四川盆地南缘昭通国家级页岩气示范区（下文简称昭通示范区）是我国三大页岩气示范区之一，页岩气资源丰富，2020年页岩气产量为15×10⁸ m³，开发潜力巨大^[1-2]。昭通示范区经历多期挤压、拉张、走滑应力叠合改造后，形成了断裂、天然裂缝及局部微构造^[3]。罗布向斜位于昭通示范区北部，天然裂缝、逆冲、走滑断裂发育；天然裂缝的受力状态可直接影响水力裂缝的扩展和裂缝网络的复杂程度^[4-6]，进而影响压裂效果及产量。因此准确表征罗布向斜页岩储层的多成因机制和多尺度天然裂缝，是有效优选地质与工程甜点区、实现产能突破的关键。

离散裂缝网络建模是裂缝研究中使用最广泛的裂缝建模方法。该方法可综合露头、岩心、测井、地震、生产等多学科资料并从多个角度描述裂缝系统而被广泛使用^[7-8]。朗晓玲等^[9]以测井裂缝为核心，以地震属性为平面约束，将确定性建模和随机性建模相结合，分2个级次建立了离散裂缝网络模型。薛艳梅等^[10]分断层、中尺度、小尺度3个级次建立了离散裂缝网络模型。赵春段等^[11]根据裂缝在蚂蚁体属性中的响应特征，将蚂蚁体属性按照值的大小划分为4个区间得到4组裂缝强度，以成像测井解释的裂缝产状作为离散裂缝片的产状，随机模拟得到离散裂缝网络模型。以往研究表明，多尺度划分裂缝网络模型虽可以较好地表征不同尺度裂缝的分布特征^[11-12]，但同一位置不同尺度裂缝的产状差异较大，且不同尺度裂缝的分布相关性较低。基于此，以蚂蚁体属性为核心，将裂缝划分为大尺度裂缝和小尺度裂缝，用蚂蚁体属性确定性提取得到大尺度离散裂缝网络模型；用蚂蚁体属性变换作为裂缝强度，以蚂蚁体属性沿层切片上的走向为产状建立小尺度离散裂缝网络模型，以进一步降低小尺度离散裂缝网络建模的不确定性。

昭通示范区位于四川盆地南缘乌蒙山地区，构造上位于扬子陆块西缘三江造山带与东南缘江南—雪峰构造带前锋叠合部，主体区域位于滇黔北坳陷三级构造单元内部^{[3, 13]}。罗布向斜位于昭通示范区北部，构造上位于彝良—叙永复向斜东北部末端，与昭通—古蔺背斜带北部相接，呈北东—南西向（图 1a）。罗布向斜开发层系为下志留统龙马溪组和上奥陶统五峰组，其中龙马溪组自上而下可分为龙二段和龙一段，龙二段为浅水陆棚沉积的灰色页岩，龙一段为深水陆棚沉积的黑色炭质页岩，可分为龙一₁亚段和龙一₂亚段^[14]。五峰组与龙马溪组呈整合接触，岩性为黑色炭质页岩。目的层为龙一₁亚段和五峰组，龙一₁亚段自上而下又可细分龙一₁⁴—龙一₁¹共4个小层（图 1b）。根据罗布向斜预探井测井解释成果可知，研究区目的层页岩储层厚度约40 m，平均有效孔隙度大于4.5%，平均含气质量体积约4 m³/t，具有较高的开发潜力。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 四川盆地南缘昭通示范区罗布向斜构造位置（a）及岩性地层综合柱状图（b）（据文献[3]修改） Fig. 1 Structural location(a)and stratigraphic column (b)of Luobu syncline in Zhaotong National Shale Gas Demonstration Area, southern margin of Sichuan Basin

赵春段等^[11]根据蚂蚁体属性值的高低和断裂在地震剖面上的特征将断裂划分为3个级别：同相轴明显错断且蚂蚁体属性高值（图 2a）、同相轴扭曲且蚂蚁体属性中—高值（图 2b）及同相轴振幅轻微变化且蚂蚁体属性低值（图 2c）。由于同相轴错断和扭曲均可从蚂蚁体属性中确定性提取得到，因此将其合并为大尺度裂缝进行建模，小尺度裂缝可通过振幅的微弱变化和蚂蚁体属性低值进行建模。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 四川盆地南缘罗布向斜龙马溪组—五峰组蚂蚁体响应与地震剖面叠合图 （a）同相轴错断，蚂蚁体属性高值，大尺度裂缝；（b）同相轴扭曲，蚂蚁体属性中—高值，大尺度裂缝；（c）同相轴振幅减弱，蚂蚁体属性低值，小尺度裂缝带。 Fig. 2 Ant-tracking response and seismic profile overlap map of Longmaxi Formation and Wufeng Formation in Luobu syncline, southern margin of Sichuan Basin

大尺度裂缝在蚂蚁体属性中表现为强响应，将蚂蚁体强响应部分确定性提取成面，得到大尺度离散裂缝网络模型。小尺度裂缝地震响应微弱，难以直接识别，可采取随机离散裂缝网络建模方法建立。

随机离散裂缝网络建模的关键参数是裂缝强度体和裂缝产状，可通过2种方法获取：一是根据构造应力期次，并结合测井裂缝信息和断层进行构造应力场数值模拟，从而得到各个期次的裂缝强度和对应的裂缝倾向及倾角三维属性体；二是从测井裂缝强度出发，结合地震属性平面趋势插值得到三维裂缝强度体，统计测井裂缝产状的分布规律，通过随机模拟得到裂缝产状。第一种方法对构造应力场期次及力学参数的要求较高，第二种方法侧重现有多学科资料的应用。罗布向斜地震资料品质较高，蚂蚁体属性可较好地反映裂缝的平面趋势，因此本次建模选择第二种方法。

随机离散裂缝网络建模过程分为点过程和示性过程，点过程是根据裂缝强度体确定裂缝的中心位置，示性过程是根据已知裂缝产状的分布随机生成裂缝的产状、大小等信息。这2个过程均是随机过程，不确定性高，多次运行结果也不相同。常规离散裂缝网络建模过程中，小尺度离散裂缝网络模型的走向不确定性高（图 3a），大、小尺度裂缝耦合关系较差。为解决这一问题，采用人工解释确定性建立小尺度裂缝走向体，在蚂蚁体平面图上用线条描绘出蚂蚁体异常值的走向，生成方位信息趋势线（图 3b），将趋势线按方位角插值成面，得到方位信息平面图，采样进模型，即可得到三维裂缝走向体。利用这一方法建立的小尺度离散裂缝网络模型的裂缝走向与蚂蚁体的裂缝走向趋势相符（图 3c），使得小尺度离散裂缝网络模型的裂缝走向更加合理，降低了小尺度裂缝走向模拟的不确定性，对后续压裂方案优化、压裂缝模拟具有重要意义。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 裂缝走向优化前后随机离散裂缝网络模型对比 （a）常规方法建立的离散裂缝网络模型；（b）裂缝走向趋势线；（c）优化裂缝走向后的离散裂缝网络模型。 Fig. 3 Comparison of random discrete fracture network models before and after optimization of fracture orientation

根据形成裂缝的力学性质，将裂缝分为张裂缝、剪切缝和张剪缝。张裂缝呈不规则折线状，延伸距离短；剪切缝呈规则直线状，延伸距离长；张剪缝具有直线状和折线状组合的撕裂特征。罗布向斜早期形成的张裂缝经后期构造运动的剪切应力作用形成一系列张剪缝，后期被方解石充填（图 4a，4b）；剪切缝成组出现，倾角较大，被方解石充填，岩心可见多组剪切缝相互切割、限制（图 4c，4d）。罗布向斜龙一₁亚段和五峰组裂缝以构造成因裂缝为主，多种裂缝走向相互交切，推断由多次构造活动形成，裂缝多被方解石充填。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 四川盆地南缘罗布向斜龙一1亚段—五峰组裂缝发育特征 （a）多条竖直张裂缝及一组平行高角度剪切缝，张裂缝被剪切缝截断，被方解石充填，Y15井，2 238.16 m；（b）剪切缝的裂缝面，缝面较平，多见方解石脉，上部见2条高角度剪切缝，均被方解石充填，Y18井，2 999.92 m；（c）多条高角度剪切缝，缝面平直，被方解石充填，Y13井，3 035.37 m；（d）倾向相反的2组高角度剪切缝及5条层理缝，右侧剪切缝终止于左侧延伸长度最长的剪切缝后被层理缝截断，剪切缝被充填，层理缝未被充填，Y18井，2 942.76 m。 Fig. 4 Fracture development characteristics of Long-1 submember of Longmaxi Formation and Wufeng Formation in Luobu syncline, southern margin of Sichuan Basin

裂缝按照倾角不同可分为水平缝（0°~15°）、低角度缝（0°~45°）、高角度缝（46°~75°）及垂直缝（大于75°）^[15]。根据岩心观察，罗布向斜低角度缝、高角度缝及垂直缝均有发育。由图 5a和表 1可看出，研究区目的层共发育91条高角度缝，约占总裂缝数量的75%，低角度缝和垂直缝较少。罗布向斜龙一₁亚段和五峰组裂缝倾角分布呈“单峰式”分布特征，主峰为60°~70°，分布特征类似于正态分布。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 四川盆地南缘罗布向斜龙一1亚段—五峰组FMI裂缝倾角统计（a）及裂缝走向玫瑰花图（b） Fig. 5 Fracture dip statistics(a)and rose diagram of fracture orientation(b)of Long-1 submember of Longmaxi Formation and Wufeng Formation in Luobu syncline, southern margin of Sichuan Basin

表 1(Table 1)

表 1 四川盆地南缘罗布向斜龙一1亚段—五峰组成像测井裂缝统计 Table 1 Statisticsof imaging logging fractures of Long-1 submember of Longmaxi Formation and Wufeng Formation in Luobu syncline, southern margin of Sichuan Basin 井号 按倾角分类裂缝数/条 总裂缝数/条 平均线密度/（条∙m-1） 15°~45° 46°~75° 76°~90° Y15 4 56 11 71 1.821 Y13 3 11 3 17 0.400 Y18 9 13 1 23 0.605 Y10 0 2 0 2 0.050 Y11 0 1 0 1 0.025 Y12 0 8 0 8 0.211 合计 16 91 15 122 0.519

下载CSV 表 1 四川盆地南缘罗布向斜龙一1亚段—五峰组成像测井裂缝统计 Table 1 Statisticsof imaging logging fractures of Long-1 submember of Longmaxi Formation and Wufeng Formation in Luobu syncline, southern margin of Sichuan Basin

裂缝走向可反映裂缝的延伸方向，裂缝组系是将走向一致或相似的裂缝划为一个组系，近似认为同一组系裂缝由同一期次构造应力作用形成。由图 6可看出，龙一₁²小层上部发育近东西向裂缝，下部及龙一₁¹小层内发育北西—南东向和北东—南西向裂缝。统计罗布向斜所有井的裂缝走向（图 5b，图 7）可知，研究区主要发育3个组系裂缝：组系1裂缝走向为近东西向（75°~135°），组系2裂缝走向为北西—南东向（135°~195°），组系3裂缝走向为北东—南西向（15°~75°）。组系1裂缝最发育，罗布向斜南翼和北翼均可见该组系裂缝，由燕山晚期近南北挤压应力形成；喜山早期近北北东—南南西向挤压应力形成组系2裂缝；组系3裂缝则是喜山中期近北西西—南东东向挤压应力形成，走向与罗布向斜长轴走向一致，均为近北东—南西向，推测与罗布向斜构造同时形成。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 四川盆地南缘罗布向斜Y13井裂缝单井评价 Fig. 6 Single well diagram of fracture development of well Y13 in Luobu syncline, southern margin of Sichuan Basin

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 四川盆地南缘罗布向斜龙一1亚段—五峰组FMI裂缝走向玫瑰花图及五峰组底构造图 Fig. 7 Rose diagram of FMI fracture orientation of Long-1 submember of Longmaxi Formation and Wufeng Formation and structural map of bottom of Wufeng Formation in Luobu syncline, southern margin of Sichuan Basin

裂缝密度分为线密度、面密度和体密度，定义分别为单位长度内裂缝的条数、单位面积内的裂缝长度和单位体积内的裂缝面积。裂缝越发育，裂缝密度越大。由表 1和图 6可知，罗布向斜井间裂缝发育差异较大。Y15井发育71条裂缝，而Y10井和Y11井裂缝分别为2条和1条。罗布向斜平均裂缝密度约0.519条/m，Y15井裂缝密度最高可达1.821条/m。

大尺度裂缝可利用方差体、曲率体、蚂蚁体等地震属性进行识别，其中，方差体和曲率体可识别断层或大型断裂带，而蚂蚁体属性可突出地震数据的不连续性，其对裂缝预测的精度更高^[15-17]，因此选用蚂蚁体属性进行大尺度裂缝预测及建模。以叠后地震数据体作为输入，经过构造导向滤波、边界探测、边界增强、蚂蚁追踪并过滤罗布向斜龙马溪组地层倾角信息，得到反映罗布向斜裂缝信息的蚂蚁体属性^[18]（图 8a）。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 四川盆地南缘罗布向斜五峰组底蚂蚁体属性沿层切片（a）与大尺度离散裂缝网络模型（b） Fig. 8 Slice of ant-tracking attribute volumes at the bottom of Wufeng Formation(a)and large-scale discrete fracture network model(b)in Luobu syncline, southern margin of Sichuan Basin

大尺度裂缝建模是将蚂蚁体中强响应的断裂信息（蚂蚁体属性值大于-0.4）提取成面，将得到的裂缝面进行削截与合并，得到符合地质认识的裂缝，从而得到大尺度离散裂缝网络模型（图 8b）。

蚂蚁体属性可较好地表征井间大尺度裂缝的发育，由于小尺度裂缝常与大尺度裂缝伴生，因此亦可使用蚂蚁体属性进行井间约束，通过井震结合建立小尺度离散裂缝网络裂缝模型。

基于测井裂缝强度，以蚂蚁体为平面趋势插值得到裂缝强度体（图 9a），示性过程中确定每条裂缝的属性^[19]，根据蚂蚁体属性平面图人工解释裂缝的走向趋势线，插值得到裂缝走向体，用指数分布进行裂缝大小的随机模拟，完成小尺度裂缝建模，得到小尺度离散裂缝网络模型。罗布向斜核部到Y10井附近裂缝发育相对较少，组系3裂缝在研究区南部最发育，组系2裂缝在研究区西部边缘位置、Y15井至Y13井附近和Y18井东北部均较发育，组系1裂缝在Y12井至研究区南部发育较广（图 9b）。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 四川盆地南缘罗布向斜龙一1亚段—五峰组裂缝强度体（a）与小尺度离散裂缝网络模型（b） Fig. 9 Fracture intensity model(a)and small-scale discrete fracture network model(b)of Long-1 submember of Longmaxi Formation and Wufeng Formation in Luobu syncline, southern margin of Sichuan Basin

将大尺度和小尺度的离散裂缝网络模型融合，得到罗布向斜多尺度离散裂缝网络模型（图 10）。小尺度裂缝处若存在大尺度裂缝，其走向与大尺度裂缝一致，若无大尺度裂缝，则与蚂蚁体弱响应的裂缝带走向一致。

图 10

Fig. 10

下载原图 图 10 四川盆地南缘罗布向斜龙一1亚段—五峰组局部多尺度离散裂缝网络模型 Fig. 10 Local multi-scale discrete fracture network model of Long-1 submember of Longmaxi Formation and Wufeng Formation in Luobu syncline, southern margin of Sichuan Basin

罗布向斜龙一₁亚段—宝塔组的自然伽马曲线特征明显，可明显区分内部小层。Y10H1井自然伽马曲线分别在3 523 m和4 056 m处发生突变，结合地质导向认为该井钻遇2处断层，断距均在5 m左右（图 11a）。大尺度离散裂缝网络模型在Y10H1井附近井深为3 523 m和4 056 m处显示2条大尺度裂缝（图 11b）。大尺度离散裂缝网络模型与钻井的断层位置相符，表明大尺度离散裂缝网络模型可较好地表征罗布向斜龙一₁亚段和五峰组的大尺度裂缝发育特征。

图 11

Fig. 11

下载原图 图 11 四川盆地南缘罗布向斜Y10H1井单井评价图（a）及大尺度离散裂缝网络模型（b） Fig. 11 Evaluation diagram of well Y10H1(a)and large-scale discrete fracture network model near well Y10H1(b)in Luobu syncline, southern margin of Sichuan Basin

在钻井过程中，部分天然裂缝发育带或断层可能会导致钻井液失返性漏失^[20]，因此通过水平井井漏位置可判断过井天然裂缝的发育情况。Y12H井前半段蚂蚁体无响应，裂缝发育少；水平段中部蚂蚁体响应较强，近东西向的组系1裂缝和北东—南西向的组系3裂缝大量发育（图 12）。Y12H井钻井报告显示，在2 889 m和3 744 m处钻井液漏失，分别漏失钻井液16 m³和5 m³。

图 12

Fig. 12

下载原图 图 12 四川盆地南缘罗布向斜Y12H井附近五峰组底蚂蚁体平面图（a）及小尺度离散裂缝网络模型（b） Fig. 12 Ant-tracking attribute volumes at bottom of Wufeng Formation(a)and small-scale discrete fracture network model(b)near well Y12H in Luobu syncline, southern margin of Sichuan Basin

（1）钻前风险评估

部署水平井不仅要考虑总体构造特征和储层甜点区，还要考虑大尺度裂缝和小尺度裂缝发育带的影响。大尺度裂缝可能会导致钻井层位突变，发生穿层；小尺度裂缝则更多可能会出现钻井液漏失、卡钻等事件。因此需采用优化后的多尺度离散裂缝网络模型来预防钻井中的穿层、钻井液漏失等事件。

（2）压裂方案优化及压裂缝模拟

水平井压裂施工时，天然裂缝通常会改变水力裂缝的延伸方向，根据裂缝发育情况需采用不同的压裂方案。以Y12H井为例，水平井前半段近井天然裂缝不发育，远井天然裂缝为NEE向，施工风险较低；后半段井周发育NEE向天然裂缝，与井轨迹方向（最大水平主应力方向）夹角为30°~50°，压裂时易受天然裂缝影响（图 12b）。对大量近井天然裂缝带进行压裂模拟可知，使用低黏滑溜水压裂时，水力裂缝易沟通天然裂缝形成近井复杂程度较高的缝网状态，而使用高黏滑溜水前置造缝，可突破部分天然裂缝限制，缝长增大，缝网复杂程度较高。

为降低施工风险、改善压裂效果，设计14段压裂段（图 13）。对于第9—14段近井天然裂缝发育段，压裂时采取高黏滑溜水前置、缓慢提高加砂浓度及段塞式加砂等措施使压裂缝最大程度向远井方向扩展。第1—8段近井天然裂缝不发育段，施工风险较低，压裂液强度控制在30 m³/m，用滑溜水和线性胶进行压裂。Y12H井裂缝发育段加砂完成率稳步提高，施工中未发现套变等现象（图 13）。第1—8段近井天然裂缝不发育段，压裂缝向远井延伸距离较大；第9—14段近井天然裂缝发育段，水力裂缝与天然裂缝沟通，近井缝网复杂，裂缝延伸距离适中。Y12H井压裂后试气产量为9.64×10⁴ m³/d，相比Y15H1井的6.8×10⁴ m³/d提高了近41%，说明压裂效果较好。

图 13

Fig. 13

下载原图 图 13 四川盆地南缘罗布向斜Y12H井龙一1亚段—五峰组压裂缝模拟 Fig. 13 Hydraulic fracturing modeling of Long-1 submember of Longmaxi Formation and Wufeng Formation of well Y12H in Luobu syncline, southern margin of Sichuan Basin

（1）四川盆地南缘罗布向斜以发育高角度缝为主，岩心可见剪切走滑特征，受到多期拉张挤压应力作用。根据裂缝走向可将裂缝分为3个组系，其与研究区大型构造活动时期相对应。测井解释的裂缝走向与井附近断层走向较吻合，但井间裂缝强度差异较大，因此内部裂缝发育差异性较大。

（2）大尺度裂缝从蚂蚁体属性确定性提取得到大尺度离散裂缝网络模型；小尺度裂缝是用测井裂缝强度结合蚂蚁体属性平面趋势插值得到三维裂缝强度体，用蚂蚁体属性沿层切片显示的裂缝优势走向作为小尺度裂缝的走向，随机模拟得到小尺度离散裂缝网络模型。

（3）罗布向斜多尺度离散裂缝网络模型与水平井钻遇断层和井漏等钻井异常事件匹配，说明该模型精确可靠。依托该模型，完成Y12井水力压裂缝网模拟以及压裂方案优化，Y12井试气产量达9.64×10⁴ m³/d，试气产量较邻井提高了近41%。

（4）多尺度离散裂缝网络模型不仅可以对钻井中的异常事件进行预警，也可以模拟水力压裂缝扩展、优化压裂施工参数和压裂方案，因此开展多尺度天然裂缝分析与建模对页岩气高效开发具有重要意义。