第1章绪论
随着我国油气勘探开发的逐步推进，低渗透油气、致密油气、页岩油气及煤层气在我国的能源结构中扮演着越来越重要的角色。目前，我国油气开发逐渐转向深层、复杂储层及非常规储层，油气开发难度进一步增大；储层天然裂缝在地质甜点与工程甜点评价中扮演着越来越重要的角色，裂缝的表征与预测经历了定性—半定量—定量的过程，并逐渐形成了一套储层裂缝系统综合表征、预测的技术。低渗透储层脆性大，厚度、岩相及物性变化大，储层内部裂缝系统分布规律复杂（丁文龙等，2024；刘敬寿等，2023，2019；Zeng et al.，2023，2022，2009；李理等，2017；王秀娟等，2004；Nelson，2001）；裂缝的高渗性与基质的低渗性导致了油气藏注水开发过程中的矛盾（Liu et al.，2023a，b；曾联波等，2020，2019；吕文雅等，2016；曾联波，2004），因此，裂缝的研究应当贯穿于油田勘探与开发的整个过程（刘敬寿等，2023，2015a；曾联波等，2023，2022；穆龙新，2009；Narr et al.，2006）。
在地应力研究方面，从全球来看，目前油田应力场研究整体处于起步阶段，还未形成以储层应力为核心的地应力场研究方法体系，对油藏开发过程中应力的变化、断层或岩性接触界面附近应力的转向规律等多个方面还缺乏深入的研究；尽管目前油田、煤田及地震监测部门采用多种方法进行了上万次的地应力测量工作，但在地应力平面非均质性及垂向分层性的精细刻画方面还远远不足。
在裂缝识别表征方面，测井识别与预测裂缝仅是一孔之见，如何综合运用多种方法实现井间裂缝的精细刻画是裂缝表征面临的实际难题。利用叠前、叠后地震资料可以预测不同尺度的裂缝，但地震预测多解性强、纵向分辨率低，在水平井轨迹设计中难以实际应用，并且利用地震预测的裂缝分布在垂向上可能不符合地质规律，预测结果可能与裂缝成因机理不一致。基于地质力学原理预测裂缝的方法常用于勘探程度低、地震资料品质差及地层均质性弱的油气区块（Liu et al.，2022a，b，2021；Guo et al.，2016；Ju et al.，2015），这种方法的出发点就是有限元或离散元方法，所采用的属性单元也基本上是横向各向同性的材料（Liu et al.，2024a；Wu et al.，2017，2016），实际上盆地沉积的地层不仅具有纵向上的异性特征，横向上也具有异性特征，不仅岩层的接触界面对应力有集中和卸载的作用，而且地层产状和岩性的组合方式同样能够改变应力、应变的分布。从更小的尺度上看，岩石的孔隙结构、成分及颗粒粒径也在一定程度上改变着裂缝的形成方式及产状。此外，在识别裂缝发育区方面，如何准确建立裂缝的尺度参数评价数学模型，识别不同尺度的裂缝发育区同样也是裂缝预测面临的另一大难题（Liu et al.，2024a；曾联波等，2022）。
在研究区鄂尔多斯盆地华庆地区的元284先导试验区，低渗透储层的非均质性强、地应力与天然裂缝系统复杂，目前该区块油气开发整体进入了水平井压裂转采阶段，前人对该区块地应力、裂缝等方面的研究工作较少，只有精细刻画该类低渗透储层的地应力三维展布，准确预测天然裂缝的动静态参数，解决压裂开发过程中水窜、水淹及压裂裂缝沟通储层不明确的问题，才能进一步挖掘低渗透储层的油气潜力。本书利用地质学、力学、数学及计算机科学理论，研制储层地质力学非均质建模的软件系统，以鄂尔多斯盆地裂缝性低渗透储层为例，阐述储层地质力学非均质建模方法具体的实施方案；结合邻区的勘探开发资料，解剖研究区地应力系统、裂缝系统，以期为低渗透储层、致密砂岩及页岩等储层中的裂缝、地应力研究及压裂参数优选提供技术支撑及理论参考。
1.1研究进展
1.1.1油气藏地应力场研究进展
1.油气藏现今地应力评价方法
地应力的研究已有百余年的历史，目前研究正朝向系统化和多方法相互印证的方向发展（Liu et al.，2022c；Zoback，2019；Rajabi et al.，2017a；王成虎，2014；Lehtonen et al.，2012；周文等，2007）；在当前技术条件下，地应力大小是无法直接测量的，主要通过间接方法测量（Zang and Stephansson，2010）。Gephart1990年*次采用震源机制方法确定现今地应力的方向，经过二十余年的发展，目前普遍采用差应变法、震源机制解、小震综合断面解及P轴参数分析等方法确定现今*大主应力方向。差应变法测量现今地应力方向的基本原理为：地下岩石处在三向挤压的地应力作用下，当岩样从地下取出后，为了消除地下应力作用引发岩石卸载，应力卸载的方向和强度与地下主应力方向密切相关（何建华等，2023；周新桂等，2009a，b；周文等，2007）。水力压裂法是目前均质岩石地应力测量中*直接也是*可靠的方法，它代表了地下较大范围的现今地应力测量方向，利用压力-时间*线可以确定水平*小主应力的值，结合岩石抗拉强度、裂缝破裂压力同样可以确定水平*大主应力的值（Sun and Wang，2024；Chen et al.，2021；Mou et al.，2021；Ma and Zoback，2017）。地应力评价方法依据测量或者模拟的地应力尺度而不同，地应力尺度分为以下4种。
（1）薄片尺度（微米—厘米）：衍射方法、微磁方法等。
（2）岩心尺度：声发射方法、岩心声速测量、差应变法、滞弹性应变分析、黏滞剩磁法等。
（3）井筒尺度：阵列声波测井、水力压裂法、成像测井、钻孔崩落法、井斜轨迹统计法等。
（4）油藏-盆地尺度：有限元数值模拟、物理模拟、GPS监测、震源机制、断层走滑机制等。几种常见的应力测量与模拟方法简介如表1-1所示。
在测井资料中，阵列声波测井是确定现今地应力大小和方向的有效方法，其原理是利用纵横波传播的各向异性，在裂缝不发育的地层中，其速度各向异性主要是由地应力的不均衡所致，快横波方位代表着现今水平*大主应力的方向（赖锦等，2023；Liu et al.，2021；Tang and Patterson，2001）。成像测井同样可以用来确定水平主应力的方向，当泥浆压力大于地层的破裂压力时，地层发生张性破裂，钻井诱导裂缝方向为水平*大主应力方向。钻孔崩落法的原理是井眼破裂理论，井眼长轴方向代表水平*小主应力方向（刘钰洋等，2024；Sobhani et al.，2024；徐珂等，2020；Zeng et al.，2015）。
目前声发射实验是测量现今地应力较为可靠的实验方法之一，当应力未达到先前*大应力的值时，很少有声发射产生，当应力达到或超过历史*高水平后，则产生大量声发射，因此声发射法可用来测量岩石的地应力。在岩石变形过程中同步采用声发射监测技术可以在时间和空间上监控岩石破裂过程；采用三轴压缩、巴西劈裂及抗剪强度实验，可以揭示深层-超深层岩石在不同应力模式（挤压、拉伸、走滑作用）下的破裂机制，以及在岩石力学实验中持续施加载荷所造成的不同变形事件（弹性变形阶段、塑性变形阶段、破裂粉碎阶段等），计算岩石力学参数动态变化的同时，同步检测声发射频率累计事件，记录岩石动态破裂过程与微裂隙演变。通过分析声发射信号主频、幅值随时间的变化，以及各种基本参数，可以揭示岩石破裂孕育不同阶段的特征信息，总结岩石在不同应力机制下的应力累积释放过程（图1-1）。
图1-1岩石破裂声发射监测技术工作流
AE为声发射（acoustic emission）
2.储层地质力学建模研究进展
目前储层地质力学的研究已经成为油气开发的重要领域之一，它主要涉及地层变形、地层物理性质、地层流体传输等方面问题。研究这些内容，有助于分析储层地质结构的复杂性和开采地下油气资源的可行性及方法。储层地质力学建模是涉及地质学、力学、数学及计算机科学的多学科融合技术，是地质模型、力学模型及数学模型全过程相互制约、相互渗透并且有机结合的系统。储层地质力学建模是在油藏地质建模的基础上发展而来的（表1-2），目前正朝向与油藏建模精度相匹配的方向发展，并在地应力场模拟、储层裂缝定量预测、油区构造解析、水力压裂优化设计、出砂预测及注水井网布置等多个方面具有重要的应用。
储层地质力学建模经历了二维地质力学建模、简单三维地质力学建模及三维非均质地质力学建模和复杂构造/储层地质力学孪生建模四个阶段（图1-2）。阶段I，二维地质力学建模阶段（1968～2008年），模型主要以*壳模型、薄板模型为主，断层以线或面单元为主，包含地质信息少，同时无法实现三维应力的模拟，在模拟断层与裂缝成因机制及现今地应力场时，存在理论上的缺陷。阶段II，简单三维地质力学建模阶段（2008～2017年），模型基本考虑了三维构造起伏及断层几何形态的变化，同时能够实现三维应力场数值模拟，建模的应用性得到大幅提高，但该阶段所建的三维地质力学模型通常与油藏模型中的三维地质模型不同，前者往往是地层等厚模型，没有考虑地层尖灭、厚度变化等信息，在模型中无法全面地实现岩石力学参数的渐变与突变；同时在网格划分精度方面也无法与油藏建模相匹配。阶段III，三维非均质地质力学建模阶段（2017～2023年），Liu等（2023b，2018a，2017a，2017b）提出了一种储层地质力学非均质建模方法，并研发相应的软件系统，实现了地质力学建模与油藏地质建模的精度匹配，使油藏地质力学建模的适用性大大提高。三维非均质地质力学建模核心要素包括非均质的地质模型、非均质力学保护模型、非均质边界条件及非均质的破裂条件。阶段IV，复杂构造/储层地质力学孪生建模阶段（2023年至今），刘敬寿等（2023）针对我
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