做油氣藏數(shù)值模擬這幾年FracMan這套軟件在我手里的使用頻率相當(dāng)高。尤其是碰到頁巖、致密砂巖這類低孔低滲儲層時天然裂縫系統(tǒng)的分布幾乎決定了水力壓裂能不能打出理想的復(fù)雜縫網(wǎng)也直接關(guān)系到后期產(chǎn)量能不能穩(wěn)得住。這里面的核心邏輯其實很簡單先把地下那些看不見的裂縫“摸清楚”——它們朝哪個方向走、密度多大、尺寸多長、彼此怎么連接然后用離散裂隙網(wǎng)絡(luò)建模DFN把這套東西顯式表達(dá)出來再把它接到水力壓裂設(shè)計和油氣藏數(shù)值模擬里去用來判斷產(chǎn)能、優(yōu)化布井、預(yù)測可采儲量。這篇文章圍繞這條完整鏈路展開適合剛開始接觸裂縫建模的油藏工程師也適合那些做數(shù)模做得久了、總覺得等效連續(xù)介質(zhì)“差點意思”的朋友。1. 為什么天然裂縫系統(tǒng)要單獨建模從連續(xù)介質(zhì)到DFN的思維切換1.1 連續(xù)介質(zhì)模型處理天然裂縫的硬傷傳統(tǒng)油氣藏數(shù)值模擬里我們習(xí)慣把儲層簡化成一套孔隙度、滲透率、飽和度場相當(dāng)于把復(fù)雜的巖石體“平均”成一塊性質(zhì)均勻的海綿。這個思路在孔隙型砂巖儲層里非常成熟也經(jīng)過了大量實踐檢驗但一碰到天然裂縫發(fā)育的儲層就開始露怯。原因在于裂縫在空間上是不連續(xù)的而且強各向異性。一條裂縫的滲透率和基質(zhì)滲透率可能差三四個數(shù)量級局部高滲通道對整個滲流場的控制作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它的體積占比。如果你把裂縫“磨平”進(jìn)網(wǎng)格用網(wǎng)格單元里的平均值來表達(dá)真實裂縫的連通性就丟了。最典型的例子是同一個區(qū)塊里相鄰兩口井一口高產(chǎn)一口低產(chǎn)用均質(zhì)模型解釋不了只有當(dāng)你承認(rèn)地下存在一條或者一組高導(dǎo)流裂縫通道時動態(tài)數(shù)據(jù)才對得上。另一個麻煩是方向性。天然裂縫往往沿某個優(yōu)勢方向發(fā)育導(dǎo)致滲透率主方向和坐標(biāo)軸不重合滲流呈現(xiàn)明顯的各向異性。連續(xù)介質(zhì)模型里即使給了各向異性滲透率張量也表達(dá)不了“這條縫和那條縫到底交不交”這樣的拓?fù)潢P(guān)系。而在地下流體流動里連通與否往往是第一位的。1.2 DFN到底在建模什么一組參數(shù)說清楚DFN的核心思想是把每條裂縫當(dāng)成三維空間里一個離散的平面圓盤或者多邊形顯式地放進(jìn)模型里。每一條裂縫都帶著自己的屬性位置、產(chǎn)狀走向和傾角、尺寸、開度、粗糙度。它不做“平均”而是把裂縫之間的相交關(guān)系完整保留下來。打個比方這就像畫電路圖一條裂縫就是一根導(dǎo)線導(dǎo)線連不連、連接到哪、導(dǎo)通截面積多大決定了電流走哪條路。你用區(qū)域內(nèi)的“平均電阻”是很難準(zhǔn)確預(yù)測一個復(fù)雜電路的電流分布的必須把導(dǎo)線一根根擺出來看拓?fù)?。在FracMan里描述一套裂隙系統(tǒng)最常用的參數(shù)就這幾個裂隙組把產(chǎn)狀和成因相近的裂縫歸成一組一般至少分2到3組多的時候能到5組以上。產(chǎn)狀分布常用來擬合每組裂縫法向方向最常見的是Fisher分布用一個離散系數(shù)κ表達(dá)方向集中程度。尺寸分布裂縫尺寸直徑/長度通常用截斷冪律分布描述冪指數(shù)和尺寸上下限是關(guān)鍵。密度三維建模最常用P32也就是單位體積內(nèi)的裂縫面積單位是m2/m3。開度裂縫面之間的空隙寬度它的取值對滲透率影響極端敏感。這幾個參數(shù)組合起來就能把地下非常復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還原成一個可以計算、可以統(tǒng)計、可以驗證的隨機幾何模型。1.3 FracMan這類工具的價值定位FracMan這個軟件的價值不在于畫圖好看而在于把事情做成了閉環(huán)。它能從露頭統(tǒng)計、巖心描述、成像測井、微地震監(jiān)測等多源數(shù)據(jù)里反演裂隙分布參數(shù)能在三維空間里生成符合這些參數(shù)的隨機裂隙網(wǎng)絡(luò)能對網(wǎng)絡(luò)做連通性分析和滲透率張量計算還能把結(jié)果輸出給水力壓裂仿真和油氣藏數(shù)值模擬器使用。它內(nèi)置了不少統(tǒng)計工具比如裂隙組自動聚類、小圓誤差分析、Bootstrap置信區(qū)間估算。對一個實際項目來說DFN模型靠不靠譜不能靠肉眼看三維圖來拍板而是要靠這些統(tǒng)計量把關(guān)。我自己的習(xí)慣是每生成一個DFN實現(xiàn)先看統(tǒng)計指標(biāo)再看可視化效果順序反了容易被“看起來挺漂亮”的假象帶偏。2. 整體工作流與技術(shù)選型一條鏈路走通裂縫建模與壓裂模擬2.1 一套完整的工作流從數(shù)據(jù)到數(shù)模一共六步就我實際接觸的項目而言用FracMan做天然裂縫建模再銜接水力壓裂和油氣藏數(shù)值模擬大體上分六步。第一步是收集并整理資料。一般包括成像測井解釋成果識別天然裂縫的產(chǎn)狀和密度、巖心描述記錄裂縫寬度、充填程度、傾角、巖石力學(xué)實驗數(shù)據(jù)楊氏模量、泊松比、抗拉強度、斷裂韌性、地震屬性數(shù)據(jù)大尺度裂縫和斷層的指示以及壓裂施工后的微地震事件數(shù)據(jù)。第二步是劃分裂隙組并做統(tǒng)計分析。把方向相近的裂縫歸成一組通常借助等面積投影圖、玫瑰圖來觀察極點云的分布然后用聚類算法自動分組。每一組再用Fisher分布擬合平均法向方向并給出離散系數(shù)。第三步是密度標(biāo)定。把測井的線密度、巖心的面密度換算成三維體積密度這一步是整個DFN建模里最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)后面的參數(shù)敏感性基本都從這里影響全局。第四步是確定尺寸分布。給定一個尺寸范圍例如最小3米、最大80米再給定一個冪律指數(shù)通常在2.0到2.8之間就可以準(zhǔn)備生成DFN了。第五步是在FracMan里生成三維裂隙網(wǎng)絡(luò)并做連通性分析和滲透率張量計算。如果多組裂隙發(fā)育算出來的張量往往有明顯的非對角項說明滲流主方向不在坐標(biāo)軸上這會直接影響后續(xù)壓裂方案和數(shù)模網(wǎng)格方向。第六步是把DFN結(jié)果輸給壓裂模擬或油藏數(shù)值模擬。壓裂模擬看的是裂縫擴展與天然裂隙的交互作用數(shù)模則更關(guān)心不同尺度裂縫的等效參數(shù)。2.2 必須用DFN的環(huán)節(jié)壓裂設(shè)計繞不開的段簇決策有人會問最后數(shù)模都要等效成網(wǎng)格為什么不直接給一個各向異性滲透率場就算了何必費勁建DFN這是因為壓裂方案設(shè)計繞不開“段簇位置”這個決策。你決定在哪個深度射孔本質(zhì)上是在賭那個位置有多少天然裂縫能和你壓出來的人工縫串起來。DFN能告訴你當(dāng)前深度上天然裂縫和人工裂縫的夾角關(guān)系、密度關(guān)系這個信息是均值滲透率替代不了的。另一個場景是歷史擬合。同一個平臺上的井產(chǎn)量差異很大用均質(zhì)模型經(jīng)常怎么調(diào)都擬合不上而用DFN的連通率來解釋鄰井差異就順理成章。所以我的觀點很明確DFN不是錦上添花而是復(fù)雜裂縫儲層精細(xì)化描述的必要手段。2.3 壓裂模擬方案怎么選三條路線各有適用場景DFN建出來后最核心的應(yīng)用方向是水力壓裂模擬。結(jié)合這些年做項目的經(jīng)驗常見路線大致有三條。第一條是等效連續(xù)縫網(wǎng)。把DFN的裂縫密度和滲透率直接折算成縫網(wǎng)滲透率場再用常規(guī)網(wǎng)格類壓裂模擬器算縫長、導(dǎo)流能力。這個方案基于平面裂縫假設(shè)運算快方案周期短適合做大批量掃描但表達(dá)復(fù)雜縫網(wǎng)的能力有限。第二條是離散裂縫顯式耦合。把DFN導(dǎo)到力學(xué)仿真平臺上用有限元或離散元做流固耦合計算同時考慮應(yīng)力陰影、裂縫轉(zhuǎn)向、天然裂縫剪切滑移這些機制。這個方案能模擬復(fù)雜縫網(wǎng)的真實生長過程但計算量大參數(shù)需求密集單個方案跑一兩個月很正常。第三條是用DFN做“統(tǒng)計等效”水力裂縫單元嵌入油藏數(shù)值模擬器。也就是說把DFN粗化后得到每個網(wǎng)格的等效滲透率、雙重介質(zhì)參數(shù)例如裂縫孔隙度、裂縫滲透率、基質(zhì)-裂縫形狀因子然后輸出給商業(yè)數(shù)模軟件做產(chǎn)量預(yù)測和生產(chǎn)動態(tài)研究。這條路線在開發(fā)階段用得最廣。實際項目里我的做法是三條路線配合著用前期用方案一快速掃參篩出可能有價值的段簇位置對候選位置用方案二做精細(xì)驗證搞清楚復(fù)雜縫網(wǎng)到底能不能長出來最后用方案三做區(qū)塊產(chǎn)能預(yù)測給開發(fā)決策提供依據(jù)。2.4 數(shù)據(jù)流才是真正的主角工具選型定下來之后數(shù)據(jù)流比模型本身更容易出問題。FracMan通常有兩個出口一個給壓裂分析輸出DFN幾何和裂隙力學(xué)屬性另一個給數(shù)模軟件輸出粗化后的網(wǎng)格屬性和雙重介質(zhì)參數(shù)。這個環(huán)節(jié)最常遇到的坑是文件量級。一個高密度DFN模型的三角面數(shù)量可以到百萬甚至千萬級普通工作站的顯存和內(nèi)存直接爆掉。我一般會在導(dǎo)出前做三步處理剔重、刪掉孤立的微小裂縫、把短小裂縫合并成等效裂縫然后用更大的粗化網(wǎng)格去吸收那些對小尺度滲流影響不大的細(xì)節(jié)。這樣既保證了裂縫網(wǎng)絡(luò)的主要拓?fù)涮卣饔帜茏尯罄m(xù)數(shù)模軟件跑得動。3. 實操過程從裸數(shù)據(jù)到能算的模型這一章沒有實際操作過的人很容易覺得簡單但真正做起來會發(fā)現(xiàn)每一步都有講究。我按照自己習(xí)慣的推進(jìn)順序來寫。3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與裂隙組劃分?jǐn)?shù)據(jù)準(zhǔn)備這一步?jīng)]什么捷徑但有一個容易忽略的細(xì)節(jié)成像測井能解釋出來的裂縫分辨率通常在毫米到厘米級而天然裂縫的尺寸動輒幾米到幾十米也就是說測井解釋結(jié)果只是“冰山一角”。直接把測井解釋的裂縫條數(shù)當(dāng)成DFN的全部輸入一定會低估地下裂縫密度。所以實際工作中測井統(tǒng)計結(jié)果通常要結(jié)合露頭統(tǒng)計、巖心統(tǒng)計來修正不能拿來就用。裂隙組劃分在FracMan里操作起來比較直觀。先把所有裂縫法向投到單位球上用等面積投影看極點云分布。如果明顯聚成一團(tuán)或者幾團(tuán)就可以用聚類算法自動分組。分組的基本原則是每組之間夾角大于15度、成因體系不同就拆成兩組。分組完成后對每組做小圓誤差分析判斷數(shù)據(jù)是否集中在某條小圓帶內(nèi)再決定用Fisher分布還是用Bingham分布來擬合。一組好的擬合Fisher分布的κ值通常落在5到20之間。κ值太小說明產(chǎn)狀太離散大概率是合并了本不該合并的組κ值太大又不符合地質(zhì)實際因為地下天然裂縫極少有絕對同向的κ超過30的組大多數(shù)情況下值得懷疑。3.2 參數(shù)定標(biāo)從P10到P32的換算坑全在這里密度定標(biāo)是DFN建模里最折磨人的環(huán)節(jié)。測井資料給的是P10也就是每米井段遇到的裂縫條數(shù)巖心描述給的是P20或者P21單位面積或單位體積上的裂縫信息而DFN和滲透率計算真正需要的密度指標(biāo)是P32單位體積內(nèi)的裂縫面積。這三個口徑完全不一樣直接拿P10填進(jìn)模型相當(dāng)于拿著秒表去量長度單位都不對。一個簡單做法是先給P10乘一個標(biāo)定系數(shù)換算成P32但這個系數(shù)跟裂縫尺寸、井筒與裂縫面的夾角都有關(guān)沒有一個萬能值。更可靠的做法是“正向標(biāo)定”先在FracMan里生成一版DFN然后在模型里放一條虛擬井統(tǒng)計虛擬井每米遇到多少條裂縫拿這個統(tǒng)計值和實測P10對比。如果差太多就調(diào)整密度參數(shù)重新生成反復(fù)迭代直到虛擬井統(tǒng)計和實測數(shù)據(jù)吻合。這個過程在FracMan里做起來不算麻煩卻是驗證DFN密度參數(shù)最可靠的手段比任何經(jīng)驗公式都讓人放心。開度參數(shù)同樣關(guān)鍵。沒有巖心實測時常用經(jīng)驗冪律關(guān)系通過裂縫尺寸估算開度再換算成裂縫滲透率。這里必須特別提醒裂縫滲透率和開度近似是三次方關(guān)系開度差0.5倍滲透率可能差8倍。這個敏感性足以顛倒一個模型的結(jié)論所以開度取值一定要有據(jù)可依或者在報告中明確標(biāo)注為高敏感假設(shè)參數(shù)。3.3 生成離散裂隙網(wǎng)絡(luò)隨機種子和邊界效應(yīng)必須處理參數(shù)定好之后就可以在FracMan里生成網(wǎng)絡(luò)了。實際操作中我習(xí)慣在目標(biāo)區(qū)外面加一層“皮膚區(qū)”目的是避免邊界上的裂縫被截斷得太嚴(yán)重。中心思想是只在目標(biāo)區(qū)內(nèi)做統(tǒng)計和計算邊界外通過擴展網(wǎng)絡(luò)來保證邊界附近裂縫的連通性不受截斷影響。生成時的核心參數(shù)包括裂隙組、尺寸分布、密度和隨機種子。隨機種子這一點要專門講一下DFN本身是一個隨機幾何實現(xiàn)單次生成的結(jié)果不能代表整體水平。我一般會生成10到20個實現(xiàn)統(tǒng)計所有實現(xiàn)的滲透率均值和標(biāo)準(zhǔn)差。如果標(biāo)準(zhǔn)差偏大說明當(dāng)前參數(shù)體系下模型對隨機性過于敏感這時候不能急著選一個“看著像樣”的實現(xiàn)交付而要回頭檢查密度和尺寸分布是否定得合理。生成完還要做一個質(zhì)量檢查統(tǒng)計每個裂隙組實際生成的P32是否和目標(biāo)值一致裂縫數(shù)量級是否合理邊界上有沒有畸形長裂縫網(wǎng)絡(luò)連通性是不是高得異常。如果連通性好到邊界內(nèi)外完全沒有阻礙大量裂縫連成了超大連通體就要考慮是不是密度給大了或者冪律尺寸指數(shù)太緩把大裂縫比例抬得太高了。3.4 等效滲透率與網(wǎng)格粗化怎么把DFN變成數(shù)模能吃的參數(shù)把DFN變成數(shù)模能用的參數(shù)最常規(guī)的操作是網(wǎng)格粗化。在FracMan里對目標(biāo)區(qū)做規(guī)則六面體網(wǎng)格剖分然后逐個網(wǎng)格計算等效滲透率張量、裂縫孔隙度以及雙重介質(zhì)形狀因子。滲透率計算有兩條路。一種是流量法直接從裂縫連通關(guān)系出發(fā)通過裂縫網(wǎng)絡(luò)上的流量分配求解等效滲透率計算速度快但在低連通區(qū)域容易低估滲透率。另一種是數(shù)值流法在每個網(wǎng)格內(nèi)取代表性體積元做流動模擬來求等效滲透率結(jié)果更準(zhǔn)確但計算成本高。實際項目里我習(xí)慣兩種方法都跑一遍對結(jié)果做交叉驗證差異超過一個量級的網(wǎng)格要重點檢查是不是局部連通性異常。粗化網(wǎng)格尺寸的選擇是一個權(quán)衡問題。網(wǎng)格太粗強裂縫帶會被平均掉精細(xì)的DFN描述等于白做太細(xì)數(shù)模時間步長和總網(wǎng)格數(shù)會拖垮計算。我的經(jīng)驗是先用裂縫尺寸分布的中位數(shù)作為網(wǎng)格尺寸下限再結(jié)合數(shù)模軟件能承受的網(wǎng)格總數(shù)做折中。3.5 水力壓裂與油氣藏數(shù)值模擬的耦合實現(xiàn)DFN在水力壓裂模擬里通常扮演兩個角色。第一個角色是提供天然裂縫系統(tǒng)背景壓裂液濾失、裂縫擴展路徑、復(fù)雜縫網(wǎng)能不能形成都和天然裂縫的分布以及力學(xué)性質(zhì)直接相關(guān)。第二個角色是提供壓裂后復(fù)雜縫網(wǎng)的等效參數(shù)也就是把壓裂改造區(qū)的縫網(wǎng)融入到數(shù)模網(wǎng)格里。如果做壓裂機理分析需要把DFN和應(yīng)力模型耦合判斷裂縫起裂方位和擴展方向。判斷過程中有一個很實用的經(jīng)驗指標(biāo)當(dāng)水平主應(yīng)力差較小一般認(rèn)為小于1.5到2MPa且天然裂縫方位與最大主應(yīng)力方向夾角處在一個有利于剪切滑移或張開的區(qū)間時比較容易形成復(fù)雜的體積縫網(wǎng)。這個“有利區(qū)間”不是一個固定角度大致上講夾角過小時裂縫趨向于直接張開夾角過大時天然裂縫難以激活真正形成復(fù)雜縫網(wǎng)通常需要天然裂縫和人工裂縫在某個中等夾角區(qū)間內(nèi)相互溝通。如果做油氣藏數(shù)值模擬就把DFN粗化后的雙孔雙滲參數(shù)寫入數(shù)模網(wǎng)格。還需要根據(jù)水力壓裂的施工數(shù)據(jù)給網(wǎng)格賦SRV屬性壓裂改造縫網(wǎng)范圍內(nèi)裂縫滲透率放大、形狀因子調(diào)整縫網(wǎng)范圍外維持天然裂縫屬性。這一步是從“靜態(tài)建?！弊呦颉皠討B(tài)驗證”的分界線。產(chǎn)量歷史擬合時主要通過調(diào)節(jié)縫網(wǎng)半徑、主縫導(dǎo)流能力、基質(zhì)-裂縫交換系數(shù)來逼近生產(chǎn)數(shù)據(jù)。部分項目還會把DFN面片上標(biāo)定的內(nèi)聚力參數(shù)直接輸出給離散元軟件做起裂擴展分析這要求DFN在建模時就攜帶力學(xué)屬性屬于工作流前期的規(guī)劃問題。4. 常見問題與排查心得4.1 裂隙密度標(biāo)定的口徑混淆這個坑我踩過不止一次。測井統(tǒng)計的是“可識別裂縫條數(shù)”建模時填的卻是“單位體積裂縫面積”兩者沒有直接換算關(guān)系。如果拿P10糊弄著填進(jìn)P32的位置最終生成的裂縫總數(shù)可能差出一個數(shù)量級滲透率自然也完全失真。排查方式我推薦一個正向標(biāo)定在FracMan里把DFN和虛擬井結(jié)合反復(fù)迭代匹配實測P10。這個過程雖然多跑幾次模型但能讓密度參數(shù)從“猜”變成“標(biāo)定”后面所有計算才有底氣。4.2 滲透率虛高問題DFN生成后滲透率虛高也是一個經(jīng)典問題。原因通常有兩個一是開度取得太樂觀二是尺寸分布下限取得偏大導(dǎo)致大裂縫占比太高。排查思路是看裂縫數(shù)量-滲透率敏感性曲線然后重點檢查開度取值和最小尺寸截斷值。如果懷疑是網(wǎng)絡(luò)連通性異常導(dǎo)致的就把每個裂隙組逐個“關(guān)掉”跑一遍滲透率看誰的貢獻(xiàn)最大再針對性調(diào)整那一組的參數(shù)。4.3 隨機種子與邊界效應(yīng)隨機種子和邊界效應(yīng)通常一起討論。DFN是隨機生成結(jié)果單次生成只是無限多種可能里的一種拿單次結(jié)果當(dāng)結(jié)論等于拿一次抽簽當(dāng)統(tǒng)計規(guī)律。邊界上的裂縫截斷又會讓滲透率被低估。解決方法是加皮膚區(qū)、多次實現(xiàn)取均值同時在報告里把“實現(xiàn)的置信區(qū)間”寫清楚。模型可靠性的表達(dá)方式應(yīng)該是“這個區(qū)塊的滲透率范圍是X到Y(jié)”而不是“這個區(qū)塊的滲透率是某個值”。4.4 壓裂擴展“偏了”的排查思路做水力壓裂模擬時模擬縫長和微地震事件展布差異很大這種情況很常見。排查時要按順序檢查幾個方向壓裂液濾失系數(shù)是不是設(shè)置得偏低天然裂縫密度是不是偏小導(dǎo)致濾失被低估最小主應(yīng)力方向有沒有在模型里輸反。還有一點容易被忽略微地震事件并不只來自裂縫張開的物理體積壓裂液的濾失波及和裂縫面的剪切滑移也會產(chǎn)生微地震事件。如果直接拿微地震展布長度當(dāng)主裂縫半長來擬合產(chǎn)量就會把縫長參數(shù)標(biāo)定到一個錯誤的量級后期預(yù)測自然不可靠。4.5 參數(shù)敏感性先調(diào)誰后調(diào)誰歷史擬合階段如果把每個參數(shù)都調(diào)一遍是災(zāi)難級的做法模型會變成一個沒有約束的大雜燴。我習(xí)慣有一個明確的優(yōu)先級天然裂縫密度、裂縫開度導(dǎo)流能力、壓裂改造半徑、基質(zhì)滲透率、形狀因子。實際項目里經(jīng)常只調(diào)前兩三個參數(shù)就能把產(chǎn)量歷史擬合得相當(dāng)不錯其余的保持在地質(zhì)上合理的固定值。這樣既省時間又能保證最終模型參數(shù)仍然能被地質(zhì)認(rèn)識解釋。個人體會比較深的一點是判斷DFN模型的優(yōu)劣不在于三維圖看起來多精致而在于它能不能解釋動態(tài)數(shù)據(jù)、能不能預(yù)測未見鉆區(qū)域的產(chǎn)能。有微地震數(shù)據(jù)時一定要用它校核一次DFN沒有微地震時至少要拿產(chǎn)量數(shù)據(jù)做一次閉環(huán)匹配。一個能預(yù)測趨勢、能解釋鄰井差異的DFN比一個看起來復(fù)雜但和實測格格不入的精致模型有用得多。