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、強構(gòu)造運動的劇烈改造影響,四川盆地及周緣龍馬溪/五峰組的頁巖儲層發(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層的典型地質(zhì)特點。經(jīng)過近十年的頁巖氣勘探開發(fā),人們深刻認(rèn)識到“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)工程一體化實際上是利用地震、鉆井、錄井、巖心、測井、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)等工程的實施[3]。頁巖儲層內(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導(dǎo)致泥漿漏失、遇阻、遇卡等鉆井風(fēng)險,壓裂時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),對建立合理的地質(zhì)力學(xué)模型、支持頁巖氣甜點優(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個方面的挑戰(zhàn)。

一是天然裂縫精細(xì)預(yù)測問題。三維地震資料具有覆蓋范圍大、橫向分辨率高的優(yōu)勢,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,因此更多時候是采用疊前時間偏移得到的疊后屬性進行天然裂縫預(yù)測。針對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、曲率、振幅對比、混沌體、螞蟻追蹤等不連續(xù)檢測屬性技術(shù)進行檢測,受地震資料品質(zhì)和分辨率的影響,天然裂縫預(yù)測精度存在一定局限。

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)測量方式及裂縫規(guī)模可以劃分為5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別的大斷層或斷裂,比較容易預(yù)測,在水平井部署時需盡量避開。中尺度裂縫表現(xiàn)為地震不連續(xù)檢測屬性(如螞蟻追蹤體)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,但會對鉆井和壓裂產(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,幾乎無法對小尺度、細(xì)尺度和微尺度的天然裂縫進行三維描述和預(yù)測。針對不同的工程需求對地震可識別的裂縫(斷裂)進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原場應(yīng)力的擾動,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),盡管巖心實驗或聲波測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)格的運算量,無論從計算規(guī)模還是運算量來看都可視作巨型模型;③將地層中難以計數(shù)的天然裂縫升級到可管理數(shù)量,同時又保持關(guān)鍵分布模式和對地應(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)體進行螞蟻追蹤裂縫預(yù)測,并將其與手工解釋斷裂、鉆井工程復(fù)雜事件、成像測井解釋進行對比;然后對螞蟻追蹤結(jié)果進行質(zhì)控,以確保天然裂縫的預(yù)測精度;再根據(jù)螞蟻追蹤與地震剖面不連續(xù)特征的對比,對螞蟻異常進行尺度劃分;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、成像測井和巖心觀察的裂縫產(chǎn)狀,進行不同尺度離散裂縫建模;接著選擇相對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)多年的一體化項目經(jīng)驗,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)測精度,從疊前道集出發(fā),對龍馬溪/五峰組優(yōu)質(zhì)頁巖段的道集進行優(yōu)化處理,優(yōu)選部分道集進行疊加處理,將處理結(jié)果作為螞蟻追蹤的輸入數(shù)據(jù),然后利用多種數(shù)據(jù)對螞蟻追蹤結(jié)果進行質(zhì)控,使得天然裂縫預(yù)測結(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)測結(jié)果與手工解釋的斷層進行對比,根據(jù)所解釋斷層的大小尺度對螞蟻體異常進行劃分,將其線性地轉(zhuǎn)換成4種尺度的裂縫密度,結(jié)合由巖心和測井獲得的裂縫幾何形態(tài),進行離散裂縫模擬,獲得4組不同尺度的離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型。該方法將地震可識別的斷層和天然裂縫帶與成像測井解釋的小尺度斷層相結(jié)合,轉(zhuǎn)化成4個裂縫網(wǎng)絡(luò)模型,分別應(yīng)用于后續(xù)研究。地震無法識別的細(xì)尺度和微尺度裂縫則不在考慮之列,一方面因為目前的工程實踐尚未發(fā)現(xiàn)細(xì)、微尺度裂縫對鉆完井工程造成風(fēng)險,另一方面目前的技術(shù)手段還無法預(yù)測細(xì)、微尺度裂縫的三維空間分布。

對4個不同尺度的裂縫網(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,用于評價天然裂縫的穩(wěn)定性、預(yù)測鉆井和壓裂風(fēng)險、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

螞蟻追蹤技術(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,強化斷裂特征屬性,提高斷裂預(yù)測精度,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價標(biāo)準(zhǔn)的一致性[8-9]。在常規(guī)油氣勘探中,螞蟻追蹤屬性主要用于斷裂自動解釋,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,如方差體、混沌體等;③螞蟻追蹤;④斷層自動拾取。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,螞蟻追蹤技術(shù)更多用于天然裂縫的預(yù)測,這就需要在去除噪聲干擾的同時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。

可用于螞蟻追蹤的屬性很多,要測試這些參數(shù)并獲得比較滿意的裂縫預(yù)測實屬不易,本文中螞蟻追蹤主要采用了6個參數(shù)[8]?；诠P者多年的經(jīng)驗,要提高裂縫預(yù)測精度,最重要的因素是螞蟻追蹤的地震資料品質(zhì)以及對研究區(qū)的地質(zhì)認(rèn)識,也就是對結(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)測部分。本文主要論述兩個部分:一是輸入地震數(shù)據(jù)的優(yōu)化,二是螞蟻追蹤結(jié)果的質(zhì)控。后者包括:對比螞蟻追蹤結(jié)果與手工解釋斷裂,以了解螞蟻追蹤異常與斷裂尺度的關(guān)系;對比螞蟻追蹤結(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;對比螞蟻追蹤結(jié)果與成像測井解釋裂縫,以了解螞蟻異常與成像測井解釋裂縫的關(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特定目的層,可能針對從淺到深的所有地層,因此地震數(shù)據(jù)體對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)測的精度,首先從疊前道集出發(fā),針對目的層的疊前道集進行去噪、拉平、提頻等預(yù)處理,然后選擇地震資料中品質(zhì)較好的道集進行部分疊加,再優(yōu)選輸入數(shù)據(jù)體,最后進行構(gòu)造平滑、邊緣檢測和螞蟻追蹤。

圖2a和圖2b分別為去噪前、后的疊前時間偏移道集,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道同相軸不平。進行多次波去噪和隨機噪聲壓制后,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,因此針對目的層進行道集疊加時,我們可以選擇中間振幅相對較強的道集進行疊加,獲得部分疊加道集。

圖2 疊前時間偏移原始道集(a)、去噪后(b)和拉平后(c)的道集

為了提高地震資料對天然裂縫的識別能力,采用拓頻技術(shù)(bandwidth extension,BWXT)[11]對優(yōu)選的道集疊加體進行處理。BWXT作為一種以時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,對原始數(shù)據(jù)進行拓頻處理后可以看出,頻譜從8～85Hz展寬到5～98Hz(圖3a)。對相同子波的合成地震記錄進行標(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

由于螞蟻追蹤結(jié)果受多種因素影響,不同時期處理的地震數(shù)據(jù)、不同的邊界探測參數(shù)(方差體、混沌體等)、不同的螞蟻追蹤參數(shù)等都會產(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)上有時差別很大,而裂縫預(yù)測精度的關(guān)鍵在于細(xì)節(jié),因此螞蟻追蹤結(jié)果的質(zhì)控就顯得尤為重要。可用于質(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)以及測井?dāng)?shù)據(jù)(特別是成像測井?dāng)?shù)據(jù))控制著微小裂縫的發(fā)育程度,對于非常規(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,并采用測井解釋裂縫等方式對螞蟻追蹤結(jié)果進行質(zhì)控。

2.2 螞蟻追蹤結(jié)果與手工解釋斷裂對比

為了更好地與人工解釋的斷層進行對比驗證,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)性較好的強波阻抗界面,10m以下的斷層或裂縫帶雖然不會造成地震反射同相軸錯斷,但是仍然存在反射能量的變化、傾角突變、曲率變化、瞬時相位變化等,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)為相對較強的異常值。

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)和沿層螞蟻追蹤屬性與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)斷層的走向為北北東、北西向,紅色實線指示延伸長度大于4000m、斷距大于40m的大斷層,藍色實線指示延伸長度數(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個不同方向的擠壓運動[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。對比螞蟻異常與地震斷層解釋結(jié)果發(fā)現(xiàn),螞蟻追蹤結(jié)果在強度和連續(xù)性上表現(xiàn)為3個級別:強連續(xù)、強異?；緦?yīng)手工解釋的大型斷層(圖5a中紅色實線),中連續(xù)、較強異常對應(yīng)手工解釋的中型斷層(圖5a中藍色實線),弱連續(xù)、弱異?；究蓪?yīng)小型斷層或裂縫帶或地層傾角變化帶(圖5a 中綠色實線)。圖5a并未解釋出圖5b中許多的螞蟻追蹤屬性異常,這也反映出了螞蟻追蹤結(jié)果比人工解釋結(jié)果更加精細(xì)、客觀。螞蟻追蹤結(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;在工程實施監(jiān)督指導(dǎo)中,裂縫帶與地層傾角變化預(yù)測結(jié)果被現(xiàn)場工程施工所證實,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比

2.3 螞蟻追蹤結(jié)果與鉆井復(fù)雜事件對比

圖7為螞蟻追蹤結(jié)果與已鉆井的鉆井復(fù)雜事件對比顯示,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井實鉆與設(shè)計不吻合,該井實鉆是經(jīng)過調(diào)整后的軌跡。HB平臺根據(jù)螞蟻異常分布對軌跡進行了適當(dāng)微調(diào)以避免螞蟻異常預(yù)測的裂縫帶。

圖7 螞蟻追蹤結(jié)果與已鉆井的鉆井復(fù)雜事件對比顯示

2.4 螞蟻追蹤結(jié)果與成像測井解釋裂縫對比

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,因此其成像測井解釋的裂縫分布不一定與平面預(yù)測的結(jié)果相符;水平井通常能夠鉆遇較多的裂縫,其成像測井解釋結(jié)果與平面預(yù)測結(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,水平井成像測井較少。圖8a和圖8b均采用相同的螞蟻追蹤參數(shù),只是輸入的數(shù)據(jù)體不同,對比某頁巖氣水平井成像測井解釋的裂縫與螞蟻追蹤結(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)育強度吻合程度相對較好;圖8b在裂縫發(fā)育強度較大的位置,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)體的成像測井解釋裂縫與螞蟻追蹤結(jié)果對比顯示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行預(yù)測,也無法僅利用測井方法得到預(yù)測結(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,對裂縫實際尺寸和分布形態(tài)進行高分辨率的非結(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],以測井及巖心解釋識別的天然裂縫為基礎(chǔ),結(jié)合三維地震天然裂縫預(yù)測結(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)育強度

前文所述的三維地震資料螞蟻追蹤方法對天然裂縫預(yù)測的效果較好,根據(jù)成像測井解釋的天然裂縫密度對螞蟻體進行標(biāo)定,將螞蟻體異常值的大小對應(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)育強度可對比的屬性體。根據(jù)螞蟻體異常值和裂縫強度劃分天然裂縫發(fā)育強度,共分為4組(表2)。

表2 天然裂縫發(fā)育強度劃分結(jié)果

第1組對應(yīng)大尺度,受區(qū)域構(gòu)造運動控制,可延伸數(shù)千米,在地震剖面上,錯斷1個到數(shù)個同相軸,可被清楚地解釋,一般會對頁巖儲層具有破壞作用,對頁巖氣的保存不利,布井時應(yīng)盡量考慮避開。

第2組對應(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,但螞蟻追蹤結(jié)果較地震剖面更清晰。中尺度的小斷層或者裂縫帶對于頁巖氣工程施工具有重要影響。首先是對鉆井和地質(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,對井壁穩(wěn)定性會產(chǎn)生重要的影響,微構(gòu)造的存在則會影響地質(zhì)導(dǎo)向。其次,對于壓裂改造而言,中等尺度的裂縫會對壓裂的效率和水力壓裂裂縫的擴展產(chǎn)生影響,穿過井筒的裂縫會增加套變風(fēng)險、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,為米級到十米級別,可見于成像測井資料及巖心資料。

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

3.2 產(chǎn)狀

受測井資料精度的限制,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)計結(jié)果可以看出,斷層以近南北向為主,傾角通常超過60°。

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

3.3 長度及高度

無法從成像測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)計結(jié)果

3.4 多尺度裂縫建模

基于業(yè)內(nèi)的普遍經(jīng)驗[14],以表2中4組裂縫強度作為空間約束,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分別對應(yīng)百米～千米級的大型斷層、幾十～百米級的小型斷層、米級～幾十米級的天然裂縫帶以及米級的裂縫帶。

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立的裂縫組,可以單獨應(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,工程實施時應(yīng)注意事先確定風(fēng)險控制預(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)對于原場應(yīng)力的擾動,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,我們制定了一個迭代的技術(shù)流程(圖1)。

第一步,裂縫模型粗化。由于硬件計算能力的限制,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)格盡可能表達真實的天然裂縫系統(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。通過兩個算例,驗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。

計算結(jié)果如圖12所示,可以看出兩個算例的計算結(jié)果幾乎相同,表明等效剛度(裂縫剛度×裂縫間距)對應(yīng)力結(jié)果具有控制作用。同一個研究區(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裂縫模型進行粗化。在裂縫建模時已經(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)迭代測試,得到每種尺度裂縫模型相對合理的粗化結(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)及兩個算例的應(yīng)力差(c)

第二步,基于螞蟻體裂縫預(yù)測結(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),分別對應(yīng)米級(最不發(fā)育)、十米級(較不發(fā)育)、百米級(較發(fā)育)和千米級(最發(fā)育)。

第三步,設(shè)置不同尺度裂縫的剛度參數(shù)。對于天然裂縫的剛度參數(shù),業(yè)內(nèi)已有許多經(jīng)驗認(rèn)識,利用這些認(rèn)識可以有效地進行參數(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,對于應(yīng)力場的擾動也更大。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,需要進一步確定剪切剛度,有學(xué)者通過室內(nèi)實驗發(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,以減少變量個數(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,我們進行了3個法向剛度算例實驗(圖13)。算例1:等比增長,裂縫尺度每增加一級,剛度參數(shù)降低一半,對地應(yīng)力場的擾動增強;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:快速強化,除第1組裂縫外,其它3組裂縫的剛度迅速增大,對應(yīng)力場的影響很弱,主要突出最發(fā)育的1組裂縫對應(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姸仍韀17]進行三維應(yīng)力場建模,并根據(jù)應(yīng)力場校核標(biāo)準(zhǔn)[17]對比3個算例,這些標(biāo)準(zhǔn)包括:①使用集成了天然裂縫系統(tǒng)的應(yīng)力場進行水力壓裂建模,產(chǎn)生與微地震數(shù)據(jù)和其它監(jiān)測數(shù)據(jù)一致的水力壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò);②沿井眼計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度的認(rèn)識。最終發(fā)現(xiàn)“快速強化”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),就會發(fā)生剪切錯動,導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力增大。裂縫滑動風(fēng)險的計算原理如下:依據(jù)摩爾-庫倫強度準(zhǔn)則,分別計算裂縫面剪切應(yīng)力與抗剪強度,然后比較兩者的大小關(guān)系,假如剪切應(yīng)力超過抗剪切強度,裂縫就會滑動,此時稱為極限應(yīng)力狀態(tài)[17]?；谌S地質(zhì)力學(xué)模型可以計算天然裂縫的滑移因子,進而預(yù)測天然裂縫的穩(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)定性可以通過滑動因子(St)來表征,計算公式如下:

(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)滑動因子小于1時,裂縫處于穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)滑動因子等于1時,裂縫達到極限應(yīng)力狀態(tài);當(dāng)滑動因子大于1時,裂縫發(fā)生滑動。

受裂縫面不整合及內(nèi)部自我支撐機制的作用,剪切滑動對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,導(dǎo)致裂縫滲透率增大。在鉆井過程中鉆遇滑動裂縫帶時容易發(fā)生漏失;壓裂時也容易造成壓裂液濾失,增加砂堵風(fēng)險。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。圖中每個點代表一條裂縫,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。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。圖15為H20平臺天然裂縫穩(wěn)定性預(yù)測結(jié)果,紅黃色代表的天然裂縫容易滑動,導(dǎo)流能力較強;反之,藍綠色代表的天然裂縫不容易滑動,導(dǎo)流能力較弱。可以看出,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,鉆進過程無漏失;H20-6在3658m和3811m鉆進中漏失,鉆至3811m井漏嚴(yán)重,提前完鉆;H20-8在3480m,3622m和3751m鉆進中漏失,在2962m處遇阻并漏失。從圖中可見,漏失位置發(fā)育天然裂縫,且滑動因子較大,裂縫穩(wěn)定性較差。

圖15 H20平臺天然裂縫穩(wěn)定性預(yù)測結(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,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,對研究區(qū)3口水平井水力壓裂裂縫的三維幾何形態(tài)進行模擬,圖16為研究區(qū)某平臺水力壓裂裂縫網(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為主,水力壓裂裂縫以近東西向為主,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不發(fā)育的位置,水力壓裂裂縫延伸較長且相對較簡單。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,增大儲層改造體積。

圖16 研究區(qū)某平臺水力壓裂裂縫網(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,實現(xiàn)合理有效的天然裂縫建模,可以及時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)測天然裂縫提供保障。地震螞蟻追蹤提高了大、中尺度斷層和天然裂縫帶預(yù)測精度,為水平井鉆完井工程風(fēng)險的準(zhǔn)確預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。

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

3) 分別對研究區(qū)4組裂縫模型進行粗化,利用“等效剛度”原則,對4組天然裂縫的力學(xué)參數(shù)采用“快速強化”的方式進行賦值,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應(yīng)力場的擾動。

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;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),進而可應(yīng)用于壓裂設(shè)計優(yōu)化。