖儲層流體運(yùn)移、巖石形變及復(fù)雜裂縫擴(kuò)展機(jī)理和特征，需要在連續(xù)介質(zhì)模型和離散裂縫模型基礎(chǔ)上，深入探究復(fù)雜裂縫擴(kuò)展數(shù)理模型，考慮模型尺度影響，優(yōu)化計(jì)算時(shí)效。

3.2 頁巖氣加密井壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律研究

在頁巖氣藏開發(fā)過程中，受老井生產(chǎn)誘導(dǎo)應(yīng)力場干擾影響，老井水力裂縫改造區(qū)邊緣位置可能會(huì)產(chǎn)生地應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)，甚至水平兩向應(yīng)力反轉(zhuǎn)，圖10中綠色區(qū)域?yàn)槟M所得應(yīng)力轉(zhuǎn)向區(qū)[10,105]。由于加密井井筒位置處地應(yīng)力偏轉(zhuǎn)程度相對較小，同時(shí)射孔方向?qū)λα芽p擴(kuò)展存在誘導(dǎo)作用，加密井水力裂縫在初期擴(kuò)展時(shí)依然沿原最大水平主應(yīng)力方向，當(dāng)裂縫進(jìn)入應(yīng)力轉(zhuǎn)向區(qū)內(nèi)時(shí)，擴(kuò)展方向逐漸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，阻礙加密井裂縫擴(kuò)展進(jìn)入老井壓裂改造區(qū)，如圖11所示[10,106,115,118]。而地層應(yīng)力變化范圍和變化程度與老井生產(chǎn)時(shí)間及產(chǎn)量有關(guān)，因此，從老井生產(chǎn)到加密井壓裂之間存在一個(gè)時(shí)間窗口，在窗口期內(nèi)實(shí)施加密井壓裂能夠取得較好的壓裂效果[10]。

圖10 生產(chǎn)后地層最大水平主應(yīng)力大小及方向分布[10]Fig.10 The magnitude and direction distribution of the maximum horizontal principal stress after production[10]

圖11 水平地應(yīng)力差對加密井裂縫形態(tài)的影響[10]Fig.11 Effect of horizontal stress difference on fracture propagation path[10]

頁巖氣井的生產(chǎn)會(huì)使其壓裂改造范圍內(nèi)孔隙壓力和三向主應(yīng)力降低，加密井壓裂過程中受“Frac-hit”效應(yīng)影響，水力裂縫產(chǎn)生非對稱擴(kuò)展，使其更傾向于向老井孔隙壓力下降區(qū)域擴(kuò)展[11,119-120](圖12)。這一現(xiàn)象已經(jīng)在現(xiàn)場試井、示蹤劑測試及壓裂微地震監(jiān)測結(jié)果中得到了驗(yàn)證[120-122]。加密井壓裂“Frac-hit”效應(yīng)受多方面因素影響，如：井距、老井生產(chǎn)程度、地層物性條件、地層應(yīng)力狀態(tài)、天然裂縫發(fā)育、老井壓裂時(shí)間、水力裂縫復(fù)雜性、壓裂液類型、施工參數(shù)等，因此，老井與加密井壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律應(yīng)該綜合多方面因素進(jìn)行研究[123-124]。

圖12 不同加密井壓裂時(shí)間水力裂縫擴(kuò)展模擬結(jié)果[119]Fig.12 Simulation results of hydraulic fracture propagation of infill well in different fracturing timing[119]

頁巖儲層層理和天然裂縫發(fā)育，頁巖基質(zhì)脆性較強(qiáng)，水力壓裂過程中，水力裂縫受其誘導(dǎo)改變擴(kuò)展方向，產(chǎn)生復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。周健和陳勉等[125-126]通過真三軸水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證天然裂縫對水力裂縫擴(kuò)展方向的影響。楊春和團(tuán)隊(duì)[127-128]通過物理模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水力壓裂過程中頁巖層理會(huì)使水力裂縫等人工裂縫發(fā)生止裂、分叉、穿過或轉(zhuǎn)向等現(xiàn)象(圖13)，最終演變成5種模式：順從、先順從后轉(zhuǎn)向、貫穿閉合、貫穿開啟及多裂縫，如圖14所示。鄒雨時(shí)等[129]研究了不同天然裂縫分布對水力裂縫擴(kuò)展的影響，郭天魁等[130]和Tan等[131]研究了不同應(yīng)力狀態(tài)、注入速率、液體黏度下，水力裂縫在多天然弱面或?qū)永眄搸r中的擴(kuò)展規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：低應(yīng)力差、高注入速率、較小的液體黏度有利于溝通天然弱面或?qū)永恚纬蓮?fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。因此，在頁巖氣壓裂模擬中，單一裂縫并不能準(zhǔn)確表征水力裂縫展布。另外，對于老井開發(fā)對新井水力裂縫擴(kuò)展影響的實(shí)驗(yàn)研究較少，Bruno[132]通過實(shí)驗(yàn)研究表明了巖石局部注水會(huì)改變其應(yīng)力狀態(tài)，使水力裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)(圖15)，而老井生產(chǎn)作用對加密井水力裂縫擴(kuò)展影響目前還未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖13 裂縫網(wǎng)絡(luò)橫切面示意圖[128]Fig.13 Schematic section of fracture network[128]

圖14 水力裂縫與天然裂縫相互作用過程[128]Fig.14 Interaction process between hydraulic fracture and natural fracture[128]

圖15 不同注水條件下裂縫擴(kuò)展形態(tài)對比[132]Fig.15 Comparison of fracture propagation geometry under different injection conditions[132]

3.3 頁巖氣加密井四維地應(yīng)力演化的微地震屏障效應(yīng)

本課題組[98,100]針對涪陵頁巖氣的真實(shí)儲層特征及生產(chǎn)參數(shù)，采用“離散天然裂縫網(wǎng)絡(luò)—老井壓裂復(fù)雜裂縫擴(kuò)展—老井氣藏滲流與應(yīng)力耦合—加密井裂縫擴(kuò)展”綜合模擬方法，初步探索了某開發(fā)平臺在特定井間距條件下的加密井復(fù)雜裂縫擴(kuò)展規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：老井生產(chǎn)會(huì)引起其水力裂縫網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)孔隙壓力和三向主應(yīng)力減小，水平兩向應(yīng)力差增大，但應(yīng)力場方向并未發(fā)生明顯轉(zhuǎn)向，同時(shí)，加密井位置處地層力學(xué)狀態(tài)變化不大。受地應(yīng)力變化影響，加密井水力裂縫依然沿原水平最大主應(yīng)力方向擴(kuò)展，但裂縫形態(tài)與老井相比發(fā)生較大變化。加密井水力裂縫主要集中在井筒周圍，特別是層理縫擴(kuò)張形成的分支擴(kuò)張裂縫；越靠近老井，加密井裂縫數(shù)量越少，且主要為構(gòu)造縫擴(kuò)張形成的分支裂縫，層理縫難以開啟；而老井水力壓裂時(shí)，地層保持初始力學(xué)狀態(tài)，其裂縫擴(kuò)展較為均勻(圖16)。這使得相同施工液量下，加密井水力裂縫擴(kuò)展范圍小于老井。

圖16 水力壓裂裂縫復(fù)雜裂縫模擬結(jié)果[100]Fig.16 Hydraulic fracturing simulation results[100]

基于此，本課題組首次將該現(xiàn)象定義為加密井“微地震事件屏障效應(yīng)”[98,100]。如圖17所示，微地震事件在加密井井周附近分布情況與老井壓裂施工類似，但靠近前期生產(chǎn)井的微地震事件震級和數(shù)量將發(fā)生明顯的減弱，甚至未檢測到微地震事件，加密井在前期生產(chǎn)井改造區(qū)域內(nèi)未形成復(fù)雜裂縫。在該區(qū)域上存在類似一道屏障將微地震事件阻擋在外，因此將這一現(xiàn)象稱之為微地震事件“屏障效應(yīng)”。與微地震事件“屏障效應(yīng)”相對應(yīng)，靠近前期生產(chǎn)井的區(qū)域稱之為微地震事件“屏障區(qū)”。

圖17 微地震事件屏障效應(yīng)示意圖[100]Fig.17 Schematic of the microseismic events barrier eff ect[100]

不僅如此，北美Eagle Ford和Bakken頁巖氣區(qū)塊的現(xiàn)場壓裂施工微地震反演結(jié)果中觀測到了類似的現(xiàn)象[133]，圖18為一開采了14年的某頁巖井組加密井壓裂微地震事件反演結(jié)果，該井組所在區(qū)塊儲層厚度 20～60 m，滲透率 1×10-4～5×10-4mD，孔隙度6%～8%，含水飽和度0.3，初始水平兩向主應(yīng)力分別為56 MPa和55 MPa，初始孔隙壓力48 MPa，巖石彈性模量15 GPa，且天然裂縫發(fā)育，在物性及地質(zhì)力學(xué)特性方面與涪陵頁巖氣藏具有一定的相似性。在旁邊僅有一口老井壓裂并生產(chǎn)的情況下，實(shí)施加密井壓裂。從壓裂后的微地震事件點(diǎn)分布狀態(tài)可以看出，微地震事件點(diǎn)從加密井井筒向老井逐漸靠近，當(dāng)?shù)竭_(dá)老井生產(chǎn)壓降區(qū)(壓裂改造區(qū))時(shí)，微地震事件點(diǎn)數(shù)量突然急劇減少，與涪陵發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象相似。同時(shí)，由于老井生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力整體下降，水力裂縫更容易在該區(qū)域內(nèi)擴(kuò)展，從而導(dǎo)致了加密井裂縫非對稱現(xiàn)象，該現(xiàn)象恰是本研究所提出的“加密井微地震屏障效應(yīng)”的一種特殊表現(xiàn)形式。

圖18 加密井水力壓裂微地震事件分布[133]Fig.18 Hydraulic fracturing microseismic events of infill wells[133]

4 頁巖氣藏地應(yīng)力演化及調(diào)整井復(fù)雜裂縫擴(kuò)展發(fā)展方向展望

(1)頁巖氣藏水平井重復(fù)壓裂和加密井壓裂復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模擬

隨著國內(nèi)主要頁巖氣區(qū)塊進(jìn)入中期開發(fā)階段，原開發(fā)區(qū)域內(nèi)老井的產(chǎn)能迅速下降，除勘探新的區(qū)塊或向深部層位下探外，老井重復(fù)壓裂及部署加密井是提高采收率的重要措施。然而，由于老井經(jīng)歷了數(shù)年的開采，儲層地質(zhì)力學(xué)特征發(fā)生了一定程度的變化。在此環(huán)境下，無法準(zhǔn)確認(rèn)識其裂縫擴(kuò)展機(jī)理，就有可能導(dǎo)致加密井在壓裂過程中與老井壓竄，或造成重復(fù)壓裂裂縫無效擴(kuò)展，影響重復(fù)壓裂及加密井改造效果，甚至產(chǎn)生老井套管變形等安全事故。

儲層壓力、地應(yīng)力等地質(zhì)力學(xué)參數(shù)隨著頁巖氣開采不斷演化，致使儲層條件非均勻變化，這是加密井壓裂裂縫擴(kuò)展模擬與老井初次壓裂的最大不同。同時(shí)，老井重復(fù)壓裂時(shí)，初次壓裂裂縫影響也不容忽視的。因此，準(zhǔn)確預(yù)測老井重復(fù)壓裂及加密井復(fù)雜裂縫擴(kuò)展，需要弄清頁巖氣藏長期開采條件下裂縫性儲層地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的動(dòng)態(tài)演化。

目前尚未對頁巖重復(fù)壓裂及加密井壓裂裂縫擴(kuò)展機(jī)理形成較為統(tǒng)一的方向性認(rèn)識?，F(xiàn)有油氣藏滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合的裂縫擴(kuò)展模型尚不能準(zhǔn)確反映頁巖地層天然裂縫發(fā)育、非均質(zhì)性及各向異性特征，不同尺度下基質(zhì)、微裂縫及宏觀裂縫的流體運(yùn)移及地質(zhì)力學(xué)屬性變化機(jī)理模型尚不完善，對該條件下復(fù)雜裂縫擴(kuò)展問題未形成一套較為完善的數(shù)值模型和模擬方法，因此，針對這些問題還需進(jìn)一步探索和研究。

(2)頁巖氣儲層多層立體開發(fā)中復(fù)雜裂縫空間干擾機(jī)理研究

目前我國主要頁巖氣田一期已初步完成大量的加密井部署(同一儲層平面加密布井)，今后幾年，龍馬溪組上部頁巖氣藏儲層將成為開發(fā)的重點(diǎn)，因此，我國頁巖氣將面臨下部儲層和上部儲層同時(shí)開發(fā)(簡稱立體開發(fā))的情況[6,134]。在該開發(fā)模式下，下部儲層開發(fā)改變了下部儲層的孔隙壓力、地應(yīng)力，對上部儲層的壓裂將產(chǎn)生額外的誘導(dǎo)干擾。該問題涉及上下部儲層精細(xì)地質(zhì)建模、下部儲層初次壓裂、加密井壓裂、氣藏模擬等復(fù)雜的地質(zhì)工程一體化交叉融合。如何實(shí)現(xiàn)上、下部儲層充分改造，但不發(fā)生垂向壓竄，是主要的技術(shù)瓶頸。

然而，國內(nèi)外對該問題的研究較少，目前的模型及研究成果主要針對于單一均質(zhì)油氣藏模型，開展同層位內(nèi)老井生產(chǎn)過程中地層屬性變化及加密井裂縫擴(kuò)展機(jī)理研究，尚未考慮老井生產(chǎn)對上下多地層屬性動(dòng)態(tài)影響，及其對不同層位加密井裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響。因此亟待開展該方面研究，為我國頁巖氣的立體開發(fā)提供理論與技術(shù)指導(dǎo)。

(3)頁巖氣藏水平井重復(fù)壓裂和加密井壓裂時(shí)機(jī)優(yōu)化

頁巖氣重復(fù)壓裂及加密井壓裂方案制定需以其產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，豐富的儲量、良好的流體運(yùn)移條件、最優(yōu)的裂縫擴(kuò)展是保證其改造效果的必然條件。由于老井改造及生產(chǎn)開發(fā)作用，地層條件變化難以直接觀測，因此，準(zhǔn)確模擬和預(yù)測地層屬性變化成為壓裂改造的核心和前提條件。在此基礎(chǔ)上，選擇最佳壓裂時(shí)間可為重復(fù)壓裂及加密井壓裂效果提供有力保障。但該優(yōu)選過程復(fù)雜，涉及多因素、多尺度、多維度的綜合影響，而目前研究僅局限于其中某一環(huán)節(jié)，忽視了壓裂生產(chǎn)全過程的綜合考量；僅局限于部分靜態(tài)參數(shù)，忽視了時(shí)間尺度的深入探討。

因此，頁巖氣藏水平井重復(fù)壓裂和加密井壓裂需要同時(shí)考慮滲流、地質(zhì)力學(xué)及裂縫擴(kuò)展，結(jié)合地質(zhì)和工程各因素，建立一套“地質(zhì)精細(xì)解釋模型+地質(zhì)力學(xué)模型+水力壓裂裂縫擴(kuò)展模型+產(chǎn)能預(yù)測模型+經(jīng)濟(jì)評價(jià)模型”的綜合模擬評價(jià)方法，從時(shí)間和空間維度上研究頁巖氣藏開發(fā)過程中各環(huán)節(jié)地層變化情況，為頁巖氣開發(fā)方案優(yōu)選提供理論支撐。

(4)基于地質(zhì)工程一體化的頁巖氣藏子母井壓裂干擾及套管損傷機(jī)理

近年來隨著頁巖氣藏體積壓裂改造技術(shù)的廣泛應(yīng)用，壓裂過程中的套管變形和損傷問題日益突出，其直接導(dǎo)致橋塞無法坐封到位或套管破損，影響后續(xù)層段施工，縮短頁巖氣井生命周期，嚴(yán)重制約頁巖氣藏開發(fā)。

水平井多級壓裂過程中套管變形及損傷機(jī)理復(fù)雜，除考慮壓裂過程中液體流動(dòng)、巖石變形、裂縫及斷層滑移等地層力學(xué)狀態(tài)變化，還需研究該條件下固井水泥和套管等受力形變問題。另外，目前頁巖氣開發(fā)普遍采用“井工廠”開發(fā)模式，多井同步施工，段間、井間干擾不容忽視，地層屬性變化存在累加效應(yīng)，因此，該過程涉及多物理場、多介質(zhì)、多維度耦合模擬分析。而目前模型大多針對于單一裂縫或斷層滑移條件下套管及水泥環(huán)受力變形分析，未考慮復(fù)雜地質(zhì)條件及多井、多壓裂段復(fù)雜裂縫擴(kuò)展的相互影響。對該問題，特別是套變風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位置準(zhǔn)確預(yù)測尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識[135-136]。

地質(zhì)工程一體化研究集地層構(gòu)造及特征分析、地質(zhì)力學(xué)分析、井位部署、鉆井、固井、壓裂設(shè)計(jì)與施工分析于一體，以三維數(shù)值模型為載體，精細(xì)分析地層巖石力學(xué)特征，計(jì)算各工程施工過程中井筒及地層狀態(tài)演化，為準(zhǔn)確預(yù)測套變風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和有效解決套管變形損傷問題提供理論依據(jù)。

5 結(jié)論

(1)目前油氣藏滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模型種類多樣，商業(yè)求解器的開發(fā)與應(yīng)用為流體運(yùn)移和地質(zhì)力學(xué)演化等問題研究提供了便利，但各方法的求解模型、計(jì)算時(shí)效及適用性不同，我們可根據(jù)研究需求進(jìn)行選擇及優(yōu)化。

(2)頁巖氣藏地質(zhì)特征復(fù)雜，儲層非均質(zhì)性強(qiáng)、天然裂縫發(fā)育且需水力壓裂后投產(chǎn)，目前儲層滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模型均在不同程度做了假設(shè)和簡化，不能準(zhǔn)確反映地層基質(zhì)、微裂縫及宏觀裂縫多尺度條件下流體運(yùn)移及巖體變形機(jī)理。

(3)頁巖滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合的裂縫擴(kuò)展模型需要考慮儲層非均質(zhì)性、天然裂縫等因素之外，還需要考慮氣藏長期開發(fā)過程中儲層地應(yīng)力、孔隙壓力等的動(dòng)態(tài)非均勻演化，目前模型只針對其中某些方面進(jìn)行詳細(xì)分析，尚未形成較為完善的模擬方法，因此，目前需要綜合考慮上述因素，開展相關(guān)研究，進(jìn)一步明確頁巖加密井及重復(fù)壓裂井復(fù)雜裂縫擴(kuò)展機(jī)理。

(4)頁巖開發(fā)過程中的氣藏滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合及裂縫擴(kuò)展研究是多物理場、多維度、多尺度的耦合問題，需要探索地質(zhì)工程一體化的解決方法，在此基礎(chǔ)上，建議下一步開展復(fù)雜裂縫擴(kuò)展研究、立體開發(fā)空間干擾研究、壓裂時(shí)機(jī)及參數(shù)優(yōu)化、子母井壓裂干擾、套管變形及損傷機(jī)理研究，對我國頁巖氣藏的持續(xù)高效開發(fā)具有重要意義。