鄂爾多斯盆地安塞地區(qū)長(zhǎng)7地層應(yīng)力場(chǎng)模擬

張洪軍, 王瑞剛, 李新春, 莊 建, 劉成林, 侯 濤,許兆林, 臧起彪, 任浩林, 楊熙雅

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第一采油廠, 延安 716000； 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249； 3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院, 北京 102249)

非常規(guī)儲(chǔ)層普遍具有低孔低滲、甚至特低孔滲的特點(diǎn),目前對(duì)這類儲(chǔ)層通常采取水力壓裂進(jìn)行改造從而更好地開(kāi)發(fā)油氣[1-2]。地應(yīng)力作為油氣運(yùn)聚的主要控制因素之一,是含油氣系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)力[3-4]。應(yīng)力場(chǎng)的模擬是裂縫預(yù)測(cè)的主要手段之一,傳統(tǒng)的物理模擬法存在很大的弊端,在構(gòu)造演化過(guò)程的認(rèn)識(shí)方面達(dá)不到現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)定量評(píng)價(jià)的需求[5-6]。現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展使得應(yīng)力場(chǎng)數(shù)字模擬成為趨勢(shì),該方法使得對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的認(rèn)識(shí)達(dá)到定量化。吳林強(qiáng)等[4]利用ANSYS有限元模擬軟件,對(duì)歸字井地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了模擬,分析了最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的控制因素。魏春光等[6]采用石英晶格位錯(cuò)密度法,獲得了古龍-徐家圍子地區(qū)營(yíng)城組晚白堊世早期的構(gòu)造差應(yīng)力值,并利用彈-塑性增量法,對(duì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。陸紅軍等[7]針對(duì)有限元法對(duì)儲(chǔ)存地應(yīng)力進(jìn)行了歸納,總結(jié)了模擬過(guò)程中所需的基本資料及其獲取方法。牛駿等[8]通過(guò)耦合嵌入式離散裂縫模型和擴(kuò)展有限元建立了一種適用于裂縫性頁(yè)巖油藏的流固耦合高效數(shù)值模擬方法。由于不同地區(qū)不同層位地應(yīng)力差異較大,為明確安塞地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7層地應(yīng)力特征,選用有限元法對(duì)目的層進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)模擬。有限元法相比其他應(yīng)力場(chǎng)研究方法的優(yōu)勢(shì)在于將傳統(tǒng)的地質(zhì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為材料受力求解問(wèn)題,將地質(zhì)體的應(yīng)力分析轉(zhuǎn)化為材料的受力分析,從而簡(jiǎn)化并便于求取和模擬應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)[9-10]。

圖1 安塞地區(qū)位置與地層發(fā)育情況Fig.1 Location and stratigraphic development of Ansai

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地中部,面積1 625 km2,構(gòu)造區(qū)劃上位于伊陜斜坡中東部偏南處(圖1)[11-12]。伊陜斜坡具有西窄東寬、西陡東緩的構(gòu)造特征,為兩翼不對(duì)稱的向斜構(gòu)造,地層傾角在0°～1°,平均坡降10 m/km左右,東部略高于西部,地層平緩[13-14]。由于差異壓實(shí)作用,安塞地區(qū)長(zhǎng)7地層發(fā)育有鼻狀構(gòu)造,其長(zhǎng)7油層組基本繼承了伊陜斜坡的整體特征。研究區(qū)長(zhǎng)7頂面構(gòu)造圖(圖2)上明顯可以看出,研究區(qū)保持了盆地內(nèi)總體的構(gòu)造格局,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不明顯,但研究區(qū)因差異壓實(shí)作用,發(fā)育多個(gè)大致呈由東向西傾展布的低幅鼻狀構(gòu)造,雖然這些鼻狀隆起的規(guī)模大小不一,總體起伏變化小,具有較好的繼承連貫性[15-16]。

長(zhǎng)7層在沉積序列中位于三疊系延長(zhǎng)組內(nèi)(表1),延長(zhǎng)組沉積特征表現(xiàn)為由南向北逐漸減薄,自下而上可劃分為長(zhǎng)7、長(zhǎng)6、長(zhǎng)4+5油層組,其中長(zhǎng)7油層組的巖性主要發(fā)育類型為泥頁(yè)巖,夾薄層砂巖[16-17]。長(zhǎng)7地層中下部發(fā)育一套深湖相油頁(yè)巖夾砂質(zhì)濁積巖,含油性較好,為含油的標(biāo)志層。長(zhǎng)7地層為延長(zhǎng)組湖盆發(fā)育鼎盛時(shí)期形成的重要生油巖,為上下地層提供了充足的油源,該地層在湖盆廣大地區(qū)均有分布,是一套穩(wěn)定的地層劃分對(duì)比標(biāo)志層。

2 地質(zhì)模型建立

有限元法是近似求解連續(xù)體的一種數(shù)值方法,其基本思路是將連續(xù)的地質(zhì)體離散化,分為多個(gè)有限的組合體,各組合體間由節(jié)點(diǎn)相連,根據(jù)實(shí)際的巖石力學(xué)參數(shù)求解離散點(diǎn)處的場(chǎng)函數(shù)值,建立并求解聯(lián)合方程組,計(jì)算組合體內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變值,最后將所有組合體進(jìn)行整合再計(jì)算整個(gè)連續(xù)地質(zhì)體的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。

模型長(zhǎng)43.1 km,寬37.6 km,深約97 m。將模型設(shè)置為solid186材料20node固體單元,利用 ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)格化,對(duì)構(gòu)造帶進(jìn)行細(xì)分。整個(gè)模型網(wǎng)格化之后,共得到38 000個(gè)單元,1 110 177個(gè)節(jié)點(diǎn),平均每1 km2上有29個(gè)節(jié)點(diǎn),遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足1 km2上3～5個(gè)輸出點(diǎn)的要求[18]。

圖2 安塞地區(qū)長(zhǎng)7層頂面構(gòu)造圖Fig.2 Structure map of the top of Chang 7 layer in Ansai

表1 安塞地區(qū)地層劃分對(duì)比及標(biāo)準(zhǔn)層簡(jiǎn)表

以礦權(quán)界線為邊界,模型頂面通過(guò)長(zhǎng)7層頂面的構(gòu)造等高線圖聯(lián)立Surfer軟件共同建立[18-19],底面及4個(gè)側(cè)面通過(guò)布爾操作生成；由于長(zhǎng)7層厚度(78～110 m)遠(yuǎn)小于研究區(qū)的長(zhǎng)寬,其地層厚度變化相對(duì)區(qū)域長(zhǎng)寬過(guò)于不明顯,因此為了降低三維地質(zhì)建模的復(fù)雜性,將目的層做等厚處理,厚度(即模型高度)取各井長(zhǎng)7厚度平均值97 m。

3 模型力學(xué)參數(shù)確定

數(shù)值法模擬應(yīng)力場(chǎng),其關(guān)鍵是對(duì)力學(xué)參數(shù)的確定,模型中力學(xué)參數(shù)的選擇對(duì)模擬結(jié)果有重要的影響,力學(xué)參數(shù)選擇的不同可能會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果的巨大差異,因此對(duì)研究體力學(xué)參數(shù)的選擇要準(zhǔn)確合理[19-20]。數(shù)值模擬的巖石力參數(shù)主要為楊氏模量和泊松比。本次研究中,力學(xué)參數(shù)的選取是在研究區(qū)巖石樣品力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表2)的基礎(chǔ)上,根據(jù)研究區(qū)測(cè)井資料,利用多元回歸數(shù)據(jù)分析,做出安塞地區(qū)長(zhǎng)7巖石力學(xué)參數(shù)與測(cè)井參數(shù)之間的線性關(guān)系,最終確定本次模型的力學(xué)參數(shù)。

力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果顯示,安塞地區(qū)長(zhǎng)7地層巖石楊氏模量分布范圍較廣,主要分布在18～28 GPa,極差為31.21 GPa,平均值為23.17 GPa。泊松比主要分布在0.2～0.25,極差為0.14,平均值為0.23。通過(guò)單元素?cái)M合分析對(duì)比發(fā)現(xiàn),研究區(qū)楊氏模量和泊松比與測(cè)井補(bǔ)償中子C和聲波時(shí)差A(yù)具有較好的相關(guān)性,利用這兩種測(cè)井參數(shù)分別對(duì)楊氏模量E和泊松比μ進(jìn)行多元回歸,擬合公式及其相關(guān)性為

(1)

根據(jù)擬合公式和研究區(qū)各井測(cè)井?dāng)?shù)據(jù),將公式向全區(qū)推廣,并根據(jù)研究區(qū)各井位擬合結(jié)果繪制全區(qū)楊氏模量和泊松比分布圖(圖3、圖4、)。

表2 安塞地區(qū)長(zhǎng)7地層力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of mechanical parameters of Chang 7 Formation in Ansai

圖3 安塞地區(qū)長(zhǎng)7楊氏模量分布Fig.3 Young’s modulus of Chang 7 layer in Ansai

圖4 安塞地區(qū)長(zhǎng)7層泊松比分布Fig.4 Poisson’s ratio of Chang 7 layer in Ansai

研究區(qū)內(nèi)楊氏模量和泊松比高值區(qū)呈條帶狀展布,楊氏模量高值區(qū)主要分布研究區(qū)的北部和東北部。通過(guò)調(diào)研分析研究區(qū)沉積特征發(fā)現(xiàn),研究區(qū)為三角洲前緣亞相,發(fā)育水下分流河道、分流間灣、天然堤等沉積微相,砂體和泥巖呈近南北向條帶狀展布[19]。由此可以判斷研究區(qū)內(nèi)楊氏模量和泊松比的分布特征受沉積環(huán)境的控制。綜合楊氏模量和泊松比在全區(qū)的分布情況,分別將模型材料設(shè)置為長(zhǎng)7層地質(zhì)模型的材料設(shè)置為兩種:其一為楊氏模量26.5 GPa、泊松比0.261的固體單元,分布于研究區(qū)東北部；其二為楊氏模量25.5 GPa、泊松比0.261的固體單元,分布于研究區(qū)其他區(qū)域。

由于前期相關(guān)資料中對(duì)研究區(qū)地應(yīng)力的測(cè)定較少,因此地質(zhì)模型水平方向受力數(shù)值(即實(shí)際地層中的水平地應(yīng)力)以D199井測(cè)井綜合解釋資料為基礎(chǔ),最大水平主應(yīng)力值確定為24 MPa,最小水平主應(yīng)力值確定為20 MPa。經(jīng)調(diào)研相關(guān)資料及文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)[20-22],伊陜斜坡最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹E 40°～70°,最小水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W10°～40°,結(jié)合實(shí)際地質(zhì)狀況及模型條件,最終確定模型中最大水平主應(yīng)力方向約為NE67°(圖5)。

圖5 模型應(yīng)力加載示意圖Fig.5 Schematic diagram of stress loading in model

4 模擬結(jié)果

進(jìn)行有限元模擬后,可獲得研究區(qū)目的層差應(yīng)力分布圖(圖6)及水平剪切力平面分布圖(圖7)。結(jié)果顯示安塞地區(qū)長(zhǎng)7層差應(yīng)力大小位于17.0～20.0 MPa區(qū)間內(nèi)(圖6)。差應(yīng)力高值區(qū)主要分布于突起構(gòu)造處,最大值可達(dá)近20 MPa；差應(yīng)力低值區(qū)主要分布于研究區(qū)東南部,其數(shù)值小于18 MPa。根據(jù)差應(yīng)力分布圖與上文所述的長(zhǎng)7層頂面構(gòu)造圖的對(duì)比分析,可發(fā)現(xiàn)差應(yīng)力高值區(qū)沿突起構(gòu)造處分布的規(guī)律十分明顯,差應(yīng)力高值區(qū)的形態(tài)也與成串分布的構(gòu)造突起形態(tài)較為相似。根據(jù)差應(yīng)力模擬結(jié)果和安塞地區(qū)長(zhǎng)7地層巖相分布特征分析發(fā)現(xiàn),在巖相變化的區(qū)域存在差應(yīng)力的高值區(qū),砂體內(nèi)部也有部分高值區(qū)的分布。高差應(yīng)力區(qū)井位的鉆井需考慮井壁坍塌、套管損壞等問(wèn)題,低差應(yīng)力區(qū)井位進(jìn)行水力壓裂時(shí)需考慮儲(chǔ)層非均質(zhì)問(wèn)題。

圖6 安塞地區(qū)長(zhǎng)7層差應(yīng)力分布圖Fig.6 Distribution map of differential stress of Chang 7 layer in Ansai

安塞地區(qū)長(zhǎng)7層水平方向上的張剪應(yīng)力數(shù)值較小(圖7)。獲得的數(shù)據(jù)中,剪切應(yīng)力的大小位于0～0.3 MPa區(qū)間內(nèi),拉張力大小位于0～0.3 MPa區(qū)間內(nèi)；繪圖后研究區(qū)大部分區(qū)域具0～0.05 MPa的張應(yīng)力,部分區(qū)域具0～0.05 MPa的剪應(yīng)力,少部分區(qū)域具0.05 MPa以上的水平應(yīng)力。其中,水平剪切力高值區(qū)同樣位于突起構(gòu)造處,最高值可達(dá)0.25 MPa以上。與差應(yīng)力分布不同的是,水平剪切力高值區(qū)的分布有沿巖相形態(tài)分布的趨勢(shì),在研究區(qū)東北部發(fā)育砂體的區(qū)域水平剪切力高,并向西南方向遞減。由于未進(jìn)行巖石抗剪強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角測(cè)定,但可以確定抗剪強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角值必然存在,根據(jù)莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則,在抗剪強(qiáng)度、最大最小主應(yīng)力一定的前提下,水平剪切力越大則越容易達(dá)到莫爾包絡(luò)線,巖石越易破裂。據(jù)此認(rèn)為研究區(qū)長(zhǎng)7儲(chǔ)層水平剪應(yīng)力高值區(qū)更可能發(fā)育更多的裂縫。在與各井裂縫長(zhǎng)度與觀察巖心長(zhǎng)度比值(表3)對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn),裂縫長(zhǎng)度與觀察巖心長(zhǎng)度比值高的井位于水平剪切力高值區(qū),比值低的位于低值區(qū),且該比值的遞減方向與水平剪切力的遞減方向較為一致,可以認(rèn)為該圖較好地反映了可能的裂縫發(fā)育情況。

等值線正值為剪切力，負(fù)值為拉張力圖7 安塞地區(qū)長(zhǎng)7層水平剪切力分布圖Fig.7 Distribution map of horizontal shear force of Chang 7 layer in Ansai

表3 安塞地區(qū)各井裂縫長(zhǎng)度與觀察巖心長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistical of fracture length and observed core length of each well in Ansai

5 結(jié)論

(1)安塞地區(qū)長(zhǎng)7地層構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不明顯, 發(fā)育多個(gè)大致呈由東向西傾展布的低幅鼻狀構(gòu)造,鼻狀構(gòu)造起伏變化小,連貫性好。區(qū)內(nèi)楊氏模量和泊松比差異大,高值區(qū)呈長(zhǎng)條狀展布,其分布特征受沉積環(huán)境影響。

(2)安塞地區(qū)長(zhǎng)7地層差應(yīng)力和水平剪切力分布受構(gòu)造突起分布的影響較為明顯,差應(yīng)力和水平剪切力高值區(qū)與構(gòu)造突起發(fā)育位置具有較好的匹配性。巖相變化和砂體分布對(duì)差應(yīng)力和水平剪切力分布有一定的控制作用。

(3)安塞地區(qū)長(zhǎng)7地層差應(yīng)力高值區(qū)主要分布于研究區(qū)西北部和東部,差應(yīng)力低值區(qū)主要分布在研究區(qū)的東南部；長(zhǎng)7層水平張剪應(yīng)力值較小,呈剪切力的區(qū)域主要分布在研究區(qū)的東北部,面積較小,巖心觀察裂縫區(qū)與水平剪應(yīng)力區(qū)域具有較好的匹配,拉張力相對(duì)高值區(qū)主要分布在研究區(qū)的西南部。