高陡构造易漏地层钻前裂缝定量描述方法

柯珂，王志远，周宇阳，孙宝江，王斌

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京100101；2.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛266580；3.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249；4.中国石化集团国际石油勘探开发公司，北京100083）

0 引言

高陡构造地质条件复杂，构造裂缝发育，钻井过程中的漏失现象比较严重，给安全钻井带来极大的危害，因此地层漏失的钻前预测具有重要意义［1-4］。目前，国内外学者对漏失预测方法的重点在于通过岩石力学理论对地应力进行预测与评价［5-7］，对构造裂缝的形成进行局部力学分析与研究，从而求取漏失压力［8-9］，确定安全钻井液密度窗口，但没有将构造裂缝与区域地质构造环境有效联系起来，缺乏对构造裂缝的定量描述［10］，如裂缝的密集程度、裂缝的开度、裂缝产生后的孔隙度以及流体在裂缝中的渗透情况等。而采用常规方法很难对其进行定量描述，这就降低了高陡构造易漏地层钻前漏失预测的科学性。因为同样是发育构造裂缝，但是如果裂缝的密度、开度、孔隙度及渗透率不同，在实际钻开漏层时，漏失量也会有较大差别［11］；因此，裂缝参数的定量描述是漏失定量预测的基础。

1 构造裂缝定量描述思路

高陡构造裂缝定量描述的整体思路为：

首先，在区域地质构造及其演化研究的基础上，构建区域地质构造模型；根据岩石力学实验数据及现场地应力测量统计结果，对地质体的地应力分布进行有限元数值模拟，确定此区域的地应力分布特征及变化规律。

然后，依据上述地质构造模型、应力分布情况，结合岩石破裂准则和室内岩心实验数据，根据能量守恒原理，判断裂缝发育区及裂缝方位，获取此区域构造裂缝的分布规律，结合裂缝性能参数确定方程，评价裂缝的开度、密度、渗透率及孔隙度等性能参数。

2 地质构造模型的建立

与油藏工程中常用的地质构造建模不同，本文主要通过地层分组简化，重点建立此区域的构造几何模型，为后续有限元模拟奠定基础。

2.1 地质构造特征分析

从区块所处区域构造入手，对区域构造位置和构造演化历史、 所处盆地构造特征及盆地地层层序进行研究和分析，从而进一步弄清区块的地质构造特征［12-13］。重点需要弄清区块构造所包含的构造带和构造类型、地层组分、岩性及走向，获得此区块各组地层的底深构造图，以便后续建模使用。

2.2 地质模型的建立

根据地质构造特征分析的结果，对岩性相近地层合并，依据构造图等资料进行几何简化，从而建立起此区块的地质模型。

3 有限元模拟及区域应力分布的求取

为了对模型进行有限元分析，必须求取建立模型的边界条件及负载参数，以便得到构造应力的分布。

1）地应力的求取。通过已钻井地应力的求取结果，对获取地质力学模型的边界条件和负载具有重要意义。目前根据钻井测井资料、层速度资料求取地应力方法有多种［14-15］，本文主要根据文献［14］的计算公式进行地应力的求取。

2）边界条件与模型负载。根据水平及上覆应力求解分析结果，即可确定模型的边界条件和所施加的载荷。

3）有限元模拟过程。有限元整体求解过程如图1所示。

图1 构造裂缝有限元模拟流程

4 构造裂缝定量计算方法

主要预测过程如下：首先，计算裂缝位置及分布，通过选取适当的岩石力学破坏准则，根据已有地应力分布条件，即可求取哪些区域存在裂缝；然后，对裂缝的分布情况进行描述，结合其描述方程，即可求取裂缝参数（线密度、开度、孔隙度及渗透率）［16］。

4.1 线密度

在应力作用下，岩石发生弹塑性形变，在形变的同时，应力能转化为应变的势能。当岩石内部的应变势能累积到一定程度，即释放效率达到单位面积裂缝生成所需的能量（表面能密度）时，岩石破坏产生断裂。岩石破裂的同时，其应变势能一部分转变为新增裂缝表面积需要的表面能量［17］，另一部分转换为弹性波的形式（断面能）进行释放。断面能数量级较小，可忽略。根据能量守恒原理，得到三向挤压应力状态下的裂缝密度、计算模型［18］：

有张应力时，裂缝密度计算公式为

式中：Dvf为裂缝的体积密度，m2/m3；Dlf为裂缝的线密度，条/m；σ1，σ2，σ3分别为最大、中间、最小主应力，Pa；E 为弹性模量，Pa；μ 为泊松比；L1，L3分别为岩体沿最大、 最小主应力方向上的边长，m；σd为岩石即将产生大裂缝时的单轴压应力值，Pa，可由实验确定；J 为裂缝表面能密度，J/m2；θ 为裂缝走向与最大主应力之间的夹角，即破裂角，（°）。

4.2 开度

裂缝开度b 的计算公式为［17］

式中：εf为裂缝应变；ε 为现今应力条件下的张应变；ε0为岩石弹性最大张应变。

4.3 孔隙度

与岩石孔隙度类似，裂缝孔隙度定义为所有裂缝体积总和与岩石整体体积之比。裂缝孔隙度与体积密度、开度的相互关系为［19］

式中：φft为裂缝总孔隙度；n 为裂缝组数；bi为第i 组裂缝开度，m；Dvfi为第i 组裂缝的体积密度，m2/m3。

4.4 渗透率

依据裂隙弹性理论，在二维裂隙平面内，流体垂直于裂隙平面的渗流或渗透可以忽略［20］，从而可以使用平板渗流模型来计算单元体中裂缝的渗透率。利用上述方法，即可求取裂缝及其主要参数随构造的分布情况，从而达到定量描述裂缝的目的。

5 构造裂缝定量描述实例应用

图2a为某气田F 区块构造剖面的简化图。该构造的地层包含5 个组，分别是L1—L5。根据实测地应力结果，最大主应力为水平方向，方位东北75～89°，此模型剖面主要受较大的东西向外挤力。在实际钻井过程中，钻至L4 组时漏失情况尤其严重。现以L4 组为例进行有限元分析，对该层的构造裂缝定量描述。其中，L4 组的平面分布如图2b所示，弹性模量为32 GPa，泊松比为0.26。

图2 F 区块构造

从应力场分布可以看出，背斜构造或褶皱构造顶部的应力值明显大于其他区域，出现了应力集中现象，也说明这些区域的应力作用更为强烈，对岩石的破坏作用也更为强烈（见图3）。

图3 F 区块L4 组构造裂缝的应力分布

以计算得出的应力分布为基础，选取摩尔-库伦准则和格里菲斯准则作为岩石破裂判据，结合构造裂缝定量计算方法，即可得到裂缝参数。F 区块L4 组裂缝开度的预测结果如图4所示。在褶皱构造的核部及高陡构造的顶部，裂缝开度明显大于其他区域，其最大开度预测值达到了0.5 mm 数量级，已经属于大开度裂缝，钻遇此位置时极易发生漏失。计算得到裂缝开度，不但有助于漏失量的计算，而且可以为堵漏材料类型及尺寸的选择提供依据。

图4 F 区块L4 组构造裂缝的开度分布

图5为F 区块L4 组构造裂缝的孔隙度及渗透率分布，孔隙度和渗透率的分布情况与裂缝开度的分布情况保持了高度一致性，即裂缝开度较大的区域其孔隙度和渗透率值也较大。其中，在顶部位置孔隙度达到25%左右，渗透率也达到了50×10-3μm2。图6分别为东西向、南北向和总的裂缝线密度分布，与图3类似，高陡构造顶部的裂缝线密度明显大于其他区域，总线密度可达到0.55 条/m 以上。

图5 F 区块L4 组构造裂缝的孔隙度及渗透率分布

图6 F 区块L4 组构造裂缝的线密度分布

通过以上分析，得到了F 区块L4 组构造裂缝关键参数的分布情况。采用同样的方法，对L1，L2，L3，L5组进行有限元分析，即可得到整个构造不同位置的构造裂缝关键参数。依据整个构造上裂缝的开度、 孔隙度、渗透率及线密度的计算值，结合渗流力学理论，就能够对此高陡构造不同位置的漏失情况进行预测。

6 结束语

对高陡构造易漏地层构造裂缝的定量描述，使得钻前漏失的定量预测成为可能，也有助于堵漏材料类型和尺寸的选择。针对高陡构造区域地质构造特征，应用有限元基础理论，通过建立区域地质构造模型，应用岩石力学、断裂力学和损伤力学理论，结合岩石的破裂判据，确定裂缝的发育区域及裂缝参数，从而得出此区域构造裂缝的分布情况及变化规律，并对裂缝进行评价。裂缝开度、孔隙度、渗透率及线密度分布结果与各类应力的分布结果一致，即应力作用较大的区域，裂缝开度、孔隙度、渗透率及线密度就越大，反之则越小。对高陡构造易漏地层钻前构造裂缝的定量描述，为漏失量的钻前预测、防漏措施的准备提供了科学依据。

［1］徐同台，刘玉杰，申威.防漏堵漏技术［M］.北京：石油工业出版社，1997：37-43.

［2］杜青才.准格尔南缘复杂构造地质力学分析与井下复杂机理研究［D］.南充：西南石油学院，2004.

［3］Van C D，Blake L D.Aphron-base drilling fluid：Evolving technologies for lost circulation control［R］.SPE 71377，2001.

［4］杨勉，徐梓洋，杨柏松，等.贝尔凹陷基岩潜山致密储层裂缝分布预测［J］.石油与天然气地质，2014，35（2）：253-257.

［5］邓金根，张洪生.钻井工程中井壁失稳的力学机理［M］.北京：石油工业出版社，1998：10-13.

［6］陈勉，金衍，张广清.石油工程岩石力学［M］.北京：科学出版社，2008：91-93.

［7］杨红，许亮，何衡，等.利用测井、压裂资料求取储层地应力的方法［J］.断块油气田，2014，21（4）：509-512.

［8］车明光，杨相同，刘雄飞，等.天然裂缝滤失计算和控制技术研究［J］.断块油气田，2014，21（2）：262-265.

［9］石林.易漏地层的漏失压力分析［J］.石油钻采工艺，2010，32（3）：40-44.

［10］李术才.复杂应力状态下断续节理岩体断裂损伤机理研究及其应用［J］.岩石力学与工程学报，1999，18（2）：2011-2017.

［11］胥永杰.高陡复杂构造地应力提取方法与井漏机理研究［D］.南充：西南石油学院，2005.

［12］胡明，廖太平.构造地质学［M］.北京：石油工业出版社，2007：54-68.

［13］魏嘉，唐杰，岳承祺，等.三维地质构造建模技术研究［J］.石油物探，2008，47（4）：319-327.

［14］葛洪魁，王爱国.修正Holbrook 地层破裂压力预测模型［J］.石油钻探技术，2001，29（3）：20-22.

［15］Hedio Santos. Consequences and relevance of drilling vibration on wellbore stability［R］.SPE 52820，1999.

［16］王本强，秦启荣，范存辉，等.元坝地区中部珍珠冲段储层裂缝综合预测［J］.断块油气田，2013，20（6）：719-722，741.

［17］Gazaniol D. Wellbore failure mechanism in shales：Prediction and prevention［J］. Journal of Petroleum Technology，1995，47（7）：589-595.

［18］季宗镇，戴俊生，汪必峰.地应力与构造裂缝参数间的定量关系［J］.石油学报，2010，31（1）：68-72.

［19］宋慧珍，贾承造，欧阳健，等.裂缝性储集层研究理论与方法：塔里木盆地碳酸盐岩储集层裂缝预测［M］.北京：石油工业出版社，2001：12-40，255-265.

［20］白茅，刘天泉.孔隙裂隙弹性理论及应用导论［M］.北京：石油工业出版社，1999：113-116.