何 利，肖 陽(yáng)，孫宜成，劉守昱，劉 利，劉子龍

(1.中國(guó)石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；3.成都理工陽(yáng)光能源科技有限公司，四川 成都 610059)

0 引 言

近年來(lái)，隨著各大油田逐漸將提產(chǎn)增效作為首要追求目標(biāo)，以地質(zhì)工程一體化為主要思路的油田開(kāi)發(fā)技術(shù)逐步得到了認(rèn)可[1-3]。地質(zhì)工程一體化的核心思想是以產(chǎn)量為導(dǎo)向，通過(guò)引進(jìn)新技術(shù)、新思路、新方法，將地質(zhì)研究和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)研究相結(jié)合，為研究區(qū)尋找有效性高、針對(duì)性和適用性強(qiáng)的二次開(kāi)發(fā)工藝，通過(guò)一體化的項(xiàng)目管理，在提高產(chǎn)量的同時(shí)，降低了生產(chǎn)成本，達(dá)到提產(chǎn)增效目的[4-11]。前人對(duì)地質(zhì)工程一體化開(kāi)展了一系列研究。吳奇等[12]首次提出“地質(zhì)工程一體化”理念，圍繞單井產(chǎn)量，以三維模型為核心，地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，解決中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣工作難度大、建井時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。鮮成鋼等[13]通過(guò)巖心、測(cè)井和地震數(shù)據(jù)，對(duì)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了精細(xì)表征，利用先進(jìn)的有限元模擬器和大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù)，建立全區(qū)和平臺(tái)具有不同平面分辨率的三維應(yīng)力場(chǎng)模型。黃浩勇等[14]基于一體化研究思路建立了從地質(zhì)建模到產(chǎn)能模擬無(wú)縫銜接的一體化研究工作流程，形成了地質(zhì)建模、地質(zhì)力學(xué)建模、壓裂模擬和氣藏模擬4 個(gè)專業(yè)方向關(guān)鍵技術(shù)。

車(chē)21井區(qū)石炭系裂縫性油藏儲(chǔ)層巨厚，含油面積廣，非均質(zhì)性極強(qiáng)。雖然車(chē)21井區(qū)儲(chǔ)量規(guī)模大，但采出程度較低，且單井產(chǎn)量下降快，需有針對(duì)性地進(jìn)行地質(zhì)工程一體化研究，以實(shí)現(xiàn)車(chē)21井區(qū)石炭系裂縫性油藏的經(jīng)濟(jì)有效開(kāi)發(fā)。因此，在表征儲(chǔ)層構(gòu)造特征地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，通過(guò)楊氏模量、泊松比等一維巖石力學(xué)剖面和地應(yīng)力剖面約束，建立將力學(xué)信息和地質(zhì)數(shù)據(jù)、油藏?cái)?shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)的三維地質(zhì)力學(xué)模型，并利用該模型對(duì)真三維裂縫擴(kuò)展形態(tài)進(jìn)行真實(shí)地刻畫(huà)，改善了基于二維測(cè)井曲線解釋的常規(guī)壓裂設(shè)計(jì)儲(chǔ)層平面屬性單一的局限性，相較于常規(guī)三維對(duì)稱裂縫模擬具有更高的可信度，可為車(chē)21井區(qū)后續(xù)壓裂井提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 基于地震屬性約束巖石力學(xué)參數(shù)模型的建立

車(chē)21井區(qū)目的層石炭系主要發(fā)育火山巖，非均質(zhì)性極強(qiáng)。為了對(duì)火山巖儲(chǔ)層進(jìn)行真實(shí)表征，采用三維地質(zhì)建模的方法對(duì)火山巖的展布特征進(jìn)行真實(shí)刻畫(huà)。研究區(qū)為西北高、東南低的單斜，主要發(fā)育2組斷裂，一組近南北向，延伸較長(zhǎng)，另一組近東西向。斷層在地震解釋上的短距并不是很清晰。參照斷層和構(gòu)造的地震解釋結(jié)果，精細(xì)建立該地區(qū)的構(gòu)造模型。建模過(guò)程中，在考慮運(yùn)算速度、地質(zhì)體的形態(tài)及保證建模精度的情況下，車(chē)21井區(qū)的模型網(wǎng)格設(shè)計(jì)為20 m×20 m×2 m。在構(gòu)造地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，采用序貫高斯協(xié)同克里金模擬方法建立屬性模型。

通過(guò)井?dāng)?shù)據(jù)分析可知，不同巖性的孔滲特征和含水飽和度特征不同：火山角礫巖的孔隙度為1.0%～43.0%，平均為11.0%；凝灰?guī)r的孔隙度為1.0%～22.0%，平均為6.9%；灰質(zhì)砂巖的孔隙度為2.8%～32.7%，平均為11.2%?；鹕浇堑[巖的滲透率平均為0.74 mD，凝灰?guī)r的滲透率平均為0.19 mD，凝灰質(zhì)砂巖的滲透率平均為0.53 mD?；鹕浇堑[巖的含水飽和度平均為68%，凝灰?guī)r的含水飽和度平均為62%，凝灰質(zhì)砂巖的含水飽和度平均為58%。

在建模過(guò)程中，連續(xù)變量Z(u)(Z為連續(xù)變量，u為某一位置)的條件模擬步驟如下：①確定代表全研究區(qū)(含Z樣品數(shù)據(jù))的單變量條件分布cdfFz(Z)(累積分布函數(shù))，如果Z數(shù)據(jù)空間分布不均勻，則應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行解串或外推平滑；②應(yīng)用cdfFz(Z)，將Z數(shù)據(jù)完成正態(tài)得分轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布累積分布函數(shù)的Y數(shù)據(jù)(Z數(shù)據(jù)正態(tài)得分變換后的樣品數(shù)據(jù))；③檢查正態(tài)得分Y數(shù)據(jù)的雙元正態(tài)性。如果不能使用多變量高斯模型，則考慮其他模型；④如果多變量高斯模型適用于Y變量(正態(tài)得分變換后樣品數(shù)據(jù))，則繼續(xù)序貫?zāi)M。圖1為模擬結(jié)果[15-17]。

圖1 車(chē)21井區(qū)三維地質(zhì)模型(左、右圖分別為車(chē)21井區(qū)北部與南部模型)Fig.1 The three-dimensional geological model of Well Block Che21(the left and right show the northern and southern models of Well Block Che21 respectively)

2 一維巖石力學(xué)剖面的建立

一維地質(zhì)力學(xué)模型建模效率高，分辨率高，可為鉆井、壓裂設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。選取一維彈性參數(shù)、上覆壓力、孔隙壓力、強(qiáng)度參數(shù)等8種巖石力學(xué)靜態(tài)資料，結(jié)合井壁崩塌、鉆井復(fù)雜性分析、成像測(cè)井解釋進(jìn)行一維巖石力學(xué)參數(shù)解釋。

按照上述方法，在車(chē)21井區(qū)整體模型的基礎(chǔ)上，選取了車(chē)C斷塊的4口代表性直井和車(chē)D斷塊的7口代表性直井進(jìn)行了一維巖石力學(xué)建模。由建模結(jié)果可知：車(chē)C斷塊在石炭系的楊氏模量平均為23.0 GPa，車(chē)D斷塊楊氏模量平均為21.5 GPa，車(chē)C斷塊略大；車(chē)C斷塊的最小水平主應(yīng)力平均為26.0 MPa，車(chē)D斷塊最小水平主應(yīng)力平均為23.0 MPa，車(chē)C斷塊明顯更大。

3 三維巖石力學(xué)仿真模型的建立

三維巖石力學(xué)模型能夠給出力學(xué)屬性(楊氏模量、泊松比、強(qiáng)度參數(shù))與受力狀態(tài)(地應(yīng)力大小、方向、孔隙壓力)在儲(chǔ)層三維空間上的分布。建立三維巖石力學(xué)模型，不但便于工作人員了解儲(chǔ)層的信息全貌，也便于借助三維平臺(tái)將力學(xué)信息和地質(zhì)數(shù)據(jù)、開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，是地質(zhì)工程一體化的重要組成部分。

應(yīng)力是連續(xù)性向量，無(wú)法用插值法準(zhǔn)確生成，只能使用模擬成巖過(guò)程的方法來(lái)生成最大、最小水平主應(yīng)力?；谝痪S巖石力學(xué)剖面，考慮巖石彈塑性變形和平面非均質(zhì)性，模擬真實(shí)地層成巖過(guò)程，生成最大、最小水平主應(yīng)力，比插值法生成的應(yīng)力模型更具準(zhǔn)確性。

假定儲(chǔ)層為摩爾庫(kù)倫彈性介質(zhì)，在四周加入等效材料的圍巖，儲(chǔ)層上部和下部加入等效材料的上覆巖層和基巖，儲(chǔ)層外部加入鋼板消除應(yīng)力集中的影響，模擬地層成巖過(guò)程，通過(guò)對(duì)比單井地應(yīng)力和一維巖石力學(xué)剖面進(jìn)行多次迭代計(jì)算，最后完成模型的驗(yàn)證[18-19]。

對(duì)于某一個(gè)網(wǎng)格，其包絡(luò)線為：

fs=0

(1)

即：

(2)

用張拉破壞準(zhǔn)則描繪另一網(wǎng)格包絡(luò)線：

ft=σ3-σt=0

(3)

式中：?為摩擦角，°；c為黏聚力，MPa；σ1、σ3分別為第一、第三主應(yīng)力，MPa；σt為抗張強(qiáng)度，MPa；fs、ft分別表示網(wǎng)格的包絡(luò)線函數(shù)；N(?)為關(guān)于摩擦角的函數(shù)。

對(duì)于摩擦角函數(shù)，有：

(4)

抗張強(qiáng)度不超過(guò)σ3的值，其最大值由式(5)給定：

(5)

通過(guò)最大不平衡力的收斂完成應(yīng)力仿真。從車(chē)21井區(qū)模型中容易發(fā)現(xiàn)，斷塊內(nèi)斷層豐富，地應(yīng)力方向易受到斷層影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)，三維巖石力學(xué)得到的地應(yīng)力方位與單井識(shí)別的方向基本吻合。地應(yīng)力整體呈現(xiàn)西低東高的分布規(guī)律，在斷層附近受其影響發(fā)生改變，且在局部有應(yīng)力集中，如受到斷層影響，車(chē)D井與車(chē)C井地應(yīng)力水平降低。

圖2為三維巖石力學(xué)模型應(yīng)用示例中抽取的CHHW2101、CHHW2102井的沿井屬性。由圖2可知，CHHW2101井的最小水平主應(yīng)力(平均為22.0 MPa)明顯小于CHHW2102井(平均為26.0 MPa)。根據(jù)施工曲線，2口水平井的平均停泵壓力分別為10.0 MPa與11.5 MPa，折合井底停泵壓力分別為23.0 MPa與27.0 MPa，與三維巖石力學(xué)模型吻合。

圖2 車(chē)21井區(qū)CHHW2101井及CHHW2102井三維巖石力學(xué)模型

4 工程參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)及真三維裂縫模擬

4.1 工程參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

以往的壓裂設(shè)計(jì)未考慮儲(chǔ)層在三維空間的展布情況，因此，構(gòu)建了基于三維地質(zhì)模型和三維工程(地應(yīng)力)模型的壓裂設(shè)計(jì)方法[20-25]。即構(gòu)建三維地質(zhì)模型和三維工程(地應(yīng)力)模型過(guò)程中，充分考慮油藏在空間展布上的非均質(zhì)性，完善以往僅考慮二維平面非均質(zhì)性(即軌跡沿程的非均質(zhì)性)的不足，在油藏空間中進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)一步深化認(rèn)識(shí)三維空間內(nèi)人工裂縫展布形態(tài)、導(dǎo)流能力等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)單井初期產(chǎn)能、遞減規(guī)律及井間干擾等的影響，優(yōu)化分段分簇、改造規(guī)模、施工參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)更精確、更具針對(duì)性、更高效的壓裂效果設(shè)計(jì)。針對(duì)車(chē)21井區(qū)CHHW2104井，分別從砂比、排量、凈液量等方面對(duì)裂縫的形態(tài)進(jìn)行評(píng)估，選擇最優(yōu)的施工參數(shù)。

設(shè)置砂比分別為10.0%、15.0%、20.0%、25.0%、30.0%，進(jìn)行真三維裂縫模擬，分析砂比對(duì)裂縫形態(tài)的影響(圖3)。由圖3可知，裂縫面積和裂縫體積在砂比為20.0%達(dá)到最大值，綜合分析砂比為20.0%時(shí)最優(yōu)。

圖3 砂比對(duì)裂縫的影響

設(shè)置排量分別為6.0、7.0、8.0、9.0、10.0 m3/min，進(jìn)行真三維裂縫模擬，分析排量對(duì)裂縫形態(tài)的影響(圖4)。由圖4可知，排量在8.0 m3/min時(shí)裂縫面積最大，裂縫體積增幅減緩，綜合分析排量為8.0 m3/min時(shí)最優(yōu)。

圖4 排量對(duì)裂縫的影響

設(shè)置凈液量分別為600.0、800.0、1 000.0、1 200.0、1 400.0 m3，進(jìn)行真三維裂縫模擬，分析凈液量對(duì)裂縫形態(tài)的影響(圖5)。由圖5可知，凈液量在1 200.0 m3時(shí)裂縫面積最大，綜合分析凈液量為1 200.0 m3最優(yōu)。

圖5 凈液量對(duì)裂縫的影響

4.2 真三維裂縫模擬及效果論證

基于三維地質(zhì)力學(xué)模型，對(duì)儲(chǔ)層特性網(wǎng)格進(jìn)行離散元交互，轉(zhuǎn)換到離散元模擬器，建立多個(gè)高滲透性局部加密網(wǎng)格。其中，每一個(gè)網(wǎng)格均可反映水力壓裂通道的孔滲及含油飽和度屬性，網(wǎng)格尺寸從內(nèi)到外呈指數(shù)性遞增。選取CHHW2104井，該井射孔15段，每段2簇，設(shè)定排量為8.0 m3/min、每段凈液量為1 200.0 m3、平均砂比為21.1%進(jìn)行裂縫數(shù)值模擬?？紤]裂縫在三維空間內(nèi)的真實(shí)展布，在水平主應(yīng)力和地層楊氏模量、泊松比等參數(shù)約束下，裂縫的模擬結(jié)果更具可靠性。圖6為CHHW2104井真三維裂縫模擬圖，模擬結(jié)果表明：壓裂后的裂縫平均縫長(zhǎng)為142.0 m，平均縫高為35.0 m，平均縫寬為5.3 mm。該技術(shù)主要適用于對(duì)后續(xù)井壓裂進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，在模擬真實(shí)裂縫情況下，指導(dǎo)后續(xù)井進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)。

圖6 真三維裂縫模擬

2017年8月18日，CHHW2104井完成壓裂施工，共用壓裂液16 474.2 m3，加砂1 280 m3，平均每段凈液量為1 098.3 m3，排量為8.0 m3/min，砂比為21.1%。該井未進(jìn)行微地震測(cè)試，依據(jù)生產(chǎn)曲線(圖7)可知，CHHW2104井產(chǎn)油能力提高，含水迅速下降，壓裂后初期日產(chǎn)油達(dá)18.6 t/d，是相近地質(zhì)條件下同層位相鄰直井產(chǎn)量的4.9倍。壓裂后獲得較好產(chǎn)量，與裂縫模擬情況相匹配，達(dá)到預(yù)期效果。

圖7 CHHW2104井生產(chǎn)曲線

5 結(jié) 論

(1) 三維巖石力學(xué)仿真模型在CHHW2101和CHHW2102井沿井處的平均最小水平主應(yīng)力與2口井的井底停泵壓力相吻合，真實(shí)地表征儲(chǔ)層巖石力學(xué)性質(zhì)，可為水平井鉆井、裂縫模擬、產(chǎn)能評(píng)價(jià)和壓后評(píng)估分析提供模型基礎(chǔ)。

(2) 真三維裂縫模擬技術(shù)考慮了裂縫在三維空間內(nèi)的真實(shí)展布，在水平主應(yīng)力和地層楊氏模量、泊松比等巖石力學(xué)參數(shù)約束下，裂縫的模擬結(jié)果更具可靠性。

(3) 基于地質(zhì)工程一體化研究思路，形成了從地質(zhì)建模到裂縫模擬的一體化研究工作流程，可以更高效、更精準(zhǔn)、更直接地對(duì)裂縫模擬效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，判斷與天然裂縫連通情況，指導(dǎo)車(chē)21井區(qū)后續(xù)井壓裂模擬的施工參數(shù)。