深部儲層三維地應力場反演

茍廣秀 ，吳紹英

(1.新疆地礦局第一水文工程地質大隊，烏魯木齊 830091;2.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

深部儲層三維地應力場反演

茍廣秀1，吳紹英2

(1.新疆地礦局第一水文工程地質大隊，烏魯木齊 830091;2.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

新場須二段儲層埋深大于-4600米。鑒于其三維地應力由于場地及經費不能大范圍測試，選取周邊同等深度由水力壓裂法得到的幾個應力點測試值和井壁崩落方位應力指示技術得到的應力方位為依據(jù)，建立有限元三維數(shù)值模型。通過區(qū)域應力場的有限元反演使應力場的最大主應力方向和量值與實測值達到最佳耦合，從而得到研究區(qū)深部應力場整體分布特征。

有限元；三維模型；地應力；反演

深部地應力分布問題是當今石油地質和巖石力學的重大問題之一[1-2]，開展地應力場特別是成藏期地應力場的研究，有助于揭示油氣分布規(guī)律，預測油氣運聚指向。

地應力場的大小可以通過應力解除法、水力壓裂法、巖石聲發(fā)射等來確定，方向可以通過波速各向異性、地震資料、測井資料、聲發(fā)射、水力壓裂法等來確定。通過這些方法實測的地應力是提供區(qū)域地應力場最為直接的途徑，也是應力場研究的基礎。但是，這些方法普遍存在著不足，例如：應力解除法一般只能測量淺部地層原巖應力，而對于幾千米以下地層的原巖應力就無法測得；水力壓裂法和聲發(fā)射法可以較好地測量地殼深部的應力，但是，對巖體的類型有較大的限制，并且測量精度和環(huán)境因素的控制難以把握[3-7]。使用這些方法最困難的是，很多情況下，由于場地和經費限制等原因，研究人員不可能進行大量且可靠的地應力實地測量，只能在研究區(qū)塊中選擇有限的點進行測量，而有限的實測點是很難對地應力場分布進行研究的。要獲得整個研究區(qū)塊的地應力場分布，就只有在有限的實測地應力資料的基礎上，結合現(xiàn)場地質構造及地形等條件，通過采用有限元數(shù)值模擬來反演地應力作用的過程，進而對地應力場進行分析，以獲得較大范圍的連續(xù)介質的地應力場分布。

所謂區(qū)域應力場的有限元反演，就是采用有限單元法，根據(jù)現(xiàn)有已知的地應力實測點的應力資料和震源機制資料解來推求整個計算區(qū)域的地應力場。其方法是首先根據(jù)區(qū)域地質調查結果，建立研究區(qū)的地質力學模型；然后通過不斷改變邊界力作用方式和大小量值(包括大小和方向)來模擬計算區(qū)域應力場，使區(qū)域介質體內應力計算結果與已有地應力實測結果和地震震源機制解(最大主應力大小和方向)達到最佳擬合。由此即可得出反映研究區(qū)現(xiàn)今應力-形變場的區(qū)域應力場的真實情況。

1 工程實例概況

研究區(qū)在區(qū)域構造上位于四川盆地西部川西坳陷北東東向構造帶的中段。研究區(qū)構造是北東東向的孝泉構造隆起帶上的一個局部構造，構造帶整體表現(xiàn)為西高東低、鼻狀隆起的構造形態(tài)(圖1)。

研究區(qū)須家河組二段氣藏為超致密的特低孔低滲裂縫性氣藏，埋藏較深，一般頂埋深超過-4 600 m。平均地層厚度約600 m。巖性以砂巖為主，夾少量的泥頁巖。

儲層段裂縫非常發(fā)育，由西向東有多條大型斷層，裂縫走向主要有NEE、NE、SEE三個方向。研究區(qū)氣田地表出露地層為新生界第四系，地層層序自上而下為第四系、白堊系、侏羅系與三疊系、小塘子組。

圖1 研究區(qū)須二段頂面三維地震反射層構造圖

Fig.1 Tectonic map of the three-dimensional seismic reflection stratum at the top of Section Xu-2

2 現(xiàn)今地應力特征

鉆井誘導縫應力指示技術和井壁崩落方位應力指示技術是測量現(xiàn)今地應力的有效方法。通過對研究區(qū)的新201井、新853井、新856井、川孝560井、川孝565井、新3井的成像測井的結果研究表明：須家河二段最大主應力方向為近EW向。

水力壓裂是目前進行深部應力原位測試最為有效的方法，也是深部水平主應力測試最直接的方法。但是由于條件有限，本次分析只收集到了研究區(qū)附近的水力壓裂資料作為地應力場反演的參考。水力壓裂得到的應力值見表1。

表1 研究區(qū)現(xiàn)今構造應力值參數(shù)表(據(jù)張守仁、萬天豐等)

3 地應力三維有限元法數(shù)值模擬

本文以須家河二段的應力場作為主要研究對象，并利用三維有限元軟件ansys建立三維數(shù)值模型。

3.1 地質模型的建立

結合已有的三維地震反射層構造圖，將馬鞍唐組底界按向下投影到-6 000 m獲得模型計算地層底界，頂面取現(xiàn)今地面高度，將各巖層頂?shù)讓舆M行疊加構成數(shù)值計算模型的幾何模型。模型從下向上疊加的順序為馬鞍唐組-須家河二段-須家河三段-須家河四段-須家河五段-白田壩組-千佛崖組-遂寧組-蓬萊鎮(zhèn)組。其中須二段又分成須二段上段、須二段中段、須二段下段三部分。由于研究區(qū)斷層較多，為了不增加無謂的繁瑣工作只考慮對構造起控制作用的大斷層以及中等斷層，忽略局部小斷層。

3.2 力學材料選取

巖石的力學性質既與其所處的環(huán)境有關也受到其本身組構的影響[8]。為了更加適合巖土體的材料性質，在計算時利用三維有限差分Flac-3D來計算三維地應力及巖層可能的破壞特征。本次計算采用彈塑性模型，構造應力場數(shù)值模擬所需的巖石力學參數(shù)有：彈性模量、泊松比、內聚力、內摩擦角、容重，這些參數(shù)是通過三軸巖石力學試驗測得。由于室內試驗測試的是巖石塊體的物理力學參數(shù)，因此在計算過程中采用的巖石物理力學參數(shù)主要參考試驗結合巖層巖體結構特征，通過工程地質類比選取，具體參數(shù)見表2。

表2 數(shù)值計算模型物理力學參數(shù)

3.3 模型求解

本次反演應力場，具體過程如下:

(1) 邊界條件和初始應力的確定。隔離體的約束方式為：頂面為自由面，允許有任何方向的位移；底面上Z方向固定表明底面無垂向位移，模型北、南面施加Y方向的位移約束，模型東面施加X方向的位移約束，構造只受水平力的影響。模擬時考慮單元的重力為9.8 N，方向向下。

圖2 模型邊界條件示意圖

Fig.2 Boundary conditions of the model

(2) 模型西面施加構造力，構造力的大小結合現(xiàn)今地應力的大小和方向反演來確定。反演結果應符合:①每個單元都處于擠壓應力狀態(tài),主壓應力方位為東西向；②最大主應力量值在60 MP左右；③加載邊界在平面上協(xié)調變形, 變形沒有出現(xiàn)鋸齒狀態(tài)；④沒有應力奇異點。

綜上所述，在數(shù)次試算后最終給予該計算模西面54 MPa的壓力邊界。

4 模擬結果

通過反演讓研究區(qū)應力分布與已有地應力大小和方向達到最佳擬合。

研究區(qū)須二段應力場分布特征分析:

圖3和圖4分別是研究區(qū)須家河二段現(xiàn)今應力場的最大與最小主應力值，根據(jù)計算結果可以得出以下基本認識：

圖3 須二段頂面最大主應力分布Fig.3 Maximum principal stress distribution at the top of Section Xu-2

(1) 研究區(qū)須二段最大主應力值主要分布在50～70 MPa之間，最小主應力值主要分布在40～60 MPa之間，與水力壓裂結果較為吻合。

(2) 從須二段應力場計算結果來看，區(qū)域內斷裂構造對研究區(qū)應力場的分布特征存在重要影響：在斷層內部表現(xiàn)出明顯的應力降低現(xiàn)象，斷裂構造的兩側、端部或轉折部位均存在明顯的應力集中現(xiàn)象，而在斷層兩側一定范圍內，最大主應力和最小主應力出現(xiàn)消散現(xiàn)象。

(3) 從模型剖面圖上看，在斷裂等構造形跡不發(fā)育、巖層層面起伏平緩的地層應力分布一般表現(xiàn)出較好的連續(xù)、均勻的特點；但是在發(fā)育多條斷裂構造、且?guī)r層層面起伏相對較大的區(qū)域，應力場表現(xiàn)出明顯的局部應力集中或分散等不連續(xù)特點。

圖5為研究區(qū)須家河二段頂面的現(xiàn)今水平主應力方向，從圖上可以看出研究區(qū)須二段主應力方向為近東西向，這也與井壁崩落方位應力指示技術得出的結果一致。但是須家河二段受發(fā)育斷層影響，斷層周圍一定范圍內最大主應力方向常表現(xiàn)出多變的特點，具體表現(xiàn)為平面上為在斷層兩盤最大主應力一般與斷層延伸方向垂直；在斷層轉折部位最大主應力一般與其切線方向平行。

圖4 須二段頂面最小主應力分布Fig.4 Minimum principal stress distribution at the top of Section Xu-2

圖5 須二段頂面水平主應力方向Fig.5 Horizontal principal stress direction at the top of Section Xu-2

5 結論

從上述計算結果分析可以得出以下結論。

(1) 通過數(shù)值模擬，無論是深部應力場的方向還是量值都與實際情況有了較好的耦合。

(2) 采用三維有限元應力反演能較好地反映出斷裂構造對初始地應力的影響以及區(qū)域內應力場的分布情況。

(3) 利用有限元軟件對深部地應力進行了定量分析，解決了區(qū)域深部地應力測量難度大、花費高等問題。

(4) 有限元法對地應力場的研究作用很大，依據(jù)實際測量資料，通過建模過程建立地應力場計算模型，并結合反演理論不斷調整計算模型，使模擬的地應力場與實際情況最大限度地接近，從而解決地應力場在平面和空間上的展布問題，為油氣田的地質勘探和工程開發(fā)以及煤田的開采提供理論依據(jù)。

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TRI-DIMENSIONAL INVERSION OF TERRESTRIAL STRESS IN THE DEEP RESERVOIR

GOU Guang-xiu1，WU Shao-ying2

(1.The First Hydro-geological Brigade, Xinjiang Bureau of Geology, Urumqi 830091,China; 2.State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059,China)

The reservoir depth in Xinchang Field is greater than -4600m. A tri-dimensional finite element numerical model is established by selecting stress values tested by the hydraulic fracturing method and stress directions acquired by the stress orientation technique at well cavings. The overall distribution of the deep stress field in the study area is acquired by coupling the direction and magnitude of the maximum principal stress, obtained by the finite element stress field inversion, with the measured values.

finite element; three-dimensional model; terrestrial stress; inversion

1006-4362(2014)01-00102-05

2013-06-17 改回日期： 2013-11-22

TU452

A

茍廣秀(1985- )，工作單位：新疆地礦局第一水文工程地質大隊，研究方向：水文地質。