川西凹陷新場氣田三維地應(yīng)力場反演分析

王崢嶸，鄧 輝，黃潤秋

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2.中兵勘察設(shè)計(jì)研究院 北京 100053)

川西凹陷新場氣田三維地應(yīng)力場反演分析

王崢嶸1,2，鄧 輝1，黃潤秋1

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2.中兵勘察設(shè)計(jì)研究院 北京 100053)

根據(jù)川西凹陷新場地區(qū)及鄰區(qū)已有的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及其演化等資料，結(jié)合深部巖體鉆井巖心裂縫發(fā)育特征編錄、完井報(bào)告、錄井測井地應(yīng)力和裂縫分析成果，建立了研究區(qū)的地質(zhì)模型。利用已有的井孔崩落、鉆井誘導(dǎo)縫分析、水壓致裂曲線分析、巖石Kaiser效應(yīng)測試等技術(shù)所獲得的地應(yīng)力資料，作為計(jì)算模型的應(yīng)力邊界條件和地應(yīng)力場反演的井段現(xiàn)今地應(yīng)力參考值，采用三維數(shù)值模擬技術(shù)對川西凹陷新場氣田進(jìn)行了三維地應(yīng)力場反演分析。研究結(jié)果表明，總體上最大水平主應(yīng)力以近NEE-SWW向?yàn)橹鳎跀鄬痈浇鲬?yīng)力方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，主體方位與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用主方向一致。各主地應(yīng)力值總體上隨深度的增加而變大, 與深度之間有較好的線性相關(guān)關(guān)系，由于新場須二段各目的層均發(fā)育較多斷裂構(gòu)造，因此其應(yīng)力場表現(xiàn)出明顯的不連續(xù)性，使地應(yīng)力值和方向發(fā)生局部變化，在斷層端部和轉(zhuǎn)折部位表現(xiàn)出較明顯的最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，而在斷層兩盤部位則出現(xiàn)應(yīng)力消散特點(diǎn)。

地質(zhì)模型；三維數(shù)值模擬；地應(yīng)力反演；新場氣田；川西凹陷

深部地應(yīng)力問題是當(dāng)今石油行業(yè)的石油地質(zhì)和巖石力學(xué)面臨的重大問題之一，已引起國內(nèi)外研究者的高度重視。油氣藏構(gòu)造應(yīng)力場在預(yù)測油氣富集區(qū)、油氣藏開發(fā)方案的優(yōu)化、解決水力壓裂及重復(fù)地層壓裂問題、異常地層壓力預(yù)測、定向射孔以及井壁穩(wěn)定性等生產(chǎn)和科研工作中得到廣泛應(yīng)用[1]。目前應(yīng)力測試評價(jià)的具體方法主要有：水力壓裂測試地應(yīng)力[2-4]、井壁崩落法地應(yīng)力分析[5-6]、鉆井誘導(dǎo)縫地應(yīng)力分析[7]、聲發(fā)射測定地應(yīng)力[8-10]、地應(yīng)力的計(jì)算分析[11-12]以及地應(yīng)力場的數(shù)值模擬反演等。由于地應(yīng)力測試技術(shù)要求較高，費(fèi)用較大，難于進(jìn)行大量測量工作；而地應(yīng)力場研究的對象往往具有地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜、地層介質(zhì)分布不均勻、巖石物理性質(zhì)多樣的特點(diǎn)。因此，研究地應(yīng)力場的較好方法是根據(jù)有限個(gè)測點(diǎn)的地應(yīng)力資料，借助于巖石力學(xué)的基本理論進(jìn)行數(shù)值模擬反演分析。其基本思想為：在依據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料建立三維地質(zhì)計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)已知位置點(diǎn)的實(shí)測應(yīng)力值，通過數(shù)值計(jì)算反演，從而計(jì)算得到更符合實(shí)際的地應(yīng)力場分布規(guī)律[13]。

本文選擇新場氣田作為研究對象，新場氣田是川西坳陷孝泉—新場—合興場地區(qū)的大型氣田，研究表明深層須家河組氣藏具有巨大的勘探潛力，已在須二和須四段獲得了不少油氣成果。對于該地區(qū)地應(yīng)力場的研究具有十分重要的意義。

1 基本地質(zhì)特征

川西凹陷新場氣田地表出露地層為第四系，通過鉆孔揭露，地層層序自上而下為第四系、白堊系劍門關(guān)組、侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組、遂寧組、沙溪廟組、千佛崖組、白田壩組與三疊系須家河組、小塘子組。

新場氣田處于四川盆地川西坳陷中段孝泉—豐谷北東東向大型隆起帶上，該隆起帶位于彭州—德陽向斜和梓潼向斜之間，是從晚三疊世以來經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的古今復(fù)合大型隆起帶。其中最具影響力的是印支晚期、燕山期及喜馬拉雅期。每次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)都對川西坳陷產(chǎn)生重大的影響，使其構(gòu)造、沉積表現(xiàn)出復(fù)雜性。新場構(gòu)造整體上表現(xiàn)為NEE向的背斜構(gòu)造，構(gòu)造南北兩翼表現(xiàn)為南陡北緩?？v向深部地層是由多個(gè)構(gòu)造高點(diǎn)組成完整的NEE向復(fù)式背斜，斷裂較為發(fā)育，而中淺層漸變?yōu)橄驏|傾沒的NEE向鼻狀構(gòu)造，斷裂發(fā)育程度明顯減弱。新場須四構(gòu)造為由孝泉高點(diǎn)、新場高點(diǎn)、羅江高點(diǎn)等多個(gè)局部高點(diǎn)構(gòu)成的鼻狀背斜。新場須二構(gòu)造是由多個(gè)NE、SN、NEE向高點(diǎn)組成的NEE向復(fù)式背斜(圖1)[14-16]。

2 三維地應(yīng)力場反演分析

總體研究思路及技術(shù)路線是：從地質(zhì)原型入手，首先收集新場地區(qū)及鄰區(qū)已有的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及其演化等方面的資料，對研究區(qū)構(gòu)造特征進(jìn)行全方位、系統(tǒng)的調(diào)查研究，同時(shí)結(jié)合深部巖體鉆井巖心觀察、錄井、測井、完井資料的對比研究，建立研究區(qū)的地質(zhì)模型，根據(jù)研究范圍確定地應(yīng)力分析的幾何邊界條件。結(jié)合已有的井孔崩落、鉆井誘導(dǎo)縫分析、水力壓裂曲線分析、微壓裂地應(yīng)力測試、Kaiser效應(yīng)測試等技術(shù)所獲得的地應(yīng)力資料，綜合分析單一井段的現(xiàn)今地應(yīng)力值。通過高溫高圍壓巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、物理模擬和巖石力學(xué)分析確定深部巖體的物理力學(xué)參數(shù)，建立深部巖石的本構(gòu)關(guān)系。然后利用工程地質(zhì)的系統(tǒng)工作方法(主要包括概念模型的建立、物理模擬以及二維、三維數(shù)值模擬方法)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)的分析方法，分析研究區(qū)地應(yīng)力場特征。

圖1 川西凹陷新場氣田須家河二段第四砂組頂板構(gòu)造及斷層分布

2.1 地質(zhì)原型的建立

建模過程中，以地震解譯資料獲得的三疊系須家河四段底界作為計(jì)算模型的起點(diǎn)，向上疊加須家河四段、五段，侏羅系下統(tǒng)、中統(tǒng)、上統(tǒng)，白堊系、第三系、第四系地層；向下分別疊加須家河三段、須家河二段第二砂組、第四砂組、第七砂組反射層；以地震解譯資料獲得的馬鞍塘組底界反射層作為計(jì)算模型中三疊系地層的底界；最后馬鞍塘底界向下投影到同一高程平面-6 000 m上，構(gòu)成計(jì)算模型的底界。這樣將各巖層底頂?shù)讓舆M(jìn)行疊加即可構(gòu)成數(shù)值計(jì)算模型的幾何模型(圖2)。

2.2 物理力學(xué)參數(shù)

本次計(jì)算采用彈塑性模型，由于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測試的是巖石塊體的物理力學(xué)參數(shù)，因此在計(jì)算過程中采用的巖石物理力學(xué)參數(shù)主要參考實(shí)驗(yàn)，結(jié)合巖層巖體結(jié)構(gòu)特征，通過工程地質(zhì)類比選取[17]，具體參數(shù)如表1所示。

2.3 地應(yīng)力方向分析

在油氣田領(lǐng)域用來測量現(xiàn)今地應(yīng)力的方法和手段主要有：嵌入式人工裂縫實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)(由于該監(jiān)測技術(shù)本身存在一些需要改進(jìn)的問題，在地應(yīng)力研究中需慎用，本次研究不采用此方法)、鉆井誘導(dǎo)縫應(yīng)力指示技術(shù)、井壁崩落方位應(yīng)力指示技術(shù)、基于增產(chǎn)壓裂資料反演分析現(xiàn)今地應(yīng)力技術(shù)[18]。

圖2 離散化處理后的計(jì)算模型

地層彈性模量/MPa泊松比內(nèi)聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)容重/(KN·m-3)雷口坡以下地層8×1040．203．25228．3馬鞍塘組3．8×1040．212．44727．1須家河二段第七砂組1．8×1040．271．53926．5須家河二段第四砂組1．4×1040．291．53525．5須家河二段第二砂組1．7×1040．261．63825．3須家河三段1．5×1040．271．53826．3須家河四段2×1040．261．83827．6須家河五段3×1040．251．93728．4泥巖9×1030．301．122．626．4千佛崖組1．1×1040．271．03626．1沙溪廟組1．8×1040．261．84026．5遂寧組1．3×1040．271．43525．8蓬萊鎮(zhèn)組1．3×1040．271．43525．8劍門關(guān)組1．2×1040．271．13425．6第三系1．0×1040．271．13125．4第四系5×1020．30．012120．3斷層3×1020．310．0081820．1

根據(jù)新201井、新853井、新856井、川孝560井、川孝565井、新3井的成像測井結(jié)果，分析了研究區(qū)的現(xiàn)今地應(yīng)力方向。新201井須家河二段現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W85°，新853井為NE80°，新856井為NE80°，川孝560井為NE75°，川孝565井為NE90°，新3井為NE75°。

圖3 川西凹陷新場氣田須家河二段現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向示意

2.4 已有井段地應(yīng)力大小和邊界應(yīng)力條件確定

水力壓裂是目前進(jìn)行深部應(yīng)力原位測試最為有效的方法，也是深部最小水平主應(yīng)力測試最直接的方法，在國內(nèi)外得到了較為廣泛的應(yīng)用。本次研究收集了研究區(qū)已有的地應(yīng)力測試資料(表2)，周邊工程建設(shè)獲取的地應(yīng)力資料、汶川地震研究中獲取的地應(yīng)力資料以及Kaiser效應(yīng)實(shí)驗(yàn)獲取的喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)晚期地應(yīng)力大小作為邊界應(yīng)力條件(SH=3.25+0.028D，Sh=1.92+0.020D，其中，D為鉆孔深度，局部層位的邊界應(yīng)力條件根據(jù)與其對應(yīng)井段的實(shí)測值對比作適當(dāng)調(diào)整)，結(jié)合數(shù)值分析手段來研究新場油氣田一定井位、一定深度處現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的數(shù)值大小。

表2 新場地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力值參數(shù) [19]

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

研究區(qū)在喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期間的主應(yīng)力特征，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得出以下基本認(rèn)識：

(1)總體上，研究區(qū)上部地層(白堊系以上)在喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期間最大主應(yīng)力近于水平，最大主應(yīng)力方向約NE 80°～90°，傾角約5°～15°；從侏羅系地層開始往下，最大主應(yīng)力方向逐漸偏轉(zhuǎn)，隨著深度加深，最大主應(yīng)力逐漸由表部的水平向轉(zhuǎn)至近垂直向。

(2)斷層往往對主應(yīng)力方向有較大影響，斷層周圍一定范圍內(nèi)最大主應(yīng)力方向常表現(xiàn)出多變的特點(diǎn)。具體表現(xiàn)為平面上在斷層兩盤最大主應(yīng)力一般與斷層延伸方向垂直，在斷層轉(zhuǎn)折部位最大主應(yīng)力一般與其切線方向平行；剖面上在斷層兩盤最大主應(yīng)力往往與斷層面平行。

(3)從目的層須二段第七、第四、第二砂組計(jì)算結(jié)果來看，總體上最大水平主應(yīng)力以近NEE-SWW向?yàn)橹?，但在斷層附?尤其是F3、F4斷層附近)主應(yīng)力方向發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，如圖4，5所示。

(4)對于此次研究的目的層須二段3個(gè)砂組，由于其厚度相對較薄，因此其頂板、底板地形起伏情況對其應(yīng)力分布也有較大的影響。主要體現(xiàn)在地形凹的部位主應(yīng)力出現(xiàn)消散的現(xiàn)象，而在地形凸起、以及斷層切割形成的一些棱角部位主應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。

(5)總體上，研究區(qū)應(yīng)力場特點(diǎn)隨著深度的增加呈現(xiàn)出均勻、連續(xù)分布—非連續(xù)分布—均勻、連續(xù)分布的情況。以須家河、白田壩組地層為界，其上部、下部的地層中斷層發(fā)育較少，且各地層頂?shù)装宓匦屋^平緩，基于以上兩點(diǎn)原因，應(yīng)力場的分布

較均勻、連續(xù)；而在須家河和白田壩組地層中，由于斷層的發(fā)育，造成應(yīng)力場分布連續(xù)性較差，應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯，尤其是在須二段第七、第四、第二砂組中，由于這3層相對較薄，且被斷層切割嚴(yán)重(尤其規(guī)模較大的F3斷層)，從而造成在這3個(gè)地層中最大主應(yīng)力、剪應(yīng)力往往表現(xiàn)出較為強(qiáng)烈的集中現(xiàn)象，在斷層周圍這樣的現(xiàn)象更明顯，最小主應(yīng)力還會(huì)出現(xiàn)一定范圍的拉應(yīng)力。

(6)受斷層影響，最大主應(yīng)力在斷層兩端及轉(zhuǎn)折部位出現(xiàn)較明顯的集中現(xiàn)象(圖6)，而在斷層兩側(cè)一定范圍內(nèi)，最大主應(yīng)力往往出現(xiàn)消散現(xiàn)象；最小主應(yīng)力在斷層兩盤一定范圍內(nèi)出現(xiàn)較為明顯的拉應(yīng)力；剪應(yīng)力在斷層兩端及轉(zhuǎn)折部位也出現(xiàn)較為明顯的集中現(xiàn)象。

(7)此外，成點(diǎn)狀分布的最小主應(yīng)力集中現(xiàn)象主要是由于上部地層中的斷層及地形起伏造成的(圖7)。

圖4 川西凹陷新場氣田喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期研究區(qū)總體主應(yīng)力方向

圖5 川西凹陷新場氣田喜山運(yùn)動(dòng)期研究區(qū)縱剖面主應(yīng)力方向

圖6 川西凹陷新場氣田須家河二段第四砂組頂最大主應(yīng)力等值線

圖7 川西凹陷新場氣田須家河二段第四砂組頂最小主應(yīng)力等值線

3 結(jié)論

在地質(zhì)模型、模型邊界、井點(diǎn)現(xiàn)今地應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，采用三維數(shù)值模擬技術(shù)能較好地反演油氣田的三維地應(yīng)力場。研究區(qū)地形和各巖層展布相對平坦，因此區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造是影響研究區(qū)應(yīng)力場分布特點(diǎn)的重要因素。由于均發(fā)育較多斷裂構(gòu)造，因此其應(yīng)力場表現(xiàn)出明顯的不連續(xù)性，在斷層端部和轉(zhuǎn)折部位表現(xiàn)出較明顯的最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，而在斷層兩盤部位則出現(xiàn)應(yīng)力消散特點(diǎn)，最小主應(yīng)力在斷裂周圍表現(xiàn)較明顯的拉應(yīng)力。從縱向剖面上看，研究區(qū)應(yīng)力場具有較明顯的分帶性，具體表現(xiàn)為千佛崖組以上地層最大主應(yīng)力方向多近于水平，應(yīng)力場分布較連續(xù)；須家河組地層受斷層影響，主應(yīng)力方向在不同部位往往存在較大差別，尤其在斷層周圍，主應(yīng)力方向往往多變，應(yīng)力場部分大多不連續(xù)；須家河組底板以下地層，最大主應(yīng)力方向大多轉(zhuǎn)為近垂直向，應(yīng)力場分布也較為連續(xù)。

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(編輯 徐文明)

Three-dimensional inversion of geostress in Xinchang gas field, Western Sichuan Sag

Wang Zhengrong1,2, Deng Hui1, Huang Runqiu1

(1.StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu,Sichuan610059,China; 2.ChinaOrdnanceIndustrySurvey&GeotechnicalInstitute,Beijing100053)

According to the formation lithology, geological structure and structure evolution of Xinchang area and its vicinity in the Western Sichuan Sag, the geologic model of research area was established, combining with the analysis results of drilling core fracture development characteristics, well reports, geostress and crack analysis. Geostress data were obtained from the analysis of borehole breakout data, drilling-induced fracture, hydraulic fracturing curve and rock Kaiser effect test. Those data were used as modern geostress reference values during model boundary conditions computing and geostress field inversion. The research results show that generally the maximum horizontal principal stress is nearly NEE-SWW. But it is apparently deflected near to the faults. And main subject orientation and regional tectonic stress are in the same direction. On the whole, main stress value increases with depth, and it has a good linear relationship with depth. Since fault structures developed in every stratum in the second member of the Xujiahe Formation, stress field shows obvious discontinuity, which makes geostress change in values and direction. There are obvious maximum principal stress and shear stress concentration phenomenon in fault ends and turning parts. However, stress dissipating appears in both sides of fault.

geologic model; three dimensional numerical simulation; geostress inversion; Xinchang gas field; Western Sichuan Sag

1001-6112(2014)06-0792-06

10.11781/sysydz201406792

2014-08-20；

2014-11-10。

王崢嶸(1970—)，女，博士研究生，高級工程師，從事地質(zhì)工程專業(yè)研究。E-mail：13701067318@163.com。

國家自然科學(xué)基金“油氣場深部多期地應(yīng)力場反演及裂縫預(yù)測研究”項(xiàng)目(41272332)資助。

TE319

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