车21井区裂缝性油藏地质建模与工程设计一体化研究

何 利，肖 阳，孙宜成，刘守昱，刘 利，刘子龙

(1.中国石油新疆油田分公司，新疆 克拉玛依 834000；2.成都理工大学，四川 成都 610059；3.成都理工阳光能源科技有限公司，四川 成都 610059)

0 引 言

近年来，随着各大油田逐渐将提产增效作为首要追求目标，以地质工程一体化为主要思路的油田开发技术逐步得到了认可[1-3]。地质工程一体化的核心思想是以产量为导向，通过引进新技术、新思路、新方法，将地质研究和生产动态研究相结合，为研究区寻找有效性高、针对性和适用性强的二次开发工艺，通过一体化的项目管理，在提高产量的同时，降低了生产成本，达到提产增效目的[4-11]。前人对地质工程一体化开展了一系列研究。吴奇等[12]首次提出“地质工程一体化”理念，围绕单井产量，以三维模型为核心，地质模型为基础，解决中国南方海相页岩气工作难度大、建井时间长的问题。鲜成钢等[13]通过岩心、测井和地震数据，对力学参数进行了精细表征，利用先进的有限元模拟器和大规模并行计算技术，建立全区和平台具有不同平面分辨率的三维应力场模型。黄浩勇等[14]基于一体化研究思路建立了从地质建模到产能模拟无缝衔接的一体化研究工作流程，形成了地质建模、地质力学建模、压裂模拟和气藏模拟4 个专业方向关键技术。

车21井区石炭系裂缝性油藏储层巨厚，含油面积广，非均质性极强。虽然车21井区储量规模大，但采出程度较低，且单井产量下降快，需有针对性地进行地质工程一体化研究，以实现车21井区石炭系裂缝性油藏的经济有效开发。因此，在表征储层构造特征地质模型基础上，通过杨氏模量、泊松比等一维岩石力学剖面和地应力剖面约束，建立将力学信息和地质数据、油藏数据、工程数据结合起来的三维地质力学模型，并利用该模型对真三维裂缝扩展形态进行真实地刻画，改善了基于二维测井曲线解释的常规压裂设计储层平面属性单一的局限性，相较于常规三维对称裂缝模拟具有更高的可信度，可为车21井区后续压裂井提供理论基础和技术支撑。

1 基于地震属性约束岩石力学参数模型的建立

车21井区目的层石炭系主要发育火山岩，非均质性极强。为了对火山岩储层进行真实表征，采用三维地质建模的方法对火山岩的展布特征进行真实刻画。研究区为西北高、东南低的单斜，主要发育2组断裂，一组近南北向，延伸较长，另一组近东西向。断层在地震解释上的短距并不是很清晰。参照断层和构造的地震解释结果，精细建立该地区的构造模型。建模过程中，在考虑运算速度、地质体的形态及保证建模精度的情况下，车21井区的模型网格设计为20 m×20 m×2 m。在构造地质模型的基础上，采用序贯高斯协同克里金模拟方法建立属性模型。

通过井数据分析可知，不同岩性的孔渗特征和含水饱和度特征不同：火山角砾岩的孔隙度为1.0%～43.0%，平均为11.0%；凝灰岩的孔隙度为1.0%～22.0%，平均为6.9%；灰质砂岩的孔隙度为2.8%～32.7%，平均为11.2%。火山角砾岩的渗透率平均为0.74 mD，凝灰岩的渗透率平均为0.19 mD，凝灰质砂岩的渗透率平均为0.53 mD。火山角砾岩的含水饱和度平均为68%，凝灰岩的含水饱和度平均为62%，凝灰质砂岩的含水饱和度平均为58%。

在建模过程中，连续变量Z(u)(Z为连续变量，u为某一位置)的条件模拟步骤如下：①确定代表全研究区(含Z样品数据)的单变量条件分布cdfFz(Z)(累积分布函数)，如果Z数据空间分布不均匀，则应先对其进行解串或外推平滑；②应用cdfFz(Z)，将Z数据完成正态得分转换，转换成标准正态分布累积分布函数的Y数据(Z数据正态得分变换后的样品数据)；③检查正态得分Y数据的双元正态性。如果不能使用多变量高斯模型，则考虑其他模型；④如果多变量高斯模型适用于Y变量(正态得分变换后样品数据)，则继续序贯模拟。图1为模拟结果[15-17]。

图1 车21井区三维地质模型(左、右图分别为车21井区北部与南部模型)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 一维岩石力学剖面的建立

一维地质力学模型建模效率高，分辨率高，可为钻井、压裂设计提供数据支持。选取一维弹性参数、上覆压力、孔隙压力、强度参数等8种岩石力学静态资料，结合井壁崩塌、钻井复杂性分析、成像测井解释进行一维岩石力学参数解释。

按照上述方法，在车21井区整体模型的基础上，选取了车C断块的4口代表性直井和车D断块的7口代表性直井进行了一维岩石力学建模。由建模结果可知：车C断块在石炭系的杨氏模量平均为23.0 GPa，车D断块杨氏模量平均为21.5 GPa，车C断块略大；车C断块的最小水平主应力平均为26.0 MPa，车D断块最小水平主应力平均为23.0 MPa，车C断块明显更大。

3 三维岩石力学仿真模型的建立

三维岩石力学模型能够给出力学属性(杨氏模量、泊松比、强度参数)与受力状态(地应力大小、方向、孔隙压力)在储层三维空间上的分布。建立三维岩石力学模型，不但便于工作人员了解储层的信息全貌，也便于借助三维平台将力学信息和地质数据、开发数据、工程数据结合起来，是地质工程一体化的重要组成部分。

应力是连续性向量，无法用插值法准确生成，只能使用模拟成岩过程的方法来生成最大、最小水平主应力。基于一维岩石力学剖面，考虑岩石弹塑性变形和平面非均质性，模拟真实地层成岩过程，生成最大、最小水平主应力，比插值法生成的应力模型更具准确性。

假定储层为摩尔库伦弹性介质，在四周加入等效材料的围岩，储层上部和下部加入等效材料的上覆岩层和基岩，储层外部加入钢板消除应力集中的影响，模拟地层成岩过程，通过对比单井地应力和一维岩石力学剖面进行多次迭代计算，最后完成模型的验证[18-19]。

对于某一个网格，其包络线为：

fs=0

(1)

即：

(2)

用张拉破坏准则描绘另一网格包络线：

ft=σ3-σt=0

(3)

式中：ø为摩擦角，°；c为黏聚力，MPa；σ1、σ3分别为第一、第三主应力，MPa；σt为抗张强度，MPa；fs、ft分别表示网格的包络线函数；N(ø)为关于摩擦角的函数。

对于摩擦角函数，有：

(4)

抗张强度不超过σ3的值，其最大值由式(5)给定：

(5)

通过最大不平衡力的收敛完成应力仿真。从车21井区模型中容易发现，断块内断层丰富，地应力方向易受到断层影响发生偏转，三维岩石力学得到的地应力方位与单井识别的方向基本吻合。地应力整体呈现西低东高的分布规律，在断层附近受其影响发生改变，且在局部有应力集中，如受到断层影响，车D井与车C井地应力水平降低。

图2为三维岩石力学模型应用示例中抽取的CHHW2101、CHHW2102井的沿井属性。由图2可知，CHHW2101井的最小水平主应力(平均为22.0 MPa)明显小于CHHW2102井(平均为26.0 MPa)。根据施工曲线，2口水平井的平均停泵压力分别为10.0 MPa与11.5 MPa，折合井底停泵压力分别为23.0 MPa与27.0 MPa，与三维岩石力学模型吻合。

图2 车21井区CHHW2101井及CHHW2102井三维岩石力学模型

4 工程参数优化设计及真三维裂缝模拟

4.1 工程参数优化设计

以往的压裂设计未考虑储层在三维空间的展布情况，因此，构建了基于三维地质模型和三维工程(地应力)模型的压裂设计方法[20-25]。即构建三维地质模型和三维工程(地应力)模型过程中，充分考虑油藏在空间展布上的非均质性，完善以往仅考虑二维平面非均质性(即轨迹沿程的非均质性)的不足，在油藏空间中进行数值模拟，进一步深化认识三维空间内人工裂缝展布形态、导流能力等关键参数对单井初期产能、递减规律及井间干扰等的影响，优化分段分簇、改造规模、施工参数等，实现更精确、更具针对性、更高效的压裂效果设计。针对车21井区CHHW2104井，分别从砂比、排量、净液量等方面对裂缝的形态进行评估，选择最优的施工参数。

设置砂比分别为10.0%、15.0%、20.0%、25.0%、30.0%，进行真三维裂缝模拟，分析砂比对裂缝形态的影响(图3)。由图3可知，裂缝面积和裂缝体积在砂比为20.0%达到最大值，综合分析砂比为20.0%时最优。

图3 砂比对裂缝的影响

设置排量分别为6.0、7.0、8.0、9.0、10.0 m3/min，进行真三维裂缝模拟，分析排量对裂缝形态的影响(图4)。由图4可知，排量在8.0 m3/min时裂缝面积最大，裂缝体积增幅减缓，综合分析排量为8.0 m3/min时最优。

图4 排量对裂缝的影响

设置净液量分别为600.0、800.0、1 000.0、1 200.0、1 400.0 m3，进行真三维裂缝模拟，分析净液量对裂缝形态的影响(图5)。由图5可知，净液量在1 200.0 m3时裂缝面积最大，综合分析净液量为1 200.0 m3最优。

图5 净液量对裂缝的影响

4.2 真三维裂缝模拟及效果论证

基于三维地质力学模型，对储层特性网格进行离散元交互，转换到离散元模拟器，建立多个高渗透性局部加密网格。其中，每一个网格均可反映水力压裂通道的孔渗及含油饱和度属性，网格尺寸从内到外呈指数性递增。选取CHHW2104井，该井射孔15段，每段2簇，设定排量为8.0 m3/min、每段净液量为1 200.0 m3、平均砂比为21.1%进行裂缝数值模拟。考虑裂缝在三维空间内的真实展布，在水平主应力和地层杨氏模量、泊松比等参数约束下，裂缝的模拟结果更具可靠性。图6为CHHW2104井真三维裂缝模拟图，模拟结果表明：压裂后的裂缝平均缝长为142.0 m，平均缝高为35.0 m，平均缝宽为5.3 mm。该技术主要适用于对后续井压裂进行参数优化，在模拟真实裂缝情况下，指导后续井进行压裂设计。

图6 真三维裂缝模拟

2017年8月18日，CHHW2104井完成压裂施工，共用压裂液16 474.2 m3，加砂1 280 m3，平均每段净液量为1 098.3 m3，排量为8.0 m3/min，砂比为21.1%。该井未进行微地震测试，依据生产曲线(图7)可知，CHHW2104井产油能力提高，含水迅速下降，压裂后初期日产油达18.6 t/d，是相近地质条件下同层位相邻直井产量的4.9倍。压裂后获得较好产量，与裂缝模拟情况相匹配，达到预期效果。

图7 CHHW2104井生产曲线

5 结 论

(1) 三维岩石力学仿真模型在CHHW2101和CHHW2102井沿井处的平均最小水平主应力与2口井的井底停泵压力相吻合，真实地表征储层岩石力学性质，可为水平井钻井、裂缝模拟、产能评价和压后评估分析提供模型基础。

(2) 真三维裂缝模拟技术考虑了裂缝在三维空间内的真实展布，在水平主应力和地层杨氏模量、泊松比等岩石力学参数约束下，裂缝的模拟结果更具可靠性。

(3) 基于地质工程一体化研究思路，形成了从地质建模到裂缝模拟的一体化研究工作流程，可以更高效、更精准、更直接地对裂缝模拟效果进行评价，判断与天然裂缝连通情况，指导车21井区后续井压裂模拟的施工参数。