頁巖氣地質(zhì)工程一體化過程中的多尺度裂縫建模及其應(yīng)用

趙春段,張介輝,蔣 佩,潘元煒,李君軍,李清山

(1.斯倫貝謝中國公司,北京 100016;2中國石油浙江油田公司,浙江杭州 310023)

受多期次、強(qiáng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的劇烈改造影響,四川盆地及周緣龍馬溪/五峰組的頁巖儲(chǔ)層發(fā)育了復(fù)雜的斷裂/天然裂縫系統(tǒng)[1],這是我國海相頁巖氣儲(chǔ)層的典型地質(zhì)特點(diǎn)。經(jīng)過近十年的頁巖氣勘探開發(fā),人們深刻認(rèn)識(shí)到“地質(zhì)工程一體化”是頁巖氣增產(chǎn)提效的必由之路[2]。地質(zhì)工程一體化實(shí)際上是利用地震、鉆井、錄井、巖心、測(cè)井、水力壓裂及返排生產(chǎn)等所有數(shù)據(jù)建立一體化共享綜合地學(xué)模型,用于支持鉆井、壓裂、生產(chǎn)和開發(fā)等工程的實(shí)施[3]。頁巖儲(chǔ)層內(nèi)部高度發(fā)育的天然裂縫改善了頁巖的滲流能力,天然裂縫既是儲(chǔ)集空間,也是滲流通道,影響著頁巖氣的保存條件[4]。直接穿過井筒的裂縫會(huì)導(dǎo)致泥漿漏失、遇阻、遇卡等鉆井風(fēng)險(xiǎn),壓裂時(shí)容易造成壓裂液濾失,形成砂堵,影響壓裂改造效果[5]。因此合理表征頁巖儲(chǔ)層內(nèi)天然裂縫系統(tǒng)的空間分布及其受力狀態(tài),作為地質(zhì)工程一體化中的重要環(huán)節(jié),對(duì)建立合理的地質(zhì)力學(xué)模型、支持頁巖氣甜點(diǎn)優(yōu)選和水平井部署、支持鉆井和壓裂工程都至關(guān)重要[1]。

目前,頁巖氣地質(zhì)工程一體化中的離散裂縫網(wǎng)絡(luò)建模主要存在以下3個(gè)方面的挑戰(zhàn)。

一是天然裂縫精細(xì)預(yù)測(cè)問題。三維地震資料具有覆蓋范圍大、橫向分辨率高的優(yōu)勢(shì),斷層/天然裂縫的存在導(dǎo)致地震反射波的振幅、頻率及相位等特征參數(shù)出現(xiàn)明顯異常。近年來,隨著地震解釋技術(shù)和地震屬性技術(shù)的發(fā)展,能夠反映和描述斷層/天然裂縫的地震屬性越來越多,包括疊前各向異性反演屬性[6]和疊后屬性[7]。疊前各向異性反演要求全方位或?qū)挿轿坏卣鸩杉?、具有足夠的覆蓋次數(shù)以保證地震資料信噪比、各個(gè)方位的覆蓋次數(shù)盡可能均勻[6],能夠滿足條件的地震數(shù)據(jù)有限,因此更多時(shí)候是采用疊前時(shí)間偏移得到的疊后屬性進(jìn)行天然裂縫預(yù)測(cè)。針對(duì)四川盆地及周緣龍馬溪/五峰組頁巖地層,應(yīng)用相干屬性、方差屬性、邊緣檢測(cè)、曲率、振幅對(duì)比、混沌體、螞蟻?zhàn)粉櫟炔贿B續(xù)檢測(cè)屬性技術(shù)進(jìn)行檢測(cè),受地震資料品質(zhì)和分辨率的影響,天然裂縫預(yù)測(cè)精度存在一定局限。

二是天然裂縫尺度劃分問題。受多種成因機(jī)制影響,龍馬溪組頁巖發(fā)育復(fù)雜的多尺度天然裂縫系統(tǒng),根據(jù)測(cè)量方式及裂縫規(guī)?？梢詣澐譃?種尺度,即大尺度、中尺度、小尺度、細(xì)尺度、微尺度[2]。大尺度裂縫為地震能夠直接識(shí)別的大斷層或斷裂,比較容易預(yù)測(cè),在水平井部署時(shí)需盡量避開。中尺度裂縫表現(xiàn)為地震不連續(xù)檢測(cè)屬性(如螞蟻?zhàn)粉欝w)的異常,地震剖面上表現(xiàn)為小斷層或者天然裂縫帶,其附近可以部署水平井,但會(huì)對(duì)鉆井和壓裂產(chǎn)生不同程度的影響。此外,雖然可以采用成像測(cè)井的方法描述小尺度裂縫、巖心描述細(xì)尺度裂縫、巖心薄片或電鏡描述微尺度裂縫,但是必須通過鉆井取心才能進(jìn)行上述研究,目前此種數(shù)據(jù)量少之又少,因此,幾乎無法對(duì)小尺度、細(xì)尺度和微尺度的天然裂縫進(jìn)行三維描述和預(yù)測(cè)。針對(duì)不同的工程需求對(duì)地震可識(shí)別的裂縫(斷裂)進(jìn)行合理的尺度劃分成為頁巖氣地質(zhì)工程一體化的另一個(gè)挑戰(zhàn)。

三是天然裂縫力學(xué)參數(shù)設(shè)定問題。天然裂縫模型是頁巖氣地質(zhì)工程一體化中的重要一環(huán),如何將其集成到三維地質(zhì)力學(xué)建模中,以及定量刻畫天然裂縫對(duì)原場應(yīng)力的擾動(dòng),尤其是獲取不同尺度裂縫系統(tǒng)的力學(xué)參數(shù),一直是研究地應(yīng)力場面臨的挑戰(zhàn)。上述挑戰(zhàn)具體表現(xiàn)在以下3個(gè)方面:①在非均質(zhì)地層中存在各種規(guī)模的天然裂縫,它們表現(xiàn)出不同的力學(xué)性質(zhì),盡管巖心實(shí)驗(yàn)或聲波測(cè)井能夠在一定程度上獲得小尺度和細(xì)尺度裂縫的力學(xué)性質(zhì),但無法獲得大、中尺度裂縫的力學(xué)性質(zhì);②三維建模區(qū)域可達(dá)數(shù)十至數(shù)百平方千米,垂直覆蓋范圍可以從地表延伸到地下5000m,模型精度要保證三維應(yīng)力場的適用性,應(yīng)用于水力壓裂的模型一般具有上千萬網(wǎng)格的運(yùn)算量,無論從計(jì)算規(guī)模還是運(yùn)算量來看都可視作巨型模型;③將地層中難以計(jì)數(shù)的天然裂縫升級(jí)到可管理數(shù)量,同時(shí)又保持關(guān)鍵分布模式和對(duì)地應(yīng)力場的整體影響。

本文首先優(yōu)選高品質(zhì)地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行螞蟻?zhàn)粉櫫芽p預(yù)測(cè),并將其與手工解釋斷裂、鉆井工程復(fù)雜事件、成像測(cè)井解釋進(jìn)行對(duì)比;然后對(duì)螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果進(jìn)行質(zhì)控,以確保天然裂縫的預(yù)測(cè)精度;再根據(jù)螞蟻?zhàn)粉櫯c地震剖面不連續(xù)特征的對(duì)比,對(duì)螞蟻異常進(jìn)行尺度劃分;而后將螞蟻異常線性轉(zhuǎn)換成不同尺度的裂縫密度,并結(jié)合地震、成像測(cè)井和巖心觀察的裂縫產(chǎn)狀,進(jìn)行不同尺度離散裂縫建模;接著選擇相對(duì)合理的天然裂縫力學(xué)參數(shù)賦值方法,將天然裂縫集成到地質(zhì)力學(xué)模型中形成綜合地學(xué)模型;最后介紹集成了多尺度天然裂縫系統(tǒng)的地質(zhì)力學(xué)模型在鉆井和壓裂中的應(yīng)用效果。

1 一體化天然裂縫建模解決方案

我們根據(jù)多年的一體化項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),總結(jié)了頁巖氣地質(zhì)工程一體化過程中天然裂縫建模的綜合解決方案,得到的多尺度裂縫建模技術(shù)流程如圖1所示。為了提高天然裂縫預(yù)測(cè)精度,從疊前道集出發(fā),對(duì)龍馬溪/五峰組優(yōu)質(zhì)頁巖段的道集進(jìn)行優(yōu)化處理,優(yōu)選部分道集進(jìn)行疊加處理,將處理結(jié)果作為螞蟻?zhàn)粉櫟妮斎霐?shù)據(jù),然后利用多種數(shù)據(jù)對(duì)螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果進(jìn)行質(zhì)控,使得天然裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果更加精細(xì)可靠[8]。

圖1 頁巖氣地質(zhì)工程一體化中的多尺度裂縫建模技術(shù)流程

將預(yù)測(cè)結(jié)果與手工解釋的斷層進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)所解釋斷層的大小尺度對(duì)螞蟻體異常進(jìn)行劃分,將其線性地轉(zhuǎn)換成4種尺度的裂縫密度,結(jié)合由巖心和測(cè)井獲得的裂縫幾何形態(tài),進(jìn)行離散裂縫模擬,獲得4組不同尺度的離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型。該方法將地震可識(shí)別的斷層和天然裂縫帶與成像測(cè)井解釋的小尺度斷層相結(jié)合,轉(zhuǎn)化成4個(gè)裂縫網(wǎng)絡(luò)模型,分別應(yīng)用于后續(xù)研究。地震無法識(shí)別的細(xì)尺度和微尺度裂縫則不在考慮之列,一方面因?yàn)槟壳暗墓こ虒?shí)踐尚未發(fā)現(xiàn)細(xì)、微尺度裂縫對(duì)鉆完井工程造成風(fēng)險(xiǎn),另一方面目前的技術(shù)手段還無法預(yù)測(cè)細(xì)、微尺度裂縫的三維空間分布。

對(duì)4個(gè)不同尺度的裂縫網(wǎng)絡(luò)模型分別粗化,根據(jù)剛度參數(shù)與裂縫尺度的關(guān)系,將4組裂縫模型分別集成到地質(zhì)力學(xué)模型中,用于評(píng)價(jià)天然裂縫的穩(wěn)定性、預(yù)測(cè)鉆井和壓裂風(fēng)險(xiǎn)、模擬水力縫網(wǎng)以及研究天然裂縫與水力裂縫之間的關(guān)系。

2 三維地震資料裂縫預(yù)測(cè)

螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)是基于螞蟻算法的仿生物學(xué)技術(shù),能夠突出地震數(shù)據(jù)的不連續(xù)性,強(qiáng)化斷裂特征屬性,提高斷裂預(yù)測(cè)精度,該技術(shù)在刻畫地質(zhì)構(gòu)造細(xì)節(jié)方面具有客觀性和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的一致性[8-9]。在常規(guī)油氣勘探中,螞蟻?zhàn)粉檶傩灾饕糜跀嗔炎詣?dòng)解釋,關(guān)鍵技術(shù)流程通常包括4步:①地震資料預(yù)處理,如構(gòu)造平滑、噪聲壓制等;②邊界檢測(cè),如方差體、混沌體等;③螞蟻?zhàn)粉?④斷層自動(dòng)拾取。該流程需盡可能地去除噪聲干擾,以確保能夠較好地提取大斷層。隨著致密油氣、頁巖油氣等非常規(guī)勘探研究的不斷深入,螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)更多用于天然裂縫的預(yù)測(cè),這就需要在去除噪聲干擾的同時(shí)盡可能保留地震不連續(xù)的細(xì)節(jié),以確保裂縫定位的準(zhǔn)確性。

可用于螞蟻?zhàn)粉櫟膶傩院芏?要測(cè)試這些參數(shù)并獲得比較滿意的裂縫預(yù)測(cè)實(shí)屬不易,本文中螞蟻?zhàn)粉欀饕捎昧?個(gè)參數(shù)[8]?；诠P者多年的經(jīng)驗(yàn),要提高裂縫預(yù)測(cè)精度,最重要的因素是螞蟻?zhàn)粉櫟牡卣鹳Y料品質(zhì)以及對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)認(rèn)識(shí),也就是對(duì)結(jié)果的人工判斷質(zhì)控。具體的技術(shù)流程見圖1中的裂縫預(yù)測(cè)部分。本文主要論述兩個(gè)部分:一是輸入地震數(shù)據(jù)的優(yōu)化,二是螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果的質(zhì)控。后者包括:對(duì)比螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果與手工解釋斷裂,以了解螞蟻?zhàn)粉櫘惓Ｅc斷裂尺度的關(guān)系;對(duì)比螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果與鉆井復(fù)雜事件,以了解螞蟻異常與工程復(fù)雜事件的關(guān)系;對(duì)比螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果與成像測(cè)井解釋裂縫,以了解螞蟻異常與成像測(cè)井解釋裂縫的關(guān)系。

2.1 輸入地震數(shù)據(jù)的優(yōu)化

通常地震資料處理并不一定只針對(duì)特定目的層,可能針對(duì)從淺到深的所有地層,因此地震數(shù)據(jù)體對(duì)于目的層而言不一定最優(yōu),如圖2a原始道集中的目的層仍然具有優(yōu)化空間。為提高天然裂縫預(yù)測(cè)的精度,首先從疊前道集出發(fā),針對(duì)目的層的疊前道集進(jìn)行去噪、拉平、提頻等預(yù)處理,然后選擇地震資料中品質(zhì)較好的道集進(jìn)行部分疊加,再優(yōu)選輸入數(shù)據(jù)體,最后進(jìn)行構(gòu)造平滑、邊緣檢測(cè)和螞蟻?zhàn)粉櫋?/p>

圖2a和圖2b分別為去噪前、后的疊前時(shí)間偏移道集,可以看到去噪處理前的道集噪聲嚴(yán)重,且目的層從近道到遠(yuǎn)道同相軸不平。進(jìn)行多次波去噪和隨機(jī)噪聲壓制后,圖2b中道集的信噪比明顯提高,在此基礎(chǔ)上采用非剛性匹配(non-rigid matching,NRM)技術(shù)[10]進(jìn)行道集拉平處理,可以看到道集目的層同相軸明顯變平(圖2c)。圖2中近道和遠(yuǎn)道的地震反射振幅均較弱,明顯與振幅隨炮檢距變化的理論不符,因此針對(duì)目的層進(jìn)行道集疊加時(shí),我們可以選擇中間振幅相對(duì)較強(qiáng)的道集進(jìn)行疊加,獲得部分疊加道集。

圖2 疊前時(shí)間偏移原始道集(a)、去噪后(b)和拉平后(c)的道集

為了提高地震資料對(duì)天然裂縫的識(shí)別能力,采用拓頻技術(shù)(bandwidth extension,BWXT)[11]對(duì)優(yōu)選的道集疊加體進(jìn)行處理。BWXT作為一種以時(shí)變的方式拓寬地震波平均振幅譜的頻帶拓寬技術(shù),可以在相對(duì)保幅的情況下提高地震分辨率。圖3展示了拓頻處理處理前、后的道集疊加體頻譜及合成地震記錄標(biāo)定的差異,對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拓頻處理后可以看出,頻譜從8～85Hz展寬到5～98Hz(圖3a)。對(duì)相同子波的合成地震記錄進(jìn)行標(biāo)定,可以看出,拓頻處理后的道集疊加體與合成地震記錄的匹配程度更高,分辨率明顯提高(圖3b和圖3c)。圖4為道集拓頻處理前、后水平井軌跡剖面,處理后的目的層反射橫向變化更明顯,更能反映天然裂縫帶的橫向變化。

圖4 道集拓頻處理前(a)、后(b)水平井軌跡剖面

由于螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果受多種因素影響,不同時(shí)期處理的地震數(shù)據(jù)、不同的邊界探測(cè)參數(shù)(方差體、混沌體等)、不同的螞蟻?zhàn)粉檯?shù)等都會(huì)產(chǎn)生不同的螞蟻異常,雖然大斷裂系統(tǒng)差別不大,但是在細(xì)節(jié)上有時(shí)差別很大,而裂縫預(yù)測(cè)精度的關(guān)鍵在于細(xì)節(jié),因此螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果的質(zhì)控就顯得尤為重要?？捎糜谫|(zhì)控的數(shù)據(jù)很多,區(qū)域斷裂系統(tǒng)控制著天然裂縫的走向,地震解釋的數(shù)據(jù)控制著天然裂縫的位置,鉆井錄井?dāng)?shù)據(jù)以及測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)(特別是成像測(cè)井?dāng)?shù)據(jù))控制著微小裂縫的發(fā)育程度,對(duì)于非常規(guī)油氣勘探而言還有壓裂數(shù)據(jù)、微地震數(shù)據(jù)等。此外,生產(chǎn)數(shù)據(jù)在某種程度上也對(duì)天然裂縫存在指示作用[12]。本文主要利用人工解釋斷裂、裂縫引起的鉆井復(fù)雜問題,并采用測(cè)井解釋裂縫等方式對(duì)螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果進(jìn)行質(zhì)控。

2.2 螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果與手工解釋斷裂對(duì)比

為了更好地與人工解釋的斷層進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,沿地震解釋的層位提取螞蟻體屬性并將其與人工解釋的斷層進(jìn)行疊合顯示(圖5)。由于地震資料分辨率的限制,很難在地面地震剖面上識(shí)別單條1～10m的斷層或微裂縫,但是龍馬溪/五峰優(yōu)質(zhì)頁巖段與下伏灰?guī)r地層為連續(xù)性較好的強(qiáng)波阻抗界面,10m以下的斷層或裂縫帶雖然不會(huì)造成地震反射同相軸錯(cuò)斷,但是仍然存在反射能量的變化、傾角突變、曲率變化、瞬時(shí)相位變化等,這種變化在螞蟻體屬性平面圖上通常呈中等偏弱異常線性分布。斷距超10m的斷層在螞蟻體上往往表現(xiàn)為相對(duì)較強(qiáng)的異常值。

圖5 某區(qū)塊龍馬溪/五峰優(yōu)質(zhì)頁巖段人工解釋斷層平面分布(a)和沿層螞蟻?zhàn)粉檶傩耘c人工解釋斷層疊合顯示(b)

圖5a為某區(qū)塊龍馬溪/五峰組優(yōu)質(zhì)頁巖段手工解釋斷層平面圖,圖中的黑色虛線指示研究區(qū)斷層的走向?yàn)楸北睎|、北西向,紅色實(shí)線指示延伸長度大于4000m、斷距大于40m的大斷層,藍(lán)色實(shí)線指示延伸長度數(shù)百米至上千米、斷距10m以上的中型斷層,綠色實(shí)線指示幾十至上百米的延伸長度、剖面上無明顯斷距,但可見同相軸扭動(dòng)或振幅明顯減弱的小斷層。該區(qū)手工解釋斷裂系統(tǒng)符合區(qū)域構(gòu)造演化特征,指示該區(qū)經(jīng)歷了從燕山晚期到喜山中期近南—北、北北東—南南西和北西西—南東東3個(gè)不同方向的擠壓運(yùn)動(dòng)[1]。

圖5b為沿龍馬溪/五峰優(yōu)質(zhì)頁巖段的螞蟻屬性與人工解釋斷層疊合顯示圖。對(duì)比螞蟻異常與地震斷層解釋結(jié)果發(fā)現(xiàn),螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果在強(qiáng)度和連續(xù)性上表現(xiàn)為3個(gè)級(jí)別:強(qiáng)連續(xù)、強(qiáng)異?；緦?duì)應(yīng)手工解釋的大型斷層(圖5a中紅色實(shí)線),中連續(xù)、較強(qiáng)異常對(duì)應(yīng)手工解釋的中型斷層(圖5a中藍(lán)色實(shí)線),弱連續(xù)、弱異?；究蓪?duì)應(yīng)小型斷層或裂縫帶或地層傾角變化帶(圖5a 中綠色實(shí)線)。圖5a并未解釋出圖5b中許多的螞蟻?zhàn)粉檶傩援惓?這也反映出了螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果比人工解釋結(jié)果更加精細(xì)、客觀。螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果表現(xiàn)出較好的規(guī)律性,與斷層展布、斷層發(fā)育規(guī)律吻合很好;在工程實(shí)施監(jiān)督指導(dǎo)中,裂縫帶與地層傾角變化預(yù)測(cè)結(jié)果被現(xiàn)場工程施工所證實(shí),螞蟻體異常及其解釋結(jié)果在該區(qū)域展示了良好的可靠性和適用性,螞蟻體異常的特征如表1所示,相應(yīng)的剖面特征如圖6所示。

圖6 螞蟻體異常與地震振幅體疊合顯示

表1 螞蟻體異常的特征對(duì)比

2.3 螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果與鉆井復(fù)雜事件對(duì)比

圖7為螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果與已鉆井的鉆井復(fù)雜事件對(duì)比顯示,可以看到HA-1,HA-3和HA-5井鉆遇螞蟻異常較弱,鉆井過程中未發(fā)生鉆井復(fù)雜事件;HA-7鉆井過程中劃眼較多,但未發(fā)生嚴(yán)重的復(fù)雜狀況;HA-8,HA-6和HA-2井泥漿漏失與螞蟻異常吻合較好,而HA-4井指端漏失與螞蟻異常不吻合。HA-6井實(shí)鉆與設(shè)計(jì)不吻合,該井實(shí)鉆是經(jīng)過調(diào)整后的軌跡。HB平臺(tái)根據(jù)螞蟻異常分布對(duì)軌跡進(jìn)行了適當(dāng)微調(diào)以避免螞蟻異常預(yù)測(cè)的裂縫帶。

圖7 螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果與已鉆井的鉆井復(fù)雜事件對(duì)比顯示

2.4 螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果與成像測(cè)井解釋裂縫對(duì)比

通常天然裂縫傾角較大,直井眼不一定能剛好鉆遇天然裂縫,因此其成像測(cè)井解釋的裂縫分布不一定與平面預(yù)測(cè)的結(jié)果相符;水平井通常能夠鉆遇較多的裂縫,其成像測(cè)井解釋結(jié)果與平面預(yù)測(cè)結(jié)果具有較好的匹配度,但是由于成本控制及井筒條件不適合等原因,水平井成像測(cè)井較少。圖8a和圖8b均采用相同的螞蟻?zhàn)粉檯?shù),只是輸入的數(shù)據(jù)體不同,對(duì)比某頁巖氣水平井成像測(cè)井解釋的裂縫與螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果,可以看出,雖然總體上裂縫系統(tǒng)差別不大,但是細(xì)節(jié)上存在較大差別。圖8a中螞蟻異常與裂縫發(fā)育強(qiáng)度吻合程度相對(duì)較好;圖8b在裂縫發(fā)育強(qiáng)度較大的位置,即紅色曲線偏離較大的井軌跡位置,螞蟻異常反而較弱,因此選擇圖8a的螞蟻體數(shù)據(jù)體作為下一步裂縫建模的輸入數(shù)據(jù)。

圖8 某頁巖氣水平井不同輸入數(shù)據(jù)體的成像測(cè)井解釋裂縫與螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果對(duì)比顯示a 輸入體為22°～28°部分入射角疊加體; b 輸入體為10°～28°部分入射角疊加體

3 多尺度裂縫建模

地下天然裂縫的形狀及其分布情況復(fù)雜,既無法僅利用地震資料進(jìn)行預(yù)測(cè),也無法僅利用測(cè)井方法得到預(yù)測(cè)結(jié)果。我們通過各種不同的簡化模型來描述裂縫的分布情況。離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型通過建立不同大小、方位和形狀的裂縫片,對(duì)裂縫實(shí)際尺寸和分布形態(tài)進(jìn)行高分辨率的非結(jié)構(gòu)化描述,使裂縫模型更加可靠。離散裂縫網(wǎng)絡(luò)建模的核心是井-震結(jié)合[6,13],以測(cè)井及巖心解釋識(shí)別的天然裂縫為基礎(chǔ),結(jié)合三維地震天然裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果,建立不同尺度的斷層、天然裂縫帶、小尺度裂縫等離散天然裂縫網(wǎng)絡(luò)模型,其所需的輸入數(shù)據(jù)包括裂縫發(fā)育強(qiáng)度、方位、傾角、延伸長度及高度等[6,13-14]。

3.1 不同尺度裂縫發(fā)育強(qiáng)度

前文所述的三維地震資料螞蟻?zhàn)粉櫡椒▽?duì)天然裂縫預(yù)測(cè)的效果較好,根據(jù)成像測(cè)井解釋的天然裂縫密度對(duì)螞蟻體進(jìn)行標(biāo)定,將螞蟻體異常值的大小對(duì)應(yīng)于不同的天然裂縫尺度(表1)。本次研究將螞蟻屬性體作為輸入數(shù)據(jù),通過線性變換將其轉(zhuǎn)換為與井上裂縫發(fā)育強(qiáng)度可對(duì)比的屬性體。根據(jù)螞蟻體異常值和裂縫強(qiáng)度劃分天然裂縫發(fā)育強(qiáng)度,共分為4組(表2)。

表2 天然裂縫發(fā)育強(qiáng)度劃分結(jié)果

第1組對(duì)應(yīng)大尺度,受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制,可延伸數(shù)千米,在地震剖面上,錯(cuò)斷1個(gè)到數(shù)個(gè)同相軸,可被清楚地解釋,一般會(huì)對(duì)頁巖儲(chǔ)層具有破壞作用,對(duì)頁巖氣的保存不利,布井時(shí)應(yīng)盡量考慮避開。

第2組對(duì)應(yīng)中尺度,平面上延伸約幾百米,在地震剖面上,同相軸表現(xiàn)為產(chǎn)狀變化(扭曲)或振幅變化(變?nèi)?,地震剖面上可見,但螞蟻?zhàn)粉櫧Y(jié)果較地震剖面更清晰。中尺度的小斷層或者裂縫帶對(duì)于頁巖氣工程施工具有重要影響。首先是對(duì)鉆井和地質(zhì)導(dǎo)向提出了挑戰(zhàn),裂縫帶或者小斷層如果發(fā)生剪切滑動(dòng),對(duì)井壁穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生重要的影響,微構(gòu)造的存在則會(huì)影響地質(zhì)導(dǎo)向。其次,對(duì)于壓裂改造而言,中等尺度的裂縫會(huì)對(duì)壓裂的效率和水力壓裂裂縫的擴(kuò)展產(chǎn)生影響,穿過井筒的裂縫會(huì)增加套變風(fēng)險(xiǎn)、導(dǎo)致加砂困難等問題。由此可見中等尺度裂縫的重要性,對(duì)該尺度的裂縫可以采用建立離散裂縫模型的表征方法。

第3組對(duì)應(yīng)小斷層或天然裂縫帶、微裂縫,受斷層和小型褶皺控制,為米級(jí)到十米級(jí)別,可見于成像測(cè)井資料及巖心資料。

第4組僅憑地震資料難以分辨,一般為米級(jí)的小微尺度的裂縫,能夠增加頁巖氣的儲(chǔ)存空間,對(duì)于頁巖氣增產(chǎn)有利,但是由于其空間分布很難探測(cè),裂縫建模時(shí)可采用隨機(jī)建模的方法來表征。

3.2 產(chǎn)狀

受測(cè)井資料精度的限制,目前中等尺度天然裂縫的主要參數(shù)無法直接測(cè)量,但通過分析斷層的產(chǎn)狀可以獲取裂縫的主要發(fā)育規(guī)律。從圖9a可以看出,研究區(qū)目的層天然裂縫大致可分為3組:近東西(E-W)向,(北)北東—(南)南西((N)NE-(S)SW)向,北北東—南南西(NNW-SSE)向。從圖9b和圖9c的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,斷層以近南北向?yàn)橹?傾角通常超過60°。

圖9 兩口井成像測(cè)井解釋施密特投影(a)、全區(qū)斷層傾角(b)與走向統(tǒng)計(jì)(c)

3.3 長度及高度

無法從成像測(cè)井獲得地下天然裂縫的長度及高度,露頭區(qū)裂縫延伸長度的測(cè)量表明多數(shù)裂縫延伸長度小于100m[15]。根據(jù)模擬的需要將離散裂縫網(wǎng)絡(luò)中的裂縫片長度設(shè)置為0～100m,平均長度為50m(圖10),裂縫片長高比為2∶1。

圖10 離散裂縫網(wǎng)絡(luò)(discrete fracture network,DFN)裂縫片長度直方統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.4 多尺度裂縫建模

基于業(yè)內(nèi)的普遍經(jīng)驗(yàn)[14],以表2中4組裂縫強(qiáng)度作為空間約束,結(jié)合井上裂縫和地震解釋的斷裂產(chǎn)狀,將裂縫片形狀設(shè)為矩形,大小用正態(tài)分布描述,分別建立4組不同尺度的離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型。圖11中裂縫組1,2,3,4分別對(duì)應(yīng)百米～千米級(jí)的大型斷層、幾十～百米級(jí)的小型斷層、米級(jí)～幾十米級(jí)的天然裂縫帶以及米級(jí)的裂縫帶。

圖11 多尺度DFN天然裂縫模型

4 多尺度裂縫模型應(yīng)用

不同尺度天然裂縫模型包括了互相獨(dú)立的裂縫組,可以單獨(dú)應(yīng)用:如裂縫組1和2由于斷距較大,應(yīng)避免水平井直接穿越,裂縫組3和4有可能引起鉆完井工程風(fēng)險(xiǎn),工程實(shí)施時(shí)應(yīng)注意事先確定風(fēng)險(xiǎn)控制預(yù)案;也可以結(jié)合起來應(yīng)用:如用于后續(xù)地質(zhì)力學(xué)建模、預(yù)測(cè)天然裂縫的穩(wěn)定性、用于研究在水力壓裂過程中天然裂縫對(duì)壓裂的影響、模擬天然裂縫與水力壓裂裂縫的關(guān)系等。

4.1 地質(zhì)力學(xué)建模

通過整合地震、地質(zhì)構(gòu)造、測(cè)井和巖心數(shù)據(jù)可以建立三維全場地質(zhì)力學(xué)模型[16-18]。在頁巖氣三維地質(zhì)力學(xué)建模中,如何定量刻畫斷層和天然裂縫系統(tǒng)對(duì)于原場應(yīng)力的擾動(dòng),尤其是不同尺度下裂縫系統(tǒng)的力學(xué)參數(shù)獲取,一直是地應(yīng)力場研究面臨的挑戰(zhàn)之一。

為了解決上述問題,我們制定了一個(gè)迭代的技術(shù)流程(圖1)。

第一步,裂縫模型粗化。由于硬件計(jì)算能力的限制,模型網(wǎng)格不可能無限細(xì)分,這就需要用一定精度的網(wǎng)格盡可能表達(dá)真實(shí)的天然裂縫系統(tǒng)。本文從地應(yīng)力模擬的角度,要求裂縫的條數(shù)與模型網(wǎng)格大小兼容,且裂縫分布特征與觀察到的天然裂縫系統(tǒng)保持一致。通過兩個(gè)算例,驗(yàn)證了裂縫剛度與裂縫間距的關(guān)系。算例1:裂縫的法向剛度Kn為5.4GPa/m,切向剛度Ks為2.16GPa/m,裂縫間距為1m;算例2:裂縫的法向剛度Kn為0.54GPa/m,切向剛度Ks為0.216GPa/m,裂縫間距為10m。

計(jì)算結(jié)果如圖12所示,可以看出兩個(gè)算例的計(jì)算結(jié)果幾乎相同,表明等效剛度(裂縫剛度×裂縫間距)對(duì)應(yīng)力結(jié)果具有控制作用。同一個(gè)研究區(qū),裂縫間距越大,表明裂縫條數(shù)越少;裂縫間距越小,表明裂縫條數(shù)越多。因此可以通過等效剛度的方式對(duì)裂縫模型進(jìn)行粗化。在裂縫建模時(shí)已經(jīng)根據(jù)地質(zhì)力學(xué)建模需要和網(wǎng)格大小限定了裂縫的條數(shù),但仍需要反復(fù)迭代測(cè)試,得到每種尺度裂縫模型相對(duì)合理的粗化結(jié)果。

圖12 水平最小主應(yīng)力井軌跡剖面算例1(a)、算例2(b)及兩個(gè)算例的應(yīng)力差(c)

第二步,基于螞蟻體裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果將天然裂縫系統(tǒng)劃分不同尺度。上文中我們劃分了4組裂縫(表2),分別對(duì)應(yīng)米級(jí)(最不發(fā)育)、十米級(jí)(較不發(fā)育)、百米級(jí)(較發(fā)育)和千米級(jí)(最發(fā)育)。

第三步,設(shè)置不同尺度裂縫的剛度參數(shù)。對(duì)于天然裂縫的剛度參數(shù),業(yè)內(nèi)已有許多經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí),利用這些認(rèn)識(shí)可以有效地進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選。許多天然裂縫系統(tǒng)的開度遵循冪定律,與較小規(guī)模的裂縫相比,大型裂縫具有更大的開度[19]和更低的剛度,對(duì)于應(yīng)力場的擾動(dòng)也更大。有學(xué)者認(rèn)為天然裂縫的剛度以冪次規(guī)則隨裂縫長度的增加而降低[18],在實(shí)際建模工作中,不同尺度天然裂縫的剛度與模型網(wǎng)格大小、裂縫密度有關(guān),不一定遵循冪定律。獲得法向剛度后,需要進(jìn)一步確定剪切剛度,有學(xué)者通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂縫剪切剛度約為法向剛度的50%[20],本文沿用這一觀點(diǎn),以減少變量個(gè)數(shù),提高參數(shù)優(yōu)選效率。

結(jié)合離散裂縫建模的尺度劃分,我們進(jìn)行了3個(gè)法向剛度算例實(shí)驗(yàn)(圖13)。算例1:等比增長,裂縫尺度每增加一級(jí),剛度參數(shù)降低一半,對(duì)地應(yīng)力場的擾動(dòng)增強(qiáng);算例2:指數(shù)增長,裂縫剛度隨著裂縫尺度的減小呈現(xiàn)指數(shù)型的增長,該算例能夠突出中等尺度和大尺度的天然裂縫影響;算例3:快速強(qiáng)化,除第1組裂縫外,其它3組裂縫的剛度迅速增大,對(duì)應(yīng)力場的影響很弱,主要突出最發(fā)育的1組裂縫對(duì)應(yīng)力場的影響?；诖思僭O(shè),通過調(diào)整裂縫組1的法向剛度,得到4組裂縫的力學(xué)參數(shù)?；诘刃?qiáng)度原理[17]進(jìn)行三維應(yīng)力場建模,并根據(jù)應(yīng)力場校核標(biāo)準(zhǔn)[17]對(duì)比3個(gè)算例,這些標(biāo)準(zhǔn)包括:①使用集成了天然裂縫系統(tǒng)的應(yīng)力場進(jìn)行水力壓裂建模,產(chǎn)生與微地震數(shù)據(jù)和其它監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一致的水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò);②沿井眼計(jì)算的泥漿密度窗口應(yīng)與觀察到的鉆井事件一致;③集成天然裂縫的垂向應(yīng)力與理論值一致,符合裂縫減弱巖石強(qiáng)度的認(rèn)識(shí)。最終發(fā)現(xiàn)“快速強(qiáng)化”算例(算例3)所確定的垂向應(yīng)力與理論值更加符合,沿井眼的泥漿密度窗口與實(shí)鉆井觀察到的鉆井事件一致性更好。因此,根據(jù)表3確定了最優(yōu)的裂縫組的地質(zhì)力學(xué)參數(shù),并將其整合到地質(zhì)力學(xué)模型中,用于后續(xù)的數(shù)據(jù)模擬。

圖13 4組裂縫的3個(gè)法向剛度算例

表3 裂縫組的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

4.2 天然裂縫穩(wěn)定性

天然裂縫穩(wěn)定性是新井選址、井軌跡優(yōu)化、壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要參考因素之一。天然裂縫如果發(fā)生力學(xué)失穩(wěn),就會(huì)發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng),導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力增大。裂縫滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算原理如下:依據(jù)摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則,分別計(jì)算裂縫面剪切應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度,然后比較兩者的大小關(guān)系,假如剪切應(yīng)力超過抗剪切強(qiáng)度,裂縫就會(huì)滑動(dòng),此時(shí)稱為極限應(yīng)力狀態(tài)[17]?；谌S地質(zhì)力學(xué)模型可以計(jì)算天然裂縫的滑移因子,進(jìn)而預(yù)測(cè)天然裂縫的穩(wěn)定性[17]。

在原場地應(yīng)力作用下,任何天然裂縫均受到剪應(yīng)力及正應(yīng)力的影響。天然裂縫的穩(wěn)定性可以通過滑動(dòng)因子(St)來表征,計(jì)算公式如下:

(1)

式中:σn,τ分別為裂縫面正應(yīng)力和剪應(yīng)力;c,φ分別為天然裂縫的內(nèi)聚力和摩擦角。當(dāng)滑動(dòng)因子小于1時(shí),裂縫處于穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)滑動(dòng)因子等于1時(shí),裂縫達(dá)到極限應(yīng)力狀態(tài);當(dāng)滑動(dòng)因子大于1時(shí),裂縫發(fā)生滑動(dòng)。

受裂縫面不整合及內(nèi)部自我支撐機(jī)制的作用,剪切滑動(dòng)對(duì)天然裂縫的滲透率具有顯著的影響[21]。一般認(rèn)為,處于極限應(yīng)力狀態(tài)(即裂縫面的剪切力大于阻滑力)的裂縫容易發(fā)生剪切滑動(dòng),導(dǎo)致裂縫滲透率增大。在鉆井過程中鉆遇滑動(dòng)裂縫帶時(shí)容易發(fā)生漏失;壓裂時(shí)也容易造成壓裂液濾失,增加砂堵風(fēng)險(xiǎn)。從圖14 可以看出天然裂縫導(dǎo)流能力和穩(wěn)定性的關(guān)系,根據(jù)近井流量測(cè)量結(jié)果將天然裂縫分為高導(dǎo)流能力和低導(dǎo)流能力兩類。圖中每個(gè)點(diǎn)代表一條裂縫,紅線為摩爾庫倫破壞包絡(luò)線,高于此線的裂縫發(fā)生了滑動(dòng)。不難發(fā)現(xiàn),高導(dǎo)流能力的天然裂縫大多數(shù)處于發(fā)生滑動(dòng)的狀態(tài),而低導(dǎo)流能力的天然裂縫恰好相反。

圖14 裂縫穩(wěn)定性對(duì)導(dǎo)流能力的影響[21]

三維地質(zhì)力學(xué)模型提供了可靠的全區(qū)原場地應(yīng)力,結(jié)合天然裂縫模型,可以計(jì)算全區(qū)天然裂縫的應(yīng)力狀態(tài),判斷哪些裂縫容易發(fā)生剪切滑動(dòng)。圖15為H20平臺(tái)天然裂縫穩(wěn)定性預(yù)測(cè)結(jié)果,紅黃色代表的天然裂縫容易滑動(dòng),導(dǎo)流能力較強(qiáng);反之,藍(lán)綠色代表的天然裂縫不容易滑動(dòng),導(dǎo)流能力較弱?？梢钥闯?H20-1和H20-3鉆遇天然裂縫,但未發(fā)生漏失,其鉆遇的天然裂縫滑動(dòng)因子較小,穩(wěn)定性較高;H20-4沿井軌跡無明顯天然裂縫帶,鉆進(jìn)過程無漏失;H20-6在3658m和3811m鉆進(jìn)中漏失,鉆至3811m井漏嚴(yán)重,提前完鉆;H20-8在3480m,3622m和3751m鉆進(jìn)中漏失,在2962m處遇阻并漏失。從圖中可見,漏失位置發(fā)育天然裂縫,且滑動(dòng)因子較大,裂縫穩(wěn)定性較差。

圖15 H20平臺(tái)天然裂縫穩(wěn)定性預(yù)測(cè)結(jié)果

4.3 天然裂縫與水力壓裂裂縫的相互作用

水力壓裂裂縫遇到天然裂縫時(shí),有可能穿越也有可能被捕獲,天然裂縫有可能被激活并由此成為水力壓裂縫網(wǎng)的一部分,其具體表現(xiàn)形式受到如下多種因素的綜合影響[16]:水力壓裂裂縫和天然裂縫的夾角(逼近角)、最大和最小水平主應(yīng)力的差值、水力壓裂裂縫內(nèi)流體壓力、天然裂縫的摩擦系數(shù)和內(nèi)聚力等?；谏鲜龅刭|(zhì)力學(xué)模型,對(duì)研究區(qū)3口水平井水力壓裂裂縫的三維幾何形態(tài)進(jìn)行模擬,圖16為研究區(qū)某平臺(tái)水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)與天然裂縫模型的平面疊合顯示,可以看出,天然裂縫以近南北向?yàn)橹?水力壓裂裂縫以近東西向?yàn)橹?二者夾角較大,天然裂縫在一定程度上限制了水力壓裂裂縫的延伸,且增大了縫網(wǎng)的復(fù)雜程度。圖16中黃色虛線位置的水力壓裂裂縫明顯受到了天然裂縫的限制,故延伸較短;在其它天然裂縫相對(duì)不發(fā)育的位置,水力壓裂裂縫延伸較長且相對(duì)較簡單。由此可知,天然裂縫的發(fā)育既可以限制水力壓裂縫網(wǎng)的延伸,也可以使裂縫網(wǎng)絡(luò)變得更復(fù)雜,增大儲(chǔ)層改造體積。

圖16 研究區(qū)某平臺(tái)水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)與天然裂縫模型的平面疊合顯示

5 結(jié)論

受復(fù)雜地質(zhì)條件的限制,地質(zhì)工程一體化是實(shí)現(xiàn)頁巖氣增產(chǎn)提效的關(guān)鍵,多尺度天然裂縫建模是地質(zhì)工程一體化中的重要技術(shù)環(huán)節(jié)之一,實(shí)現(xiàn)合理有效的天然裂縫建模,可以及時(shí)有效地支撐工程作業(yè)。本文得到如下4條研究結(jié)論。

1) 通過有針對(duì)性的精細(xì)化的疊前道集處理,提高地震資料的保真保幅性,為利用地震屬性預(yù)測(cè)天然裂縫提供保障。地震螞蟻?zhàn)粉櫶岣吡舜蟆⒅谐叨葦鄬雍吞烊涣芽p帶預(yù)測(cè)精度,為水平井鉆完井工程風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

2) 不同尺度裂縫的力學(xué)性質(zhì)不同,對(duì)鉆完井工程的影響也不同,通過將不同的螞蟻體異常值對(duì)應(yīng)于不同尺度的裂縫,并結(jié)合成像測(cè)井分別建立不同尺度的離散裂縫模型,為精細(xì)刻畫天然裂縫對(duì)應(yīng)力場的擾動(dòng)提供了可能。

3) 分別對(duì)研究區(qū)4組裂縫模型進(jìn)行粗化,利用“等效剛度”原則,對(duì)4組天然裂縫的力學(xué)參數(shù)采用“快速強(qiáng)化”的方式進(jìn)行賦值,在地質(zhì)力學(xué)模型中集成不同尺度天然裂縫系統(tǒng),合理刻畫天然裂縫對(duì)應(yīng)力場的擾動(dòng)。

4) 集成了天然裂縫系統(tǒng)的地質(zhì)力學(xué)模型應(yīng)用廣泛。比如可用于判斷天然裂縫的應(yīng)力狀態(tài),處于極限應(yīng)力狀態(tài)的天然裂縫容易引起鉆井復(fù)雜事件,特別是容易造成嚴(yán)重的泥漿漏失,因此可有效應(yīng)用于復(fù)雜鉆井的預(yù)測(cè);還可應(yīng)用于水力壓裂裂縫模擬,分析天然裂縫與水力壓裂裂縫的關(guān)系,分析水力壓裂縫網(wǎng)的復(fù)雜程度以及幾何形態(tài),進(jìn)而可應(yīng)用于壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化。