基于文献分析的储层地质力学技术发展历程及现状研究

刘新，肖璇(大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712)

0 引言

国内外研究人员对“地质力学”有着不同的理解和认识。国内地质力学学科是李四光先生于20世纪40年代创立，属于地质学一门分支学科，是中国特有的大地构造学派，它从活动论的观点出发，利用运动力学原理研究地壳构造和地壳运动规律，也被称为地球自传速度变化说或者油气地质力学理论，代表人物康玉柱等，英文表述 Geomechanics。

国外地质力学是岩石力学与土力学的合称，最初研究岩石与土的力学行为，也称做岩土力学，研究领域与国内工程地质，岩土工程研究领域有重叠。岩土力学应用在石油工程后，主要研究对油藏、井筒及完井装置产生影响的应力与压力，因此地质力学被当前石油行业定义为综合岩石力学、地球物理、石油物理和地质学等多学科且由于应力、孔隙压力和地层温度变化引起的地壳岩石反应，也被称为油藏(储层)地质力学，指在油藏或储层开发中遇到的各种地质力学问题，代表人物Mark D, Zoback等，英文表述Reservior Geomechanics,Petroleum Geomechanics和Rock Geomechanics。

1 技术起源及发展历程

地质力学作为一门科学相对比较年轻，在石油行业的应用时间比较短暂。通过EI库和Scopus库的储层地质力学文献检索，目前可查的最早文献始见于1968年，是美国纽约Springer出版社收录的MUELLER ED L及FAIRHURST ED C于1967年10月26—27日发表在奥地利萨尔茨堡的奥地利地质力学学会第十七次研讨会上的一篇论文，名为《CURRENT PROBLEMS IN GEOMECHANICS AND THEIR THEORETICAL APPLICATIONS》[1](《当前地质力学问题及其理论应用》)。

最初，国外的地质力学研究用于采矿和城市工程建设，而当时的大多数钻井与生产部门没有特别关注地层应力和地质力学分析。随着油气资源量的不断递减以及油价的不断上升，作业者越钻越深, 油井轨迹越来越复杂。当评估钻井与开采存在困难时，作业者开始关注地质力学分析，尤其是那些在高温高压构造活跃探区或超深水探区安装了昂贵的完井装置并想竭尽全力保护其投资的作业者。不重视地质力学分析将会带来严重后果，例如：过量泥浆漏失、井筒失稳、套管挤压或剪切、油藏压实、地表下沉、出砂、断层复活、油藏盖岩失去密封性均是地层内应力发生变化的表现。

20世纪70—80年代，人工诱发地震在美国科罗拉Rangely油田(1970s)以及压实和沉降在北海Ekofish油田(1980s)应用，让世界石油行业的工程师们意识到地质力学在油藏范畴的作用。

20世纪80—90年代，地质力学研究正式引入油气行业，用来改善水力压裂和钻井作业效率，并迅速被众多石油公司认识和应用，成为快速增长的领域，并发展成整个石油勘探开发生产周期各领域都密不可分的分支技术，小如钻井和射孔用的PDC，大如油田和盆地模拟工作，都离不开地质力学应用，其成为油田开发方案的重要组成部分[2]。

2000年至今，随着美国页岩气革命成功并向世界蔓延，低孔低渗页岩储层开发引起研究人员对岩石力学各向异性的极大研究热情，正是这些油藏的敏感性和复杂性，使地质力学原理的应用变得更为紧迫，其在优化水力压裂工艺帮助页岩油气产量最大化发挥了关键作用[3]。这一领域是地质力学用于油田的最早领域，现在已经成为主要的应用领域。

2 技术现状

2.1 研究概况

基于EI库和Scopus库的储层地质力学文献检索结果，图1显示了当前世界主要国家历年储层地质力学文献发表数量对比情况，其中美国、加拿大、中国、英国的研究文献位居前列，尤其是美国储层地质力学的技术文献遥遥领先，研究应用力度最大。

图1 世界主要国家储层地质力学文献历年数量变化曲线

通过对比历年发文量前三位国家(美国、加拿大和中国)文献发现，美国储层地质力学研究较为系统，涉及水力压裂完井增产、地质力学模型与模拟、储层地质力学特征、地质力学评价与分析、提高采收率、油气藏优化管理以及钻井与井位优化。研究应用对象包括天然裂缝油藏、泥页岩非常规致密油气藏、深水油气藏、煤层气储层、稠油油气藏和碳酸盐岩油气藏。从文献看，地质力学建模、水力压裂和非常规页岩油气藏应用的研究力度最大。加拿大的储层地质力学研究范围也包括了上述内容，如：水力压裂、建模、特征及作用研究、提高采收率、油藏优化管理等，地质力学研究在非常规油气藏、碳酸盐岩、裂缝性油气藏、煤层气储集层也均有应用。中国文献重点在非常规油气藏，尤其是四川页岩气储层中地质力学模拟，在碳酸盐岩、煤层气应用有少量涉及。

2.2 研究领域

进入2010年以后，储层地质力学技术各分支领域研究进入快速发展阶段。通过对文献的分析归类，如图2所示，储层地质力学技术文献可以分成13个主要研究子领域，主要研究内容包括：(1)地质力学模型，包括建模方法、耦合模型、建模软件；(2)水力压裂、各种耦合模型及其作用；(3)地质力学特征分析，包括利用岩心、地震、测井等数据表征地质力学特征以及认识地质力学特征对油气藏的储层表征及完井设计的作用特征等。应用油藏类型主要包括裂缝性及页岩油气藏。

图2 储层地质力学主要研究分支及其历年文献数量曲线

2.3 研究热点：储层地质力学模拟方法

地质情况、井筒方位对于钻井和生产引起的应力变化之间的相互作用是一个复杂的三维过程。随着时间变化，这种相互作用不断变化，增加了相互作用的复杂性，例如：探井的钻井与测试、其他井的钻井与生产等。

20世纪50年代初期，基础数学模型问世，用于了解和预测加州Wilmimgton油田的沉降。20世纪80年代初期出现的有限元分析和更全面的计算机模型用于了解北海Ekofish油田的沉降。20世纪90年代，英国Bracknell的V.I.P.S(Vector国际处理系统，2007年4月被斯伦贝谢收购，更名为油藏地质力学卓越中心)公司研发了VISAGE应力分析模拟软件，用于北海及其他地区注水方向性分析。该软件可以求出岩石应力、孔隙压力与形变和油藏性质之间的关系方程解，采用了有限元模拟和有限差分模拟方法[3-4]，从而可以描述和模拟地质力学和流体流动随时间变化时的耦合特性，这是研发三维和时序四维岩石力学模型的关键。之后出现的岩石力学模型(MEM)不仅考虑油藏、还考虑上覆岩层、下伏岩层或油藏的岩石，以及应力边界条件的侧覆岩石或围岩，是成熟的数值模拟模型，需要输入大量参数。

3 结语

地质力学作为一门新兴学科，具有十分光明的应用前景，能够解决许多油气新发现带来的挑战，改善和集成油气田项目管理，可以将最前沿的影响油田生产动态的数值模拟技术引入到常规勘探开发中。斯伦贝谢等国际知名石油公司已经认识到地质力学学科的作用，并建立了相关的地质力学研究团队。正确应用储层地质力学，对常规和非常规油气资源的有效勘探开发具有重要意义。