如何利用地质力学预测天然裂缝？
本文摘要：（由ai生成）
天然裂缝系统对非常规油气藏开发至关重要。鉴于传统地 震 预 测方法局限，地质力学预测天然裂缝三维展布成为重要手段。文章介绍了裂缝形成与主应力关系、古应力场研究预测裂缝方法，以及褶皱变形和断层相关裂缝的预测技术。这些技术有助于预测裂缝展布，优化水力压裂设计，提高开发效率。
随着非常规油气藏开发的蓬勃发展，天然裂缝系统的识别、预测及评价逐渐站到了非常规勘探开发整个工作的中心位置。因为天然裂缝的导流能力是非常规油气藏基质的数百倍到数万倍，所以非常规油气藏的甜点评价在很大程度上是天然裂缝的评价。同时，天然裂缝的存在会对水力裂缝缝网的扩展产生十分关键的影响，所以，忽略或者未能准确评价天然裂缝对水力压裂裂缝的扩展的影响，将会导致低效甚至失败的压裂设计。
过去30多年以来，天然裂缝的探测及评价主要是利用地震属性（例如方差、蚂蚁追踪以及各向异性）来“探测”天然裂缝的三维展布。但这些方法需要高信噪比、高品质的三维地震数据才能有相对可靠的结果。同时，近年来对很多油气藏产能特征的深入研究发现：即便三维地震品质很高，一些重要的天然裂缝带由于其特定的方向及角度，在地震上的响应甚至会比一些次要的裂缝更弱。所以完全依赖地震属性的天然裂缝预测也可能得到有误导性的裂缝评价成果。在这样的背景下，通过重现天然裂缝系统的形成过程，利用地质力学来预测天然裂缝的三维展布成为天然裂缝预测及评价的重要技术手段。
天然裂缝的地质力学预测原理
在构造应力作用下，岩石中可出现三种裂缝：张性缝、剪切缝和缝合线，由于它们的形成与主应力具有特定的角度关系，从而为通过研究古应力场预测构造相关的天然裂缝提供了理论基础。下图示意了理想的主应力及三种裂缝的相对关系，在实验室通过在无围压和有围压的条件下进行单轴压缩实验可以分别得到张性缝和剪切缝，缝合线则与最大主应力方向的压溶作用有关，可作为古应力的重要指示 (Nelson 1981)。
在研究构造裂缝时，我们通常关注的是构造事件对裂缝的影响，比如褶皱变形和断层，它们对局部地应力场的扰动会使得应力场和形成的天然裂缝更加复杂。预测褶皱变形相关的裂缝
在背斜的形成过程中，不同的构造部位会产生不同的应力扰动，比如一个背斜在“中和面”上下可出现拉张和挤压的应变特征 (Ramsay 1967)，从而形成不同的裂缝。随着基于地质力学的三维构造恢复技术的出现(Maerten，2006)，通过构造恢复反推褶皱变形过程，使得预测复杂褶皱不同部位的应变场、应力场以及相关的天然裂缝成为可能。
传统上常见的褶皱相关裂缝预测方法为曲率法。基于曲率的裂缝预测方法虽能够在一定程度上预测由于曲率增加导致的裂缝密度增加的趋势（见上图），但是这种方法不能考虑中和面上下应力背景的差异，因而难以预测一个褶皱在垂向上裂缝类型和密度的不同。而基于地质力学的三维构造恢复方法克服了曲率法的局限性。通常，三维构造恢复可被用来验证三维地震解释的合理性、研究三维构造变形过程，但如果仅仅是基于几何学的构造恢复难以考虑岩石变形的物理机制。而基于地质力学的三维构造恢复考虑了岩石变形的力学机制从而可以用来预测天然裂缝。下图为通过三维构造恢复预测天然裂缝的流程图，通过三维构造恢复可以计算相对应力大小和方位，从而为裂缝预测提供强度和方位趋势。
这一技术流程基于地质力学，需要解决的关键问题包括：1) 复杂构造的建模，通过VBM（基于体元的建模）技术来描述各种复杂构造，例如断展褶皱、牵引构造、叠瓦状褶皱冲断带、不整合等等；
2) 三维有限元构造恢复，通过四面体网格实现网格间形变与力学传递；
3) 通过线弹性理论模拟岩石变形过程；
4) 考虑不同的边界条件；
5) 地质力学参数的非均质性，可以体现不同岩性地层地质力学参数的差异；
6) 同时或分别考虑断距恢复以及褶皱变形的恢复。
预测断层相关的裂缝
断层对应力场的扰动可用下图 (Maerten and Maerten 2013) 来说明，通过边界元模拟发现岩石中的断层或裂缝附近会产生应力场的局部扰动，从而产生局部的拉张应力（红色）或挤压应力（蓝色），在断层附近，σ1主应力的方位也会发生偏转。在一处灰岩露头，可见局部拉张区存在张节理（见下图蓝色填充区域）而局部挤压区存在缝合线（见下图红色填充区域），这与模拟的现象基本一致。
通过以上原理图可以发现该方法主要适用于模拟在古应力场下断层对原场应力的扰动及由于应力集中形成的裂缝。在这一研究流程中，介绍三个要点。由于裂缝形成时的古应力场与现今地应力场不一定相同，如何获取古应力场信息是这一研究流程需要考虑的重要问题。对于地下储层而言，断层、褶皱走向、成像裂缝等信息都对古应力场的分析具有重要的指示作用。但要定量的描述一个古应力场，不仅需要主应力的方位也需要三个主应力的大小。为了简化这一问题，我们可以借鉴安德森断层理论重点关注不同应力场机制（正断层、走滑断层、逆断层）形成裂缝的产状差别。
假设一个主应力为垂直应力，通过简化为两个变量来描述地应力场，即σ=σ(θ,R)。其中θ为最大水平主应力的方向，R是应力比，即(σ2-σ3)/(σ1-σ3)，R的大小可以代表正断层、走滑及逆断层应力机制。由于边界元计算非常快速，我们可以在下图所示的二维坐标（应力方位和应力比）中计算成千上万次，从而获取各种可能的应力场与观测裂缝的匹配度（用颜色 区别），例如下图就代表着最大水平主应力为45°的正断层应力机制与观测到的裂缝产状匹配度最高。
断层可直接利用构造框架建模的断层成果。得益于构造建模技术的进步，处理各种复杂的断层和断层接触关系已经被简单的软件操作取代，无论是断层本身的复杂形态还是多条断层之间的截切关系都已实现准自动化建模。但在构造变形较大的区域，形成裂缝时的断层产状可能与现今不同，这种情况下可以借助前述三维构造恢复技术来计算断层古产状。相对于有限元模拟，边界元模拟是一种快速的应力模拟算法（几秒到几分钟）。通过边界元模拟可快速获取受断层扰动的应力张量，进而为裂缝建模提供强度和方位趋势。下图展示了断层模型及边界元模拟预测的张性缝方位和应力，色标为最小主应力，值越小张裂缝发育的可能性越大。
通过有限元三维构造恢复和边界元应力场模拟预测裂缝的地质力学方法，在实际应用时结合深入的构造地质分析将有助于实现更可靠的裂缝预测。比如结合构造背景、岩心和成像资料确定裂缝的应力特性（张性缝，剪切缝等）从而进行裂缝分类，针对不同裂缝成因选择合适的预测方法。结语
目前在国内许多非常规油气藏的开发过程中，面临着甜点识别不清、压裂施工困难、压后产量参差不齐、压裂提产面临瓶颈等问题。究其根本原因，对天然裂缝系统展布及发育特征认识不清、裂缝系统的力学特性缺乏有效评价方法、及缺乏有针对性地利用人工裂缝和天然裂缝的相互作用机理来优化水力压裂是重要主控因素。为了有效解决这些问题，需要考虑采用基于地质力学的天然裂缝预测方法来预测天然裂缝系统的展布特征，填补由于地震品质不佳导致的三维天然裂缝认识的空白区及薄弱区，深化天然裂缝的发育机理及力学特性的认识，从而助力非常规油气藏的勘探开发及提产提速。
