頁(yè)巖氣儲(chǔ)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(kāi)發(fā)工程國(guó)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(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500

0 引言

受美國(guó)頁(yè)巖氣革命的啟發(fā)和影響，我國(guó)在頁(yè)巖氣勘探與開(kāi)發(fā)上取得了階段性成果，使我國(guó)油氣資源結(jié)構(gòu)，勘探開(kāi)發(fā)理念和技術(shù)發(fā)生重大變化。自2009年，我國(guó)鉆探了第一口頁(yè)巖氣調(diào)查井渝頁(yè)1井開(kāi)始，我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)工作快速推進(jìn)，截至2018年底，我國(guó)頁(yè)巖氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量約1.17×1012m3，頁(yè)巖氣產(chǎn)量108×108m3，約占全國(guó)天然氣產(chǎn)量的6.74%[1-3]。與此同時(shí)，我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)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(kāi)發(fā)工藝，配合“井工廠(chǎng)”的開(kāi)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(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)量大，產(chǎn)量增速快，但仍存在地質(zhì)儲(chǔ)藏環(huán)境復(fù)雜，開(kāi)發(fā)程度低，氣井遞減快，開(kāi)發(fā)難度大等問(wèn)題[1-2,7]。因此，目前我國(guó)在繼續(xù)勘探新儲(chǔ)量的同時(shí)，還需保證現(xiàn)有開(kāi)發(fā)區(qū)域產(chǎn)能建設(shè)，通過(guò)部署加密井或?qū)暇M(jìn)行重復(fù)改造來(lái)彌補(bǔ)產(chǎn)量遞減，提高儲(chǔ)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(duì)水力裂縫擴(kuò)展影響至關(guān)重要[11-15]。在頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中，氣井周?chē)貙訅毫ο陆担暇車(chē)鷥?chǔ)層存在不同程度的壓降漏斗，儲(chǔ)層壓力下降擾動(dòng)原地層應(yīng)力狀態(tài)，而儲(chǔ)層應(yīng)力隨開(kāi)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(kāi)發(fā)效果。如何準(zhǔn)確計(jì)算頁(yè)巖氣藏長(zhǎng)期開(kāi)采過(guò)程中儲(chǔ)層四維動(dòng)態(tài)地應(yīng)力場(chǎng)，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(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域亟待解決的難題，同時(shí)也是目前國(guó)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(chǎng)耦合方法，解釋了頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中地層屬性變化規(guī)律及其對(duì)頁(yè)巖氣井復(fù)雜裂縫擴(kuò)展的影響，從而深化對(duì)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層四維動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)演化的認(rèn)識(shí)，提高我國(guó)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層的壓裂改造效果，加快頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

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

油氣開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)研究表明，在油氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，油氣開(kāi)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(chǔ)層巖石發(fā)生形變，而這種變化又反過(guò)來(lái)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(chēng)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(wèn)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(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了應(yīng)力變化對(duì)巖石滲透率的影響，反映了應(yīng)力變化會(huì)對(duì)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(xiě)出版了第一部針對(duì)多孔介質(zhì)變形的專(zhuān)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(zhǎng)期對(duì)總結(jié)結(jié)果進(jìn)行更新。

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上對(duì)多物理場(chǎng)油氣藏滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模型進(jìn)行完善，用于研究?jī)?chǔ)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(kāi)啟[26]等問(wèn)題。隨著SAGD、CO2埋存、地?zé)崮荛_(kāi)采、水合物開(kāi)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(duì)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(chǎng)耦合[27-32]和流—固—熱—化四場(chǎng)耦合模型[33-34]，但其耦合的核心依然在于滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)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(duì)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(guò)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(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算效率較高，其更適用于區(qū)域較為規(guī)則的線(xiàn)性問(wèn)題[35-36]。而有限元法則相對(duì)復(fù)雜，可用于解決非線(xiàn)性問(wèn)題。同時(shí)，該方法單元體劃分較為靈活，對(duì)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(duì)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(zhǎng)[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(chēng)迭代耦合，Settari等[40-41]為解決全耦合模型收斂性差等問(wèn)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(kāi)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(duì)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(guò)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(guò)對(duì)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(duì)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(chēng)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(duì)于全耦合和順序耦合，單向耦合以其求解簡(jiǎn)便迅速的優(yōu)勢(shì)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(duì)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(duì)滲流參數(shù)的影響，因此其計(jì)算精度相對(duì)較差。目前單向耦合多用于井筒失穩(wěn)分析及儲(chǔ)層地質(zhì)力學(xué)環(huán)境的變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)等。

(4)擬耦合模型

早期在求解滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合問(wèn)題時(shí)，為了提高計(jì)算效率，將孔隙壓縮性簡(jiǎn)化為與孔隙壓力有關(guān)的函數(shù)，在滲流求解過(guò)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(lài)于孔隙壓縮性經(jīng)驗(yàn)公式，因此，對(duì)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(duì)實(shí)際問(wèn)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(lái)，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(shì)。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(jiǎn)化了建模流程，提高了分析效率。對(duì)于特殊儲(chǔ)層或研究需求，現(xiàn)有商業(yè)求解器模型無(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí)，只需針對(duì)儲(chǔ)層的特征對(duì)商業(yè)求解器進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，寫(xiě)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(tái)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(duì)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(duì)裂縫性?xún)?chǔ)層，主流滲流模型中需要增加一套網(wǎng)格系統(tǒng)對(duì)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(wú)法考慮復(fù)雜基質(zhì)滲流；(2)面對(duì)復(fù)雜的耦合問(wèn)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(lài)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(shì)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(duì)實(shí)際情況的簡(jiǎn)化和假設(shè)，這勢(shì)必產(chǎn)生諸多誤差和矛盾，因此，需要針對(duì)不同的實(shí)際問(wèn)題，優(yōu)化耦合模型方法。

2 頁(yè)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(yè)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(yè)巖氣儲(chǔ)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(kāi)采過(guò)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(guān)裂縫的多介質(zhì)、多尺度和多維度問(wèn)題[58-60]。

2.1 頁(yè)巖儲(chǔ)層四維地應(yīng)力演化模擬方法研究進(jìn)展

頁(yè)巖儲(chǔ)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(guò)程，其源于Terzahgi提出的著名的有效應(yīng)力理論，而B(niǎo)iot[61]及Nur等[62]在此基礎(chǔ)上提出了有效應(yīng)力系數(shù)，被稱(chēng)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(xiàn)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(duì)該公式提出了相應(yīng)的測(cè)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(cè)得巖石體積模量；而當(dāng)孔隙壓力與圍壓相同時(shí)，即可測(cè)得巖性中固體顆粒體積模型。Todd和Simmons[65]對(duì)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(cè)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(chēng)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(guò)測(cè)量體積應(yīng)變方式計(jì)算得到的有效應(yīng)力系數(shù)，被稱(chēng)為靜態(tài)有效應(yīng)力系數(shù)[70-72]。對(duì)于有效應(yīng)力系數(shù)取值，一直頗有爭(zhēng)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(cè)的物理量；P為孔隙壓力，MPa；σeff為T(mén)erzahgi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(yè)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(chǔ)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(yè)巖氣藏生產(chǎn)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，地層狀態(tài)變化對(duì)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(yè)巖儲(chǔ)層滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模擬過(guò)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(shí)[83-84]。

頁(yè)巖地層天然裂縫發(fā)育，傳統(tǒng)連續(xù)性模型已不能滿(mǎn)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(duì)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(duì)天然裂縫進(jìn)行了等效處理。Jalali和Dusseault[86]對(duì)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(lèi)模型無(wú)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(guān)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(xiàn)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(guān)離散裂縫基礎(chǔ)上，對(duì)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(wú)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(wú)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(duì)于頁(yè)巖非均質(zhì)性?xún)?chǔ)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(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)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(guò)程中地應(yīng)力變化及其對(duì)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(chǔ)層實(shí)際非均質(zhì)性和各向異性特征，裂縫屬性可通過(guò)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(wèn)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(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)映射子程序，通過(guò)球形自適應(yīng)搜索算法(圖3)，最大程度滿(mǎn)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(duì)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(yè)巖氣藏流體運(yùn)移機(jī)理復(fù)雜，儲(chǔ)層中同時(shí)存在基質(zhì)孔隙、微裂縫及宏觀(guān)裂縫等多種孔隙介質(zhì)系統(tǒng)，現(xiàn)有模型對(duì)此做了大量的簡(jiǎn)化。連續(xù)介質(zhì)模型注重于宏觀(guān)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(guān)裂縫影響。而離散裂縫模型則重點(diǎn)研究宏觀(guān)裂縫及基質(zhì)，或微觀(guān)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(guān)裂縫的非均勻變形規(guī)律及其對(duì)儲(chǔ)層力學(xué)狀態(tài)的影響。

2.2 頁(yè)巖儲(chǔ)層四維地應(yīng)力演化規(guī)律研究

頁(yè)巖儲(chǔ)層滲透率低、氣井產(chǎn)量遞減較快，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)始重新調(diào)整開(kāi)發(fā)方案，優(yōu)化井網(wǎng)，挖掘儲(chǔ)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(yè)巖儲(chǔ)層四維地應(yīng)力演化規(guī)律對(duì)頁(yè)巖氣藏開(kāi)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(yè)巖氣藏簡(jiǎn)單兩翼水力裂縫水平井生產(chǎn)過(guò)程中地應(yīng)力變化情況。研究結(jié)果表明：開(kāi)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(yè)巖儲(chǔ)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(duì)地應(yīng)力分布產(chǎn)生影響(圖4)，而楊氏模量差異對(duì)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(duì)位于不同層位兩口鄰井，水力裂縫高度和長(zhǎng)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?chē)目紫秹毫焖俳档汀Ｍ瑫r(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(shì)，而使巖體沿裂縫面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。

圖5 注采過(guò)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(yè)巖氣儲(chǔ)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(yè)巖氣藏生產(chǎn)過(guò)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(kāi)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(wú)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(duì)于非均質(zhì)頁(yè)巖地層，頁(yè)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(xiàn)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(yè)巖儲(chǔ)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(guò)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(guò)程中頁(yè)巖儲(chǔ)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(shí)，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(wèn)題。因此，在此方面還需深入研究探討。

3 頁(yè)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(chǔ)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(chǎng)動(dòng)態(tài)變化條件下的單條平面裂縫擴(kuò)展模擬。

近年來(lái)，由于非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)的需要，許多學(xué)者開(kāi)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(duì)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(guò)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(jiǎn)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(duì)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?xún)?chǔ)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(chǔ)層地質(zhì)特征，Huang等[116]、Marongiu-Porcu等[117]通過(guò)集成“地質(zhì)力學(xué)—微地震監(jiān)測(cè)—?dú)獠貪B流—離散天然裂縫網(wǎng)絡(luò)”多物理場(chǎng)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(jiǎn)單，水力裂縫擴(kuò)展為擬三維狀態(tài)，無(wú)法真實(shí)表達(dá)頁(yè)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(duì)涪陵頁(yè)巖氣的真實(shí)儲(chǔ)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(yè)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(cè)井、巖心觀(guān)察及實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合模型計(jì)算老井生產(chǎn)過(guò)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(lèi)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?xún)?chǔ)層模型，該模型無(wú)法考慮復(fù)雜裂縫擴(kuò)展問(wèn)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?xún)?chǔ)層模型，復(fù)雜裂縫的擴(kuò)展均是基于解析或簡(jiǎn)化的裂縫本構(gòu)模型，這些均不能真實(shí)反映頁(yè)巖儲(chǔ)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(yè)巖氣加密井壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律研究

在頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，受老井生產(chǎn)誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)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(duì)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(duì)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(yè)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(guò)程中受“Frac-hit”效應(yīng)影響，水力裂縫產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)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(chǎng)試井、示蹤劑測(cè)試及壓裂微地震監(jiān)測(cè)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(lèi)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(yè)巖儲(chǔ)層層理和天然裂縫發(fā)育，頁(yè)巖基質(zhì)脆性較強(qiáng)，水力壓裂過(guò)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(guò)真三軸水力壓裂物理模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證天然裂縫對(duì)水力裂縫擴(kuò)展方向的影響。楊春和團(tuán)隊(duì)[127-128]通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水力壓裂過(guò)程中頁(yè)巖層理會(huì)使水力裂縫等人工裂縫發(fā)生止裂、分叉、穿過(guò)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(kāi)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(duì)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?yè)巖中的擴(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(yè)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(duì)于老井開(kāi)發(fā)對(duì)新井水力裂縫擴(kuò)展影響的實(shí)驗(yàn)研究較少，Bruno[132]通過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)比[132]Fig.15 Comparison of fracture propagation geometry under different injection conditions[132]

3.3 頁(yè)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(duì)涪陵頁(yè)巖氣的真實(shí)儲(chǔ)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(kāi)發(fā)平臺(tái)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(chǎng)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?chē)貏e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(kāi)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(lèi)似，但靠近前期生產(chǎn)井的微地震事件震級(jí)和數(shù)量將發(fā)生明顯的減弱，甚至未檢測(cè)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(lèi)似一道屏障將微地震事件阻擋在外，因此將這一現(xiàn)象稱(chēng)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(duì)應(yīng)，靠近前期生產(chǎn)井的區(qū)域稱(chēng)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(yè)巖氣區(qū)塊的現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工微地震反演結(jié)果中觀(guān)測(cè)到了類(lèi)似的現(xiàn)象[133]，圖18為一開(kāi)采了14年的某頁(yè)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(chǔ)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(yè)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(duì)稱(chēng)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(yè)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(yè)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(guó)內(nèi)主要頁(yè)巖氣區(qū)塊進(jìn)入中期開(kāi)發(fā)階段，原開(kāi)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(kāi)采，儲(chǔ)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(wú)法準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)其裂縫擴(kuò)展機(jī)理，就有可能導(dǎo)致加密井在壓裂過(guò)程中與老井壓竄，或造成重復(fù)壓裂裂縫無(wú)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(chǔ)層壓力、地應(yīng)力等地質(zhì)力學(xué)參數(shù)隨著頁(yè)巖氣開(kāi)采不斷演化，致使儲(chǔ)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(cè)老井重復(fù)壓裂及加密井復(fù)雜裂縫擴(kuò)展，需要弄清頁(yè)巖氣藏長(zhǎng)期開(kāi)采條件下裂縫性?xún)?chǔ)層地質(zhì)力學(xué)參數(shù)的動(dòng)態(tài)演化。

目前尚未對(duì)頁(yè)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(shí)。現(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(yè)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(guān)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(duì)該條件下復(fù)雜裂縫擴(kuò)展問(wèn)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(duì)這些問(wèn)題還需進(jìn)一步探索和研究。

(2)頁(yè)巖氣儲(chǔ)層多層立體開(kāi)發(fā)中復(fù)雜裂縫空間干擾機(jī)理研究

目前我國(guó)主要頁(yè)巖氣田一期已初步完成大量的加密井部署(同一儲(chǔ)層平面加密布井)，今后幾年，龍馬溪組上部頁(yè)巖氣藏儲(chǔ)層將成為開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，因此，我國(guó)頁(yè)巖氣將面臨下部?jī)?chǔ)層和上部?jī)?chǔ)層同時(shí)開(kāi)發(fā)(簡(jiǎn)稱(chēng)立體開(kāi)發(fā))的情況[6,134]。在該開(kāi)發(fā)模式下，下部?jī)?chǔ)層開(kāi)發(fā)改變了下部?jī)?chǔ)層的孔隙壓力、地應(yīng)力，對(duì)上部?jī)?chǔ)層的壓裂將產(chǎn)生額外的誘導(dǎo)干擾。該問(wèn)題涉及上下部?jī)?chǔ)層精細(xì)地質(zhì)建模、下部?jī)?chǔ)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?jī)?chǔ)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(guó)內(nèi)外對(duì)該問(wèn)題的研究較少，目前的模型及研究成果主要針對(duì)于單一均質(zhì)油氣藏模型，開(kāi)展同層位內(nèi)老井生產(chǎn)過(guò)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(duì)上下多地層屬性動(dòng)態(tài)影響，及其對(duì)不同層位加密井裂縫擴(kuò)展規(guī)律的影響。因此亟待開(kāi)展該方面研究，為我國(guó)頁(yè)巖氣的立體開(kāi)發(fā)提供理論與技術(shù)指導(dǎo)。

(3)頁(yè)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(yè)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，豐富的儲(chǔ)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(kāi)發(fā)作用，地層條件變化難以直接觀(guān)測(cè)，因此，準(zhǔn)確模擬和預(yù)測(cè)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(guò)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?jī)H局限于其中某一環(huán)節(jié)，忽視了壓裂生產(chǎn)全過(guò)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(yè)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(cè)模型+經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模型”的綜合模擬評(píng)價(jià)方法，從時(shí)間和空間維度上研究頁(yè)巖氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中各環(huán)節(jié)地層變化情況，為頁(yè)巖氣開(kāi)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(yè)巖氣藏子母井壓裂干擾及套管損傷機(jī)理

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

水平井多級(jí)壓裂過(guò)程中套管變形及損傷機(jī)理復(fù)雜，除考慮壓裂過(guò)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(wèn)題。另外，目前頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)普遍采用“井工廠(chǎng)”開(kāi)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(guò)程涉及多物理場(chǎng)、多介質(zhì)、多維度耦合模擬分析。而目前模型大多針對(duì)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(duì)該問(wèn)題，特別是套變風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位置準(zhǔn)確預(yù)測(cè)尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)[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(guò)程中井筒及地層狀態(tài)演化，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)套變風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和有效解決套管變形損傷問(wèn)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(lèi)多樣，商業(yè)求解器的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用為流體運(yùn)移和地質(zhì)力學(xué)演化等問(wèn)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(yè)巖氣藏地質(zhì)特征復(fù)雜，儲(chǔ)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(chǔ)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(jiǎn)化，不能準(zhǔn)確反映地層基質(zhì)、微裂縫及宏觀(guān)裂縫多尺度條件下流體運(yùn)移及巖體變形機(jī)理。

(3)頁(yè)巖滲流—地質(zhì)力學(xué)耦合的裂縫擴(kuò)展模型需要考慮儲(chǔ)層非均質(zhì)性、天然裂縫等因素之外，還需要考慮氣藏長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)過(guò)程中儲(chǔ)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(duì)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(kāi)展相關(guān)研究，進(jìn)一步明確頁(yè)巖加密井及重復(fù)壓裂井復(fù)雜裂縫擴(kuò)展機(jī)理。

(4)頁(yè)巖開(kāi)發(fā)過(guò)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(chǎng)、多維度、多尺度的耦合問(wèn)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(kāi)展復(fù)雜裂縫擴(kuò)展研究、立體開(kāi)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(duì)我國(guó)頁(yè)巖氣藏的持續(xù)高效開(kāi)發(fā)具有重要意義。