基于成因機(jī)理及主控因素約束的多尺度裂縫“分級-分期-分組”建模方法
——以四川盆地元壩地區(qū)上二疊統(tǒng)長興組生物礁相碳酸鹽巖儲層為例

趙向原，游瑜春，胡向陽，黎靜容，李 毓

（1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；2.中國石化 西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610041）

儲層天然裂縫一般具有多成因、多發(fā)育階段及多因素綜合控制等特點(diǎn)，研究難度較大，至今尚未有一套完整且公認(rèn)的全面解決裂縫定量預(yù)測及表征的方法。在裂縫建模方面，離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型（DFN）自20 世紀(jì)70 年代以來就被國內(nèi)外學(xué)者們廣泛研究并應(yīng)用，至今已積累了大量的研究成果［1-4］。總結(jié)目前主流的DFN 建模方法，針對構(gòu)造裂縫（為了統(tǒng)一，將傳統(tǒng)意義上的斷裂、斷層、裂縫或節(jié)理等統(tǒng)稱為裂縫），主要采用分尺度方法對不同規(guī)模裂縫分別進(jìn)行建模，其中對于規(guī)模較大的延伸長度達(dá)百米級以上的斷層，可通過地震資料精確解釋并結(jié)合鉆井資料認(rèn)識，采用人機(jī)交互的方式利用確定性建模方法建立大尺度斷裂離散分布模型；對于中-小尺度（延伸長度介于米級-百米級）裂縫，主要采用隨機(jī)建模方法，即以井點(diǎn)巖心裂縫觀察或成像測井裂縫參數(shù)解釋得到的裂縫密度為“硬數(shù)據(jù)”，以各類地震裂縫預(yù)測屬性體、斷層距離約束體、構(gòu)造主曲率法預(yù)測裂縫分布、生產(chǎn)動態(tài)及監(jiān)測資料裂縫驗(yàn)證等結(jié)果作為井間裂縫分布趨勢約束，首先得到裂縫分布強(qiáng)度（大多為裂縫密度）模型，并結(jié)合地質(zhì)認(rèn)識，采用隨機(jī)模擬方法得到中-小尺度裂縫離散網(wǎng)絡(luò)模型［5-12］。上述方法中，大尺度裂縫建模技術(shù)較為成熟且模型精度較高，而對于中-小尺度裂縫，由于目前已有的各類裂縫預(yù)測方法很難有效、精確地表征井間中-小尺度裂縫參數(shù)分布，導(dǎo)致模型精度較低。例如傳統(tǒng)地震方法因自身分辨率限制難于識別儲層中各組中-小尺度裂縫的參數(shù)分布［13-14］；基于斷層距離約束所建立的裂縫分布模型相較于通過斷層擾動應(yīng)力場［15］控制下的裂縫分布預(yù)測結(jié)果，其可靠性更差；通過構(gòu)造主曲率法主要實(shí)現(xiàn)與巖層形變有關(guān)的張裂縫分布預(yù)測［16-17］，且上述方法均是以定性或半定量的方式對中-小尺度裂縫的分布進(jìn)行預(yù)測，難以精確定量識別裂縫各類參數(shù)。為提高中-小尺度裂縫模型精度，本文以四川盆地元壩地區(qū)上二疊統(tǒng)長興組礁灘相碳酸鹽巖儲層為例，提出了采用成因機(jī)理及主控因素約束的多尺度裂縫三維建模方法，以期建立能夠更加準(zhǔn)確反映地質(zhì)規(guī)律的裂縫及其參數(shù)分布模型。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

元壩氣田位于四川盆地東北部（圖1），研究區(qū)西北與盆地三級構(gòu)造單元九龍山背斜構(gòu)造帶相接，東北與通南巴背斜構(gòu)造帶相鄰，南部與川中低緩構(gòu)造帶相連，為龍門山、米倉山和大巴山造山帶所影響的低緩構(gòu)造區(qū)［18-20］。晚二疊世長興期，元壩地區(qū)處于梁平-開江陸棚西側(cè)臺地邊緣，形成了一套以開闊臺地、臺緣礁灘和臺緣斜坡為主的碳酸鹽巖沉積體系，其中臺緣生物礁灘構(gòu)成了該區(qū)最有利的儲集相帶［21-26］。長興組礁灘相儲層可分為上（長二段）、下（長一段）兩段，上段以沉積生物礁相為主（可進(jìn)一步劃分為礁蓋、礁核、礁基3 類單元），下段以沉積生屑灘相為主，儲層巖石類型主要為溶孔白云巖、生屑（含生屑）粉-細(xì)晶白云巖、殘余生屑（粒屑）白云巖和生物礁白云巖。對1 000 余個巖心樣品的物性參數(shù)進(jìn)行實(shí)測可知，儲層孔隙度介于0.53 %～24.65 %，平均孔隙度為4.37 %，滲透率介于（0.002 6～2 385.482 6）×10-3μm2，平均滲 透率為0.380 1×10-3μm2，孔-滲關(guān)系表現(xiàn)出雙重介質(zhì)特征。

圖1 川東北地區(qū)構(gòu)造單元劃分（據(jù)文獻(xiàn)［20］修改）Fig.1 Structural unit division of the northeastern Sichuan Basin（modified from reference ［20］）

2 裂縫建模方法的提出

2.1 裂縫建模原則

儲層相建模一般遵循等時約束、層次約束及成因控制等3 種建模原則［27］。天然裂縫本身作為離散變量，與沉積相或構(gòu)型單元等離散地質(zhì)體類似，可視為廣義上的儲層相，采用何種建模原則對其進(jìn)行表征是首先要明確的問題。筆者認(rèn)為，若要建立較為可靠的多尺度裂縫三維地質(zhì)模型，仍須遵循以下原則。

2.1.1 等時約束建模原則

天然裂縫的形成具有期次性。多期構(gòu)造裂縫是在地質(zhì)體沉積后的多期構(gòu)造應(yīng)力背景下形成的，由于不同期次的構(gòu)造應(yīng)力性質(zhì)可能不同，導(dǎo)致對應(yīng)的各期裂縫參數(shù)具有相對獨(dú)立的分布特征，各期裂縫的分布規(guī)律也會有所差別；而對于成巖裂縫如溶蝕裂縫，由于不同成巖階段的成巖流體及溶蝕機(jī)制可能不同，在各期溶蝕作用下會產(chǎn)生不同類型及分布特征的成巖裂縫。在目前的資料條件下，若將不同期次和不同類型的裂縫一次性進(jìn)行統(tǒng)一建模，則很難建立能夠客觀反映各期、各類裂縫實(shí)際地質(zhì)規(guī)律的裂縫地質(zhì)模型。因此，為了提高模型精度，在建模過程中應(yīng)按照裂縫形成期次分別對各期裂縫進(jìn)行建模，再將各期裂縫模型進(jìn)行組合，最終形成現(xiàn)今儲層狀態(tài)下的總體裂縫分布模型。在建立各期裂縫模型過程中，要分別采用能夠反映各期裂縫參數(shù)分布的特征進(jìn)行約束，可有效提高模型精度。

2.1.2 層次約束建模原則

天然裂縫雖然具有多期次形成的特點(diǎn)，但各期裂縫又具有一定的級次性（可視為層次性），如大級別構(gòu)造裂縫與其周圍同期形成的小級別裂縫具有一定的成因關(guān)系，小級別裂縫與更小尺度裂縫同樣具有這種關(guān)系，成因上的相關(guān)性使得同期形成的各級裂縫在產(chǎn)狀等參數(shù)分布上也具有一定的相關(guān)性，但由于裂縫的發(fā)育受控于多種地質(zhì)及巖石力學(xué)因素，各級裂縫的規(guī)模參數(shù)分布則可能存在較大差異。因此，在建模過程中要根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)實(shí)際，在弄清裂縫級次特征及各級裂縫參數(shù)分布特征的基礎(chǔ)上，通過分級控制，建立能夠反映各級裂縫空間分布特征的地質(zhì)模型。

2.1.3 成因控制建模原則

天然裂縫的分布并不是完全隨機(jī)且雜亂無序的，其發(fā)育受控于多種地質(zhì)因素，分布符合地質(zhì)、巖石物理及巖石力學(xué)等規(guī)律，裂縫的各類參數(shù)分布與各類地質(zhì)因素之間存在著一定的成因關(guān)系。如構(gòu)造裂縫的發(fā)育和分布普遍受巖層（或巖石力學(xué)層）明顯控制，層厚越大，裂縫規(guī)模越大，但裂縫線密度越小，因此裂縫規(guī)?；蛎芏葏?shù)可與巖層（或巖石力學(xué)層）厚度參數(shù)之間建立起一定的定量關(guān)系［28-31］。在建立中-小尺度裂縫模型時，為使模型更加符合實(shí)際地質(zhì)規(guī)律，應(yīng)充分結(jié)合裂縫形成的巖石力學(xué)或巖石物理學(xué)機(jī)制，充分挖掘并建立裂縫參數(shù)與裂縫主控因素之間的定量關(guān)系，而不僅僅是依靠統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系或各類間接驗(yàn)證性資料，以此來建立更為可靠的裂縫參數(shù)模型。

綜上所述，儲層天然裂縫的形成和分布具有成因多期性、規(guī)模多級次性、分布受多因素綜合控制等特點(diǎn)，其建模原則也應(yīng)遵循等時約束、層次約束及成因控制等原則，以保證模型精度。

2.2 裂縫建模方法

為了有效刻畫多尺度裂縫的空間分布及其參數(shù)特征，在確定裂縫建模原則的基礎(chǔ)上，提出了基于成因機(jī)理及主控因素約束的多尺度裂縫“分級-分期-分組”建模方法，該方法可有效彌補(bǔ)地震等資料因其精度缺陷而在規(guī)模較小尺度裂縫分布預(yù)測方面存在的不足，以滿足油氣藏開發(fā)過程中裂縫表征的精度要求。該方法包括多尺度裂縫級次劃分及多尺度裂縫綜合地質(zhì)研究、大尺度裂縫三維建模、中-小尺度裂縫三維建模（包括單井裂縫密度計(jì)算、三維裂縫密度建模、三維裂縫網(wǎng)絡(luò)建模）、多尺度裂縫模型融合及三維裂縫屬性建模等環(huán)節(jié)，下面對各環(huán)節(jié)進(jìn)行介紹。

2.2.1 多尺度裂縫級次劃分

學(xué)者們根據(jù)研究需要，從不同角度開展過裂縫分級研究：①地質(zhì)研究方面，按照斷裂和裂隙的延伸規(guī)模、斷裂深度以及所處構(gòu)造單元部位，同時考慮對構(gòu)造、沉積的控制作用等方面，將斷裂等級劃分為Ⅰ級斷裂（區(qū)域構(gòu)造單元邊界斷裂，控制盆地沉積）、Ⅱ級斷裂（主干斷裂，控制構(gòu)造帶的展布）、Ⅲ級斷裂（次級斷裂，控制局部構(gòu)造）、Ⅳ級斷裂（主要為伴生斷層、小斷層等）；②在地球物理領(lǐng)域，根據(jù)裂縫長度與地震波長之間的關(guān)系可將裂縫劃分為大尺度裂縫（裂縫長度大于1/4 波長）、中尺度裂縫（裂縫長度小于1/4 波長，大于1 %波長）以及小尺度裂縫（裂縫長度小于1 %波長）［32-35］；③在油氣藏工程領(lǐng)域，有學(xué)者根據(jù)裂縫在滲流過程中所起的作用及表現(xiàn)將其分為油藏宏觀裂縫、油藏細(xì)觀裂縫和油藏微觀裂縫［36］。

在目前階段的地質(zhì)建模過程中，為了保證模型精度，會根據(jù)建模對象描述或識別精度的不同來采取不同的建模策略。對于能夠精確識別且定量表征的地質(zhì)對象，主要采用確定性方法進(jìn)行建模，而對于無法精確識別且只能夠通過統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行特征描述的地質(zhì)對象，則主要采用隨機(jī)方法進(jìn)行建模。對于多尺度天然裂縫而言，目前仍處于規(guī)模較大尺度斷裂易于精確識別而規(guī)模越小尺度裂縫越難于精確表征的技術(shù)階段，因此從地質(zhì)建模角度來說，開展裂縫分級研究，既要考慮不同尺度資料對不同規(guī)模裂縫的識別能力，同時也要考慮所劃分的裂縫級次具有地質(zhì)意義及油藏工程意義，以保證裂縫的描述結(jié)果符合客觀規(guī)律。

因此，本文嘗試提出以下多尺度裂縫級次劃分思路，即根據(jù)實(shí)際研究區(qū)地質(zhì)特征和多尺度裂縫發(fā)育特征，結(jié)合不同尺度資料對各尺度裂縫的識別精度，并同時考慮到不同尺度裂縫發(fā)育特征以及在油氣藏中所起的作用，來開展裂縫分級研究。

首先，可以將多尺度裂縫劃分為大尺度裂縫、中-小尺度裂縫和微尺度裂縫。其中大尺度裂縫通過疊后地震資料人工解釋或高精度檢測屬性可精確識別，平面上一般規(guī)模在百米-千米級別及以上，縱向上可切穿段、組、系及以上的地層范圍（十米-百米-千米級別），在油氣藏范圍內(nèi)呈離散分布，起控藏、主要輸導(dǎo)或隔擋作用。根據(jù)不同油藏的裂縫影響范圍等實(shí)際情況，還可將大尺度裂縫進(jìn)一步劃分為多個級別。中-小尺度裂縫平面上的延伸距離一般在米級-十米-百米級別及以下，縱向上切穿單層、多層、段以內(nèi)的地層范圍（分米-米級-十米級別），可通過鉆井巖心資料、測井資料進(jìn)行精細(xì)描述，并通過品質(zhì)較高的疊前地震資料的某些屬性進(jìn)行定性或半定量識別。這一尺度裂縫是儲層內(nèi)最主要的非均質(zhì)性類型之一，對改變儲層滲流性質(zhì)和儲層連通狀況等具有重要作用。根據(jù)工區(qū)實(shí)際儲層發(fā)育特征及地質(zhì)和巖石力學(xué)因素對裂縫的控制作用，也可將中-小尺度裂縫進(jìn)一步劃分為多個級次。

其次，在不同期次構(gòu)造應(yīng)力場作用下，各級次裂縫還可以進(jìn)一步劃分為不同的組系，裂縫分組反映了不同成因機(jī)制下所形成的裂縫的優(yōu)勢方位特征。微尺度裂縫無論平面還是縱向上延伸范圍均有限（一般為厘米級及以下），主要在單巖層內(nèi)發(fā)育，地震資料幾乎無法有效識別，需要借助鏡下微觀分析等手段對其參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)描述。這類裂縫對油氣藏宏觀滲流影響相對較小，對改善儲層局部物性具有積極意義。

需要說明的是，在不同地區(qū)，裂縫的級次劃分要綜合研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)特征、裂縫發(fā)育特征以及不同尺度類型資料的裂縫識別能力，并結(jié)合研究目的來綜合進(jìn)行確定，統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)可能并不適用于不同地區(qū)的各類研究，甚至?xí)韲?yán)重的錯誤認(rèn)識。

2.2.2 多尺度裂縫綜合地質(zhì)研究

裂縫建模之前的所有相關(guān)地質(zhì)研究，是獲取多尺度裂縫信息、建立多尺度裂縫地質(zhì)認(rèn)識的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是建立可靠的裂縫模型的前提和基礎(chǔ)。根據(jù)裂縫建模的要求，裂縫綜合地質(zhì)研究需要明確裂縫的基本發(fā)育特征，如大尺度裂縫的性質(zhì)、產(chǎn)狀、力學(xué)機(jī)制、空間展布及組合關(guān)系特征等；對于中-小尺度和微尺度裂縫，要明確其成因類型，通過各類地質(zhì)、地球物理、分析測試、生產(chǎn)動態(tài)等資料，獲取中-小尺度及微尺度裂縫參數(shù)分布特征及各參數(shù)的分類統(tǒng)計(jì)特征，分析裂縫的成因機(jī)制，劃分裂縫形成期次，弄清裂縫發(fā)育的主控因素，并利用測井或地震資料開展裂縫井筒識別及空間分布預(yù)測，明確裂縫分布規(guī)律，建立裂縫分布及演化模式，闡明不同尺度裂縫對油氣藏開發(fā)的影響。

對于構(gòu)造裂縫來說，在某一地區(qū)可以發(fā)育多組構(gòu)造裂縫，各組裂縫的性質(zhì)及產(chǎn)狀也可能不同，表明裂縫可能在不同的構(gòu)造運(yùn)動背景下形成，擁有不同的形成機(jī)理。在對構(gòu)造裂縫進(jìn)行分期和配套的基礎(chǔ)上，劃分裂縫期次和組系，明確各組裂縫形成時期的古應(yīng)力場背景，可為采用地質(zhì)力學(xué)方法開展裂縫分布預(yù)測提供地質(zhì)依據(jù)。構(gòu)造裂縫形成期次和各期裂縫形成時古應(yīng)力場大小主要依據(jù)地質(zhì)方法和試驗(yàn)方法綜合確定，如通過裂縫形態(tài)特征可以判定裂縫的性質(zhì)，通過裂縫之間的切割、限制關(guān)系及充填特征的差異性等可判斷裂縫形成的先后，通過包裹體和碳-氧同位素分析、古地磁定向及巖石聲發(fā)射試驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)手段并結(jié)合沉積-構(gòu)造演化史，可以綜合確定裂縫形成時期及各期古構(gòu)造應(yīng)力大小和方向等信息［37-38］。

地質(zhì)因素往往與裂縫參數(shù)信息之間有著密切的成因聯(lián)系，明確裂縫的成因機(jī)制以后，還要進(jìn)一步闡明主要地質(zhì)因素對裂縫發(fā)育規(guī)律及其參數(shù)特征的控制作用。如建立裂縫發(fā)育程度與巖性的關(guān)系、裂縫規(guī)模參數(shù)與巖層厚度（或巖石力學(xué)層厚度）的關(guān)系、裂縫發(fā)育程度與構(gòu)造曲率之間的關(guān)系、裂縫發(fā)育程度與沉積相（微相）之間的關(guān)系、裂縫發(fā)育程度與巖層巖石力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系、裂縫開度與地應(yīng)力及裂縫規(guī)模之間的關(guān)系、裂縫充填性與成巖作用強(qiáng)度的關(guān)系等等，依此獲得先驗(yàn)地質(zhì)認(rèn)識，指導(dǎo)建模過程中裂縫相關(guān)參數(shù)的生成。

2.2.3 大尺度裂縫三維建模

離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型采用大量具有一定方向、長度和面積的離散面元來表征裂縫的分布，每個面元上均附加著裂縫參數(shù)信息，包括裂縫平面延伸長度、裂縫縱向高度、裂縫開度、裂縫產(chǎn)狀等，建立離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型的主要任務(wù)就是要準(zhǔn)確表征裂縫的空間分布及裂縫參數(shù)信息。按照層次約束的建模原則，對于可通過地球物理等資料和手段精確識別的大尺度裂縫來說，首先要對其進(jìn)行精細(xì)建模。目前針對大尺度裂縫建模普遍采用確定性方法，通過人機(jī)交互方式嚴(yán)格按照大尺度裂縫參數(shù)精細(xì)描述結(jié)果建立模型。大尺度裂縫建模技術(shù)較為成熟，在此不再贅述。

2.2.4 中-小尺度裂縫三維建模

目前技術(shù)手段下，無法像識別大尺度裂縫一樣對儲層中每一條中-小尺度裂縫的空間位置和參數(shù)信息進(jìn)行精細(xì)識別，因此無法通過確定性方法對其進(jìn)行建模，需要在獲取中-小尺度裂縫地質(zhì)規(guī)律認(rèn)識的基礎(chǔ)上，以單井裂縫確定性信息為硬數(shù)據(jù)，以中-小尺度裂縫空間分布預(yù)測等信息為約束條件，依據(jù)等時約束及成因控制的建模原則和思路，采用基于目標(biāo)的隨機(jī)建模方法建立中-小尺度裂縫三維分布模型。

1）單井裂縫密度計(jì)算

單井裂縫密度是指沿著井軌跡計(jì)算得到的用于表征井點(diǎn)處目的層段剖面上不同深度部位的裂縫發(fā)育密度（包括線密度、面密度、體密度等），主要通過巖心裂縫描述及成像測井裂縫解釋結(jié)果，計(jì)算井筒延伸方向上單位窗長內(nèi)裂縫的數(shù)量，進(jìn)而得到單井裂縫密度曲線。單井裂縫密度作為控制裂縫空間分布的硬數(shù)據(jù)，對模型精度起決定性作用，如果單井裂縫模型不準(zhǔn)確，在此基礎(chǔ)上建立的裂縫三維模型一定是錯誤的。由于裂縫分布具有多尺度、多組系的特征，加之井筒鉆遇各類裂縫又存在一定的概率，因此想要獲取可靠的單井裂縫密度是難度較大的，需要根據(jù)獲取的裂縫信息并結(jié)合裂縫地質(zhì)認(rèn)識，再依據(jù)合適的建模策略以計(jì)算得到合理、可靠的單井裂縫密度參數(shù)。

2）三維裂縫密度建模

裂縫密度是反映裂縫發(fā)育程度的連續(xù)型變量，建模過程中三維裂縫密度模型控制著天然裂縫在不同空間位置上的生成數(shù)量，它是裂縫三維地質(zhì)建模的核心環(huán)節(jié)。三維裂縫密度模型的建立主要是以單井裂縫密度作為硬數(shù)據(jù)，以裂縫預(yù)測得到的空間分布趨勢作為約束條件，采用隨機(jī)方法進(jìn)行建立。裂縫分布趨勢是用于描述裂縫發(fā)育程度的二維或三維數(shù)據(jù)，要想建立可靠的三維裂縫密度模型，除了具備可靠的單井裂縫密度信息外，還需要具有可靠的空間約束信息。通過疊前或疊后地震屬性開展裂縫分布預(yù)測可以獲取較為可靠的反映裂縫空間發(fā)育程度的信息，因此常被作為建立裂縫三維密度模型的約束條件。此外，通過裂縫綜合地質(zhì)研究獲取各期裂縫形成時的古應(yīng)力場大小和方向后，采用地質(zhì)力學(xué)方法對各期構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度進(jìn)行分別預(yù)測，并將其結(jié)果作為各期裂縫空間分布的約束條件來建立能夠反映各期裂縫的三維密度模型，可作為有效提高裂縫模型精度的一種嘗試。

采用地質(zhì)力學(xué)方法開展裂縫預(yù)測的過程為：①在明確裂縫形成機(jī)理及主控因素的基礎(chǔ)上建立合理的各期裂縫形成時期對應(yīng)的地質(zhì)模型（二維或三維），該模型要充分考慮巖性、地層厚度、構(gòu)造（如斷層和褶皺等）、沉積相帶分布等地質(zhì)因素對裂縫的控制作用，其中多期次裂縫可能分別對應(yīng)著不同的地質(zhì)模型；②根據(jù)獲得的各期次裂縫形成時期的古構(gòu)造應(yīng)力大小和方向，確定不同期次裂縫所對應(yīng)的地質(zhì)模型中各地質(zhì)體的巖石力學(xué)參數(shù)及模型的邊界受力條件；③應(yīng)用有限元數(shù)值模擬方法對各期次古構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到古應(yīng)力場最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、垂向應(yīng)力（若為三維模型）的大小和方向分布；④將計(jì)算結(jié)果與已有的反演約束條件進(jìn)行對比分析，若不符合，則需要調(diào)整模型或邊界受力條件，直至兩者相符合，此時模擬結(jié)果較為可靠；⑤基于應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，通過巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)確定的不同地質(zhì)體的巖石破裂準(zhǔn)則，對各期次古應(yīng)力條件下地質(zhì)體的破裂情況進(jìn)行判斷，并結(jié)合先驗(yàn)地質(zhì)認(rèn)識綜合計(jì)算裂縫發(fā)育強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井間各期次、各組裂縫分布的定量預(yù)測。

3）中-小尺度裂縫網(wǎng)絡(luò)建模

在建立裂縫三維密度模型以后，要結(jié)合裂縫地質(zhì)認(rèn)識建立符合地質(zhì)規(guī)律的三維裂縫網(wǎng)絡(luò)模型。由于不同成因（或期次）和性質(zhì)的裂縫具有各自相對獨(dú)立的裂縫參數(shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分布特征，理論上應(yīng)該對每一類成因裂縫分別進(jìn)行建模，最終得到符合研究區(qū)地質(zhì)實(shí)際的包含所有期次的中-小尺度裂縫三維網(wǎng)絡(luò)模型。建模過程中，利用三維裂縫密度模型對空間上所生成裂縫片的多少進(jìn)行約束，同時要結(jié)合裂縫發(fā)育的主控因素（如控制裂縫發(fā)育的地質(zhì)因素與裂縫幾何參數(shù)之間的定量關(guān)系），對所生成的每一條裂縫片產(chǎn)狀、形態(tài)、規(guī)模等參數(shù)進(jìn)行控制，使得所生成的每一類成因裂縫的各類參數(shù)總體上與先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)規(guī)律保持一致，同時又保證各裂縫片參數(shù)與所在位置的地質(zhì)因素有關(guān)。在生成離散裂縫片的過程中，裂縫傾角和走向等信息主要通過相似露頭、巖心或成像測井裂縫描述統(tǒng)計(jì)得到的裂縫產(chǎn)狀分布等認(rèn)識進(jìn)行控制，其中走向分布也可以依據(jù)地質(zhì)力學(xué)方法得到的裂縫模擬結(jié)果進(jìn)行空間約束；裂縫形態(tài)可以選擇四邊形或其他多邊形；裂縫縱向高度一般可通過相似露頭進(jìn)行統(tǒng)計(jì)確定，也可通過測井資料在劃分巖石力學(xué)層的基礎(chǔ)上，結(jié)合裂縫發(fā)育的主控因素綜合確定；裂縫平面延伸長度一般難于確定，可以通過地表相似露頭統(tǒng)計(jì)的裂縫平面長度與縱向高度之間建立的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行確定，再進(jìn)一步通過油藏工程方法計(jì)算得到的裂縫參數(shù)對其進(jìn)行調(diào)整；裂縫開度可通過成像測井解釋取得，同時要結(jié)合試井等油藏工程方法確定的裂縫參數(shù)不斷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整確定。

2.2.5 多尺度裂縫模型融合

在同一網(wǎng)格體系下建立了大尺度裂縫及中-小尺度裂縫模型以后，需要將不同尺度裂縫模型進(jìn)行融合形成多尺度裂縫三維網(wǎng)絡(luò)模型。融合過程中，當(dāng)某一網(wǎng)格同時出現(xiàn)不同尺度裂縫以致出現(xiàn)交叉、重復(fù)或矛盾時，按照裂縫級次大小順序保留其中規(guī)模最大的裂縫信息。胡向陽［39］在針對塔河油田奧陶系碳酸鹽巖油藏開展多尺度縫洞三維建模過程中，提出了以地質(zhì)概念模式為指導(dǎo)，忠實(shí)于井點(diǎn)數(shù)據(jù)條件及縫洞儲集體發(fā)育模式和組合規(guī)律的同位條件賦值算法，將各單一縫、洞離散模型融合成縫洞儲集體模型，采用該方法也可有效地對不同級次離散裂縫模型進(jìn)行融合，能夠使多尺度裂縫模型更加符合地質(zhì)規(guī)律。

2.2.6 裂縫屬性參數(shù)建模

裂縫屬性參數(shù)模型是指能夠反映裂縫孔隙度和滲透率參數(shù)空間分布的三維模型，旨在表征多尺度裂縫的空間非均質(zhì)性特征及其影響。在天然裂縫主要起滲流通道作用的大多數(shù)油氣藏中，多尺度裂縫滲透率表征相比裂縫孔隙度而言更具有油氣地質(zhì)意義。由于在地層狀態(tài)下無充填裂縫的滲透率主要與裂縫的開度有關(guān)，而裂縫開度同時受多種因素控制且難于預(yù)測，因此要建立可靠的裂縫滲透率模型是一項(xiàng)難度較大的工作。如前所述，裂縫開度參數(shù)可以通過成像測井裂縫解釋來獲取，同時根據(jù)巖心裂縫觀察也可以得到部分裂縫的開度信息，但需要將其恢復(fù)至地層圍壓條件下求取真實(shí)的裂縫開度。在得到裂縫開度參數(shù)以后，可以采用平板流動理論模型計(jì)算每組裂縫的滲透率［40］，即：

式中：Kf為巖石裂縫的滲透率，10-3μm2；e為裂縫開度，μm；ξ為裂縫與流體流動方向間的夾角，（°）；S為該組裂縫間距，m。

3 研究實(shí)例

依據(jù)上述方法和思路，以四川盆地東北部元壩地區(qū)長興組生物礁相碳酸鹽巖儲層為例，進(jìn)一步論述基于成因機(jī)理及主控因素約束的多尺度裂縫“分級-分期-分組”建模方法的應(yīng)用。

3.1 長興組儲層裂縫發(fā)育特征

元壩地區(qū)長興組大尺度斷裂發(fā)育相對較少，但通過螞蟻?zhàn)粉櫡椒梢栽趦又刑崛∫恍┢矫骈L度在2 000 m 以內(nèi)的小斷裂。綜合露頭、巖心、薄片及成像測井資料可知，儲層中主要發(fā)育規(guī)模相對較小的中-小尺度裂縫，這些裂縫具有多期形成、多組系分布且有效性存在差異的特點(diǎn)，筆者曾系統(tǒng)論述了長興組儲層裂縫的成因類型及識別特征、評價了裂縫有效性并分析了有效裂縫的地質(zhì)意義［23］，這些成果將會為開展精細(xì)裂縫三維地質(zhì)建模奠定基礎(chǔ)。

研究表明，元壩地區(qū)長興組儲層構(gòu)造裂縫類型既有張性裂縫也有剪切裂縫，以剪切裂縫為主（圖2）。總體上，裂縫走向主要為NW-SE 向，其次為近EW 向和NE-SW 向；裂縫傾向主要為NE 向和SW 向，少量NW傾向；按照裂縫傾角分布可分為低角度縫（＜ 20°）、斜交縫（20°～60°）和高角度縫（＞ 60°）3類，主要以高角度縫和斜交縫為主，不同傾角裂縫具有不同的優(yōu)勢走向，其有效性差異較大，反映了裂縫為多期構(gòu)造應(yīng)力場作用下形成（圖3）。裂縫規(guī)模方面，實(shí)測露頭裂縫縱向高度一般分布在20 m 以內(nèi)（其中小于12 m 的裂縫占近90 %）；單條裂縫平面延伸長度一般不超過70 m，部分裂縫規(guī)模較大，推算可達(dá)150 m 以上；裂縫開度與現(xiàn)今地應(yīng)力場及裂縫規(guī)模等因素有關(guān)，將地表巖心統(tǒng)計(jì)裂縫開度折算到地下并結(jié)合成像測井裂縫開度解釋，確定裂縫地下開度主要分布在60 μm 以內(nèi)，少數(shù)裂縫開度可超過200 μm，總體上表現(xiàn)出NW-SE向及近EW 向裂縫的開度略大于NE-SW向裂縫開度的特征［23］。

圖2 不同資料識別元壩地區(qū)長興組儲層天然裂縫特征照片F(xiàn)ig.2 Characteristics of natural fractures in the Changxin Fm.of Yuanba area identified by different data

圖3 元壩地區(qū)長興組儲層中不同傾角類型裂縫的走向和傾向分布玫瑰花圖Fig.3 Strike and dip rose diagrams of fractures with different dip angles in the Changxing Fm.of Yuanba area

綜合構(gòu)造演化史（及構(gòu)造形跡）、埋藏史、油氣充注史、裂縫交切關(guān)系及充填差異性、不同傾角裂縫走向及傾向分布特征及不同成因類型裂縫形成的力學(xué)機(jī)制［41］，可將構(gòu)造裂縫的形成劃分為4 期，分別為印支晚期、燕山中晚期（主要為晚期）（NW-SE向擠壓應(yīng)力場）、喜馬拉雅早期（NWW-SEE 向應(yīng)力場強(qiáng)烈擠壓）和喜馬拉雅晚期（NE-SW向擠壓應(yīng)力場），其中后3期為主要的裂縫形成時期。裂縫的發(fā)育受巖性、巖石力學(xué)層厚度、沉積微相、巖石結(jié)構(gòu)組分、巖石力學(xué)性質(zhì)等因素綜合控制，其中白云巖類相比灰?guī)r類中裂縫發(fā)育程度更高（白云巖類中裂縫視密度平均為2.9條/m，灰?guī)r類中裂縫視密度平均為1.9 條/m），且高角度縫與斜交縫視密度隨著巖石力學(xué)層厚度的增大呈冪函數(shù)減小?？傮w上看，礁蓋微相內(nèi)裂縫最為發(fā)育（平均視密度達(dá)3.9條/m），礁核微相次之，礁基和礁間裂縫發(fā)育程度最差（平均視密度小于1條/m）［42］。

對元壩地區(qū)長興組多尺度裂縫進(jìn)行級次劃分。首先，將地震資料能夠精確識別的所有裂縫定義為大尺度裂縫，統(tǒng)計(jì)該區(qū)大尺度裂縫長度主要分布在2 000 m以內(nèi)，集中分布在200～1 200 m，縱向高度分布在20 m以上；其次，定義該區(qū)僅能夠通過鉆井、測井和巖心等資料識別的裂縫為中-小尺度裂縫，由于裂縫的發(fā)育受巖石力學(xué)層厚度控制，無法通過地震資料進(jìn)行精確有效識別，通過該區(qū)12 口井長興組巖石力學(xué)層的識別劃分結(jié)果，確定該區(qū)受巖石力學(xué)層控制的裂縫縱向規(guī)模分布在1～20 m，可將中-小尺度裂縫按照縱向高度進(jìn)一步劃分為4個級別（表1），通過相似露頭統(tǒng)計(jì)裂縫平面長度/裂縫縱向高度比值分布在3.5～13.4。

表1 元壩地區(qū)長興組碳酸鹽巖儲層裂縫分級Table 1 Fracture classes of carbonate reservoir in the Changxing Fm.in Yuanba area

3.2 大尺度裂縫建模

受開江-梁平陸棚古地貌控制，元壩地區(qū)長興期從東向西發(fā)育有4 條礁帶，分別為①號礁帶、②號礁帶、③號礁帶和④號礁帶，每個礁帶均由多個礁群組成，各礁帶之間并不完全相連。下面以②號礁帶為例，介紹不同尺度裂縫建模實(shí)例研究。

通過疊后地震方差體、螞蟻體以及其他邊緣檢測等屬性綜合對元壩地區(qū)長興組儲層大尺度裂縫進(jìn)行檢測（以②號礁帶為例），通過生產(chǎn)動態(tài)資料驗(yàn)證其結(jié)果具有較高的可靠性。在此基礎(chǔ)上，采用確定性方法人機(jī)交互建立了大尺度裂縫三維分布模型。模型顯示，大尺度裂縫主要在氣藏內(nèi)部發(fā)育，裂縫長度主要分布在1200m 以內(nèi)，縱向高度在19.7～34.5 m，裂縫走向主要以NE-SW和NW-SE向?yàn)橹鳎▓D4）。

圖4 元壩地區(qū)②號礁帶長興組儲層大尺度裂縫模型Fig.4 Large-scale fracture model of the Changxing Fm.reservoir in No.2 reef zone，Yuanba area

3.3 中-小尺度裂縫建模

通過對元壩地區(qū)11 口井巖心裂縫描述及10 口成像測井裂縫解釋獲取的裂縫信息，并根據(jù)不同成因期次裂縫劃分結(jié)果，分別計(jì)算得到了各單井不同期次各組裂縫密度曲線，并以此作為硬數(shù)據(jù)，利用地質(zhì)力學(xué)方法預(yù)測得到的各期裂縫分布預(yù)測結(jié)果作為趨勢約束，應(yīng)用序貫高斯方法分別建立了不同期次中-小尺度裂縫三維密度模型（②號礁帶）（圖5）。其中，采用地質(zhì)力學(xué)方法分別預(yù)測了②號礁帶燕山晚期、喜馬拉雅早期和喜馬拉雅晚期的裂縫發(fā)育強(qiáng)度（圖6）。通過以上結(jié)果可知，長興組上儲層段在各期應(yīng)力場作用下形成的裂縫在空間分布上均具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，其中生物礁主體部位裂縫發(fā)育程度較高，尤其是在礁蓋微相內(nèi)裂縫最為發(fā)育，在礁基和礁間微相內(nèi)裂縫發(fā)育程度相對較差，模擬結(jié)果與地質(zhì)認(rèn)識基本符合。

圖5 元壩地區(qū)長興組儲層NW-SE向中-小尺度裂縫密度模型（②號礁帶柵狀圖）Fig.5 3D density model of medium-to-small-scale fractures striking NW-SE in the Changxing Fm.in No.2 reef zone，Yuanba area

圖6 地質(zhì)力學(xué)方法預(yù)測元壩地區(qū)②號礁帶長興組上段不同期次裂縫強(qiáng)度等值線Fig.6 Contour map of fracture intensity at different stages predicted via geomechanical method in the upper interval of Changxing Fm.in the No.2 reef zone，Yuanba area

以各期次裂縫三維密度模型為基礎(chǔ)，結(jié)合中-小尺度裂縫先驗(yàn)地質(zhì)認(rèn)識，分別建立了各期次裂縫離散分布模型。在建立裂縫模型過程中，考慮到生物礁儲層內(nèi)裂縫形態(tài)的復(fù)雜性，裂縫的幾何形態(tài)采用了十邊形。依據(jù)裂縫產(chǎn)狀分布地質(zhì)研究成果，各期次裂縫走向、傾向和傾角的生成采用Fisher Model 方法；裂縫長度和開度分布均符合Power Law分布，建模過程中采用了冪律分布模型并結(jié)合了裂縫密度與裂縫規(guī)模之間的關(guān)系。如圖7a 所示，由于不同尺度的裂縫數(shù)量較多，僅顯示了平面長度在55 m 以上規(guī)模的天然裂縫展布特征，模型中裂縫的走向主要為NW-SE 向，其次為近EW向和NE-SW向，裂縫縱向高度分布在1.7～18.8 m，與地質(zhì)認(rèn)識基本一致。

3.4 多尺度裂縫融合模型

采用同位條件賦值算法［43］將大尺度裂縫模型與中-小尺度裂縫模型進(jìn)行融合，得到了反映全區(qū)裂縫發(fā)育特征的多尺度裂縫三維地質(zhì)模型，保證了不同尺度裂縫在交匯過程中屬性參數(shù)分布的合理性（圖7b）。采用平板流動理論模型對每組裂縫的滲透率進(jìn)行計(jì)算，得到巖石裂縫滲透率分布在（20～200）×10-3μm2。

圖7 元壩地區(qū)②號礁帶長興組儲層裂縫三維地質(zhì)模型Fig.7 3D geological model of fractures in the Changxing Fm.reservoir in the No.2 reef zone，Yuanba area

4 結(jié)論與討論

儲層中天然裂縫的形成和分布具有成因多期性、規(guī)模多級次性、分布受多因素綜合控制等特點(diǎn)，在目前不完備的技術(shù)條件下，其建模應(yīng)遵循等時約束、層次約束及成因控制等原則，以保證裂縫模型精度。為了精細(xì)刻畫多尺度裂縫的空間參數(shù)分布，在遵循上述原則的基礎(chǔ)上，以地質(zhì)認(rèn)識作為指導(dǎo)，提出了基于成因機(jī)理及主控因素約束的多尺度裂縫“分級-分期-分組”建模方法，該方法包括多尺度裂縫級次劃分及多尺度裂縫綜合地質(zhì)研究、大尺度裂縫三維建模、中-小尺度裂縫三維建模、多尺度裂縫模型融合及三維裂縫屬性建模等環(huán)節(jié)，可有效彌補(bǔ)地震等其他資料因其精度缺陷而在預(yù)測和表征較小尺度規(guī)模裂縫參數(shù)分布方面的不足。該方法可以推廣應(yīng)用到發(fā)育多期次、多尺度天然裂縫的其他類型油氣藏的裂縫表征研究中。在應(yīng)用過程中，要充分結(jié)合研究區(qū)的研究目標(biāo)和工區(qū)實(shí)際裂縫發(fā)育規(guī)律，制定合理的裂縫三維建模策略，這樣才能建立既能滿足一定的精度要求、又能夠指導(dǎo)油氣藏開發(fā)的合理的裂縫三維地質(zhì)模型。

在現(xiàn)有技術(shù)條件下要建立可靠性較高的中-小尺度裂縫精細(xì)三維地質(zhì)模型仍然面臨較大挑戰(zhàn)。學(xué)者們雖然普遍采用了地質(zhì)、測井、地震等靜態(tài)資料以及試井、油氣藏工程等動態(tài)資料相結(jié)合的多信息融合手段，并綜合了巖石力學(xué)或數(shù)學(xué)方法開展裂縫研究，但總體上講，目前的技術(shù)水平對地下裂縫的真實(shí)發(fā)育規(guī)律認(rèn)識仍然不夠深入徹底，對裂縫信息的定量認(rèn)識仍然不夠精確，給裂縫精細(xì)建模帶來較大困難。隨著非常規(guī)油氣資源的比重越來越大，對裂縫表征的精度要求也越來越高。從油氣藏開發(fā)面臨的主要矛盾出發(fā)，在充分的裂縫地質(zhì)研究基礎(chǔ)上，分析不同類型、級次、組系、規(guī)模的中-小尺度裂縫對油氣藏開發(fā)的影響，著重對油氣藏開發(fā)有主要影響的裂縫進(jìn)行精細(xì)描述和表征，以達(dá)到提高裂縫模型精度和適用性的目的，是一種可行的建模策略。此外，裂縫的成因與地質(zhì)力學(xué)因素密切相關(guān)，采用地質(zhì)力學(xué)方法開展裂縫分布預(yù)測并作為空間約束建立裂縫三維模型，是提高中-小尺度裂縫模型精度的有益嘗試。

在目前技術(shù)條件下，本文提出的裂縫建模方法可能并不適用于微尺度裂縫。儲層中微尺度裂縫數(shù)量眾多、成因復(fù)雜、形態(tài)各異、分布難以預(yù)測，學(xué)者們普遍認(rèn)為其在儲層中所起的作用與大尺度和中-小尺度裂縫不同，將微尺度裂縫一般歸屬于基質(zhì)孔隙范疇，主要對基質(zhì)物性起改善作用，在現(xiàn)有的資料和技術(shù)條件下難以用離散裂縫建模的方法對其開展表征研究。筆者認(rèn)為，在充分研究微尺度裂縫成因類型和發(fā)育主控因素的基礎(chǔ)上，通過建立合適的微尺度裂縫測井和地震評價方法，闡明微尺度裂縫空間分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，可采用等效建模方法定量表征微尺度裂縫的參數(shù)分布及其對儲層的貢獻(xiàn)。