某氣場(chǎng)儲(chǔ)氣砂層組地應(yīng)力場(chǎng)模擬

吳 屹 張國(guó)強(qiáng)

（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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610059）

0 引言

地應(yīng)力是引起采礦、水利水電、土木建筑、鐵道、公路、軍事和其他各種地下或露天巖土開挖工程變形和破壞的根本作用力，是確定工程巖土力學(xué)屬性，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，實(shí)現(xiàn)巖土工程開挖設(shè)計(jì)和決策科學(xué)化的必要前提。地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)地震預(yù)報(bào)、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、油田油井的穩(wěn)定性、核廢料的儲(chǔ)存、巖爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球動(dòng)力學(xué)的研究等也具有重要意義。

本文以某地區(qū)儲(chǔ)氣層為例，擬利用三維有限元方法，在充分考慮研究區(qū)地質(zhì)、構(gòu)造等背景，同時(shí)充分考慮模擬區(qū)幾何模型的形狀及大小、區(qū)域構(gòu)造格架、邊界條件下對(duì)儲(chǔ)氣砂層地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)地應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析。

研究區(qū)域內(nèi)JP氣藏層中砂層組是儲(chǔ)氣層，其勘探與開采過(guò)程中，砂層組及其周圍巖層的應(yīng)力分布是確定勘探與開采方法與確保開采效果的重要參數(shù)，因此，地應(yīng)力場(chǎng)的研究顯得尤為重要。

根據(jù)圣維南原理，分布于彈性體上一小塊面積（或體積）內(nèi)的荷載所引起的物體中的應(yīng)力，在離荷載作用區(qū)稍遠(yuǎn)的地方，基本上只同荷載的合力和合力矩有關(guān)，荷載的具體分布只影響荷載作用區(qū)附近的應(yīng)力分布。作為厚度僅有幾米到幾十米的砂層，相對(duì)于研究區(qū)域，其引起的荷載變化整體而言可視作微小，其對(duì)整個(gè)地區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)的影響在遠(yuǎn)離儲(chǔ)氣砂層組的地方可以忽略。因此，在研究?jī)?chǔ)氣砂層的應(yīng)力分布時(shí)，可以將現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)反演得到的結(jié)果作為邊界條件（遠(yuǎn)離砂層組的地方），加在考慮了砂層的模型之上，利用數(shù)值模擬的方法，得到較為準(zhǔn)確的砂層組及其附近巖體的應(yīng)力分布。遵循這一思路，本文將利用已知現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果，得到JP37+8砂層組地應(yīng)力模擬的邊界條件，建立包含砂層組的有限元模型，進(jìn)而對(duì)其地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 JP37+8砂層組地應(yīng)力場(chǎng)模擬

1.1 模型建立

根據(jù)之前對(duì)場(chǎng)區(qū)的地應(yīng)力的反演恢復(fù)作為依據(jù)對(duì)儲(chǔ)氣砂層組的地應(yīng)力分布特征進(jìn)行模擬，但因砂體分布不規(guī)律，且相對(duì)于整個(gè)區(qū)域，砂體厚度太?。▓?chǎng)區(qū)長(zhǎng)50000米，寬40000，厚約3000米，砂體厚度5～20米），限于計(jì)算機(jī)硬件及軟件的約束，模型在劃分網(wǎng)格過(guò)程中無(wú)法成功。因此本文對(duì)場(chǎng)區(qū)某局部含儲(chǔ)氣砂層區(qū)域進(jìn)行建模分析。模型如圖1，模型長(zhǎng)16500米，寬9000米，厚度為2800米，砂體厚度為5米，在模型中的展布如圖2。

1.2 地質(zhì)情況和材料參數(shù)

JP37+8層的砂體分布區(qū)域及厚度范圍如圖1、圖2所示，砂體主要巖性為砂巖，砂體周圍為泥巖。

砂體材料計(jì)算參數(shù)取值如表1所示：

表1 JP37+8層計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)表

1.3 單元?jiǎng)澐趾途W(wǎng)格類型

建模分網(wǎng)時(shí)采用Ansys中的Solid45單元，建模后采用該Solid45單元進(jìn)行分網(wǎng)，利用軟件接口將分網(wǎng)后的模型方便地轉(zhuǎn)換為FLAC3d可以識(shí)別的模型。整個(gè)計(jì)算域內(nèi)共有112877個(gè)節(jié)點(diǎn)，623450個(gè)實(shí)體單元，研究區(qū)域的單元模型見圖3與圖4所示。

1.4 數(shù)值模擬

根據(jù)已得到的現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)模擬的結(jié)果進(jìn)行處理，得到模型在X軸及Y軸平面上應(yīng)力邊界條件施加如圖5、圖6，以此為條件計(jì)算得到JP37+8砂層組的應(yīng)力場(chǎng)分布。

2 JP37+8計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)該地區(qū)已知地應(yīng)力場(chǎng)的反演計(jì)算結(jié)果，為目標(biāo)層JP37+8砂體采用小模型進(jìn)行應(yīng)力分布分析提供了邊界條件，通過(guò)計(jì)算得到JP37+8砂層組的應(yīng)力場(chǎng)分布，下面對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，為滿足加砂壓裂儲(chǔ)層改造時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的要求，對(duì)JP37+8計(jì)算結(jié)果中的砂巖及其與周圍泥巖的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析討論。

2.1 垂直向應(yīng)力

圖7、圖8分別為JP37+8砂層的垂直向應(yīng)力的內(nèi)部剖面云圖與垂直向應(yīng)力的表面云圖。

2.2 最大水平應(yīng)力

圖9 、圖10分別為JP37+8最大水平應(yīng)力的內(nèi)部垂直向與水平向剖面云圖及表面云圖。

2.3 最小水平應(yīng)力

圖11、圖12分別為JP37+8最小水平應(yīng)力的內(nèi)部垂直向與水平向剖面云圖及表面的云圖。

通過(guò)計(jì)算得到JP37+8層目標(biāo)區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)垂直應(yīng)力分布的特征，從云圖上均可見該區(qū)域的垂直應(yīng)力整體上呈現(xiàn)由淺向深逐漸增大的特征，砂體的存在對(duì)垂直應(yīng)力的分布有一定的影響，從以上各種云圖都可以看出砂體上的垂直應(yīng)力都較周圍泥巖的垂直應(yīng)力小。在局部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

該區(qū)域的最大與最小水平應(yīng)力整體上呈現(xiàn)由淺向深逐漸增大的特征，但是同時(shí)從各云圖可以看出 砂體以及周圍的最大與最小水平應(yīng)力明顯要比相同深度沒(méi)有砂體分布的區(qū)域要小。

3 JP37+8砂層對(duì)地應(yīng)力分布的影響

為研究砂體對(duì)目標(biāo)地層地應(yīng)力分布的影響，分析不含砂體地層與含砂體地層的的垂直、最大水平、最小水平地應(yīng)力的變化，對(duì)JP37+8層如圖13所示進(jìn)行數(shù)據(jù)取樣分析，得到砂體對(duì)地應(yīng)力分布的影響如圖14所示。

由圖14可以看出JP37+8應(yīng)力場(chǎng)的泥巖到砂巖中部的應(yīng)力分布變化特征，由泥巖向砂體變化，垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力在邊界地段均發(fā)生急劇的衰減，水平應(yīng)力（最大與最?。┛傮w上呈現(xiàn)減小，然后在砂體中趨于平衡，垂直應(yīng)力有一減小-增大-減小-平衡的過(guò)程，總體上砂體內(nèi)的應(yīng)力小于砂體外圍泥巖上的應(yīng)力。水平應(yīng)力減小的量值較大，而垂直應(yīng)力在砂體中部比砂體外圍泥巖小約5-7MPa。

4 結(jié)論

本文綜合運(yùn)用Ansys與FLAC3D軟件，通過(guò)反演計(jì)算得到研究區(qū)域合理可靠的現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)，利用該研究成果確定了該研究地區(qū)JP37+8模型的邊界條件，根據(jù)地質(zhì)模型建立數(shù)值模型，對(duì)含氣砂層中的砂體及其周圍地層的地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了砂層及其周圍巖層的垂直應(yīng)力與最大、最小水平應(yīng)力的方向與大小等分布特征，發(fā)現(xiàn)了巖性及地形對(duì)地應(yīng)力分布的影響。為該地區(qū)的氣藏勘探與開采提供數(shù)據(jù)支持。

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