挤压构造对地层压力影响的数值模拟分析

王 磊 (中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，北京 100101)

肖 坤 (中国石油大学(北京)石油工程学院，北京 102249)

周长所 (中国海油研究总院，北京 100027)

挤压构造对地层压力影响的数值模拟分析

王 磊 (中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，北京 100101)

肖 坤 (中国石油大学(北京)石油工程学院，北京 102249)

周长所 (中国海油研究总院，北京 100027)

挤压构造成因的异常压力地层，其地震层速度和测井声波时差资料都无异常表现，若采用常规的预测方法会产生很大的误差。因此开展针对挤压构造条件下地层异常压力机理、挤压构造对地层压力影响方式及大小的研究对准确预测挤压构造区块地层压力具有十分重要的意义。通过数值模拟方法研究了挤压构造应力对地层压力的影响机理，得出了在不同渗透地层条件下挤压构造应力对地层压力的贡献率。考虑挤压构造影响修正后的结果与常规预测方法的结果相比，更加接近实测值，预测精度大大提高。

地层压力；挤压构造；数值模拟；贡献率

造成地层超压的机制通常有成岩作用、热力作用、渗析作用和流体密度差异、构造作用等[1]。目前对于由挤压构造作用引起的超压机制的研究还处于定性的研究阶段，对挤压构造应力造成的高压影响还处于描述、估算的水平[2]。如何定量的分析挤压构造引起的超压机理，超压机制的转变、持有和演变以及消散，如何定量的分析挤压构造应力对地层孔隙压力大小的影响均是目前地层压力预测研究的重要方向。下面，笔者从力学角度出发，着重研究了挤压构造应力对岩层的力学作用而导致的异常高压机理：分别对完全封闭、半开放、完全开放情况下的岩层进行了挤压构造作用数值模拟分析，通过改变水平主应力大小来模拟不同挤压构造应力情况，得出了在3种情况下不同挤压构造应力对地层压力影响的大小及趋势。

1 挤压构造形成异常压力机理

在正常沉积地层，岩石受3个方向的主应力作用：垂直主应力σv及2个水平方向互相垂直的主应力σH和σh，且σvgt;σHgt;σh。当地层有挤压构造作用时，地层局部或区域发生断层、褶皱、侧向滑动和滑脱、断块下降、底辟盐丘/泥丘等运动，这些挤压构造运动产生对地层的水平挤压应力，从而导致地层孔隙度的降低。若地层的封闭性良好，地层流体在挤压构造作用时不能及时排出，便形成了地层超压。

图1 挤压构造引起超压机理示意图

挤压构造作用对地层压力的影响可用一定深度处的单位立方体受力来表示(见图1)。在地层一定深度处，当没有挤压构造作用时，地层正常沉积，立方体受力状态为σvgt;σHgt;σh；当挤压构造作用发生后，立方体受到的侧向力σH、σh增大，从而促使立方体内部孔隙度下降，流体受到压缩。若立方体渗透性良好，流体压力散失速度与流体压力增加速度相等，那么便不会引起超压，此时挤压构造应力的贡献率[3]最小，很难形成高压。若立方体处于封闭状态，且孔隙中充满水时，则相对构造挤压应力可以最大限度的提高超压，即构造作用对超压的贡贡率最大。因此挤压构造引起超压是地层封闭程度、渗透性及侧向挤压力大小等综合因素共同作用的结果[4-6]。

2 挤压构造数值建模

笔者采用快速拉格朗日差分计算软件FLAC3D[7-8]模拟深度2000m条件下单位岩体在未受挤压构造应力作用、受到挤压构造应力作用以及在不同渗透地层情况下所表现出的地应力、地层孔隙压力变化特征。该软件基于快速拉格朗日差分算法，能够准确的模拟三维土体、岩体等材料的力学特性，尤其是塑性流变的分析。通过设定不同的参数来模拟不同构造应力大小，然后根据不同的构造应力情况与各封闭情况进行组合模拟计算，从而得出各种情况组合条件下的地层孔隙压力值。根据计算结果与未受到挤压构造作用地层的孔隙压力比较，总结出挤压构造应力对地层压力的贡献率[9-11]。

数值建模设置的参数如下：①水平最大主应力当量密度σH为2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6g/cm3；②水平最小主应力当量密度σh为2.0g/cm3；③初始孔隙压力当量密度Pp(1)为1.0g/cm3；④初始孔隙压力当量密度Pp(2)为1.8g/cm3；⑤flac3D输入参数为岩体泊松比0.25，弹性模量3.85GPa，初始密度2.0g/cm3。

3 模拟分析

表1 模拟情况1的模拟结果

3.1模拟情况1

模拟最小水平主应力当量密度σh为2.0g/cm3，初始孔隙压力当量密度Pp为1.0g/cm3，最大水平主应力当量密度由初始值2.0g/cm3在挤压构造应力作用下增加到2.6g/cm3。地层渗透性分为完全封闭、半开放、完全开放3种情况。在每种情况下，作用于模型的挤压构造应力当量密度从2.0g/cm3增加到2.6g/cm3，从而对应着相应的孔隙压力值。模拟情况1的模拟结果如表1所示。

3.2模拟情况2

模拟最小水平主应力当量密度σh为2.0g/cm3，初始孔隙压力当量密度Pp为1.8g/cm3，最大水平主应力当量密度由初始值2.0g/cm3在挤压构造应力作用下增加到2.6g/cm3。地层渗透性分为完全封闭、半开放、完全开放3种情况。在每种情况下，作用于模型的挤压构造应力当量密度从2.0g/cm3增加到2.6g/cm3，从而对应着相应的孔隙压力值。模拟情况2的模拟结果如表2所示。

表2 模拟情况2的模拟结果

由模拟情况1、2的模拟结果可以看出，在封闭性良好的地层内，挤压构造应力可以100%转化为超压，而对于渗透性良好的地层，挤压构造应力所造成的超压会随着构造作用的平衡而消失，最终对超压的贡献为0。因此通过数值模拟分析证明了挤压构造应力对地层超压贡献的理论，并且若地层为含水层[3]，其挤压构造对地层超压的贡献与地层的封闭性成线性变化规律，这对校正地层压力预测结果具有非常重要的意义。

4 实例分析

MR地区位于印支板块和印度板块边界上，受2大板块相对俯冲、碰撞作用的影响，该区块经历了复杂的盆地演化、构造变动，形成现今的构造格局。印度板块向印支板块小角度斜向俯冲，在该地区由西向东形成了Kaladan、Kabaw、Sagaing等大断层，并形成了海岸平原、山脉、盆地、高地4个构造带。MR地区处于海岸平原和山脉之间，Kaladan断层穿过该区块，其中的MR油田所在地层中存在逆掩推覆构造和挤压构造，且地层倾角大、断层较发育。

表3 MR区块预测修正结果

下面，笔者根据MR区块的测井资料，利用常规地层压力预测方法对MR区块地层压力进行了预测，并利用该区块地层资料拟合了该区块的挤压构造应力函数，最后通过挤压构造贡献率大小对预测结果进行了修正，修正结果如表3所示。

图2 测井声波时差法预测模型修正前后地层压力剖面图

由表3的预测修正结果可以看出，对于MR这样的典型挤压构造地区，常规的地层压力预测结果往往与实测值相差较大；而考虑挤压构造对地层超压贡献的修正结果使预测相对误差大大降低。

图2所示为MR地区某口井的测井声波时差法预测模型修正前后地层压力剖面的对比情况，可以看出，考虑挤压构造影响的修正后结果与常规预测方法相比，更加接近实测值，预测精度大大提高。

5 结 论

1)挤压构造作用作为有效的引起超压的机制，在挤压构造地区对地层孔隙压力的影响十分显著，在进行地层压力预测时应根据特定的超压机制采用适当的方法。

2)挤压构造应力对地层的作用除了作用方向不同外，其作用引起的超压机理与沉积压实作用相同。封闭性良好的地层内，挤压构造应力可以100%转化为超压，而对于渗透性良好的地层，挤压构造应力所造成的超压会随着构造作用的平衡而消失，最终对超压的贡献为0。通过数值模拟分析证明了挤压构造应力对地层超压贡献的理论，对于含水地层，其挤压构造对地层超压的贡献与地层的封闭性成线性变化规律，这对校正地层压力预测结果具有非常重要的意义。

3) 根据MR区块地层资料拟合了该地区的挤压构造应力函数，然后通过分析该地层渗透情况来确定了挤压构造应力对超压贡献大小，从而修正了常规预测结果，结果显示预测精度大大提高。

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[编辑] 洪云飞

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

P618.13

A

1673-1409(2012)03-N056-03

2012-01-29

国家高技术研究发展计划(863)项目(820-07-02)。

王磊(1983-)，男，2007年大学毕业，硕士，助理工程师，现主要从事石油工程岩石力学方面的研究工作。

肖坤(1986-)，男，2009年大学毕业，硕士生，现主要从事油气井岩石力学与工程方面的研究工作。