王光付，李鳳霞，2，3，王海波，2，3，李軍，張宏，周彤，2，3，商曉飛，潘林華，沈云琦

（1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；2.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；3.中國石化頁巖油氣勘探開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

油氣勘探開發(fā)實(shí)踐中地質(zhì)與工程相互結(jié)合由來已久，但地質(zhì)-工程一體化理念和概念源于北美致密氣和頁巖油氣開發(fā)［1］，利用地質(zhì)、地球物理和地質(zhì)建模等研究成果指導(dǎo)井網(wǎng)部署、井位設(shè)計(jì)優(yōu)化、井工廠鉆井、體積壓裂改造、大數(shù)據(jù)和人工智能優(yōu)化施工和生產(chǎn)參數(shù)，大幅度提高單井產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)了北美頁巖氣產(chǎn)量的飛躍。中國借鑒北美非常規(guī)油氣開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)，引入了地質(zhì)-工程一體化勘探開發(fā)理念［2］，針對常規(guī)難采未動(dòng)用儲量、非常規(guī)致密砂巖和頁巖油氣、復(fù)雜深層油氣藏等進(jìn)行了一體化的研究與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了四川盆地涪陵頁巖氣［3］、準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾頁巖油［4］、塔里木盆地順北超深斷溶體碳酸鹽巖油藏［5］以及鄂爾多斯盆地蘇里格致密砂巖氣［6］等不同類型儲層的經(jīng)濟(jì)效益開發(fā)。

地質(zhì)-工程一體化的實(shí)施需要依托于多學(xué)科、多專業(yè)的高效融合，而建模和數(shù)模是實(shí)現(xiàn)融合的重要手段。根據(jù)公開文獻(xiàn)報(bào)告，目前國內(nèi)建模與數(shù)模研究主要是依托斯倫貝謝、貝克休斯等國外公司的成熟商業(yè)軟件，開展從三維建模、壓裂模擬到油氣藏?cái)?shù)值模擬優(yōu)化［7-9］，但現(xiàn)有商業(yè)軟件并不能完全適應(yīng)中國地質(zhì)特征復(fù)雜的非常規(guī)油氣藏［3，10］。以四川盆地為例，由于受多期沉積和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素影響，儲層普遍存在構(gòu)造多變、整體差異性大、非均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，非常規(guī)頁巖氣與致密氣儲層開發(fā)過程中面臨以下問題：①整體資源量落實(shí)和動(dòng)用程度低；②沉積環(huán)境復(fù)雜，儲層類型多樣、埋深差異性大、非均質(zhì)性強(qiáng)、連續(xù)性差，物性和資源豐度差異性大；③天然裂縫為高產(chǎn)的重要因素，小尺度天然裂縫識別難度大。亟需明確儲層含氣性、物性、天然裂縫分布、可壓裂性以及壓裂工藝適應(yīng)性研究，提升壓裂效果。然而，在多尺度復(fù)雜天然裂縫定量表征、強(qiáng)非均質(zhì)儲層綜合甜點(diǎn)評價(jià)、非均勻復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模擬、壓后復(fù)雜裂縫量化評價(jià)及地質(zhì)-工程一體化融合等方面，依然是當(dāng)前商業(yè)軟件面臨的重大挑戰(zhàn)。

本文針對四川盆地非常規(guī)氣藏難點(diǎn)問題，通過組建氣藏精細(xì)表征和壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化團(tuán)隊(duì)，形成了基于測井、地球物理、地質(zhì)建模及壓裂工程的一體化研究模式，研發(fā)了適應(yīng)頁巖氣、致密氣等不同類型儲層地質(zhì)工程特征的綜合甜點(diǎn)評價(jià)、三維地質(zhì)工程建模、水力壓裂模擬與壓后效果定量評價(jià)等地質(zhì)-工程一體化關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用于四川盆地普光千佛崖組致密砂巖氣和林灘場深層頁巖氣勘探，實(shí)現(xiàn)了探井壓裂產(chǎn)量突破。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

四川盆地為中國陸上第三大含油氣盆地，面積達(dá)18×104km2，發(fā)育多套優(yōu)質(zhì)烴源巖與油氣成藏組合，天然氣資源豐富。非常規(guī)氣藏包括頁巖氣與致密砂巖氣，沉積相類型包括海相、海-陸過渡相和陸相（圖1）?？碧介_發(fā)實(shí)踐初步證實(shí)，四川盆地海相、海-陸過渡相和陸相3類富含有機(jī)質(zhì)頁巖都具備頁巖氣形成和富集的基本地質(zhì)條件，但差異較大，其中海相頁巖相比其他兩種類型頁巖，具有厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高、含氣量高、脆性好等特點(diǎn)，是中國頁巖氣最有利的開發(fā)區(qū)，目前已在下志留統(tǒng)龍馬溪組實(shí)現(xiàn)商業(yè)開發(fā)。

圖1 四川盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨胺浅Ｒ?guī)氣田分布（a）與生、儲、蓋綜合柱狀圖（b）（改自文獻(xiàn)［10］）Fig.1 Structural units/unconventional gas field distribution（a）and composite columnar section of source rocks，reservoirs and caprocks（b），Sichuan Basin（modified after reference［10］）

四川盆地海相頁巖氣主要發(fā)育在寒武系和志留系，經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加改造，頁巖氣富集與保存具有明顯的分區(qū)分帶特征［11-14］：海相頁巖有機(jī)質(zhì)豐度與熱演化程度高，普遍進(jìn)入過成熟階段，頁巖孔隙度一般在2%～8%，有機(jī)質(zhì)孔和層理縫較為發(fā)育，脆性礦物含量高，可壓性好；海-陸過渡相富有機(jī)質(zhì)頁巖主要沉積于潮坪-潟湖環(huán)境，頁巖縱橫向變化快、非均質(zhì)性強(qiáng)，不同地區(qū)熱演化程度差異大，具有頁巖氣、煤層氣和致密氣共生的特點(diǎn)；陸相富有機(jī)質(zhì)頁巖主要為半深湖-深湖相沉積，有機(jī)質(zhì)含量和熱演化程度在不同地區(qū)變化較大，普遍具有頁巖油氣共生的特點(diǎn)，頁巖粘土礦物含量較高，可壓裂性較差。

四川盆地致密氣資源豐富，具有“滿盆富砂、滿坳含氣”的特點(diǎn)［15］，地質(zhì)資源量5.87×1012m3，剩余可采資源量2.35×1012m3，勘探潛力巨大［16］。陸相碎屑巖層系分布廣泛，沉積環(huán)境以河流-三角洲前緣沉積體系為主，河道砂體縱向疊置、橫向連片，共發(fā)育多套儲層［17］，分別為下侏羅統(tǒng)自流井組和涼高山組、中侏羅統(tǒng)沙溪廟組和千佛崖組、上侏羅統(tǒng)遂寧組和蓬萊鎮(zhèn)組及須家河組。其中，須家河組和沙溪廟組是現(xiàn)階段主力產(chǎn)氣層段，千佛崖組已成為重要的致密氣增長點(diǎn)。

總體上，四川盆地頁巖氣和致密砂巖氣儲層與北美相比，普遍具有地質(zhì)年代老、埋深大、構(gòu)造和區(qū)域應(yīng)力場復(fù)雜、微裂縫發(fā)育、儲層品質(zhì)和含氣性非均質(zhì)性較強(qiáng)，頁巖氣和致密砂巖氣資源豐富但分割性強(qiáng)，盆地內(nèi)探井測試無法獲得工業(yè)氣流現(xiàn)象突出，相鄰或同一區(qū)塊探井或評價(jià)井壓裂產(chǎn)量差異大，主要原因是甜點(diǎn)的裂縫和應(yīng)力等地質(zhì)和工程關(guān)鍵參數(shù)的三維定量預(yù)測精度不夠，針對甜點(diǎn)的壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)和布縫、控縫定量模擬計(jì)算技術(shù)和手段欠缺。另外，雖然頁巖氣與致密氣在宏觀上均呈現(xiàn)大面積連片分布特征，但致密氣儲層具有更強(qiáng)的非均質(zhì)性，頁巖優(yōu)質(zhì)層段集中分布，而致密氣優(yōu)質(zhì)甜點(diǎn)具有層薄和多層分散分布的特點(diǎn)。因此，頁巖和致密砂巖壓裂優(yōu)化時(shí)重點(diǎn)考慮的因素各有不同，壓裂模式、改造規(guī)模也具有明顯差異。

2 地質(zhì)-工程一體化壓裂技術(shù)方法及流程

地質(zhì)-工程一體化是以提高“縫網(wǎng)控制率、油氣采收率與投資回報(bào)率”為目標(biāo)，核心是通過精細(xì)構(gòu)建“構(gòu)造、儲層屬性、地質(zhì)力學(xué)和離散裂縫”一體化共享模型，從單井到油氣藏多尺度評價(jià)儲層品質(zhì)、完井品質(zhì)和鉆井品質(zhì)，支撐鉆完井、壓裂改造和開發(fā)等工程應(yīng)用，將開發(fā)工程融入地質(zhì)-工程一體化研究和作業(yè)中，同時(shí)不斷利用現(xiàn)場施工過程及時(shí)反饋的鉆探工程、壓裂改造、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)等資料對一體化共享模型進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。關(guān)于地質(zhì)-工程-經(jīng)濟(jì)三要素相互關(guān)聯(lián)和制約的綜述較多［18-19］。在非常規(guī)勘探和評價(jià)階段，地質(zhì)-工程一體化目的是通過地質(zhì)指導(dǎo)鉆井提高油氣層鉆遇率，通過地質(zhì)指導(dǎo)分段壓裂提高測試產(chǎn)量，尋求勘探突破。

北美非常規(guī)地質(zhì)-工程一體化關(guān)鍵技術(shù)中的地質(zhì)和工程“雙甜點(diǎn)”評價(jià)技術(shù)、建模技術(shù)、水平井鉆井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)、井工廠、壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)及軟件平臺、壓裂液和支撐劑體系等，在四川盆地涪陵和威遠(yuǎn)氣田開發(fā)中成功應(yīng)用，并創(chuàng)新了山地復(fù)雜地表井工廠設(shè)計(jì)施工技術(shù)，但與北美相比，缺乏利用三維地質(zhì)工程模型開展壓裂定量模擬優(yōu)化及自主知識產(chǎn)權(quán)軟件等核心技術(shù)。四川盆地與北美盆地相比，非常規(guī)氣藏地質(zhì)和構(gòu)造更加復(fù)雜，壓裂難度大，而復(fù)雜地質(zhì)條件下新區(qū)勘探壓裂更有挑戰(zhàn)性。涪陵和威遠(yuǎn)氣田已形成的成熟壓裂技術(shù)，不完全適應(yīng)于不同類型地質(zhì)工程條件下的新區(qū)勘探，并且缺乏關(guān)鍵核心技術(shù)和定量計(jì)算模擬優(yōu)化軟件，造成新區(qū)探井和評價(jià)井壓裂成功率低。通過對四川盆地百余口井頁巖氣和致密砂巖氣探井和評價(jià)井壓裂效果的分析發(fā)現(xiàn)，由于四川盆地地質(zhì)條件的復(fù)雜性，同一區(qū)塊勘探階段單井壓裂測試產(chǎn)量差異較大，分析原因是針對性的分段分簇、壓裂優(yōu)化定量計(jì)算模擬技術(shù)有效性、地質(zhì)-工程一體化團(tuán)隊(duì)合作、以及不同專業(yè)之間配合求取天然裂縫和地應(yīng)力等關(guān)鍵參數(shù)的相關(guān)技術(shù)，均存在不同程度的欠缺。經(jīng)過不斷探索和完善形成了四川盆地非常規(guī)氣藏地質(zhì)-工程一體化壓裂技術(shù)流程（圖2）。

圖2 四川盆地非常規(guī)氣藏地質(zhì)-工程一體化壓裂技術(shù)流程Fig.2 Flow chart of integrated geology?reservoir engineering approach to fracturing for unconventional gas reservoirs，Sichuan Basin

地質(zhì)-工程一體化中致密氣和頁巖氣壓裂技術(shù)流程基本一致，但地質(zhì)甜點(diǎn)屬性參數(shù)求取側(cè)重點(diǎn)有所差異，如致密氣河道砂體空間分布預(yù)測，頁巖氣的“四孔隙”和總有機(jī)碳含量（TOC）及天然裂縫分布預(yù)測。流程圖中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括研究區(qū)地質(zhì)、工程數(shù)據(jù)和盆地內(nèi)其他區(qū)塊相同層位相關(guān)數(shù)據(jù)。測井綜合研究需要結(jié)合巖心等計(jì)算井點(diǎn)的巖石礦物組分及含量、儲層孔隙度和滲透率、含氣飽和度、天然裂縫、地層壓力、地應(yīng)力大小和方向及巖石力學(xué)參數(shù)；其中頁巖氣孔隙度和含氣飽和度參數(shù)的定量評價(jià)具有特殊性，下文將詳細(xì)論述。地震與測井緊密結(jié)合，需要利用單井?dāng)?shù)據(jù)和巖石物理特性約束地球物理數(shù)據(jù)體計(jì)算，進(jìn)而預(yù)測儲層屬性（儲層厚度、巖性、物性和含氣性）、構(gòu)造、地應(yīng)力、地層壓力、巖石力學(xué)參數(shù)、斷層與天然裂縫等空間展布；此外，頁巖氣還需要定量研究其TOC分布。地質(zhì)-工程建模利用測井和地震綜合研究成果，開展構(gòu)造建模、巖相建模、屬性建模、多尺度天然裂縫建模和地質(zhì)力學(xué)建模，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)與工程的有機(jī)耦合，建立區(qū)域氣藏地質(zhì)-工程三維模型。壓裂優(yōu)化應(yīng)充分運(yùn)用地質(zhì)-工程三維模型，尤其是考慮壓裂水平段與天然裂縫、隔夾層、應(yīng)力場等在三維空間的關(guān)系，開展針對性分段分簇及射孔參數(shù)優(yōu)化，施工排量參數(shù)優(yōu)化、壓裂液體系和支撐劑類型組合優(yōu)選等。壓后評價(jià)是根據(jù)施工壓力、微地震、產(chǎn)氣剖面監(jiān)測驗(yàn)證壓裂設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步驗(yàn)證地質(zhì)-工程參數(shù)準(zhǔn)確性并更新模型，利用非常規(guī)氣藏?cái)?shù)值模擬軟件預(yù)測產(chǎn)能和優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)。實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)到甜點(diǎn)關(guān)鍵參數(shù)求取，建立三維地質(zhì)模型并在模型中開展壓裂設(shè)計(jì)和優(yōu)化，利用壓后監(jiān)測結(jié)果修正壓前地質(zhì)模型，構(gòu)建地質(zhì)-工程一體化壓裂優(yōu)化技術(shù)閉環(huán)。

3 地質(zhì)-工程一體化壓裂關(guān)鍵技術(shù)體系

針對復(fù)雜地質(zhì)條件下的新區(qū)非常規(guī)氣探井或評價(jià)井壓裂，通過攻關(guān)和實(shí)踐，形成了致密氣和頁巖氣的地質(zhì)-工程甜點(diǎn)參數(shù)定量評價(jià)、地質(zhì)-工程模型建立、定量化的復(fù)雜裂縫擴(kuò)展和調(diào)控模擬、壓裂效果評價(jià)等地質(zhì)-工程一體化關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 地質(zhì)甜點(diǎn)參數(shù)評價(jià)與預(yù)測技術(shù)

3.1.1 天然裂縫評價(jià)與預(yù)測

1）天然裂縫測井識別與定量評價(jià)

井壁成像測井是定性、定量評價(jià)裂縫最有效手段，但受測量成本和條件限制，目前只有在重點(diǎn)勘探和評價(jià)井中有井壁成像測量資料，大多數(shù)井是常規(guī)測井資料。為解決利用常規(guī)測井定性或定量評價(jià)裂縫的問題，針對致密砂巖儲層，選取電阻率降低、聲波增大以及雙側(cè)向差異作為裂縫敏感因子（表1），從多個(gè)維度反映裂縫測井響應(yīng)特征，分段采用灰色關(guān)聯(lián)計(jì)算各因子權(quán)重系數(shù)獲得裂縫識別曲線，與巖心觀察結(jié)果和成像測井成果對比確定識別閾值，實(shí)現(xiàn)基于常規(guī)測井資料的裂縫定性識別。同時(shí)，針對性地研發(fā)感應(yīng)、雙側(cè)向測量物理模擬裝置與數(shù)值模擬技術(shù)，以此為基礎(chǔ)建立裂縫參數(shù)定量表征方法［20-21］。從而實(shí)現(xiàn)了基于常規(guī)測井資料有效識別層理縫、水平縫、斜交縫、高角度縫，并對開度、孔隙度和傾角等裂縫參數(shù)進(jìn)行定量評價(jià)。

表1 四川盆地致密砂巖裂縫識別測井敏感因子Table 1 Logging sensitivity factors for identifying fractures in tight sandstone in the Sichuan Basin

2）地震預(yù)測天然裂縫

測井資料解釋的裂縫傾角、方位、發(fā)育密度是地震斷裂預(yù)測效果的重要標(biāo)定對象和斷裂提取參數(shù)優(yōu)選的重要依據(jù)，可用于明確不同三維地震屬性所蘊(yùn)含的斷裂信息地質(zhì)意義。利用疊后地震相干屬性、最大似然體刻畫大尺度斷層與中尺度裂縫帶幾何形態(tài)，基于疊前AVAz反演方法描述小尺度裂縫發(fā)育情況。為提高斷裂與裂縫預(yù)測效果，在提取疊后地震相干與最大似然等屬性之前，開展隨機(jī)噪聲衰減與構(gòu)造導(dǎo)向?yàn)V波，壓制噪聲與非構(gòu)造因素對斷裂刻畫的干擾，提高斷裂幾何屬性的品質(zhì)。疊前AVAz反演有利于獲取高角度天然裂縫的密度與方位信息。在疊前AVAz反演之前對方位角道集進(jìn)行各向異性時(shí)差校正，可消除速度各向異性對反演結(jié)果的影響。

3.1.2 巖相約束下頁巖TOC評價(jià)

傳統(tǒng)頁巖TOC評價(jià)通常是采用ΔlgR方法或者基于巖心刻度測井建立單因素或多因素經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算。對于巖性巖相復(fù)雜、非均質(zhì)性強(qiáng)的頁巖儲層，測井響應(yīng)復(fù)雜多變，傳統(tǒng)方法評價(jià)TOC精度低。TOC與沉積環(huán)境和巖相分布密切相關(guān)，基于巖相約束的TOC評價(jià)方法可以大幅提高評價(jià)精度。引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，利用常規(guī)測井響應(yīng)提取與灰質(zhì)/介殼組分相關(guān)的巖相因子曲線，用以壓制灰質(zhì)/介殼組分對TOC評價(jià)的影響，實(shí)現(xiàn)TOC的精細(xì)評價(jià)?；跍y井解釋成果，進(jìn)行巖石物理分析，優(yōu)選TOC敏感彈性參數(shù)組合，設(shè)計(jì)TOC指示因子，利用地震疊前數(shù)據(jù)反演獲得敏感參數(shù)數(shù)據(jù)體，實(shí)現(xiàn)TOC三維空間預(yù)測。巖相約束的有機(jī)碳含量測井評價(jià)方法如下：

式中：TOCLith為巖相約束下的有機(jī)碳含量，%；TOCΔLgR為傳統(tǒng)ΔlgR方法的有機(jī)碳含量評價(jià)結(jié)果，%；ILith為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法提取的巖相因子，無量綱；a為巖性約束系數(shù)，無量綱。

3.1.3 致密氣和頁巖氣含氣性定量評價(jià)

對于致密氣儲層，可借鑒常規(guī)油氣評價(jià)方法，基于巖電實(shí)驗(yàn)和測井響應(yīng)機(jī)理分析優(yōu)選并修正西門杜方程，即可實(shí)現(xiàn)含氣飽和度的定量評價(jià)。然后，根據(jù)測井巖石物理特征分析，確定對含氣性敏感的彈性參數(shù)及其門檻值，然后采用疊前反演方法，得到反映致密砂巖儲層敏感參數(shù)的數(shù)據(jù)體。通過測井巖石物理分析，構(gòu)建致密河道砂巖儲層含氣性與縱波阻抗、剪切模量（μ）和密度（ρ）等參數(shù)的相關(guān)關(guān)系。利用致密砂巖在地震剖面上的響應(yīng)特征，采用地震波峰振幅預(yù)測出河道砂巖的外部輪廓，再利用疊前地震反演得到縱波阻抗數(shù)據(jù)體和μρ數(shù)據(jù)體，對優(yōu)質(zhì)砂巖儲層和含氣性進(jìn)行檢測，獲得含氣飽和度預(yù)測結(jié)果。

對于頁巖氣儲層而言，由于頁巖吸附氣和游離氣在地層條件下賦存狀態(tài)、相態(tài)不同，常規(guī)儲層飽和度評價(jià)方法不適用。為此，通過室內(nèi)模擬地層條件，進(jìn)行高溫高壓等溫吸附實(shí)驗(yàn)，修正藍(lán)格繆爾方程用于吸附氣含量評價(jià)。然后，基于頁巖孔隙中流體組分賦存機(jī)制及其主要地質(zhì)因素，在確定總孔隙度和吸附氣含量的基礎(chǔ)上利用質(zhì)量守恒原理計(jì)算游離氣含量［22］。

3.1.4 頁巖四孔隙度高精度評價(jià)

與致密砂巖不同，頁巖礦物組分復(fù)雜、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙分為有機(jī)孔隙和無機(jī)孔隙。有機(jī)孔隙發(fā)育于各種有機(jī)質(zhì)中，與有機(jī)質(zhì)熱演化程度相關(guān)，無機(jī)孔隙包括粘土礦物中的孔隙、脆性礦物中的孔隙及貫穿其中的微裂縫。針對頁巖巖性與巖石組分特征，基于所建立的巖石物理體積模型，利用測井響應(yīng)方程，采用最優(yōu)化聯(lián)立求解算法，確定礦物組分和總孔隙度。在此基礎(chǔ)上，形成高精度頁巖四孔隙度評價(jià)模型［23-24］，定量評價(jià)有機(jī)孔、粘土孔、脆性礦物孔和微裂縫4種孔隙度（圖3）。其中，多礦物組分測井響應(yīng)方程如下：

圖3 四川盆地林灘場探區(qū)LY3井頁巖氣測井評價(jià)示意圖Fig.3 Shale gas logging interpretations of Well LY3 in the Lintanchang Block，Sichuan Basin

式中：Vsh，VQt，VF+D，Vgas，Vwater分別為巖石物理體積組分中的泥質(zhì)、石英、長石、天然氣、地層水百分比，%；GR，GRsh，GRQt，GRF+D，GRgas，GRwater分別為巖石物理體積組分中的原狀地層、泥質(zhì)、石英、長石、天然氣、地層水自然伽馬，API；Δt，Δtsh，ΔtQt，ΔtF+D，Δtgas，Δtwater分別為巖石物理體積組分中的原狀地層、泥質(zhì)、石英、長石、天然氣、地層水聲波時(shí)差，μs/m；ρb，ρsh，ρQt，ρF+D，ρgas，ρwater分別為原狀地層、泥質(zhì)、石英、長石、天然氣、地層水體積密度，g/cm3；?N，?Nsh，?NQt，?NF+D，?Ngas，?Nwater分別為原狀地層、泥質(zhì)、石英、長石、天然氣、地層水中子孔隙度小數(shù)；Ct，Cwater，Cbw分別為原狀地層、地層水、粘土束縛水電導(dǎo)率，S/m；a為巖-電參數(shù)孔隙度系數(shù)，無量綱；Vi×WCLPi為各粘土組分束縛水體積占比，由粘土體積Vi小數(shù)與粘土孔隙度WCLPi小數(shù)的乘積描述；nc為粘土組分?jǐn)?shù)，無量綱。

3.2 工程甜點(diǎn)參數(shù)評價(jià)與預(yù)測技術(shù)

3.2.1 脆性指數(shù)評價(jià)

系統(tǒng)進(jìn)行巖心力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)，利用縱橫波速度和密度測井確定模型中泊松比、楊氏模量等力學(xué)參數(shù)，基于多因素地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法建立測井計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)模型?；趲r石彈性參數(shù)估算相對脆性指數(shù)，通過疊前地震彈性參數(shù)反演得到縱波阻抗數(shù)據(jù)體、橫波阻抗數(shù)據(jù)體和密度數(shù)據(jù)體，依據(jù)Rickman公式來估算巖石的脆性指數(shù)。巖石相對脆性指數(shù)（BI）公式如下［25］：

式中：E為楊氏模量，GPa；Emax為目的層段內(nèi)巖石最大楊氏模量，GPa；Emin為目的層段內(nèi)巖石最小楊氏模量，GPa；v為泊松比，無量綱；vmax為目的層段內(nèi)巖石最大泊松比，無量綱；vmin為目的層段內(nèi)巖石最小泊松比，無量綱。

3.2.2 地應(yīng)力大小及方向評價(jià)

傳統(tǒng)測井解釋依據(jù)陣列聲波快慢橫波（S波）方位、電成像井壁崩落/誘導(dǎo)縫方向來確定現(xiàn)今主地應(yīng)力方向，但這種方法不適用于難以發(fā)育誘導(dǎo)縫的偏塑性地層。大量實(shí)踐和研究表明，原地巖心到地表過程中由于應(yīng)力釋放和微裂縫作用，聲波速度在巖心周長方向產(chǎn)生各向異性，沿最大主地應(yīng)力作用方向聲波速度最慢、時(shí)差最大，而在最小地應(yīng)力方向速度最大、時(shí)差最小。由于普通取心沒有定向功能，井壁成像測井能夠提供反映地下巖石結(jié)構(gòu)高分辨率的定向井壁圖像，通過井壁成像與連續(xù)巖心對比分析，可以對普通取心進(jìn)行歸位、定向，實(shí)現(xiàn)定向取心功能，然后利用縱波（P波）各向異性方位確定現(xiàn)今主地應(yīng)力方向?；趶椥粤W(xué)理論，建立測井評價(jià)現(xiàn)今地應(yīng)力模型，并用成像測井、微注實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場壓裂數(shù)據(jù)優(yōu)化模型參數(shù)，提高地應(yīng)力評價(jià)精度?；诰卜较蛎芏葴y井積分，確定垂向地應(yīng)力，利用組合彈簧模型確定水平方向最大和最小地應(yīng)力值。

地震五維OVT數(shù)據(jù)中包含著地震波傳播方位和反射信息，蘊(yùn)含了井周地應(yīng)力各向異性信息。利用OVT域疊前地震時(shí)間偏移歸位后的分方位道集數(shù)據(jù)，井震結(jié)合實(shí)現(xiàn)疊前地震同時(shí)反演和AVAz反演，可得到縱波速度數(shù)據(jù)體，橫波速度數(shù)據(jù)體、密度數(shù)據(jù)體和裂縫密度數(shù)據(jù)體，并進(jìn)一步獲得地層水平主應(yīng)力差異比（DHSR，無量綱）數(shù)據(jù)體，用于判斷井周地應(yīng)力狀態(tài)［26］：

式中：e為裂縫密度，條/m；g為S波波速與P波波速比的平方，無量綱；v為泊松比，無量綱。

3.3 三維地質(zhì)工程建模技術(shù)

3.3.1 巖相建模

四川盆地發(fā)育致密砂巖、頁巖等非常規(guī)儲層，且縱向上具有箱體結(jié)構(gòu)、厚層頁巖/砂巖結(jié)構(gòu)、砂-泥互層結(jié)構(gòu)等，精確的巖相模型是儲層地質(zhì)-工程參數(shù)屬性預(yù)測的重要基礎(chǔ)［27］。巖相建模依托的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括測井解釋數(shù)據(jù)和阻抗反演數(shù)據(jù)。首先通過離散測井巖性解釋認(rèn)識垂向巖性分布規(guī)律，再基于空間層序格架與阻抗反演體認(rèn)識巖相的平面分布規(guī)律，最后基于地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分層位以單井解釋結(jié)果為“硬”數(shù)據(jù)，采用地震阻抗概率圖約束方法建立巖相模型。此方法可適用于縱向上分別發(fā)育頁巖、砂巖、砂-泥巖互層的復(fù)雜儲層巖相建模（圖4）。

圖4 四川盆地普光千佛崖組巖相模型（a）及切片（b）Fig.4 Lithofacies model（a）and slice（b）of the Qianfoya Formation，Puguang Gas field，Sichuan Basin

3.3.2 裂縫建模

四川盆地由于受到較強(qiáng)的構(gòu)造作用，斷裂及天然裂縫系統(tǒng)非常發(fā)育，可分為中-小尺度天然裂縫和中-大尺度天然裂縫［28］。針對中-小尺度的天然裂縫，首先基于地震最大似然裂縫屬性［29］，對已有的網(wǎng)格進(jìn)行采樣，建立最大似然裂縫屬性體三維模型體，再以測井解釋的裂縫指示曲線為計(jì)算數(shù)據(jù)，以最大似然裂縫屬性體為空間約束，建立裂縫概率模型，最后以測井解釋的裂縫屬性為基礎(chǔ)，例如裂縫孔隙度、裂縫滲透率等，以裂縫概率體為空間約束，建立裂縫屬性模型（圖5a）。針對中-大尺度的天然裂縫，首先基于Unet3D深度學(xué)習(xí)的方法識別中-大尺度裂縫，在此基礎(chǔ)之上，計(jì)算螞蟻體數(shù)據(jù)，隨后提取裂縫片，并結(jié)合構(gòu)造背景驗(yàn)證所提取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，最終采用確定性方法，建立中-大尺度天然裂縫的DFN模型［29］（圖5b）。

圖5 四川盆地普光千佛崖組多尺度天然裂縫建模Fig.5 Multi?scale natural fracture model of the Qianfoya Formation，Puguang Gas field，Sichuan Basin

3.3.3 屬性建模

常規(guī)油氣藏建模技術(shù)主要用于建立儲層孔隙度模型、滲透率模型、含油氣飽和度模型，以便進(jìn)行儲量及產(chǎn)量預(yù)測，但是非常規(guī)油氣藏的開采需要大型壓裂技術(shù)，屬性建模除了要滿足儲量及產(chǎn)量預(yù)測的需求，還要滿足人工壓裂裂縫模擬預(yù)測的需求，因此常規(guī)的孔、滲、飽建模不足以滿足非常規(guī)油氣的開采需要，工程參數(shù)，特別是儲層力學(xué)參數(shù)（泊松比、楊氏模量、抗拉強(qiáng)度等）、地應(yīng)力參數(shù)（垂向應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力等），也需要進(jìn)行三維描述，以滿足非常規(guī)油氣的壓裂開采需求?？?、滲、飽參數(shù)的建模方法往往采用相（巖相、沉積相）控約束，采用序貫高斯法建立模型。而工程參數(shù)除了巖相約束以外，還需要利用井-震深度融合的方法，在空間上以地震疊前數(shù)據(jù)反演的巖石物理參數(shù)作為約束條件，測井?dāng)?shù)據(jù)為計(jì)算數(shù)據(jù)，對工程參數(shù)進(jìn)行三維預(yù)測。在此過程中，如果研究區(qū)井?dāng)?shù)較多，工程參數(shù)建?？梢揽侩x散網(wǎng)格數(shù)據(jù)的分布進(jìn)行計(jì)算；如果研究區(qū)井?dāng)?shù)較少，則需要對離散網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后再計(jì)算，使得計(jì)算結(jié)果更為合理（圖6）。

圖6 四川盆地普光千佛崖組三維屬性模型Fig.6 Three?dimension attribute models of the Qianfoya Formation，Puguang Gas field，Sichuan Basin

3.4 一體化水力壓裂模擬技術(shù)

3.4.1 復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模擬

四川盆地非常規(guī)氣藏普遍經(jīng)受過多次強(qiáng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)改造，存在構(gòu)造多變、應(yīng)力非均質(zhì)及天然裂縫、層理發(fā)育等問題，對水力壓裂模擬提出了更高的要求?，F(xiàn)有壓裂模擬技術(shù)通常簡化復(fù)雜地質(zhì)特征，弱化非均質(zhì)性、層理等關(guān)鍵因素的影響，壓裂裂縫模擬與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果相差較大［30-31］。

針對復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模擬問題，考慮復(fù)雜地層巖石變形與破裂，耦合水平井筒、縫網(wǎng)液體流動(dòng)方程，基于非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)塊體離散元法，構(gòu)建了多場耦合的三維復(fù)雜裂縫擴(kuò)展高效模擬技術(shù)［32-33］。替代傳統(tǒng)各向同性巖石本構(gòu)方程的力學(xué)模型，采用橫觀各向同性表征頁巖力學(xué)各向異性，通過滲透率等效顯式表征頁巖密集的層理弱面，創(chuàng)新刻畫層理對壓裂裂縫形態(tài)的影響（圖7）。針對壓裂模擬中的復(fù)雜非均質(zhì)地質(zhì)表征問題，以地質(zhì)建模屬性（巖石力學(xué)、應(yīng)力場等）及離散裂縫等為約束條件，采用網(wǎng)格映射及球形自適應(yīng)搜索算法，對水力壓裂裂縫數(shù)值模擬網(wǎng)格進(jìn)行前處理，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)到壓裂網(wǎng)格的剖分、轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)傳遞，以滿足三維地質(zhì)建模網(wǎng)格及屬性體下的裂縫擴(kuò)展模擬需求，將壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)拓展到三維地質(zhì)建模。

圖7 四川盆地考慮層理影響的復(fù)雜裂縫擴(kuò)展模式Fig.7 Complex fracture propagation model with bedding effects，Sichuan Basin

3.4.2 壓裂裂縫調(diào)控技術(shù)

現(xiàn)場井下射孔成像、分布式光纖監(jiān)測等結(jié)果表明，壓裂過程中各簇裂縫存在明顯的非均勻擴(kuò)展。如何提高壓裂段各簇裂縫擴(kuò)展均衡性，提高水力裂縫覆蓋率和復(fù)雜程度，是壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。在“井筒-孔眼-裂縫”全耦合流量動(dòng)態(tài)分配模型基礎(chǔ)上，引入了暫堵、非均勻射孔等工藝數(shù)學(xué)表征［34-35］，可評價(jià)限流壓裂、暫堵等裂縫調(diào)控工藝對水平井分段分簇壓裂裂縫形態(tài)的影響。利用限流射孔及投球暫堵后，各簇裂縫的擴(kuò)展均衡性得到有效調(diào)控，段內(nèi)壓裂裂縫覆蓋率及裂縫復(fù)雜程度明顯提升。圖8為單井壓裂段的現(xiàn)場實(shí)例，多簇壓裂裂縫在非均勻應(yīng)力及天然裂縫誘導(dǎo)擴(kuò)展方向的影響下出現(xiàn)非均勻擴(kuò)展現(xiàn)象，裂縫沿井筒一側(cè)方向擴(kuò)展；通過縫內(nèi)暫堵，對優(yōu)勢擴(kuò)展裂縫通道進(jìn)行封堵，壓裂裂縫向井筒另一側(cè)擴(kuò)展，模擬結(jié)果與微地震監(jiān)測結(jié)果一致。

圖8 四川盆地林灘場LY3井縫內(nèi)暫堵對裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響（與微地震監(jiān)測對比）Fig.8 Effect of intra?fracture diversion of fluid on fracture propagation patterns（compared with micro?seismic monitoring results）of Well LY3 in Lintanchang Block，Sichuan Basin

3.5 壓裂效果評價(jià)技術(shù)

壓后水力裂縫參數(shù)與復(fù)雜程度的定量評價(jià)對壓裂工藝適應(yīng)性判斷及壓裂參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化尤為重要。目前，現(xiàn)有壓裂裂縫參數(shù)定量評價(jià)主要依靠微地震監(jiān)測等對裂縫空間幾何形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)評價(jià)，以及利用返排或生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行等效裂縫參數(shù)的反演。其中，微地震監(jiān)測等方法主要評價(jià)改造體積，而返排、生產(chǎn)數(shù)據(jù)反演裂縫參數(shù)類方法不具備實(shí)時(shí)性，無法對單段壓裂效果進(jìn)行評價(jià)。施工壓力降落數(shù)據(jù)是壓裂施工中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，Nolte等早期提出的壓降分析模型可用來評價(jià)裂縫參數(shù)，但假設(shè)條件為單一水力裂縫，且僅適用于小型測試壓裂。目前還沒有針對復(fù)雜裂縫的壓降分析方法。為此，在物質(zhì)平衡方程中引入次級裂縫濾失項(xiàng)，即在關(guān)井后，總注入物質(zhì)體積等于裂縫體積與主、次裂縫濾失體積之和［36］，那么

式中：cfm為水力裂縫的柔度，m/MPa；Afm和Afn為水力裂縫和天然裂縫的面積，m2；ISIP為瞬時(shí)關(guān)井壓力，MPa；pc為裂縫閉合壓力或地層最小主應(yīng)力，MPa；Vp為該段裂縫總泵注液體體積，m3；nc為壓裂段內(nèi)射孔簇?cái)?shù)，無量綱；rp為可濾失裂縫面積與總裂縫面積的比例，無量綱；tp為泵注時(shí)間，min；CL為濾失系數(shù)，無量綱；g0為常數(shù)，無量綱；pw為井底壓力，MPa；?t為關(guān)井后的時(shí)間，min；tD=t/tp，無量綱；p1*為特征線段斜率，無量綱；G（?tD，α）為G函數(shù)；α為裂縫面積指數(shù)，無量綱。

通過耦合求解主、次裂縫濾失作用下的停泵壓降速率特征函數(shù)，實(shí)現(xiàn)壓后主裂縫、次裂縫（天然裂縫）參數(shù)與復(fù)雜程度參數(shù)定量評價(jià)。以PL4井為例，該井主裂縫半長93～175 m，天然裂縫與主裂縫開啟面積比達(dá)到17.5～38.6，水力裂縫溝通大量天然裂縫，壓裂改造過程中形成了復(fù)雜縫網(wǎng)（圖9）。

圖9 四川盆地千佛崖組PL4井復(fù)雜人工裂縫參數(shù)反演結(jié)果Fig.9 Inversion results of complex artificial fracture parameters in Well PL4，Qianfoya Formation，Sichuan Basin

4 地質(zhì)-工程一體化應(yīng)用案例

4.1 普光千佛崖組陸相致密砂巖氣探區(qū)

四川盆地侏羅系千佛崖組致密砂巖氣藏為普光地區(qū)一套陸相有利成藏層系，經(jīng)初步評價(jià)川東斷褶帶黃金口構(gòu)造普光東向斜千一段致密砂巖為有利甜點(diǎn)區(qū)（厚度30 m），巖性以細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，儲層埋深平均3 300 m，測井評價(jià)平均孔隙度5.4%，含氣量1.5 m3/t，含氣飽和度43.2%，脆性礦物平均含量46.5%，預(yù)測地層壓力系數(shù)1.31。巖石力學(xué)特征中楊氏模量為38.3 GPa，泊松比0.23。前期針對普光須家河組致密砂巖氣部署的PL2井采用常規(guī)壓裂設(shè)計(jì)改造工藝模式，壓后產(chǎn)氣量2.8×104m3/d，未達(dá)到預(yù)期效果。針對普光千一段致密砂巖儲層河道展布和天然裂縫分布初步評價(jià)結(jié)果部署了PL3井（垂深3 282 m），以求探索千佛崖組儲層的含氣情況。

通過對PL3井周地質(zhì)-工程甜點(diǎn)參數(shù)綜合分析表明，地質(zhì)-工程甜點(diǎn)平面分布差異性大，PL3井位于相對最優(yōu)的地質(zhì)-工程甜點(diǎn)區(qū)，河道砂體內(nèi)天然裂縫相對較為發(fā)育但井眼軌跡穿行于天然裂縫的上部位置。結(jié)合壓裂裂縫擴(kuò)展模擬，明確不同水平井段物性特征和施工參數(shù)等條件下的裂縫擴(kuò)展規(guī)律，通過優(yōu)化布縫、強(qiáng)化優(yōu)質(zhì)甜點(diǎn)改造規(guī)模，實(shí)現(xiàn)甜點(diǎn)最大程度改造。基于PL3井壓后分析表明：①儲層基質(zhì)超低孔/滲，天然裂縫發(fā)育為高產(chǎn)的重要因素；②壓裂改造形成了復(fù)雜網(wǎng)狀裂縫體系；③壓裂施工參數(shù)排量、液量與加砂量還有進(jìn)一步優(yōu)化空間。PL3井壓后測試產(chǎn)氣量達(dá)到13.7×104m3/d，評價(jià)該層組資源量1 234×108m3。

基于PL3井壓裂改造特征，針對PL3井區(qū)進(jìn)行了針對性的實(shí)驗(yàn)測試、測井、地球物理和地質(zhì)建模等綜合研究。根據(jù)測井連井剖面來看，致密砂巖沿南北方向連續(xù)展布（圖10），但砂體厚度與內(nèi)部泥質(zhì)、鈣質(zhì)夾層位置變化大。東西方向砂體厚度變化大，多數(shù)砂體向西厚度明顯減薄，各單砂體呈透鏡狀，認(rèn)為南北向是主河道方向。

圖10 四川盆地千一段致密砂巖氣藏南北向連井剖面Fig.10 NS?trending cross?well section showing the tight gas reservoir in the Qian 1 member，Sichuan Basin

結(jié)合測井解釋與地震數(shù)據(jù)，進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域的地球物理解釋，解釋結(jié)果顯示千一段致密砂巖儲層厚度、含氣性、天然裂縫分布以及巖石力學(xué)特征等橫向差異性大，其中河道展布、含氣性與天然裂縫發(fā)育程度如圖11所示。根據(jù)地球物理解釋結(jié)果，PL3井眼軌跡穿行區(qū)域整體含氣性好，天然裂縫發(fā)育，與壓裂改造和后續(xù)試氣顯示基本一致，但B靶點(diǎn)靠近河道邊界區(qū)域?；跍y井、地球物理綜合解釋結(jié)果部署了PL4井，PL4井位于PL3井北部河道砂體的中部位置，含氣性好，天然裂縫較發(fā)育。PL4井鉆井過程中鉆井液漏失情況與地球物理預(yù)測的天然裂縫發(fā)育特征具有很好的一致性，表明地球物理預(yù)測的天然裂縫分布具有較高的可靠性。

圖11 四川盆地普光千佛崖組儲層（a）、含氣性（b）及裂縫（c）地震預(yù)測結(jié)果Fig.11 Seismic prediction results of reservoirs，gas?bearing properties and fractures of the Qianfoya Formation，Puguang Gas field，Sichuan Basin

利用測井、地球物理解釋結(jié)果構(gòu)建了三維地質(zhì)模型（圖4—圖6），綜合PL4井鉆遇儲層的含氣性、天然裂縫、砂體展布以及地質(zhì)-工程甜點(diǎn)參數(shù)特征，設(shè)計(jì)分段14段56簇射孔，具體的分段分簇如圖12所示。綜合儲層特征，明確以“溝通天然裂縫、擴(kuò)大儲層改造體積”為設(shè)計(jì)思路，PL4井采用“多段少簇+一體化變粘滑溜水+多粒徑支撐劑+投球暫堵”壓裂工藝。單個(gè)壓裂段綜合考慮儲層巖性、天然裂縫分布、地應(yīng)力以及穿行位置，結(jié)合PL3井壓裂施工情況，采取“一段一策”的方式進(jìn)行相關(guān)的施工參數(shù)優(yōu)化并制定差異化的泵注程序，具體的原則主要包括：①壓裂初期和暫堵后采用交聯(lián)滑溜水?dāng)U縫高+造主縫或快速突破泥巖夾層；②壓裂中期投球暫堵，增加不同射孔簇的裂縫擴(kuò)展的均勻程度；③泥質(zhì)含量高的壓裂段略降低綜合砂液比，壓裂前期盡可能提高排量突破泥巖，致密砂巖段盡可能長段塞式加砂，提升綜合砂/液比；④近井筒周圍存在裂縫帶和無裂縫帶的壓裂段進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，近井筒天然裂縫發(fā)育段增加70/140目支撐劑用量以暫堵近井筒天然裂縫和打磨裂縫壁面，同時(shí)盡可能提高排量與規(guī)模、略降低整體加砂強(qiáng)度；⑤加強(qiáng)近井筒地帶的主縫支撐效果，采用30/50目支撐劑支撐近井筒主裂縫。與PL3井相比，進(jìn)一步增加了用液強(qiáng)度、加砂強(qiáng)度、施工排量，通過低中高粘滑溜水交替注入盡可能增加裂縫復(fù)雜程度。

圖12 四川盆地普光千佛崖組PL 4井地質(zhì)-工程一體化壓裂分段、分簇Fig.12 Stage/cluster division based on integrated geological?reservoir engineering study for Well PL4 in the Qianfoya Formation，Puguang Gas field，Sichuan Basin

PL4井施工排量主體在16～18.5 m3/min，壓裂施工總液量30 559.4 m3，用液強(qiáng)度28 m3/m；累計(jì)注入砂量1 548.2 m3，加砂強(qiáng)度1.42 m3/m。壓后評價(jià)認(rèn)為壓裂改造形成了大規(guī)模復(fù)雜裂縫，與PL3井相比，單段壓裂改造體積提升62%，壓裂裂縫半長提升45%。PL4井壓后日產(chǎn)量達(dá)到33.8×104m3，大幅度提高了普光陸相千佛崖組致密砂巖氣的單井產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)了該區(qū)的勘探突破。

4.2 林灘場五峰組-龍馬溪組深層頁巖氣探區(qū)

林灘場背斜構(gòu)造位于四川盆地邊緣齊岳山推覆構(gòu)造斷裂發(fā)育帶，目的層位為五峰組-龍馬溪組頁巖，該頁巖橫向展布穩(wěn)定、黑色且富有機(jī)質(zhì)、厚度80～106 m，地層壓力系數(shù)1.2，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。前期探井LY1井位于構(gòu)造高部位，水平段長1 587 m，垂深3 190 m，開展23段68簇分段壓裂，平均段長69 m、段間距36 m、簇間距17.8 m。壓裂施工過程中出現(xiàn)施工壓力高、加砂難度大、返排困難的現(xiàn)象（用液強(qiáng)度27.2 m3/m，加砂強(qiáng)度0.88 m3/m）。壓后初期測試產(chǎn)量3.95×104m3/d，未達(dá)到工業(yè)氣流標(biāo)準(zhǔn)。LY1井壓后分析發(fā)現(xiàn)其水力裂縫半長62～142 m、平均80.5 m，井周天然裂縫發(fā)育，主裂縫溝通大量天然裂縫，造成壓裂液大量濾失、壓裂液造縫效率低。同時(shí)，水平井眼軌跡與最大水平主應(yīng)力方向夾角54°，裂縫近井彎曲摩阻高，造成加砂難度大。經(jīng)評價(jià)，LY1井裂縫平均導(dǎo)流能力1.0 D·cm，單井控制半徑小于70 m，單井控制儲量0.65×108m3，預(yù)測后期產(chǎn)量平穩(wěn)但低產(chǎn)、改造效果差。

新井LY3井位于南端構(gòu)造核部，地層傾角0°～20°，水平段長1 500 m，垂深4 100 m。為了避免井軌跡對壓裂施工及裂縫參數(shù)的影響，水平段方位角與最大主應(yīng)力夾角基本為90°，且五峰組-龍馬溪組優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率100%。測井評價(jià)目標(biāo)層段TOC平均為5.3%、孔隙度7.8%、滲透率0.035×10-3μm2，含氣量3.86 m3/t。脆性礦物平均為71.3%，其中硅質(zhì)58.5%、鈣質(zhì)12.9%。巖石力學(xué)特征中楊氏模量為34.2 GPa，泊松比0.23，力學(xué)脆性指數(shù)0.51，氣測顯示全烴含量平均16.16%，略低于LY1井。目標(biāo)層位為走滑斷層應(yīng)力狀態(tài)（σH>σv>σh，σH最大水平主應(yīng)力，MPa；σv上覆應(yīng)力，MPa；σh最小水平主應(yīng)力，MPa。），水平應(yīng)力差異較大，為15.2～19.5 MPa，不利于復(fù)雜人工裂縫的生成。

通過開展本井地震資料、區(qū)域構(gòu)造等地球物理及地質(zhì)資料的處理與解釋工作，明確了儲層天然裂縫分布特征。圖13為LY3井過井地震數(shù)據(jù)和最大似然體疊合剖面圖，水平井段極大似然屬性值偏低，表明整體天然裂縫弱發(fā)育，但存在5個(gè)潛在裂縫發(fā)育區(qū)，其中靠近B靶點(diǎn)的裂縫帶發(fā)育可能性最大。斷裂走向基本為西南-東北方向，與最大水平主應(yīng)力方向基本一致。

圖13 四川盆地林灘場LY3井過井地震數(shù)據(jù)和極大似然體疊合剖面Fig.13 Well?tie seismic section with likelihood volume overlaid for Well LY3 in the Lintanchang Block，Sichuan Basin

通過開展導(dǎo)眼井段和水平井段測井?dāng)?shù)據(jù)分析，明確不同小層的縱向物性參數(shù)、地應(yīng)力、巖石力學(xué)參數(shù)等變化，優(yōu)選地質(zhì)甜點(diǎn)與工程甜點(diǎn)。通過加強(qiáng)壓前地震裂縫預(yù)測以及地應(yīng)力大小等工程參數(shù)評價(jià)，精細(xì)認(rèn)識水平段地質(zhì)特征、天然裂縫及儲層非均質(zhì)性，明確以“提高裂縫擴(kuò)展均衡性、增加泄氣面積與強(qiáng)化裂縫有效支撐”為設(shè)計(jì)思路，提出“多段多簇細(xì)分密切割+一體化變粘滑溜水+變排量+多粒徑組合強(qiáng)加砂+堵球、堵劑雙暫堵”壓裂工藝模式。結(jié)合壓裂裂縫擴(kuò)展模擬技術(shù)，預(yù)測不同分段分簇及泵注程序下的水力裂縫空間展布及裂縫復(fù)雜形態(tài)，優(yōu)化段簇劃分及泵注參數(shù)，提出了不同類型壓裂段的差異化壓裂設(shè)計(jì)。例如，壓裂模擬結(jié)果表明天然裂縫發(fā)育段壓裂液濾失增大，改造體積變小，同時(shí)簇間裂縫合并、非均勻擴(kuò)展現(xiàn)象嚴(yán)重，會造成段內(nèi)壓裂裂縫覆蓋率低、改造效果差。因此，針對天然裂縫發(fā)育段，通過降低壓裂簇?cái)?shù)、增加簇間距，可以減少簇間裂縫合并擴(kuò)展、降低非均勻擴(kuò)展程度，同時(shí)配合投球暫堵，壓裂裂縫復(fù)雜性及各簇裂縫擴(kuò)展均勻性大幅度提高。另外，針對天然裂縫段增加140/200目微粒徑支撐劑用量，實(shí)現(xiàn)壓裂裂縫全支撐。

LY3井共設(shè)計(jì)28段130簇（單段3～6簇），平均段間距21.3 m、簇間距7.8 m，施工用液強(qiáng)度34 m3/m，加砂強(qiáng)度2.43 m3/m，綜合砂比7.16%，最高單段綜合砂/液比8.68%。壓后測試產(chǎn)量17.2×104m3/d，與鄰井LY1井相比產(chǎn)量提高4倍，實(shí)現(xiàn)赤水深層常壓頁巖氣勘探突破。微地震監(jiān)測結(jié)果顯示天然裂縫發(fā)育段與地震預(yù)測的裂縫分布具有高度一致性，產(chǎn)氣剖面也顯示天然裂縫發(fā)育區(qū)與每米產(chǎn)氣較高區(qū)域具有一致性（圖14）。

圖14 四川盆地LY3井壓后效果監(jiān)測結(jié)果及對比Fig.14 Monitoring results of fracturing in Well LY3，Lintanchang Block，Sichuan Basin

5 討論

1）本次主要是從技術(shù)層面探討復(fù)雜非常規(guī)氣藏探井地質(zhì)-工程一體化壓裂效果，開展地質(zhì)與測井、地球物理、工程專業(yè)技術(shù)深度融合研究，目標(biāo)是獲得高產(chǎn)而實(shí)現(xiàn)勘探突破，沒有充分考慮壓裂實(shí)施過程中經(jīng)濟(jì)成本因素。下一步將探索不同區(qū)塊非常規(guī)氣藏探井壓裂技術(shù)和經(jīng)濟(jì)一體化模型，建立四川盆地不同類型地質(zhì)條件下的探井壓裂學(xué)習(xí)曲線，降低勘探階段壓裂成本，同時(shí)為開發(fā)提供決策依據(jù)。

2）復(fù)雜非常規(guī)氣藏?cái)?shù)據(jù)共享瓶頸直接影響地質(zhì)-工程一體化壓裂效果和效益。北美非常規(guī)油氣成功開發(fā)的關(guān)鍵因素是水平井體積壓裂技術(shù)突破、數(shù)據(jù)共享和建模、井工廠施工作業(yè)模式。目前四川盆地非常規(guī)氣藏勘探開發(fā)活躍，探井的地質(zhì)和工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)分散在不同企業(yè)單位，相鄰區(qū)域壓裂數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)難以共享和借鑒，有必要建立盆地級非常規(guī)勘探開發(fā)數(shù)據(jù)庫。

3）測井資料解釋可實(shí)現(xiàn)近井儲層物性及裂縫發(fā)育程度等參數(shù)精確表征，但難以推測井間儲層參數(shù)。地震數(shù)據(jù)解釋技術(shù)，尤其是疊后、疊前地震屬性提取和反演為相對較薄的優(yōu)質(zhì)頁巖層、砂-泥薄互層的儲層參數(shù)預(yù)測以及小尺度的裂縫預(yù)測提供了可能性，但現(xiàn)有地震解釋手段對于巖相、裂縫等預(yù)測精度依然不夠，難以對壓裂優(yōu)化起到有效的指導(dǎo)作用。同時(shí)，三維地質(zhì)力學(xué)建模方法目前尚不成熟，需要求解的參數(shù)較多、求解過程較為復(fù)雜，預(yù)測精度較低?；谝延袦y井解釋與地震解釋數(shù)據(jù)構(gòu)建大數(shù)據(jù)樣本知識庫，優(yōu)化儲層巖相與斷裂參數(shù)特征表示方法，利用人工智能技術(shù)訓(xùn)練復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，有望提高三維地震預(yù)測儲層參數(shù)的精度。

4）高精準(zhǔn)壓裂和布縫優(yōu)化的理想目標(biāo)是聚焦甜點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)壓裂段數(shù)少、精、準(zhǔn)，而壓裂模擬器是實(shí)現(xiàn)壓裂目標(biāo)優(yōu)化的核心手段。由于涉及到強(qiáng)流固耦合、動(dòng)邊界等諸多問題，高精度全耦合求解困難、收斂性差且計(jì)算量巨大，模擬效率與精度無法兼得。攻關(guān)壓裂模擬高效算法是解決這一矛盾的關(guān)鍵。為此，尚需要持續(xù)攻關(guān)壓裂模擬高效算法，完善壓裂優(yōu)化建模、數(shù)模模塊，同時(shí)可引入特色算法、人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)，構(gòu)建智能壓裂優(yōu)化技術(shù)，突破算力、算時(shí)限制，進(jìn)一步助力壓裂優(yōu)化由單井向區(qū)塊整體發(fā)展。

5）地質(zhì)-工程一體化壓裂技術(shù)的運(yùn)用，是以儲層地質(zhì)認(rèn)識指導(dǎo)壓裂實(shí)踐，同時(shí)通過壓裂實(shí)踐加深對儲層的再認(rèn)識的過程，即是地質(zhì)認(rèn)識與工程實(shí)踐相輔相成、滾動(dòng)推進(jìn)的周期性過程。新區(qū)勘探早期井資料較少，導(dǎo)致儲層認(rèn)識不足，壓裂設(shè)計(jì)與現(xiàn)場實(shí)踐效果存在差異。壓后評價(jià)可以對儲層特征及參數(shù)進(jìn)行再認(rèn)識、對壓裂工藝適應(yīng)性進(jìn)行再評價(jià)。通過一體化壓裂技術(shù)持續(xù)實(shí)施，不斷積累地質(zhì)、工程數(shù)據(jù)，結(jié)合人工智能加強(qiáng)地質(zhì)認(rèn)識、修正地質(zhì)模型，獲取學(xué)習(xí)曲線，才能為后續(xù)壓裂井工藝模式的精細(xì)調(diào)整與科學(xué)優(yōu)化提供保障。

6 結(jié)論與認(rèn)識

1）四川盆地普光千佛崖組致密氣及林灘場深層頁巖氣等探區(qū)地質(zhì)-工程一體化壓裂實(shí)踐表明，不同地質(zhì)條件、不同氣藏類型壓裂優(yōu)化理念存在一定差異，無法照搬一套思路。對于致密砂巖氣儲層，應(yīng)加強(qiáng)對河道砂體展布及天然裂縫預(yù)測，強(qiáng)化優(yōu)質(zhì)甜點(diǎn)改造、強(qiáng)化天然裂縫溝通，采用“多段少簇+一體化變粘滑溜水+多粒徑支撐劑+投球暫堵”模式；對于頁巖氣儲層，應(yīng)加強(qiáng)儲層應(yīng)力、天然裂縫、含氣性等參數(shù)分布預(yù)測，通過段簇及泵注參數(shù)優(yōu)化，配合暫堵工藝，提高裂縫形態(tài)復(fù)雜性與擴(kuò)展均衡性，采用“多段多簇密切割+一體化變粘滑溜水+變排量+多粒徑組合強(qiáng)加砂+堵球、堵劑雙暫堵”模式，增加有效改造體積，提高單井產(chǎn)能。

2）通過在四川盆地復(fù)雜致密氣和頁巖氣探區(qū)百余口探井或評價(jià)井壓裂實(shí)踐，開展地質(zhì)、測井、地震、工程等多專業(yè)聯(lián)合研究，定量表征非常規(guī)儲層空間展布、物性、含氣性、巖石力學(xué)及礦物含量、地層壓力、應(yīng)力場、天然裂縫等關(guān)鍵參數(shù)，建立了區(qū)域氣藏三維地質(zhì)-工程模型，利用模型進(jìn)行壓裂裂縫空間擴(kuò)展模擬，優(yōu)化射孔、暫堵、壓裂液、支撐劑、排量等工藝參數(shù)，及時(shí)跟蹤分析和調(diào)整必要的現(xiàn)場施工參數(shù)，從而增加有效改造體積提高單井產(chǎn)能，探索并形成了地質(zhì)-工程一體化壓裂技術(shù)體系及方法流程，大幅度降低了工藝探索周期，提高了探井壓裂成功率，為類似油氣藏地質(zhì)-工程一體化勘探與開發(fā)提供借鑒。