擠壓構造對地層壓力影響的數值模擬分析

王 磊 (中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院，北京 100101)

肖 坤 (中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249)

周長所 (中國海油研究總院，北京 100027)

擠壓構造對地層壓力影響的數值模擬分析

王 磊 (中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院，北京 100101)

肖 坤 (中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249)

周長所 (中國海油研究總院，北京 100027)

擠壓構造成因的異常壓力地層，其地震層速度和測井聲波時差資料都無異常表現，若采用常規的預測方法會產生很大的誤差。因此開展針對擠壓構造條件下地層異常壓力機理、擠壓構造對地層壓力影響方式及大小的研究對準確預測擠壓構造區塊地層壓力具有十分重要的意義。通過數值模擬方法研究了擠壓構造應力對地層壓力的影響機理，得出了在不同滲透地層條件下擠壓構造應力對地層壓力的貢獻率。考慮擠壓構造影響修正后的結果與常規預測方法的結果相比，更加接近實測值，預測精度大大提高。

地層壓力；擠壓構造；數值模擬；貢獻率

造成地層超壓的機制通常有成巖作用、熱力作用、滲析作用和流體密度差異、構造作用等[1]。目前對于由擠壓構造作用引起的超壓機制的研究還處于定性的研究階段，對擠壓構造應力造成的高壓影響還處于描述、估算的水平[2]。如何定量的分析擠壓構造引起的超壓機理，超壓機制的轉變、持有和演變以及消散，如何定量的分析擠壓構造應力對地層孔隙壓力大小的影響均是目前地層壓力預測研究的重要方向。下面，筆者從力學角度出發，著重研究了擠壓構造應力對巖層的力學作用而導致的異常高壓機理：分別對完全封閉、半開放、完全開放情況下的巖層進行了擠壓構造作用數值模擬分析，通過改變水平主應力大小來模擬不同擠壓構造應力情況，得出了在3種情況下不同擠壓構造應力對地層壓力影響的大小及趨勢。

1 擠壓構造形成異常壓力機理

在正常沉積地層，巖石受3個方向的主應力作用：垂直主應力σv及2個水平方向互相垂直的主應力σH和σh，且σvgt;σHgt;σh。當地層有擠壓構造作用時，地層局部或區域發生斷層、褶皺、側向滑動和滑脫、斷塊下降、底辟鹽丘/泥丘等運動，這些擠壓構造運動產生對地層的水平擠壓應力，從而導致地層孔隙度的降低。若地層的封閉性良好，地層流體在擠壓構造作用時不能及時排出，便形成了地層超壓。

圖1 擠壓構造引起超壓機理示意圖

擠壓構造作用對地層壓力的影響可用一定深度處的單位立方體受力來表示(見圖1)。在地層一定深度處，當沒有擠壓構造作用時，地層正常沉積，立方體受力狀態為σvgt;σHgt;σh；當擠壓構造作用發生后，立方體受到的側向力σH、σh增大，從而促使立方體內部孔隙度下降，流體受到壓縮。若立方體滲透性良好，流體壓力散失速度與流體壓力增加速度相等，那么便不會引起超壓，此時擠壓構造應力的貢獻率[3]最小，很難形成高壓。若立方體處于封閉狀態，且孔隙中充滿水時，則相對構造擠壓應力可以最大限度的提高超壓，即構造作用對超壓的貢貢率最大。因此擠壓構造引起超壓是地層封閉程度、滲透性及側向擠壓力大小等綜合因素共同作用的結果[4-6]。

2 擠壓構造數值建模

筆者采用快速拉格朗日差分計算軟件FLAC3D[7-8]模擬深度2000m條件下單位巖體在未受擠壓構造應力作用、受到擠壓構造應力作用以及在不同滲透地層情況下所表現出的地應力、地層孔隙壓力變化特征。該軟件基于快速拉格朗日差分算法，能夠準確的模擬三維土體、巖體等材料的力學特性，尤其是塑性流變的分析。通過設定不同的參數來模擬不同構造應力大小，然后根據不同的構造應力情況與各封閉情況進行組合模擬計算，從而得出各種情況組合條件下的地層孔隙壓力值。根據計算結果與未受到擠壓構造作用地層的孔隙壓力比較，總結出擠壓構造應力對地層壓力的貢獻率[9-11]。

數值建模設置的參數如下：①水平最大主應力當量密度σH為2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6g/cm3；②水平最小主應力當量密度σh為2.0g/cm3；③初始孔隙壓力當量密度Pp(1)為1.0g/cm3；④初始孔隙壓力當量密度Pp(2)為1.8g/cm3；⑤flac3D輸入參數為巖體泊松比0.25，彈性模量3.85GPa，初始密度2.0g/cm3。

3 模擬分析

表1 模擬情況1的模擬結果

3.1模擬情況1

模擬最小水平主應力當量密度σh為2.0g/cm3，初始孔隙壓力當量密度Pp為1.0g/cm3，最大水平主應力當量密度由初始值2.0g/cm3在擠壓構造應力作用下增加到2.6g/cm3。地層滲透性分為完全封閉、半開放、完全開放3種情況。在每種情況下，作用于模型的擠壓構造應力當量密度從2.0g/cm3增加到2.6g/cm3，從而對應著相應的孔隙壓力值。模擬情況1的模擬結果如表1所示。

3.2模擬情況2

模擬最小水平主應力當量密度σh為2.0g/cm3，初始孔隙壓力當量密度Pp為1.8g/cm3，最大水平主應力當量密度由初始值2.0g/cm3在擠壓構造應力作用下增加到2.6g/cm3。地層滲透性分為完全封閉、半開放、完全開放3種情況。在每種情況下，作用于模型的擠壓構造應力當量密度從2.0g/cm3增加到2.6g/cm3，從而對應著相應的孔隙壓力值。模擬情況2的模擬結果如表2所示。

表2 模擬情況2的模擬結果

由模擬情況1、2的模擬結果可以看出，在封閉性良好的地層內，擠壓構造應力可以100%轉化為超壓，而對于滲透性良好的地層，擠壓構造應力所造成的超壓會隨著構造作用的平衡而消失，最終對超壓的貢獻為0。因此通過數值模擬分析證明了擠壓構造應力對地層超壓貢獻的理論，并且若地層為含水層[3]，其擠壓構造對地層超壓的貢獻與地層的封閉性成線性變化規律，這對校正地層壓力預測結果具有非常重要的意義。

4 實例分析

MR地區位于印支板塊和印度板塊邊界上，受2大板塊相對俯沖、碰撞作用的影響，該區塊經歷了復雜的盆地演化、構造變動，形成現今的構造格局。印度板塊向印支板塊小角度斜向俯沖，在該地區由西向東形成了Kaladan、Kabaw、Sagaing等大斷層，并形成了海岸平原、山脈、盆地、高地4個構造帶。MR地區處于海岸平原和山脈之間，Kaladan斷層穿過該區塊，其中的MR油田所在地層中存在逆掩推覆構造和擠壓構造，且地層傾角大、斷層較發育。

表3 MR區塊預測修正結果

下面，筆者根據MR區塊的測井資料，利用常規地層壓力預測方法對MR區塊地層壓力進行了預測，并利用該區塊地層資料擬合了該區塊的擠壓構造應力函數，最后通過擠壓構造貢獻率大小對預測結果進行了修正，修正結果如表3所示。

圖2 測井聲波時差法預測模型修正前后地層壓力剖面圖

由表3的預測修正結果可以看出，對于MR這樣的典型擠壓構造地區，常規的地層壓力預測結果往往與實測值相差較大；而考慮擠壓構造對地層超壓貢獻的修正結果使預測相對誤差大大降低。

圖2所示為MR地區某口井的測井聲波時差法預測模型修正前后地層壓力剖面的對比情況，可以看出，考慮擠壓構造影響的修正后結果與常規預測方法相比，更加接近實測值，預測精度大大提高。

5 結 論

1)擠壓構造作用作為有效的引起超壓的機制，在擠壓構造地區對地層孔隙壓力的影響十分顯著，在進行地層壓力預測時應根據特定的超壓機制采用適當的方法。

2)擠壓構造應力對地層的作用除了作用方向不同外，其作用引起的超壓機理與沉積壓實作用相同。封閉性良好的地層內，擠壓構造應力可以100%轉化為超壓，而對于滲透性良好的地層，擠壓構造應力所造成的超壓會隨著構造作用的平衡而消失，最終對超壓的貢獻為0。通過數值模擬分析證明了擠壓構造應力對地層超壓貢獻的理論，對于含水地層，其擠壓構造對地層超壓的貢獻與地層的封閉性成線性變化規律，這對校正地層壓力預測結果具有非常重要的意義。

3) 根據MR區塊地層資料擬合了該地區的擠壓構造應力函數，然后通過分析該地層滲透情況來確定了擠壓構造應力對超壓貢獻大小，從而修正了常規預測結果，結果顯示預測精度大大提高。

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.03.019

P618.13

A

1673-1409(2012)03-N056-03

2012-01-29

國家高技術研究發展計劃(863)項目(820-07-02)。

王磊(1983-)，男，2007年大學畢業，碩士，助理工程師，現主要從事石油工程巖石力學方面的研究工作。

肖坤(1986-)，男，2009年大學畢業，碩士生，現主要從事油氣井巖石力學與工程方面的研究工作。