某氣場儲氣砂層組地應力場模擬

吳 屹 張國強

（成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都610059）

0 引言

地應力是引起采礦、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屬性，進行圍巖穩定性分析，實現巖土工程開挖設計和決策科學化的必要前提。地應力狀態對地震預報、區域地殼穩定性評價、油田油井的穩定性、核廢料的儲存、巖爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球動力學的研究等也具有重要意義。

本文以某地區儲氣層為例，擬利用三維有限元方法，在充分考慮研究區地質、構造等背景，同時充分考慮模擬區幾何模型的形狀及大小、區域構造格架、邊界條件下對儲氣砂層地應力場進行數值模擬，并對地應力分布規律進行分析。

研究區域內JP氣藏層中砂層組是儲氣層，其勘探與開采過程中，砂層組及其周圍巖層的應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，因此，地應力場的研究顯得尤為重要。

根據圣維南原理，分布于彈性體上一小塊面積（或體積）內的荷載所引起的物體中的應力，在離荷載作用區稍遠的地方，基本上只同荷載的合力和合力矩有關，荷載的具體分布只影響荷載作用區附近的應力分布。作為厚度僅有幾米到幾十米的砂層，相對于研究區域，其引起的荷載變化整體而言可視作微小，其對整個地區現今地應力場的影響在遠離儲氣砂層組的地方可以忽略。因此，在研究儲氣砂層的應力分布時，可以將現今地應力場反演得到的結果作為邊界條件（遠離砂層組的地方），加在考慮了砂層的模型之上，利用數值模擬的方法，得到較為準確的砂層組及其附近巖體的應力分布。遵循這一思路，本文將利用已知現今地應力場計算的結果，得到JP37+8砂層組地應力模擬的邊界條件，建立包含砂層組的有限元模型，進而對其地應力場進行數值模擬。

1 JP37+8砂層組地應力場模擬

1.1 模型建立

根據之前對場區的地應力的反演恢復作為依據對儲氣砂層組的地應力分布特征進行模擬，但因砂體分布不規律，且相對于整個區域，砂體厚度太薄（場區長50000米，寬40000，厚約3000米，砂體厚度5～20米），限于計算機硬件及軟件的約束，模型在劃分網格過程中無法成功。因此本文對場區某局部含儲氣砂層區域進行建模分析。模型如圖1，模型長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 地質情況和材料參數

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

砂體材料計算參數取值如表1所示：

表1 JP37+8層計算物理力學參數表

1.3 單元劃分和網格類型

建模分網時采用Ansys中的Solid45單元，建模后采用該Solid45單元進行分網，利用軟件接口將分網后的模型方便地轉換為FLAC3d可以識別的模型。整個計算域內共有112877個節點，623450個實體單元，研究區域的單元模型見圖3與圖4所示。

1.4 數值模擬

根據已得到的現今地應力場模擬的結果進行處理，得到模型在X軸及Y軸平面上應力邊界條件施加如圖5、圖6，以此為條件計算得到JP37+8砂層組的應力場分布。

2 JP37+8計算結果分析

根據該地區已知地應力場的反演計算結果，為目標層JP37+8砂體采用小模型進行應力分布分析提供了邊界條件，通過計算得到JP37+8砂層組的應力場分布，下面對計算結果進行分析，為滿足加砂壓裂儲層改造時優化設計方案的要求，對JP37+8計算結果中的砂巖及其與周圍泥巖的應力分布情況進行分析討論。

2.1 垂直向應力

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

2.2 最大水平應力

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

2.3 最小水平應力

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

通過計算得到JP37+8層目標區域地應力場垂直應力分布的特征，從云圖上均可見該區域的垂直應力整體上呈現由淺向深逐漸增大的特征，砂體的存在對垂直應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力都較周圍泥巖的垂直應力小。在局部存在應力集中現象。

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

3 JP37+8砂層對地應力分布的影響

為研究砂體對目標地層地應力分布的影響，分析不含砂體地層與含砂體地層的的垂直、最大水平、最小水平地應力的變化，對JP37+8層如圖13所示進行數據取樣分析，得到砂體對地應力分布的影響如圖14所示。

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

4 結論

本文綜合運用Ansys與FLAC3D軟件，通過反演計算得到研究區域合理可靠的現今地應力場，利用該研究成果確定了該研究地區JP37+8模型的邊界條件，根據地質模型建立數值模型，對含氣砂層中的砂體及其周圍地層的地應力場進行數值模擬，得到了砂層及其周圍巖層的垂直應力與最大、最小水平應力的方向與大小等分布特征，發現了巖性及地形對地應力分布的影響。為該地區的氣藏勘探與開采提供數據支持。

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