库车坳陷博孜X区块超深储层有效裂缝分布规律及对天然气产能的影响

Effective Fracture Distribution and Its Influence on Natural Gas Productivity of Ultra-Deep Reservoir in Bozi-X Block of Kuqa Depression

摘要

为明确库车坳陷超深致密砂岩储层有效裂缝分布特征，基于古应力产生裂缝、现今应力影响裂缝有效性的原理，根据岩心资料和成像测井数据查明裂缝力学性质并拾取裂缝参数，通过构造恢复反演等效古应力、有限元方法预测现今应力场，并结合DFN离散裂缝网格建模，对库车坳陷克拉苏构造带博孜X区块超深致密砂岩储层裂缝进行预测.结果表明，博孜X气藏构造裂缝以未充填‒半充填的高角度剪切缝为主，局部发育小规模的张性裂缝，大多数裂缝形成于喜马拉雅晚期的快速强烈挤压作用；博孜地区地应力场从白垩纪到新近纪，随着北部力源传导的持续往南推进，应力高值呈现由北向南迁移的特点；博孜X气藏构造裂缝发育分布的非均质性极强，在北东部位的X104井区发育程度高，在南西部位的X103井区周围密度低，现今地应力对裂缝有效性影响显著，进而影响气井产能.博孜X区块裂缝形成受断层和褶皱共同控制，单从构造特征难以准确预测裂缝分布，而通过地质力学原理和方法预测裂缝具有较好的吻合度.在超深层储层，不能只通过孔隙度、储层厚度等因素来评价并预测气井产能的高低.

关键词

超深致密砂岩储层 / 裂缝预测 / 裂缝有效性 / 地质力学 / 库车坳陷 / 石油地质学

Key words

ultra-deep tight sandstone reservoir / fracture prediction / fracture effectiveness / geomechanics / Kuqa Depression / petroleum geology

0 引言

库车坳陷深层‒超深层油气资源非常丰富，已在克深、大北、博孜地区实现了勘探突破，是塔里木油田增储上产的重要领域（杨海军等，2021），其中克深2、博孜1等气藏的白垩系砂岩储层埋深超过 6 000 m，克深9、博孜8等气藏的储层埋深甚至超过8 000 m（张辉等，2020；江同文等，2021）.在我国西部地区，埋深超过6 000 m的储层一般被认为是超深储层.在如此深‒超深埋藏条件下，储层经历强烈的成岩压实作用和胶结作用变得极为致密，基质孔隙度约为4%~7%，渗透率往往不超过1 mD.然而，库车坳陷超深储层的构造裂缝普遍发育，属于裂缝性油气藏，构造裂缝极大改善了致密储层的渗透性，成为油气等流体重要的渗流通道（Liu et al.，2017a；王斌等，2021；王伟等，2021；杨海军等，2021；杨毅等，2021），裂缝参数也成为这类油气藏品质和产能的重要影响因素之一.由于裂缝的形成、发育分布是一个非线性、复杂、非均质的系统（董少群等，2020），受构造应力场、岩性、断层以及构造形态等多种因素控制（丁文龙等，2012；巩磊等，2017；毛哲等，2020；Ju et al.，2021），具有多尺度、多期次叠加的特点（曾联波等，2020）.因此，量化预测裂缝分布对油气井提产和油气藏高效勘探开发具有重要的实际意义（吕文雅等，2020）.

目前，储层裂缝的常规研究方法有野外类比法、岩心薄片观察法、地球物理法等（Liu et al.，2017b；Ju et al.，2019；刘敬寿等，2019；刘振峰等，2021；郑马嘉等，2022），上述方法侧重于描述、统计及形态刻画，对样本数量和资料品质要求极高.曲率法、二元法从岩石破裂机理入手，通过计算破裂值来预测裂缝的发育程度，也普遍应用于储层裂缝预测（周新桂等，2009；鞠玮等，2013；张博等，2022），但其未考虑多期应力对裂缝参数的影响，更多适用于单期裂缝发育的地区.基于能量守恒和岩石应变能的方法在复杂构造超深储层的裂缝研究中比较普遍，但是其难点在于古构造的恢复和古应力场反演，现有做法往往是采用现今构造模型替代古构造模型，未考虑古构造格架的影响（戴俊生等，2014；王珂等，2015；任启强等，2020）.

库车坳陷克拉苏构造带博孜X区块勘探程度较低，裂缝研究薄弱，特别是裂缝有效性方面的研究尚处于空白，制约超深层天然气勘探开发.因此，本文以单井裂缝描述为约束，通过三维构造恢复反演古应力场，明确古应力场的迁移规律，并考虑现今应力场对裂缝参数的影响，结合DFN离散裂缝网格建模，对博孜X区块裂缝进行预测，明确裂缝的发育、分布特征及有效性，并依据研究结果对研究区井位部署及高效开发等方面提出建议，提升开发效果.

1 地质概况

博孜X区块位于库车坳陷克拉苏构造带西部.库车坳陷是一个以中、新生代沉积为主的叠加型前陆盆地，划分为7个二级构造单元，克拉苏构造带位于库车坳陷从北部起第二排构造带，发育一系列由北向南逆冲的断层及近东西展布的断层相关褶皱（图1a）（管树巍等，2007；杨海军等，2020），具有“东西分段，垂向分层”的特点（谢会文等，2012）.自西往东构造变形差异明显，分为阿瓦特段、博孜段、大北段、克深段.西部的阿瓦特‒博孜西段表现为明显的“多层楼”状高度叠置的逆冲推覆构造，博孜东段逐渐为复合楔形叠瓦状构造（徐振平等，2012），断块结构趋于复杂，突发构造（冯许魁等，2015）极其发育（图1b）；而大北段‒克深段则表现为相对完整的叠瓦状构造.垂向上，受古近系库姆格列木群巨厚膏盐岩层的塑性流动影响，在挤压变形过程中发生分层收缩变形，盐上地层发生褶皱冲断并大幅抬升，与塑性盐层、盐下逆冲叠瓦地层组成了独特的地质结构.博孜X区块位于博孜段中部，白垩系地层在平面上为一系列北东‒近东西向的断背斜，北高南低、东高西低，内部发育数条与主干断层平行的小型断层，目前勘探开发程度较低（图1c）.

博孜X区块钻遇地层从上至下依次为第四系（Q），新近系库车组（N₂ k）、康村组（N_1-2 k）和吉迪克组（N₁ j），古近系苏维依组（E_2-3 s）和库姆格列木群（E_1-2 km），白垩系巴什基奇克组（K₁ bs）和巴西改组（K₁ bx）.其中白垩系巴什基奇克组和巴西改组是主要勘探目的层（图2），埋藏普遍超过6 000 m，为扇三角洲前缘、辫状河三角洲前缘沉积.巴什基奇克组自上而下分为第二岩性段、第三岩性段，缺失第一岩性段，巴什基奇克组第二岩性段的岩性组合特征为中厚‒厚层状褐色、灰褐色细砂岩、含砾细砂岩与薄‒中厚层状褐色泥岩、粉砂质泥岩呈等厚‒不等厚互层；局部厚层细砂岩中夹薄层中砂岩及泥砾条带；第三岩性段的岩性组合特征为厚‒中厚层状褐色细砂岩与薄‒中厚层状褐色泥岩、粉砂质泥岩呈不等厚‒略等厚互层.巴西改组上部岩性以薄‒中层状褐色泥岩与灰褐色细砂岩、粉砂岩呈不等厚互层为主，夹薄层状灰褐色泥质粉砂岩；下部岩性以薄‒中层状褐色泥岩、粉砂质泥岩为主，夹灰褐色细砂岩.

白垩系储层平均孔隙度约7%，渗透率总体平均约0.3 mD.博孜X区块探井测试样品分析表明，甲烷含量高，体积分数平均为85.21%，非烃气体含量低，氮气和二氧化碳含量低，体积分数平均约为3%，不含H₂S，为典型凝析气.

2 储层天然裂缝特征及形成期次

从博孜X区块多口取心井的岩心和铸体薄片可见，博孜X区块白垩系巴什基奇克组和巴西改组天然裂缝比较发育，剪切缝和张性缝均有发育，呈现为不同的特征：剪切缝一般缝面平直、开度较小（0.1~0.2 mm），且延伸较长，局部被方解石、石膏等充填；张性缝往往缝面粗糙，开度大（>2 mm），延伸距离短且多被充填.从铸体薄片上可见颗间微裂缝、粒缘缝，以及切穿颗粒及胶结物的剪切缝，大多与基质孔隙连通，改善储层孔隙结构（图3）.

区内典型井的成像测井图像分析显示，目标层裂缝的组合关系更为直观，包括平行式、斜交式以及网状式等（图4）.

综合多种方法对多口井的裂缝参数进行分析统计（图1c），博孜X区块的天然裂缝多为构造成因，发育程度不一，裂缝走向总体呈近N-S向和NW-SE向，部分为近EW向.裂缝倾角多大于70°，开度多介于0.1~2 mm，其中半充填‒未充填裂缝占优，具有多期成因的特点，充填裂缝的充填物主要为方解石.

基于裂缝交切关系和前人研究，认为博孜X区块的裂缝形成于3期（曾联波等，2004；袁静等，2015；于璇等，2016；王珂等，2020）：第一期裂缝形成于白垩纪末期‒新近纪吉迪克组沉积时期，在近南北向伸展作用及短暂弱挤压抬升作用下形成少量近东西走向的张性裂缝和近南北走向的剪切裂缝，但这期裂缝已被方解石等矿物完全充填，基本属于无效裂缝，对产能的贡献很低；第二期裂缝形成于新近纪康村组‒库车组沉积早期，在近南北向挤压作用下，形成一定数量的近南北走向的剪切裂缝，以半充填缝为主，有效开度小，对产能的贡献有限；第三期裂缝形成于新近纪库车组沉积晚期，在近南北向强烈挤压推覆作用下，地层发生强烈弯曲和逆冲构造，包括博孜X区块在内的克拉苏构造带最终定型，这一期形成的裂缝主要包括近南北挤压应力作用下的剪切裂缝和背斜弯曲变形作用下的近东西走向张性裂缝，数量多、开度大、充填程度低，有效性好，对气井产能的贡献高（王招明等，2016）.

3 基于地质力学的裂缝预测

博孜X区块主要发育晚白垩世以来的三期裂缝，且以第三期裂缝为主，因此从地质力学角度，遵循古应力产生裂缝、现今应力改造裂缝的原理（季宗镇等，2010），开展研究区裂缝预测.然而，库车坳陷克拉苏构造带为逆冲叠瓦的大变形构造，其形成经历了复杂的构造演化，传统的考虑力学成因的裂缝预测方法面临两大难题：一是大变形高叠置构造的建模问题，传统的建模只重点关注目的层，以构造边界断层为界进行描述，缺乏上覆地层、侧向地层等对目的层应力场的影响.二是古应力大小确定的问题，古应力不易通过测试直接获得，并具有多期性的特点；近年多数学者采用“等效古应力”这一概念（王珂，2014），即能够产生“密度与现今状态下相当”的裂缝的古应力，但是忽略了古模型的恢复，利用现今模型进行古应力场反演，该简化方式导致数值模拟结果偏离实际.

由于博孜X区块所处的克拉苏构造带在强烈挤压推覆作用下地层发生了巨大变形，形成一系列断层相关褶皱，从库姆格列木组沉积时期距今的缩短量达35 km（高麟等，2020），因此，本次研究通过构造恢复反演古应力场.

基于三维构造恢复的古构造模型和古应力场，结合岩石破裂准则，建立（古）应力和裂缝参数之间的关系，以单井裂缝参数为约束，即可预测古构造运动产生的裂缝规模及分布特征（图5）.

3.1　全层系地质力学模型构建

全层系地质建模充分考虑了上覆地层和围岩对目的层地质力学参数的影响.鉴于逆冲叠瓦构造的复杂性，本文主要采用基于体元的构造框架建模技术，克服了传统建模方法中由于小层厚度剧烈变化造成层面间不合理交错的问题.在模型构建时，首先利用输入数据创建四面体网格模型，然后在该四面体网格模型内计算能代表所有输入数据的同层序的等时属性，该网格属性在整个构造框架内连续分布、断层处不连续，并尽量减少倾角和厚度变化的影响.等时网格属性模型建立好后，根据输入数据来提取对应位置处的属性，从而得到构造框架内的层位，并进一步建立地层模型.

该模型包含第四系到白垩系，纵向跨度超过8 000 m，包括31条断层.对构造模型进行网格划分，原则上网格越小结果越精确，但会导致运算效率降低，因此权衡之后，设置网格尺寸为 100 m，模型共划分24 818 238个网格.随后在网格内赋予不同的力学参数，构建出研究区地质模型.对非目的层按照不同层系赋予不同的均质岩石力学参数（表1），而目的层则赋予通过井点约束的相属性建模方法获得的非均质岩石力学参数（图6）.

3.2　三维构造恢复方法与结果

研究区为强构造变形区，裂缝的形成发育与褶皱、断层发育密切相关，采用三维地质力学模型恢复充分考虑了岩层力学性能对构造变形的影响，区别于传统的几何学和运动学分析方法.该方法主要采用构造变形中的机械和物理准则进行构造恢复，由于模型考虑了变形和力学效应，因此可以计算地质体在某一地质时期的几何特征和应变，所得到的三维空间内的恢复应变状态，可用于研究地层力学结构对构造生长过程的影响；再根据这些算法进行层拉平，并层层回剥，来研究构造演化过程，同时得到不同时期的古应力场.

另外，该方法基于线弹性岩石力学理论，将地层、断层与构造变形结合，考虑了在构造恢复变形过程中的地层去压实效应（管树巍和何登发，2011）.

假设岩石孔隙的变化只是由于静岩压力作用，忽略流体溶蚀等作用，利用Sclater-Christie的经验公式建立孔隙度（ϕ）与埋藏深度（z）的关系（邱楠生等，2020）：

\varphi ( z ) = {\varphi }_{\mathrm{0}} {\mathrm{e}}^{-kz}，(1)

其中ϕ ₀为初始孔隙度，%；k为系数.现今孔隙度（ϕ _day）和恢复之后岩石孔隙度（即古孔隙度，ϕ _pass）之间的差值主要是由压实作用导致的垂向应变（ε _d），即：

{\epsilon }_{\mathrm{d}} = {\varphi }_{\mathrm{d}\mathrm{a}\mathrm{y}} - {\varphi }_{\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{s}}，(2)

将去压实与上覆应力联系起来，先获取现今条件下的孔隙度，然后计算获取恢复高度得到压实曲线上的古孔隙度（ϕ（z））：

{\sigma }_{\mathrm{V}} = \frac{\rho g}{\mathrm{1}-{\varphi }_{\mathrm{0}}} ( z + \frac{\varphi (z)-{\varphi }_{\mathrm{0}}}{k} )，(3)

其中， {\sigma }_{\mathrm{V}}为地层上覆应力，即垂向主应力，MPa；ρ为岩石密度，g/cm³.

针对研究区同时发育褶皱和断层的特点，在构造恢复的过程中需要同时考虑断层恢复和褶皱恢复.断层恢复就是维持褶皱的基本形态下，只将断层设为滑动界面，使断层上、下盘通过三维滑动消除断距；褶皱恢复是将地层的褶皱变形“拉平”，而断距的影响不做处理.

基于上述方法原理，利用Dynel 3软件逐层剥除恢复后可得到不同时期地质构造特征（图7）.整体上，研究区构造演化可主要分为2个古应力期次，第一期次是吉迪克期以前，第二期次为吉迪克期以后，每个期次内随着北部力源传导的持续往南推进、研究区内的应力高值呈现由北向南迁移的特点.

具体来看，对于断层影响产生的强应变区，其分布主要受断层规模及伴生构造影响，断层断距较大的部位以及逆断层上盘发育强应变；而褶皱造成的影响主要体现在褶皱核部应变最强（图7）.

3.3　裂缝分布和有效性预测

根据构造恢复计算的应力场与应变场来预测与之相关的裂缝发育分布状态.戴俊生教授团队（季宗镇等，2010；冯建伟等，2011）基于岩石破裂准则、岩石应变能理论、能量守恒定律，从储层裂缝形成与发育的控制因素出发，建立了裂缝形成时期的构造应力与裂缝开度、线密度、体密度等参数的定量表征关系.

为了建立复杂应力状态下应力、应变与地下岩体裂缝主要参数开度、密度的关系，选取表征单元体（REV，Represent Element Volume；图8）进行分析.经分析获取的三向挤压应力作用环境下的应力与裂缝发育程度的关系为（汪必峰，2007）：

\left\{\begin{array}{l}{D}_{\mathrm{v}\mathrm{f}}=[{{\sigma }_{\mathrm{1}}}^{\mathrm{2}}+{{\sigma }_{\mathrm{2}}}^{\mathrm{2}}+{{\sigma }_{\mathrm{3}}}^{\mathrm{2}}-\mathrm{2}\mu ({\sigma }_{\mathrm{1}}+{\sigma }_{\mathrm{2}}+{\sigma }_{\mathrm{3}})-{{\sigma }_{\mathrm{p}}}^{\mathrm{2}}+\\ \mathrm{2}\mu ({\sigma }_{\mathrm{2}}+{\sigma }_{\mathrm{3}}){\sigma }_{\mathrm{p}}]/(\mathrm{2}EJ)\\ D_{\mathrm{l}\mathrm{f}}=\frac{\mathrm{2}{D}_{\mathrm{v}\mathrm{f}}{L}_{\mathrm{1}}{L}_{\mathrm{3}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta -L_{\mathrm{1}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta -L_{\mathrm{3}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta }{L_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}\theta +L_{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}}\mathrm{c}\mathrm{o}{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}\theta }\\ b=\frac{\left|{\epsilon }_{\mathrm{3}}\right|-\left|{\epsilon }_{\mathrm{0}}\right|}{D_{\mathrm{l}\mathrm{f}}}\end{array}\right.，（4）

式中：D _vf为裂缝体密度，m²/m³；D _lf为裂缝线密度，条/m；J 为裂缝表面能，J/m²；ϕ为内摩擦角，°；C ₀为内聚力，MPa；E为弹性模量，GPa；µ为泊松比；σ ₁、σ ₂、σ ₃ 是3个主应力，MPa；σ _p为岩石破裂应力，MPa；θ为最大主应力与裂缝之间的锐夹角，°；L ₁、L ₂和L ₃为表征单元体的边长； ε为应变；b为裂缝开度，mm.

在剪应力和正应力共同作用下，处于临界滑动状态的裂缝具有更好的渗流能力，因此可以将裂缝面剪切变形活动能力高低作为判断有效裂缝的标志之一.现今三向主应力作用在先存的天然裂缝面上时，可分解为一个垂直于裂缝面的有效正应力σ _ne和一个平行于裂缝面的剪应力τ，这两个应力是控制天然裂缝地质力学响应的主要因素，每个处于临界滑动状态的裂缝结构面满足如下关系：

\frac{\tau }{{\sigma }_{\mathrm{n}\mathrm{e}}} = \mu.（5）

剪应力与正应力之比τ/σ _ne影响裂缝面的滑动，不仅是反映裂缝结构面滑动的参数，也是反映裂缝渗透性能和流体的重要指数（江同文等，2021）.一般而言，当剪应力与正应力之比τ/σ _ne大于摩擦系数0.6时，裂缝面则发生剪切滑移，可认为此时的裂缝为开启状态，即有效裂缝，否则为无效的闭合状态（Zoback， 2007）.

对于公式（5）中的正应力与剪应力，可以通过裂缝面与主应力场之间的关系定义（Zoback， 2007）：

\tau = n_{\mathrm{11}} n_{\mathrm{12}} {\sigma }_{\mathrm{1}} + n_{\mathrm{12}} n_{\mathrm{22}} {\sigma }_{\mathrm{2}} + n_{\mathrm{13}} n_{\mathrm{23}} {\sigma }_{\mathrm{3}}，（6）

{\sigma }_{\mathrm{n}\mathrm{e}} = n_{\mathrm{11}}^{\mathrm{2}} {\sigma }_{\mathrm{1}} + n_{\mathrm{12}}^{\mathrm{2}} {\sigma }_{\mathrm{2}} + n_{\mathrm{13}}^{\mathrm{2}} {\sigma }_{\mathrm{3}} - P_{\mathrm{p}}，（7）

式中：n_ij 为方向余弦，定义裂缝面上某一点的应力张量为 A ：

\mathit{A} = \left[\begin{array}{ccc}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\gamma \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\lambda & \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\gamma \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\lambda & -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\lambda \\ -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\gamma & \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\lambda & \mathrm{0}\\ \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\gamma \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\lambda & \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\gamma \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\lambda & \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\gamma \end{array}\right]，（8）

式中：σ ₁、σ ₂、σ ₃分别为最大、中间、最小主应力，MPa；γ是裂缝面法线和最小主应力σ ₃的夹角，°；λ是σ ₁-σ ₂平面内裂缝走向投影与σ ₁的夹角，°.根据上述方法，可以在天然裂缝三维分布定量预测基础上，利用地应力张量与裂缝产状之间的关系，明确裂缝有效性好（有效裂缝具有高剪应力与正应力之比τ/σ_ne）的发育位置和产状信息.

基于构造恢复、古应力场模拟（图7）以及应力‒裂缝关系构建（公式4），并以单井裂缝密度为约束，开展裂缝预测.需要说明的是，博孜X地区裂缝以第三期裂缝为主，因此做裂缝预测时采用的是第三期古应力.基于地质力学的裂缝预测结果利用裂缝离散片（DFN）的方式呈现，并根据公式（5）~（8）进而预测了裂缝有效性（图9），其中裂缝片的尺寸大小代表裂缝尺度，裂缝片的疏密代表裂缝密度，裂缝片的颜色代表剪应力与正应力之比，暖色代表高值、冷色代表低值.

在博孜X区块南西部位裂缝发育程度整体低于北东部位，尤其是在X104井附近裂缝较为发育，而在中部的X103井区裂缝发育程度相对较低；褶皱、断层等局部构造对裂缝发育特征和分布规律具有明显控制作用.具体而言，由褶皱主要影响和控制的裂缝集中在背斜核部附近，主要是岩石张性破坏的区域，裂缝预测结果也同样显示背斜核部裂缝以平行于轴线或与之呈一定的夹角为主，褶皱作用影响明显；对于断层控制下形成的裂缝，逆冲断层的上盘是其主要发育的位置.另外，裂缝分布具有很强的非均质性，同处背斜高部位的X13井与X104井，裂缝发育程度差异明显；裂缝的有效性受现今地应力和断层等构造影响，有效性好的裂缝呈零星分布，在断层发育区裂缝有效性总体较好（图9）.综上，博孜X区块裂缝形成受断层和褶皱共同控制，若单从构造特征难以准确预测裂缝分布，而通过地质力学原理和方法预测裂缝具有较好的吻合度.

表2为8口井的裂缝预测结果与实际统计结果的对比，其中吻合度（r）的计算方法如下：

r = \left(\mathrm{1}-\left|\frac{D_{\mathrm{m}}-D_{\mathrm{c}}}{D_{\mathrm{m}}}\right|\right) \times \mathrm{100} \mathrm{\%}，（9）

式中，D _m为实际统计的井筒裂缝密度，条/m；D _c为数值模拟预测的裂缝密度，条/m.可见吻合度在83.33%~92.11%之间，整体上预测结果可反映研究区裂缝发育分布状态.

3.4　裂缝开启压力

压裂改造以最大限度沟通井周裂缝是超深储层增产的一项重要措施.随着高压流体注入，若裂缝两侧的岩体发生相对滑动进而呈开启状态，此时的裂缝对油气从井周运移到井筒起到了积极作用，则认为是有效裂缝；若在当前工程条件的上限压力下，裂缝仍然无法达到开启状态，则无法起到沟通井周‒井筒作用，认为是无效裂缝.为了明确裂缝在高压注入条件下的有效性，本文根据库伦‒纳维叶准则和摩尔图解，模拟裂缝的临界开启压力.其原理是Barton、Zoback等提出的临界应力断层假说（Barton et al.， 1995；Zoback and Peska， 2019），只有达到临界应力的裂缝才具有渗透性，是否达到临界应力是由裂缝面的摩擦强度决定的，即裂缝面剪应力和有效正应力的比值.Zoback基于Byerlee的实验结论总结出裂缝面摩擦系数小于0.6的裂缝，不具有渗透性.图10为临界应力裂缝假说示意图，表明只有部分裂缝处于临界应力的优势状态（标为红色），在三维莫尔圆中这些裂缝均处于莫尔圆的上部（标为红色的“+”），即莫尔‒库仑破坏线上方，摩擦系数大于0.6.由于有效正应力σ _ne=σ _n-P _p，通过水力压裂增大孔隙压力可以增强裂缝剪切滑移（摩尔圆向左移动），增大裂缝开启率，从而提高裂缝渗透性.

X103井的裂缝开启性模拟结果表明（图11），当井底净压力梯度分别为1.96、2.05、2.15 MPa/hm时，裂缝开启率约5%、24%、50%.X101-2井的裂缝开启性模拟结果表明（图11），当井底净压力梯度分别为1.90、2.05 MPa/hm，裂缝开启率约10%、82%.一般来说，2.05 MPa/hm是工程上能够实现的压力梯度上限，所以X101-2井的裂缝整体有效性好，比较容易动用，压裂过程中裂缝开启性比较好，可采用小型酸化酸压的改造方式，解堵疏通天然裂缝；而X103井裂缝整体有效性差，开启难度较大，则需采用大规模加砂压裂的方式人工造主缝.

4 有效裂缝对气井产能的影响

超深层致密砂岩储层的气井产能差异非常大，甚至同一区块相邻的两口井，产量差异也非常明显.表3为博孜X区块典型气井的基本参数和日产气量，可以看出，8口井的平均孔隙度比较接近，钻揭目的层厚度差异也不大，但日产量却相差数倍.图1的井点位置显示X102井和X102-2井相邻，平均孔隙度接近，X102井钻揭砂体厚度更大，然而日产气量却只有X102-2井的1/6.因此，储层孔隙度和厚度等传统参数无法很好地表征储层品质和产量高低.

然而，在地质力学分析基础上，建立了博孜X区块典型气井裂缝相关参数与气井日产气量的关系，如图12可见，气井的日产气量与裂缝开启压力、裂缝密度、裂缝面的剪正比、裂缝面的正应力都有比较好的相关性，特别是与裂缝面的剪正比、正应力的关联更好.由此认为，现今地应力作用下的裂缝有效性及裂缝发育程度与气井产量呈明显的正相关，裂缝发育且有效性越好，气井产量越高.孔隙度、储层厚度对气井产量的影响不及裂缝带来的影响明显，不能只通过孔隙度、储层厚度等因素来评价并预测气井产能的高低.

鉴于此，超深层致密砂岩储层的高效勘探开发在于裂缝甜点的预测.对于博孜X区块，基于裂缝分布和活动性预测结果，结合石油地质条件和储层分析，建议在裂缝密集带、有效性好（裂缝面剪正比高）且现今地应力值较低的部位部署新井.

5 结论

（1）博孜X气藏构造裂缝比较发育，总体以高角度‒近直立的剪切缝为主，大多未充填‒半充填，局部发育小规模的张性裂缝，喜马拉雅晚期的快速强烈挤压作用是主要的造缝期.

（2）博孜地区地应力场从白垩纪到新近纪经历了规律性变迁，随着北部力源传导的持续往南推进，应力高值由北向南逐渐迁移.

（3）博孜X气藏构造裂缝发育分布的非均质性极强，褶皱、断层等局部构造对裂缝发育特征和分布规律具有明显控制作用，在北东部位的X104井区发育程度高，在南西部位的103井区周围密度低.

（4）现今地应力对裂缝有效性影响显著，进而影响气井产能，在超深裂缝性气藏，不能只通过孔隙度、储层厚度等因素来评价并预测气井产能的高低.

参考文献

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基金资助

国家重大科技专项(2016ZX05051)

中国石油天然气股份有限公司重大科技专项(2018E-1803)

中国博士后科学基金项目(2019M660269)