趙向原，游瑜春，胡向陽(yáng)，黎靜容，李 毓

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

儲(chǔ)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(cè)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(lái)就被國(guó)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(duì)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(duì)不同規(guī)模裂縫分別進(jìn)行建模，其中對(duì)于規(guī)模較大的延伸長(zhǎng)度達(dá)百米級(jí)以上的斷層，可通過(guò)地震資料精確解釋并結(jié)合鉆井資料認(rèn)識(shí)，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(duì)于中-小尺度（延伸長(zhǎng)度介于米級(jí)-百米級(jí)）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(cè)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(cè)屬性體、斷層距離約束體、構(gòu)造主曲率法預(yù)測(cè)裂縫分布、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)及監(jiān)測(cè)資料裂縫驗(yàn)證等結(jié)果作為井間裂縫分布趨勢(shì)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(shí)，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(duì)于中-小尺度裂縫，由于目前已有的各類裂縫預(yù)測(cè)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(shí)別儲(chǔ)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(guò)斷層擾動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)［15］控制下的裂縫分布預(yù)測(cè)結(jié)果，其可靠性更差；通過(guò)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(cè)［16-17］，且上述方法均是以定性或半定量的方式對(duì)中-小尺度裂縫的分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，難以精確定量識(shí)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(zhǎng)興組礁灘相碳酸鹽巖儲(chǔ)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(jí)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(cāng)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(zhǎng)興期，元壩地區(qū)處于梁平-開(kāi)江陸棚西側(cè)臺(tái)地邊緣，形成了一套以開(kāi)闊臺(tái)地、臺(tái)緣礁灘和臺(tái)緣斜坡為主的碳酸鹽巖沉積體系，其中臺(tái)緣生物礁灘構(gòu)成了該區(qū)最有利的儲(chǔ)集相帶［21-26］。長(zhǎng)興組礁灘相儲(chǔ)層可分為上（長(zhǎng)二段）、下（長(zhǎng)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(chǔ)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(duì)1 000 余個(gè)巖心樣品的物性參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)可知，儲(chǔ)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?jiǎng)澐郑〒?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(chǔ)層相建模一般遵循等時(shí)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(chǔ)層相，采用何種建模原則對(duì)其進(jìn)行表征是首先要明確的問(wèn)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(shí)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(duì)應(yīng)的各期裂縫參數(shù)具有相對(duì)獨(dú)立的分布特征，各期裂縫的分布規(guī)律也會(huì)有所差別；而對(duì)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(huì)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(guò)程中應(yīng)按照裂縫形成期次分別對(duì)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(chǔ)層狀態(tài)下的總體裂縫分布模型。在建立各期裂縫模型過(guò)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(jí)次性（可視為層次性），如大級(jí)別構(gòu)造裂縫與其周圍同期形成的小級(jí)別裂縫具有一定的成因關(guān)系，小級(jí)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(jí)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(jí)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(guò)程中要根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)實(shí)際，在弄清裂縫級(jí)次特征及各級(jí)裂縫參數(shù)分布特征的基礎(chǔ)上，通過(guò)分級(jí)控制，建立能夠反映各級(jí)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(wú)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(shí)，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(lái)建立更為可靠的裂縫參數(shù)模型。

綜上所述，儲(chǔ)層天然裂縫的形成和分布具有成因多期性、規(guī)模多級(jí)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(shí)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(huà)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(jí)-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(cè)方面存在的不足，以滿足油氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中裂縫表征的精度要求。該方法包括多尺度裂縫級(jí)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(duì)各環(huán)節(jié)進(jìn)行介紹。

2.2.1 多尺度裂縫級(jí)次劃分

學(xué)者們根據(jù)研究需要，從不同角度開(kāi)展過(guò)裂縫分級(jí)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(shí)考慮對(duì)構(gòu)造、沉積的控制作用等方面，將斷裂等級(jí)劃分為Ⅰ級(jí)斷裂（區(qū)域構(gòu)造單元邊界斷裂，控制盆地沉積）、Ⅱ級(jí)斷裂（主干斷裂，控制構(gòu)造帶的展布）、Ⅲ級(jí)斷裂（次級(jí)斷裂，控制局部構(gòu)造）、Ⅳ級(jí)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(zhǎng)度與地震波長(zhǎng)之間的關(guān)系可將裂縫劃分為大尺度裂縫（裂縫長(zhǎng)度大于1/4 波長(zhǎng)）、中尺度裂縫（裂縫長(zhǎng)度小于1/4 波長(zhǎng)，大于1 %波長(zhǎng)）以及小尺度裂縫（裂縫長(zhǎng)度小于1 %波長(zhǎng)）［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(guò)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(guò)程中，為了保證模型精度，會(huì)根據(jù)建模對(duì)象描述或識(shí)別精度的不同來(lái)采取不同的建模策略。對(duì)于能夠精確識(shí)別且定量表征的地質(zhì)對(duì)象，主要采用確定性方法進(jìn)行建模，而對(duì)于無(wú)法精確識(shí)別且只能夠通過(guò)統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行特征描述的地質(zhì)對(duì)象，則主要采用隨機(jī)方法進(jìn)行建模。對(duì)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(shí)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(lái)說(shuō)，開(kāi)展裂縫分級(jí)研究，既要考慮不同尺度資料對(duì)不同規(guī)模裂縫的識(shí)別能力，同時(shí)也要考慮所劃分的裂縫級(jí)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(jí)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(duì)各尺度裂縫的識(shí)別精度，并同時(shí)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(lái)開(kāi)展裂縫分級(jí)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(guò)疊后地震資料人工解釋或高精度檢測(cè)屬性可精確識(shí)別，平面上一般規(guī)模在百米-千米級(jí)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(jí)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(gè)級(jí)別。中-小尺度裂縫平面上的延伸距離一般在米級(jí)-十米-百米級(jí)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(jí)-十米級(jí)別），可通過(guò)鉆井巖心資料、測(cè)井資料進(jìn)行精細(xì)描述，并通過(guò)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(shí)別。這一尺度裂縫是儲(chǔ)層內(nèi)最主要的非均質(zhì)性類型之一，對(duì)改變儲(chǔ)層滲流性質(zhì)和儲(chǔ)層連通狀況等具有重要作用。根據(jù)工區(qū)實(shí)際儲(chǔ)層發(fā)育特征及地質(zhì)和巖石力學(xué)因素對(duì)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(gè)級(jí)次。

其次，在不同期次構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，各級(jí)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(shì)方位特征。微尺度裂縫無(wú)論平面還是縱向上延伸范圍均有限（一般為厘米級(jí)及以下），主要在單巖層內(nèi)發(fā)育，地震資料幾乎無(wú)法有效識(shí)別，需要借助鏡下微觀分析等手段對(duì)其參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)描述。這類裂縫對(duì)油氣藏宏觀滲流影響相對(duì)較小，對(duì)改善儲(chǔ)層局部物性具有積極意義。

需要說(shuō)明的是，在不同地區(qū)，裂縫的級(jí)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(shí)別能力，并結(jié)合研究目的來(lái)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)?lái)嚴(yán)重的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。

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(shí)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(duì)于中-小尺度和微尺度裂縫，要明確其成因類型，通過(guò)各類地質(zhì)、地球物理、分析測(cè)試、生產(chǎn)動(dòng)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(cè)井或地震資料開(kāi)展裂縫井筒識(shí)別及空間分布預(yù)測(cè)，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(duì)油氣藏開(kāi)發(fā)的影響。

對(duì)于構(gòu)造裂縫來(lái)說(shuō)，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(dòng)背景下形成，擁有不同的形成機(jī)理。在對(duì)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(shí)期的古應(yīng)力場(chǎng)背景，可為采用地質(zhì)力學(xué)方法開(kāi)展裂縫分布預(yù)測(cè)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(shí)古應(yīng)力場(chǎng)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(guò)裂縫形態(tài)特征可以判定裂縫的性質(zhì)，通過(guò)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(guò)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(shí)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(duì)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(kāi)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(shí)，指導(dǎo)建模過(guò)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(zhǎng)度和面積的離散面元來(lái)表征裂縫的分布，每個(gè)面元上均附加著裂縫參數(shù)信息，包括裂縫平面延伸長(zhǎng)度、裂縫縱向高度、裂縫開(kāi)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(duì)于可通過(guò)地球物理等資料和手段精確識(shí)別的大尺度裂縫來(lái)說(shuō)，首先要對(duì)其進(jìn)行精細(xì)建模。目前針對(duì)大尺度裂縫建模普遍采用確定性方法，通過(guò)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(wú)法像識(shí)別大尺度裂縫一樣對(duì)儲(chǔ)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(shí)別，因此無(wú)法通過(guò)確定性方法對(duì)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(shí)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(cè)等信息為約束條件，依據(jù)等時(shí)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(guò)巖心裂縫描述及成像測(cè)井裂縫解釋結(jié)果，計(jì)算井筒延伸方向上單位窗長(zhǎng)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(duì)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(cuò)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(shí)，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(guò)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(cè)得到的空間分布趨勢(shì)作為約束條件，采用隨機(jī)方法進(jìn)行建立。裂縫分布趨勢(shì)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(guò)疊前或疊后地震屬性開(kāi)展裂縫分布預(yù)測(cè)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(guò)裂縫綜合地質(zhì)研究獲取各期裂縫形成時(shí)的古應(yīng)力場(chǎng)大小和方向后，采用地質(zhì)力學(xué)方法對(duì)各期構(gòu)造裂縫的發(fā)育程度進(jìn)行分別預(yù)測(cè)，并將其結(jié)果作為各期裂縫空間分布的約束條件來(lái)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(kāi)展裂縫預(yù)測(cè)的過(guò)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(shí)期對(duì)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(duì)裂縫的控制作用，其中多期次裂縫可能分別對(duì)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(shí)期的古構(gòu)造應(yīng)力大小和方向，確定不同期次裂縫所對(duì)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(duì)各期次古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到古應(yīng)力場(chǎng)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(duì)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(shí)模擬結(jié)果較為可靠；⑤基于應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，通過(guò)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(duì)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(shí)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(cè)。

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(shí)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(duì)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(duì)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(guò)程中，利用三維裂縫密度模型對(duì)空間上所生成裂縫片的多少進(jìn)行約束，同時(shí)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(duì)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(shí)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(guò)程中，裂縫傾角和走向等信息主要通過(guò)相似露頭、巖心或成像測(cè)井裂縫描述統(tǒng)計(jì)得到的裂縫產(chǎn)狀分布等認(rèn)識(shí)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(guò)相似露頭進(jìn)行統(tǒng)計(jì)確定，也可通過(guò)測(cè)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(zhǎng)度一般難于確定，可以通過(guò)地表相似露頭統(tǒng)計(jì)的裂縫平面長(zhǎng)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(guò)油藏工程方法計(jì)算得到的裂縫參數(shù)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整；裂縫開(kāi)度可通過(guò)成像測(cè)井解釋取得，同時(shí)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(guò)程中，當(dāng)某一網(wǎng)格同時(shí)出現(xiàn)不同尺度裂縫以致出現(xiàn)交叉、重復(fù)或矛盾時(shí)，按照裂縫級(jí)次大小順序保留其中規(guī)模最大的裂縫信息。胡向陽(yáng)［39］在針對(duì)塔河油田奧陶系碳酸鹽巖油藏開(kāi)展多尺度縫洞三維建模過(guò)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(chǔ)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(chǔ)集體模型，采用該方法也可有效地對(duì)不同級(jí)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(wú)充填裂縫的滲透率主要與裂縫的開(kāi)度有關(guān)，而裂縫開(kāi)度同時(shí)受多種因素控制且難于預(yù)測(cè)，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(kāi)度參數(shù)可以通過(guò)成像測(cè)井裂縫解釋來(lái)獲取，同時(shí)根據(jù)巖心裂縫觀察也可以得到部分裂縫的開(kāi)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(kāi)度。在得到裂縫開(kāi)度參數(shù)以后，可以采用平板流動(dòng)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(kāi)度，μm；ξ為裂縫與流體流動(dòng)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(zhǎng)興組生物礁相碳酸鹽巖儲(chǔ)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(jí)-分期-分組”建模方法的應(yīng)用。

3.1 長(zhǎng)興組儲(chǔ)層裂縫發(fā)育特征

元壩地區(qū)長(zhǎng)興組大尺度斷裂發(fā)育相對(duì)較少，但通過(guò)螞蟻?zhàn)粉櫡椒梢栽趦?chǔ)層中提取一些平面長(zhǎng)度在2 000 m 以內(nèi)的小斷裂。綜合露頭、巖心、薄片及成像測(cè)井資料可知，儲(chǔ)層中主要發(fā)育規(guī)模相對(duì)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(zhǎng)興組儲(chǔ)層裂縫的成因類型及識(shí)別特征、評(píng)價(jià)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(huì)為開(kāi)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(zhǎng)興組儲(chǔ)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）?？傮w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(shì)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(chǎng)作用下形成（圖3）。裂縫規(guī)模方面，實(shí)測(cè)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(zhǎng)度一般不超過(guò)70 m，部分裂縫規(guī)模較大，推算可達(dá)150 m 以上；裂縫開(kāi)度與現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)及裂縫規(guī)模等因素有關(guān)，將地表巖心統(tǒng)計(jì)裂縫開(kāi)度折算到地下并結(jié)合成像測(cè)井裂縫開(kāi)度解釋，確定裂縫地下開(kāi)度主要分布在60 μm 以內(nèi)，少數(shù)裂縫開(kāi)度可超過(guò)200 μm，總體上表現(xiàn)出NW-SE向及近EW 向裂縫的開(kāi)度略大于NE-SW向裂縫開(kāi)度的特征［23］。

圖2 不同資料識(shí)別元壩地區(qū)長(zhǎng)興組儲(chǔ)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(zhǎng)興組儲(chǔ)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(chǎng)）、喜馬拉雅早期（NWW-SEE 向應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)烈擠壓）和喜馬拉雅晚期（NE-SW向擠壓應(yīng)力場(chǎng)），其中后3期為主要的裂縫形成時(shí)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(duì)元壩地區(qū)長(zhǎng)興組多尺度裂縫進(jìn)行級(jí)次劃分。首先，將地震資料能夠精確識(shí)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(zhǎng)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(guò)鉆井、測(cè)井和巖心等資料識(shí)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(wú)法通過(guò)地震資料進(jìn)行精確有效識(shí)別，通過(guò)該區(qū)12 口井長(zhǎng)興組巖石力學(xué)層的識(shí)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(gè)級(jí)別（表1），通過(guò)相似露頭統(tǒng)計(jì)裂縫平面長(zhǎng)度/裂縫縱向高度比值分布在3.5～13.4。

表1 元壩地區(qū)長(zhǎng)興組碳酸鹽巖儲(chǔ)層裂縫分級(jí)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(kāi)江-梁平陸棚古地貌控制，元壩地區(qū)長(zhǎng)興期從東向西發(fā)育有4 條礁帶，分別為①號(hào)礁帶、②號(hào)礁帶、③號(hào)礁帶和④號(hào)礁帶，每個(gè)礁帶均由多個(gè)礁群組成，各礁帶之間并不完全相連。下面以②號(hào)礁帶為例，介紹不同尺度裂縫建模實(shí)例研究。

通過(guò)疊后地震方差體、螞蟻體以及其他邊緣檢測(cè)等屬性綜合對(duì)元壩地區(qū)長(zhǎng)興組儲(chǔ)層大尺度裂縫進(jìn)行檢測(cè)（以②號(hào)礁帶為例），通過(guò)生產(chǎn)動(dòng)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(zhǎng)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(hào)礁帶長(zhǎng)興組儲(chǔ)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(guò)對(duì)元壩地區(qū)11 口井巖心裂縫描述及10 口成像測(cè)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(cè)得到的各期裂縫分布預(yù)測(cè)結(jié)果作為趨勢(shì)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(hào)礁帶）（圖5）。其中，采用地質(zhì)力學(xué)方法分別預(yù)測(cè)了②號(hào)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(guò)以上結(jié)果可知，長(zhǎng)興組上儲(chǔ)層段在各期應(yīng)力場(chǎng)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(duì)較差，模擬結(jié)果與地質(zhì)認(rèn)識(shí)基本符合。

圖5 元壩地區(qū)長(zhǎng)興組儲(chǔ)層NW-SE向中-小尺度裂縫密度模型（②號(hào)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(cè)元壩地區(qū)②號(hào)礁帶長(zhǎng)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(shí)，分別建立了各期次裂縫離散分布模型。在建立裂縫模型過(guò)程中，考慮到生物礁儲(chǔ)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(zhǎng)度和開(kāi)度分布均符合Power Law分布，建模過(guò)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(zhǎng)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(shí)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(guò)程中屬性參數(shù)分布的合理性（圖7b）。采用平板流動(dòng)理論模型對(duì)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(hào)礁帶長(zhǎng)興組儲(chǔ)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(chǔ)層中天然裂縫的形成和分布具有成因多期性、規(guī)模多級(jí)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(shí)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(huà)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(shí)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(jí)-分期-分組”建模方法，該方法包括多尺度裂縫級(jí)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(cè)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(guò)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(kāi)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(cè)井、地震等靜態(tài)資料以及試井、油氣藏工程等動(dòng)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(kāi)展裂縫研究，但總體上講，目前的技術(shù)水平對(duì)地下裂縫的真實(shí)發(fā)育規(guī)律認(rèn)識(shí)仍然不夠深入徹底，對(duì)裂縫信息的定量認(rèn)識(shí)仍然不夠精確，給裂縫精細(xì)建模帶來(lái)較大困難。隨著非常規(guī)油氣資源的比重越來(lái)越大，對(duì)裂縫表征的精度要求也越來(lái)越高。從油氣藏開(kāi)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(jí)次、組系、規(guī)模的中-小尺度裂縫對(duì)油氣藏開(kāi)發(fā)的影響，著重對(duì)油氣藏開(kāi)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(kāi)展裂縫分布預(yù)測(cè)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(chǔ)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(cè)，學(xué)者們普遍認(rèn)為其在儲(chǔ)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(duì)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(duì)其開(kāi)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(guò)建立合適的微尺度裂縫測(cè)井和地震評(píng)價(jià)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(duì)儲(chǔ)層的貢獻(xiàn)。