深部储层三维地应力场反演

苟广秀 ，吴绍英

(1.新疆地矿局第一水文工程地质大队，乌鲁木齐 830091;2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

深部储层三维地应力场反演

苟广秀1，吴绍英2

(1.新疆地矿局第一水文工程地质大队，乌鲁木齐 830091;2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

新场须二段储层埋深大于-4600米。鉴于其三维地应力由于场地及经费不能大范围测试，选取周边同等深度由水力压裂法得到的几个应力点测试值和井壁崩落方位应力指示技术得到的应力方位为依据，建立有限元三维数值模型。通过区域应力场的有限元反演使应力场的最大主应力方向和量值与实测值达到最佳耦合，从而得到研究区深部应力场整体分布特征。

有限元；三维模型；地应力；反演

深部地应力分布问题是当今石油地质和岩石力学的重大问题之一[1-2]，开展地应力场特别是成藏期地应力场的研究，有助于揭示油气分布规律，预测油气运聚指向。

地应力场的大小可以通过应力解除法、水力压裂法、岩石声发射等来确定，方向可以通过波速各向异性、地震资料、测井资料、声发射、水力压裂法等来确定。通过这些方法实测的地应力是提供区域地应力场最为直接的途径，也是应力场研究的基础。但是，这些方法普遍存在着不足，例如：应力解除法一般只能测量浅部地层原岩应力，而对于几千米以下地层的原岩应力就无法测得；水力压裂法和声发射法可以较好地测量地壳深部的应力，但是，对岩体的类型有较大的限制，并且测量精度和环境因素的控制难以把握[3-7]。使用这些方法最困难的是，很多情况下，由于场地和经费限制等原因，研究人员不可能进行大量且可靠的地应力实地测量，只能在研究区块中选择有限的点进行测量，而有限的实测点是很难对地应力场分布进行研究的。要获得整个研究区块的地应力场分布，就只有在有限的实测地应力资料的基础上，结合现场地质构造及地形等条件，通过采用有限元数值模拟来反演地应力作用的过程，进而对地应力场进行分析，以获得较大范围的连续介质的地应力场分布。

所谓区域应力场的有限元反演，就是采用有限单元法，根据现有已知的地应力实测点的应力资料和震源机制资料解来推求整个计算区域的地应力场。其方法是首先根据区域地质调查结果，建立研究区的地质力学模型；然后通过不断改变边界力作用方式和大小量值(包括大小和方向)来模拟计算区域应力场，使区域介质体内应力计算结果与已有地应力实测结果和地震震源机制解(最大主应力大小和方向)达到最佳拟合。由此即可得出反映研究区现今应力-形变场的区域应力场的真实情况。

1 工程实例概况

研究区在区域构造上位于四川盆地西部川西坳陷北东东向构造带的中段。研究区构造是北东东向的孝泉构造隆起带上的一个局部构造，构造带整体表现为西高东低、鼻状隆起的构造形态(图1)。

研究区须家河组二段气藏为超致密的特低孔低渗裂缝性气藏，埋藏较深，一般顶埋深超过-4 600 m。平均地层厚度约600 m。岩性以砂岩为主，夹少量的泥页岩。

储层段裂缝非常发育，由西向东有多条大型断层，裂缝走向主要有NEE、NE、SEE三个方向。研究区气田地表出露地层为新生界第四系，地层层序自上而下为第四系、白垩系、侏罗系与三叠系、小塘子组。

图1 研究区须二段顶面三维地震反射层构造图

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

2 现今地应力特征

钻井诱导缝应力指示技术和井壁崩落方位应力指示技术是测量现今地应力的有效方法。通过对研究区的新201井、新853井、新856井、川孝560井、川孝565井、新3井的成像测井的结果研究表明：须家河二段最大主应力方向为近EW向。

水力压裂是目前进行深部应力原位测试最为有效的方法，也是深部水平主应力测试最直接的方法。但是由于条件有限，本次分析只收集到了研究区附近的水力压裂资料作为地应力场反演的参考。水力压裂得到的应力值见表1。

表1 研究区现今构造应力值参数表(据张守仁、万天丰等)

3 地应力三维有限元法数值模拟

本文以须家河二段的应力场作为主要研究对象，并利用三维有限元软件ansys建立三维数值模型。

3.1 地质模型的建立

结合已有的三维地震反射层构造图，将马鞍唐组底界按向下投影到-6 000 m获得模型计算地层底界，顶面取现今地面高度，将各岩层顶底层进行叠加构成数值计算模型的几何模型。模型从下向上叠加的顺序为马鞍唐组-须家河二段-须家河三段-须家河四段-须家河五段-白田坝组-千佛崖组-遂宁组-蓬莱镇组。其中须二段又分成须二段上段、须二段中段、须二段下段三部分。由于研究区断层较多，为了不增加无谓的繁琐工作只考虑对构造起控制作用的大断层以及中等断层，忽略局部小断层。

3.2 力学材料选取

岩石的力学性质既与其所处的环境有关也受到其本身组构的影响[8]。为了更加适合岩土体的材料性质，在计算时利用三维有限差分Flac-3D来计算三维地应力及岩层可能的破坏特征。本次计算采用弹塑性模型，构造应力场数值模拟所需的岩石力学参数有：弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、容重，这些参数是通过三轴岩石力学试验测得。由于室内试验测试的是岩石块体的物理力学参数，因此在计算过程中采用的岩石物理力学参数主要参考试验结合岩层岩体结构特征，通过工程地质类比选取，具体参数见表2。

表2 数值计算模型物理力学参数

3.3 模型求解

本次反演应力场，具体过程如下:

(1) 边界条件和初始应力的确定。隔离体的约束方式为：顶面为自由面，允许有任何方向的位移；底面上Z方向固定表明底面无垂向位移，模型北、南面施加Y方向的位移约束，模型东面施加X方向的位移约束，构造只受水平力的影响。模拟时考虑单元的重力为9.8 N，方向向下。

图2 模型边界条件示意图

Fig.2 Boundary conditions of the model

(2) 模型西面施加构造力，构造力的大小结合现今地应力的大小和方向反演来确定。反演结果应符合:①每个单元都处于挤压应力状态,主压应力方位为东西向；②最大主应力量值在60 MP左右；③加载边界在平面上协调变形, 变形没有出现锯齿状态；④没有应力奇异点。

综上所述，在数次试算后最终给予该计算模西面54 MPa的压力边界。

4 模拟结果

通过反演让研究区应力分布与已有地应力大小和方向达到最佳拟合。

研究区须二段应力场分布特征分析:

图3和图4分别是研究区须家河二段现今应力场的最大与最小主应力值，根据计算结果可以得出以下基本认识：

图3 须二段顶面最大主应力分布Fig.3 Maximum principal stress distribution at the top of Section Xu-2

(1) 研究区须二段最大主应力值主要分布在50～70 MPa之间，最小主应力值主要分布在40～60 MPa之间，与水力压裂结果较为吻合。

(2) 从须二段应力场计算结果来看，区域内断裂构造对研究区应力场的分布特征存在重要影响：在断层内部表现出明显的应力降低现象，断裂构造的两侧、端部或转折部位均存在明显的应力集中现象，而在断层两侧一定范围内，最大主应力和最小主应力出现消散现象。

(3) 从模型剖面图上看，在断裂等构造形迹不发育、岩层层面起伏平缓的地层应力分布一般表现出较好的连续、均匀的特点；但是在发育多条断裂构造、且岩层层面起伏相对较大的区域，应力场表现出明显的局部应力集中或分散等不连续特点。

图5为研究区须家河二段顶面的现今水平主应力方向，从图上可以看出研究区须二段主应力方向为近东西向，这也与井壁崩落方位应力指示技术得出的结果一致。但是须家河二段受发育断层影响，断层周围一定范围内最大主应力方向常表现出多变的特点，具体表现为平面上为在断层两盘最大主应力一般与断层延伸方向垂直；在断层转折部位最大主应力一般与其切线方向平行。

图4 须二段顶面最小主应力分布Fig.4 Minimum principal stress distribution at the top of Section Xu-2

图5 须二段顶面水平主应力方向Fig.5 Horizontal principal stress direction at the top of Section Xu-2

5 结论

从上述计算结果分析可以得出以下结论。

(1) 通过数值模拟，无论是深部应力场的方向还是量值都与实际情况有了较好的耦合。

(2) 采用三维有限元应力反演能较好地反映出断裂构造对初始地应力的影响以及区域内应力场的分布情况。

(3) 利用有限元软件对深部地应力进行了定量分析，解决了区域深部地应力测量难度大、花费高等问题。

(4) 有限元法对地应力场的研究作用很大，依据实际测量资料，通过建模过程建立地应力场计算模型，并结合反演理论不断调整计算模型，使模拟的地应力场与实际情况最大限度地接近，从而解决地应力场在平面和空间上的展布问题，为油气田的地质勘探和工程开发以及煤田的开采提供理论依据。

[1] 张延新,宋常胜，等.深孔水压致裂地应力测量及应力场反演分析[J].岩石力学与工程学报，2010,29(4)：778-786.

[2] 刘泉声，刘恺德.淮南矿区深部地应力场特征研究[J].岩土力学，2012,13(7):2089-2096.

[3] 张熙，单钰铭，等.有限元法在地应力中的应用[J].石油规划设计，2011,22(3)：14-17.

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[8] 童亨茂,郑磊.三维地震资料在古应力场反演和裂缝预测中的应用(以胜利油田富台潜山为例)[J].地质科学,2007,42(1):45-57.

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

苟广秀(1985- )，工作单位：新疆地矿局第一水文工程地质大队，研究方向：水文地质。