基于構(gòu)造應(yīng)力場模擬的頁巖氣藏裂縫表征與建模方法

劉禮軍 周 昕 任啟強(qiáng) 李潔辛 陳克勇 高俊華 陳 雪

1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院 四川成都 610059；

2.中石油川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部 四川成都 610051；

3.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院 四川成都 610059

隨著天然氣需求日益增加，頁巖氣成為天然氣的換代資源之一[1-2]。我國具有豐富的頁巖氣資源，頁巖氣富集區(qū)的研究對我國能源后續(xù)供給具有戰(zhàn)略意義。天然裂縫的發(fā)育程度直接影響了頁巖氣藏產(chǎn)量[3-4]。裂縫為游離態(tài)的頁巖氣提供了儲存空間和流動通道，有效提高了頁巖的滲透率和孔隙度。因此，頁巖氣藏裂縫表征對頁巖氣高效開發(fā)具有重要意義。

目前，頁巖氣藏的裂縫表征已成為世界熱門課題。但是頁巖具有復(fù)雜特征，利用常規(guī)的油氣藏表征和建模手段不能有效描述頁巖的裂縫參數(shù)和展布。國外對頁巖裂縫研究較早，取得了一定的進(jìn)展。相比于國外，我國頁巖氣藏條件更加復(fù)雜，頁巖儲層大多經(jīng)歷了多旋回的構(gòu)造演化，導(dǎo)致頁巖氣藏斷裂系統(tǒng)極為發(fā)育。目前頁巖氣藏開發(fā)地質(zhì)模型過于簡化，影響模型準(zhǔn)確性，尚無適用于我國地質(zhì)特征的成型的頁巖氣藏裂縫建模方法和開發(fā)理論。

針對以上問題，基于構(gòu)造應(yīng)力場模擬建立頁巖氣藏裂縫表征與建模方法。此方法依據(jù)研究區(qū)所處的地質(zhì)及構(gòu)造條件，建立地質(zhì)力學(xué)模型，開展構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬，結(jié)合構(gòu)造應(yīng)力與裂縫參數(shù)間的關(guān)系，對研究區(qū)裂縫發(fā)育情況進(jìn)行表征，并采用離散裂縫建模技術(shù)建立天然裂縫模型，為研究區(qū)頁巖氣高效開發(fā)提供支撐。

1 構(gòu)造應(yīng)力場模擬

以四川盆地W 區(qū)塊頁巖氣藏為研究對象進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場模擬。W 區(qū)塊位于四川盆地西南低褶構(gòu)造帶，主力目的層段為龍馬溪組龍一1 亞段，整體為深水陸棚相沉積，埋深大多小于3500m。構(gòu)造應(yīng)力場包括古構(gòu)造應(yīng)力場和現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場，其中古構(gòu)造應(yīng)力場需結(jié)合構(gòu)造演化、構(gòu)造應(yīng)力場演化和構(gòu)造裂縫發(fā)育史進(jìn)行確定。構(gòu)造演化史和構(gòu)造應(yīng)力場演化史表明，區(qū)塊構(gòu)造裂縫可分為4 期：第1 期為燕山早期，由于NW 擠壓形成NE 構(gòu)造體系；第2 期為燕山晚期，由于NS 擠壓形成EW 構(gòu)造體系；第3期形成于喜山期，即庫EW 擠壓形成NS 構(gòu)造體系；第4期為印支期，由于龍山北段關(guān)閉，由北向南擠壓，距離遠(yuǎn)導(dǎo)致構(gòu)造變形不大可以忽略。因此，古構(gòu)造應(yīng)力場的數(shù)值模擬主要是依據(jù)燕山期和喜山期的地質(zhì)構(gòu)造來構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行。

1.1 地質(zhì)模型

依據(jù)W 區(qū)塊頁巖氣田的頂面構(gòu)造圖，并結(jié)合區(qū)塊地震解釋成果提取斷層及大尺度裂縫幾何，在有限元分析軟件中建立頁巖氣田三維地質(zhì)模型。模型采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行剖分，形成構(gòu)造應(yīng)力模擬模型。

1.2 巖石力學(xué)參數(shù)

巖石力學(xué)參數(shù)是進(jìn)行準(zhǔn)確有限元數(shù)值模擬的前提和保障，其參數(shù)的準(zhǔn)確性將決定構(gòu)造應(yīng)力場模擬的精度和可靠性。以下利用研究區(qū)內(nèi)頁巖氣井鈣質(zhì)、硅質(zhì)和泥質(zhì)含量測試數(shù)據(jù)對頁巖巖相進(jìn)行了劃分，獲取目標(biāo)層段巖相分布模型。而后，依據(jù)研究區(qū)頁巖氣井測井解釋數(shù)據(jù)，明確各井點(diǎn)的巖石力學(xué)參數(shù)空間分布，并將巖石力學(xué)參數(shù)賦予到對應(yīng)的地質(zhì)模型中。采用線彈性八節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分47059 個節(jié)點(diǎn)和140845 個單元，每個單元賦予對應(yīng)的楊氏模量、泊松比和密度。

1.3 邊界條件

應(yīng)力加載方式及邊界約束是開展構(gòu)造應(yīng)力場研究的基礎(chǔ)。基于W 區(qū)塊古今構(gòu)造應(yīng)力場特征，確定構(gòu)造應(yīng)力模擬的邊界條件。根據(jù)燕山期和喜山期古應(yīng)力地圖對模型施加力學(xué)邊界條件，即在模型西南方和東南方分別施加56MPa 和120MPa 的擠壓力。現(xiàn)今模型邊界條件：底部設(shè)置約束，南北方向施加45MPa 擠壓力，東西方向施加18MPa 擠壓力，垂向設(shè)置重力。

圖1 古今應(yīng)力場施加邊界條件

1.4 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)燕山期古構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果（圖2），水平最小主應(yīng)力方向?yàn)榻麼E- SW 向，水平最大主應(yīng)力方向?yàn)榻麼W- SE 向，沿斷層出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象，垂向主應(yīng)力最大，整體表現(xiàn)為Ia 型應(yīng)力狀態(tài)。平面上最大主應(yīng)力由南至北方向擠壓作用逐漸變小，且應(yīng)力高值區(qū)呈集中在工區(qū)中南部位置，受斷層和地層影響，最小主應(yīng)力高值區(qū)位于斷層附近區(qū)域和工區(qū)中部；應(yīng)力分布受成巖微相的影響，主要分布在工區(qū)中部及中西部區(qū)域。現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場分布特征與古構(gòu)造應(yīng)力場類似，但水平最小主應(yīng)力方向?yàn)榻麰W 向，水平最大主應(yīng)力方向?yàn)榻麼S 向，平面上最大主應(yīng)力由東至西方向擠壓作用逐漸變小。

圖2 燕山期構(gòu)造應(yīng)力場模擬結(jié)果

2 頁巖儲層裂縫定量預(yù)測

2.1 裂縫參數(shù)計算模型

針對泥質(zhì)頁巖，結(jié)合庫倫- 莫爾、格里菲斯等屈服-破壞復(fù)合破裂準(zhǔn)則以及裂縫力學(xué)模型，根據(jù)巖石特點(diǎn)，即不論實(shí)砂巖是脆性或者是塑性，應(yīng)變能達(dá)到表面能的情況下，就會產(chǎn)生相應(yīng)的規(guī)模破裂。由此推導(dǎo)出擠壓應(yīng)力狀態(tài)下，構(gòu)造裂縫的定量參數(shù)計算模型，見式（1）。

式中：Dvf——構(gòu)造裂縫體密度，m2/ m3；

Dlf——構(gòu)造裂縫線密度，條/ m；

b——構(gòu)造裂縫有效開度，m；

σp——巖石破裂應(yīng)力，MPa；σ1、σ2、σ3——最大、中間、最小有效主應(yīng)力，MPa；

ε1、ε2、ε3——最大、中間、最小主應(yīng)變；

L1、L2、L3——沿σ1、σ2、σ3的單元長度，m；

E——楊氏模量，MPa；

M——泊松比；

θ——裂縫破裂角，°；

ε0——巖石承受最大彈性張應(yīng)變；

J——裂縫表面能，J/ m2。

2.2 裂縫定量預(yù)測結(jié)果

基于古今構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果，將應(yīng)力、應(yīng)變模擬結(jié)果代入裂縫參數(shù)計算模型，對W 區(qū)塊頁巖氣田裂縫進(jìn)行定量預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如圖3 所示。由圖3（a）和（b）可知，裂縫線密度受斷層和大裂縫影響較大，在斷層邊緣地帶裂縫線密度較大，但整體裂縫呈現(xiàn)零散發(fā)育，集中在工區(qū)中部和北東部位。由圖3（c）中裂縫開度分布可知，裂縫開度較大的地區(qū)為西北方向較集中，由于西南方向喜山期擠壓，造成裂縫發(fā)育開度較大。由圖3（d）可知，裂縫呈北東方向發(fā)育，且集中在北東部位。依據(jù)構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬獲取的裂縫密度、走向等定量預(yù)測結(jié)果，利用三維離散裂縫網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)，建立頁巖氣田裂縫網(wǎng)絡(luò)模型，為研究區(qū)頁巖氣藏壓裂施工和高效開發(fā)提供基礎(chǔ)模型。

圖3 裂縫參數(shù)定量預(yù)測結(jié)果

3 結(jié)論

（1）基于儲層地質(zhì)和巖石力學(xué)參數(shù)模型，以及古今構(gòu)造應(yīng)力場特征，建立了構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬方法，并結(jié)合巖石應(yīng)變能理論和能量守恒定律，形成了構(gòu)造應(yīng)力作用下裂縫開度、線密度、體密度等參數(shù)的定量預(yù)測模型，可實(shí)現(xiàn)裂縫參數(shù)空間分布定量預(yù)測。

（2）通過頁巖氣田構(gòu)造應(yīng)力數(shù)值模擬，獲取研究區(qū)古今應(yīng)力場分布特征，結(jié)合裂縫定量預(yù)測模型對裂縫參數(shù)進(jìn)行計算，明確了研究區(qū)裂縫參數(shù)分布特征，為頁巖氣田高效開發(fā)提供支撐。