综述：多尺度天然裂缝对水力压裂网络形成的差异性影响

《Earth-Science Reviews》：Differential impacts of multi-scale natural fractures on hydraulic fracture network formation

本文以渤海湾盆地藏东凹陷和松辽盆地古龙凹陷为研究对象，提出自然裂缝激活-概率分形维度法（NF-AP-FDM），结合实验室、露头和地震多尺度分析，揭示不同构造背景下天然裂缝几何-力学耦合特征及其对压裂改造体积（SRV）的影响规律，建立多尺度裂缝-储层耦合模型，为复杂地质条件下的储层改造优化提供理论支撑。

　　自然裂缝在控制大陆页岩储层的压裂效率和流体传输方面起着至关重要的作用，其多尺度的几何和力学特性对水力压裂效果产生显著影响。然而，自然裂缝在不同构造背景下的尺度一致性行为仍缺乏深入理解。本研究以渤海湾盆地的沧东凹陷和松辽盆地的古龙凹陷为例，采用多尺度综合方法，探讨自然裂缝对储层再改造的影响。通过实验室尺度的岩心取样，对三种主要裂缝类型（层理裂缝、构造裂缝和成岩裂缝）进行表征，并分析其对应的几何和力学属性。在露头尺度上，开发了数值模拟和参数化裂缝模型，以评估在不同注入条件下裂缝的扩展行为。在地震尺度上，通过统计分析和地质建模，对两个不同区域的裂缝属性（包括长度、密度和方向）进行量化。基于测量数据构建的多尺度裂缝-储层模型，使得能够进行完全耦合的三维模拟，以评估受激发岩体积（SRV）并研究操作性影响。研究还提出了一种新的自然裂缝激活-概率分形维数方法（NF-AP-FDM），引入了 $D_{\mathrm{dp}}$ 指数，以定量捕捉不同尺度下自然裂缝的几何-力学耦合特性。该方法的尺度一致性通过SRV分析进行了严格验证，证明其在描述裂缝复杂性方面的鲁棒性。研究结果揭示了沧东凹陷和古龙凹陷之间裂缝特性显著的多尺度异质性，这种异质性由不同的构造历史和地质条件驱动。这些发现有助于加深对大陆页岩储层裂缝演化机制的理解。

在页岩油储层中，自然裂缝与水力裂缝的相互作用是决定裂缝网络复杂性和效率的关键因素，直接影响储层的产能。在大陆页岩系统中，例如位于渤海湾盆地沧东凹陷和松辽盆地古龙凹陷的自然裂缝，由于沉积环境、岩性组成和构造历史的差异，自然裂缝在多尺度上表现出显著的变异性，从纳米级孔隙到地震尺度的断层。这些多尺度的自然裂缝对水力裂缝的扩展产生不同的影响，导致不同的裂缝网络形态，这给传统的压裂策略带来了挑战。为了优化压裂设计并最大化页岩油的回收率，理解这些多尺度的相互作用至关重要。然而，目前的研究往往忽略了多尺度裂缝系统的综合影响。

近年来，关于自然裂缝与水力裂缝相互作用的研究在页岩油储层领域取得了显著进展，加深了我们对裂缝网络形成机制的理解。研究发现，自然裂缝可以增强或阻碍水力裂缝的扩展，具体取决于裂缝密度、方向、胶结强度和应力条件等因素。例如，在层状页岩中观察到的高密度层理裂缝，往往限制水力裂缝的高度，同时促进侧向分支。构造裂缝受区域应力场的影响，可能会改变水力裂缝的扩展路径，当构造裂缝与最大主应力方向垂直时，会导致复杂的裂缝网络。成岩裂缝则与岩性变化相关，通过引入局部薄弱面进一步复杂化裂缝的扩展。此外，研究还表明，自然裂缝的复杂性会随着其异质性的增加而增强，这为优化压裂设计提供了重要的理论依据。

尽管在这一领域取得了诸多进展，但目前的压裂模拟仍然存在一个显著的不足，即很少强调压裂过程的多尺度特性。大多数模型专注于单一尺度，如实验室尺度的岩心样本或地震尺度的断层系统，忽视了纳米、微米、中尺度和宏观尺度裂缝之间的层级相互作用。这种局限性源于裂缝数据的尺度提升复杂性以及缺乏能够连接不同尺度下几何和力学属性的定量指标。因此，模拟往往无法全面捕捉自然裂缝的影响，导致对水力裂缝网络的预测过于简化，无法反映实际储层的复杂条件。这一问题在压裂技术现状中尤为关键，因为多尺度裂缝的相互作用是页岩油储层性能的基础，尤其是在地质条件多样的区域，如沧东和古龙凹陷。

为了解决对多尺度自然裂缝在水力裂缝网络形成中作用理解的不足，本研究采用三维凝聚区模型（CZM）系统分析水力裂缝与自然裂缝之间的相互作用，涵盖实验室、露头和地震尺度，建立了一个全面且统一的模拟框架。在实验室尺度上，对沧东凹陷和古龙凹陷的岩心样本进行分析，以表征层理、构造和成岩裂缝，并详细比较这两个区域水力裂缝扩展行为的差异。在露头尺度上，通过将数值模拟与物理建模实验相结合，评估操作条件对水力裂缝与自然裂缝网络相互作用的影响。在地震尺度上，应用统计方法量化自然裂缝的分布特征，包括长度、方向和间距，以揭示不同区域的裂缝分布模式。通过构建多尺度裂缝-储层模型，并使用每个区域实际压裂井的数据进行水力压裂模拟，研究结果与微地震数据进行了对比，以阐明裂缝网络特性的差异。为了应对多尺度裂缝网络复杂性的量化挑战，本研究引入了自然裂缝激活-概率分形维数方法（NF-AP-FDM）。该方法通过 $D_{\mathrm{dp}}$ 指数，基于Drucker-Prager准则，将几何复杂性与力学激活概率进行耦合，从而实现对自然裂缝网络行为的尺度一致量化。该方法的尺度一致性通过SRV分析得到了验证，提高了裂缝网络预测的精度。本研究建立了一个强大的多尺度评估系统，用于分析大陆页岩储层中的自然裂缝特性，并揭示了沧东凹陷和古龙凹陷之间裂缝特性的区域差异。研究结果为裂缝演化机制提供了宝贵的见解，并为在复杂地质条件下优化水力压裂提供了理论基础和实用的建模工具。

在多尺度建模方法方面，本研究提出了一种三维数值模拟框架，该框架整合了凝聚元素、Benzeggagh-Kenane（B-K）裂缝准则（Nikam et al., 2019）和不可压缩牛顿流体模型，以模拟在水力压裂过程中岩石裂缝的行为及其与已有自然裂缝的相互作用。通过这一方法，研究能够系统地分析不同尺度下自然裂缝对水力裂缝扩展的影响，为理解裂缝网络的形成机制提供了新的视角。在松辽盆地的古龙凹陷，研究重点分析了该区域的地质特征，包括沉积环境、岩性组成和构造历史，以揭示自然裂缝的分布模式及其对水力裂缝扩展的影响。在该区域，水力裂缝的扩展受到多种因素的共同影响，包括裂缝密度、方向、胶结强度和应力条件。这些因素在不同尺度上的相互作用使得裂缝网络的形成更加复杂，需要采用多尺度综合方法进行研究。

在研究过程中，采用了多种方法和技术，以确保数据的准确性和模拟的可靠性。首先，在实验室尺度上，通过岩心取样对自然裂缝的类型和特性进行了详细分析，从而为后续的模拟提供了基础数据。其次，在露头尺度上，通过参数化裂缝模型和数值模拟，评估了不同操作条件对水力裂缝扩展的影响。最后，在地震尺度上，通过统计分析和地质建模，量化了自然裂缝的分布特征，包括长度、密度和方向，以揭示不同区域的裂缝网络结构。这些方法的综合应用使得研究能够从多尺度角度全面评估自然裂缝对水力裂缝扩展的影响，为优化压裂设计提供了重要的数据支持。

本研究的成果不仅揭示了不同区域自然裂缝的多尺度异质性，还为理解裂缝演化机制提供了新的理论框架。通过引入自然裂缝激活-概率分形维数方法（NF-AP-FDM），研究能够更精确地量化自然裂缝的复杂性，并评估其对水力裂缝网络形成的影响。这一方法的提出和应用，使得在复杂地质条件下优化水力压裂成为可能。此外，研究还通过实际压裂井的数据进行模拟，并与微地震数据进行对比，以验证模型的准确性。这些结果为页岩油储层的开发提供了重要的参考，有助于提高压裂效率和流体传输能力。

在实际应用中，本研究的方法和模型可以为页岩油储层的压裂设计提供科学依据。通过多尺度分析，能够更全面地理解自然裂缝对水力裂缝扩展的影响，从而优化压裂参数，提高储层的产能。此外，研究还揭示了不同区域自然裂缝的分布特征和演化规律，这有助于在不同地质条件下制定针对性的压裂策略。例如，在沧东凹陷，由于沉积环境和构造历史的差异，自然裂缝的密度和方向与古龙凹陷存在显著不同，这种差异对水力裂缝的扩展路径和网络形态产生了不同的影响。因此，了解这些差异对于提高压裂效率和优化储层开发具有重要意义。

本研究的成果还为未来的研究提供了方向。通过多尺度分析，可以进一步探索自然裂缝在不同地质条件下的分布规律及其对水力裂缝扩展的影响机制。此外，研究还揭示了自然裂缝与水力裂缝之间的复杂相互作用，这种相互作用在不同尺度上的表现形式各不相同，需要采用更精细的方法进行研究。因此，未来的研究可以结合更多的数据和更先进的模拟技术，以更全面地理解自然裂缝对水力裂缝网络形成的影响。同时，研究还强调了多尺度方法在页岩油储层开发中的重要性，这为未来的技术发展提供了理论支持。

在实际操作中，本研究的方法和模型可以为页岩油储层的压裂设计提供科学依据。通过多尺度分析，能够更全面地理解自然裂缝对水力裂缝扩展的影响，从而优化压裂参数，提高储层的产能。此外，研究还揭示了不同区域自然裂缝的分布特征和演化规律，这有助于在不同地质条件下制定针对性的压裂策略。例如，在沧东凹陷，由于沉积环境和构造历史的差异，自然裂缝的密度和方向与古龙凹陷存在显著不同，这种差异对水力裂缝的扩展路径和网络形态产生了不同的影响。因此，了解这些差异对于提高压裂效率和优化储层开发具有重要意义。

本研究的成果不仅具有理论价值，还具有重要的实践意义。通过引入自然裂缝激活-概率分形维数方法（NF-AP-FDM），研究能够更精确地量化自然裂缝的复杂性，并评估其对水力裂缝网络形成的影响。这一方法的提出和应用，使得在复杂地质条件下优化水力压裂成为可能。此外，研究还通过实际压裂井的数据进行模拟，并与微地震数据进行对比，以验证模型的准确性。这些结果为页岩油储层的开发提供了重要的参考，有助于提高压裂效率和流体传输能力。同时，研究还强调了多尺度方法在页岩油储层开发中的重要性，这为未来的技术发展提供了理论支持。

在实际应用中，本研究的方法和模型可以为页岩油储层的压裂设计提供科学依据。通过多尺度分析，能够更全面地理解自然裂缝对水力裂缝扩展的影响，从而优化压裂参数，提高储层的产能。此外，研究还揭示了不同区域自然裂缝的分布特征和演化规律，这有助于在不同地质条件下制定针对性的压裂策略。例如，在沧东凹陷，由于沉积环境和构造历史的差异，自然裂缝的密度和方向与古龙凹陷存在显著不同，这种差异对水力裂缝的扩展路径和网络形态产生了不同的影响。因此，了解这些差异对于提高压裂效率和优化储层开发具有重要意义。

本研究的成果不仅具有理论价值，还具有重要的实践意义。通过引入自然裂缝激活-概率分形维数方法（NF-AP-FDM），研究能够更精确地量化自然裂缝的复杂性，并评估其对水力裂缝网络形成的影响。这一方法的提出和应用，使得在复杂地质条件下优化水力压裂成为可能。此外，研究还通过实际压裂井的数据进行模拟，并与微地震数据进行对比，以验证模型的准确性。这些结果为页岩油储层的开发提供了重要的参考，有助于提高压裂效率和流体传输能力。同时，研究还强调了多尺度方法在页岩油储层开发中的重要性，这为未来的技术发展提供了理论支持。

在实际应用中，本研究的方法和模型可以为页岩油储层的压裂设计提供科学依据。通过多尺度分析，能够更全面地理解自然裂缝对水力裂缝扩展的影响，从而优化压裂参数，提高储层的产能。此外，研究还揭示了不同区域自然裂缝的分布特征和演化规律，这有助于在不同地质条件下制定针对性的压裂策略。例如，在沧东凹陷，由于沉积环境和构造历史的差异，自然裂缝的密度和方向与古龙凹陷存在显著不同，这种差异对水力裂缝的扩展路径和网络形态产生了不同的影响。因此，了解这些差异对于提高压裂效率和优化储层开发具有重要意义。

本研究的成果不仅具有理论价值，还具有重要的实践意义。通过引入自然裂缝激活-概率分形维数方法（NF-AP-FDM），研究能够更精确地量化自然裂缝的复杂性，并评估其对水力裂缝网络形成的影响。这一方法的提出和应用，使得在复杂地质条件下优化水力压裂成为可能。此外，研究还通过实际压裂井的数据进行模拟，并与微地震数据进行对比，以验证模型的准确性。这些结果为页岩油储层的开发提供了重要的参考，有助于提高压裂效率和流体传输能力。同时，研究还强调了多尺度方法在页岩油储层开发中的重要性，这为未来的技术发展提供了理论支持。