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139.断裂稳定性分析

导言

本文将重点介绍Petrel地质力学模块中的第二项高级应用:断裂稳定性分析 (Discontinuity Stability Analysis, 简称DSA) 。其中断裂 (Discontinuity) 是对断层 (Fault) 和天然裂缝 (Natural Fracture) 的统称。

无论是在裂缝型储层中作为主力渗流通道,还是断块油气田中的断层封闭性,亦或是生产过程中井筒和盖层的完整性评价,断裂系统在地质及工程研究中总是不可避免地成为关注的重点。在油气田勘探及开发的过程中,对断层和裂缝的应力状态的评价是至关重要的。DSA能够直接调用Petrel三维和四维地应力场模拟结果,揭示生产过程断裂面应力状态,为解决上述工程问题提供了有效的定量分析工具。

DSA功能介绍

一、揭示断层和裂缝激活状态

断裂面 (包括断层和天然裂缝) 的激活状态是工程中关心的问题。这是由于激活过程中的剪切及张开会改变断裂的水力可导性,也可能影响储层的水力分区及盖层的完整性。一般认为,当断裂面上的剪应力超过极限时就会被激活,刚刚达到激活的临界状态也被称为极限应力状态。DSA采用目前工程中最广泛使用的摩尔-库伦准则揭示断裂面激活状态。

在给定应力场条件下,DSA分析给定产状的断层 (裂缝) 面的剪应力及正应力,并通过摩尔-库伦准则来判定断裂面在此应力状态下是否会被激活。摩尔-库伦准则通过粘聚力和内摩擦角这两个参数,刻画了岩石和断裂面发生剪切破坏的力学行为。剪切力反映了引发断裂面发生滑动的力,粘聚力和摩擦力共同反映了断裂面上阻止滑动的力;当滑动力大于阻滑力时,断裂面被激活,发生剪切滑动。DSA软件的物理概念直观清晰,成果也易于理解。

二、支持一维或三维地应力场输入

DSA提供了两种地应力场输入形式,以满足不同用户的运算需求:

(1) 对于没有建立三维地质力学模型的用户,DSA提供了一维地应力输入格式,包括三向主应力梯度、孔隙压力梯度、水平主应力方向等。用户可以根据对区块的地应力认识、文献资料和已有的一维地质力学模型,对区块内断裂稳定性进行快速的初步评估,也可以通过调整应力梯度做敏感性分析。

(2) 如果已经完成三维地质力学建模和四维耦合模拟,那么DSA可以从三维应力场中直接提取断层和天然裂缝上的应力进行计算。整个分析可以对任意时间步开展,这样可以评价在不同时间节点生产扰动对断裂的影响。

三、多样化的定量评价指标

DSA提供了多样化的定量评价指标,便于用户快速识别断裂激活状态。这些指标包括:

• 滑动稳定性 (Slip Tolerance) :介于0~1之间表示断裂稳定,大于1表示被激活。

• 库伦破坏函数 (Coulomb Failure Function) :滑动力与阻滑力的差值。

• 临界孔隙压力及其变化量 (Critical Pore Pressure & Change) :激活当前断层或裂缝所需要达到的孔隙压力,以及孔隙压力的变化量。这对预测在注入或生产过程中为避免断裂激活而允许的工作孔隙压力十分有用。

• 极限应力状态位置 (Critically stressed fractures/fault locations) :断裂被激活的位置。

• 断裂面正应力 (Normal Stress) :与裂缝开度直接相关。

通过这一系列指标,DSA不仅可以判断当前的断裂激活状态,还可以预测保证断裂不被激活的安全废弃压力。

四、丰富的成果图形展示

DSA能够针对一条或多条断层、一组或多组天然裂缝分别展开分析,并将计算结果投影在断裂面上。如下图所示,用户可以在三维窗口中直接获取断层激活状态、临界孔隙压力等信息。

在对离散裂缝网络 (DFN) 的分析中,软件会生成新的一组DFN来区分激活裂缝网络及未激活裂缝网络。用户能够快速地过滤出被激活的天然裂缝,这也是工程中重点关注的对象。

软件也会生成摩尔-库伦图及赤平投影图来表征给定断裂处的稳定状态。摩尔-库伦图是从断裂面上拾取各采样点的应力值,并投影在应力坐标系中。如下图所示,这些采样点可以用滑动稳定性、临界孔隙压力和库伦函数值等不同的定量指标着色,反映区块内断裂面应力状态的统计结果。

赤平投影图是将断裂面倾向作为环向坐标、倾角作为径向坐标画出的极坐标图 (如下图所示) 。将断裂面上的采样点投影到这个坐标系中,并以相关的定量评价指标着色,可以清晰直观地判断出哪一类产状的断层或天然裂缝更容易被激活。

上述的摩尔-库伦图和赤平投影图使用的数据来自于断裂面上的多个采样点。如果将这些数据取平均值,那么可以在摩尔-库伦图中画出摩尔圆,代表了断裂面所在位置的平均应力状态。基于平均应力状态,DSA能够计算不同产状的断裂面稳定状况,并依据断裂面稳定性对赤平投影图进行颜色填充。下图中,红色区域表示这类产状的断层和裂缝在当前平均应力条件下最容易被激活。

五、相关案例

斯伦贝谢已经将DSA应用到国内高温高压裂缝性致密砂岩的裂缝长期导流能力研究、页岩气储层天然裂缝稳定性及其对钻完井品质的影响研究等。

通过灵活运用DSA工具,能够解决许多过去困扰工程界的难题。例如:

• 将裂缝应力状态与室内试验相结合,预测生产过程中地应力变化对天然裂缝和人工裂缝长期导流能力的影响。

• 通过计算天然裂缝激活状态,分析哪一类产状的裂缝容易引起钻井液漏失。

• 研究区块内断层和天然裂缝激活位置分布,选择合适的水平井着陆靶点。

结束语

DSA软件的优势在于: (1) 通过直观清晰的物理概念,刻画了断裂面滑动的力学特征,便于用户理解、掌握和应用; (2) 评价指标定量化,能够帮助用户快速识别容易激活的断层和天然裂缝; (3) 成果展示图件丰富,既包括三维直接成图,也包括摩尔-库伦图和赤平投影图等统计工具。在裂缝型储层长期导流能力、断层封闭性、水力分区、盖层和井筒完整性、钻完井品质评价等地质及工程问题研究中,DSA都具有广阔的应用前景。

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