基于水库结构的水力裂缝扩展研究：对北部鄂尔多斯盆地致密气藏井间距的影响

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Research on expansion of hydraulic fractures based on reservoir architecture: implications for well spacing in the northern Ordos Basin tight gas reservoir

本研究通过整合储层构造特征与不稳定状态裂缝力学模拟，量化沉积构造对 Lower Shihezi Formation 中部 Ordos 盆地北部的致密砂岩储层水力压裂扩展的影响。结果表明，河道间沙体促进裂缝扩展（平均半长165米），而泛滥平原泥岩则限制生长并增强封闭。垂直叠置模式（如多期河道间沙体叠置）通过使裂缝穿越薄泥岩分隔的叠置沙体，显著放大裂缝尺寸（高度达40米）。模型预测与微地震监测及压裂压力响应数据一致，证明纳入构造控制的预测方法可提高裂缝几何预测能力。基于模型裂缝范围和干扰诊断，提出层内间距>500米、层间间距>400米的井距优化建议。

　　

雷宝|陈琪|刘宇明|刘浩晨|赵明昊|刘新强|侯家根

中国石油大学（北京）石油资源与工程国家重点实验室，北京，102249，中国

摘要

辫状河紧砂岩储层通常表现出强烈的非均质性，这种非均质性受沉积构造（河道条带、辫状河道和泛滥平原泥岩）的控制。这种由构造驱动的非均质性导致弹性特性（如杨氏模量和泊松比）的空间差异，以及应力分布的不均匀性，从而引发复杂的水力压裂行为，包括不对称的裂缝扩展和可变的高度控制/突破。在本研究中，我们将储层构造特征与非稳态压裂力学（UFM）模拟相结合，以量化中国北部鄂尔多斯盆地下石河子组中构造对水力压裂的影响。我们构建了能够明确表示构造单元的3D地质-力学模型，并分析了八种理论情景和一个现场案例，考虑了平面/垂直构造分布、各向异性和应力阴影效应。模型预测结果通过微地震监测和压裂压力响应得到了验证。结果表明，河道条带和辫状河道砂体促进了裂缝扩展（平均半长为165米），而泛滥平原泥岩则作为屏障限制了裂缝扩展并增强了裂缝的控制效果。垂直层叠模式（例如，多期河道条带层叠）可以通过使裂缝穿过由薄泥岩分隔的砂体来显著放大裂缝尺寸（高度可达40米）。受构造控制的模拟结果与微地震观测结果更为吻合，表明该模型在预测裂缝几何形状方面具有更好的能力。基于模拟的裂缝范围和干涉诊断，我们建议在同一层内井间距应大于500米，在相邻层间井间距应大于400米，以减少井间干涉。

引言

紧砂岩储层的特点是孔隙度和渗透率低，这使得传统的能源开采方法无法满足工业开发的需求。自20世纪50年代以来，水力压裂作为一种提高生产能力的有效手段得到了快速发展，已成为提高低渗透率油气储层开发效率的关键技术（Cui和Radwan，2022；Yin等人，2024；Liu等人，2019；Ma等人，2018）。随着压裂技术的不断进步，许多学者在实验室实验、理论模型研究和数值模拟等领域进行了广泛的研究，并取得了实质性成果（Bunger和Cardella，2015；Wang等人，2015；Zhang等人，2019；Cheng等人，2013；Khan等人，2023；Sohail等人，2023）。

水力压裂理论和设计最初基于简化的均质介质假设，这些假设仍然是许多工程工作流程的基础。经典的平面应变水力压裂概念（通常与KGD框架相关）可以追溯到Kristianovitch和Zheltov（1955年），他们建立了粘性流体流动与裂缝开启之间的关键关系。对于高度有限且垂直延伸大致恒定的裂缝，Perkins和Kern（1961年）开发了一个实用的宽度模型（PKN系列的基础），而Geertsma和de Klerk（1969年）提供了一种快速估算裂缝宽度和范围的方法用于现场设计。Nordgren（1972年）进一步考虑了流体损失，并提供了垂直水力压裂扩展的数值/渐近解。这些基础研究使得裂缝几何形状的预测变得可行，但它们本质上依赖于理想化的地层和力学均匀性。Detournay（2004年）对扩展机制和主要物理控制因素进行了更全面的综合分析，强调了粘度、韧性和渗漏如何控制裂缝扩展，从而明确了简化模型在哪些情况下会成功或失败。

过去二十年的现场诊断反复表明，非常规储层中的水力裂缝远比单一平面裂缝复杂得多。微地震监测已成为推断刺激体积、裂缝几何形状和复杂性的关键技术，Maxwell（2014年）总结了微地震项目设计和解释的实际指导原则。

受这些观察结果的启发，建模方法从单一平面裂缝表示发展为能够捕捉裂缝-裂缝干涉、应力阴影效应以及水力压裂与天然裂缝相互作用的模型。对于水平井中的密集穿孔和阶段间距，应力阴影引起的重新定向和干涉尤为重要。Roussel和Sharma（2011年）量化了开启裂缝周围应力重新定向的空间范围，并证明新裂缝可能会因干涉而发生偏移，这意味着间距和顺序可以显著改变裂缝几何形状。对于天然裂缝地层，非传统压裂模型（UFM）及相关复杂网络方法被开发出来，用于模拟多个相互作用的裂缝分支及其与流体流动和岩石变形的耦合。Weng等人（2011年）提出了一个模型来模拟天然裂缝地层中的水力压裂网络扩展，明确指出了单一平面模型在复杂裂缝扩展方面的局限性。采用相同的建模理念，Wu等人（2012年）强调了应力阴影效应在相互作用裂缝网络中的作用，而Kresse等人（2013年）提供了复杂天然裂缝地层中水力压裂相互作用的数值建模，并详细介绍了这些网络中的应力阴影计算策略。重要的是，实验室和矿井反演观察还表明，机械不连续性和层理可以阻止、改变或限制裂缝扩展；Warpinski和Teufel（1987年）记录了地质不连续性如何影响裂缝扩展，进一步强调了地层/构造边界不仅是流动屏障，也可能是裂缝屏障。

尽管取得了这些进展，许多压裂模拟仍然以简化的方式处理储层非均质性——要么将其视为均质层，要么视为随机属性场——而没有明确将非均质性与沉积构造联系起来。在辫状河储层中，构造单元及其边界表面负责岩相和岩石属性的系统空间组织（Miall，1985）。标准的随机建模方法可以表示不确定性，但需要地质约束来保持真实的连通性和边界；Pyrcz和Deutsch（2014）提供了地质统计储层建模和不确定性量化的综合处理方法。因此，一个关键的剩余挑战是将受构造约束的非均质性整合到裂缝网络模拟中，以便预测的裂缝几何形状、控制效果和干涉更好地反映地质现实。

在本研究中，我们专注于中国北部鄂尔多斯盆地杭锦旗地区的下石河子组紧砂岩储层。我们将储层构造分析与基于UFM的裂缝网络模拟相结合，在受构造控制的非均质框架中进行三维水力压裂建模。通过量化裂缝扩展和网络几何形状对构造界面和力学性质空间变化的响应，本研究旨在为地质复杂的辫状河紧砂岩储层的井位优化和后续压裂设计提供实际指导。

部分摘录

地质概述

鄂尔多斯盆地是中国第二大沉积盆地，富含油气资源，位于华北陆架上，属于多旋回克拉通盆地（Fu等人，2021；Liu等人，2021）。整个鄂尔多斯盆地的特点是西部较低，东部较高，边缘有广泛的断层，内部断层活动较少（Zhao等人，2023）。鄂尔多斯盆地的结构特征明显，并分为

数据和方法

本研究旨在通过将地质特征与地质力学分析相结合，评估研究区域的储层非均质性及其对水力压裂扩展的影响。该方法遵循一个系统的多步骤工作流程，包括：（i）基于露头观测和多井数据的构造单元分析；（ii）岩心尺度的岩石物理和力学性质测量；（iii）构建一个耦合的三维

结果

本研究选择了中国北部鄂尔多斯盆地杭锦旗地区的一个实际紧砂岩气藏作为案例研究。该储层的典型特征是低孔隙度（<15%）和低渗透率（<1mD），储层非均质性相对较强（渗透率非均质系数>3，渗透率变化系数>0.7）。

讨论

本研究的结果表明，储层构造对北部鄂尔多斯盆地紧砂岩气藏中的水力压裂扩展具有显著的控制作用。通过将储层构造分析与UFM模拟相结合，本研究加深了对非均质辫状河系统中裂缝行为的理解，为优化水力压裂作业提供了关键见解。

结论

• (1)
  本研究通过将储层构造特征与UFM模拟相结合，为辫状河紧气藏建立了一个基于构造的信息水力压裂预测工作流程，使得裂缝扩展预测能够明确受到砂体连通性和泥质屏障分布的约束。
• (2)
  该方法通过模拟裂缝行为与微地震观测结果之间的一致性得到了现场验证，证明了

CRediT作者贡献声明

雷宝：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法论，概念化。陈琪：撰写 – 原始草稿，调查。刘宇明：撰写 – 审稿与编辑，方法论。刘浩晨：撰写 – 原始草稿，调查。赵明昊：撰写 – 原始草稿，数据整理。刘新强：数据整理。侯家根：撰写 – 审稿与编辑。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（编号：42172154和42472205）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。