鄂尔多斯盆地安塞地区长7地层应力场模拟

张洪军, 王瑞刚, 李新春, 庄 建, 刘成林, 侯 涛,许兆林, 臧起彪, 任浩林, 杨熙雅

(1.中国石油长庆油田分公司第一采油厂, 延安 716000； 2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室, 北京 102249； 3.中国石油大学(北京)地球科学学院, 北京 102249)

非常规储层普遍具有低孔低渗、甚至特低孔渗的特点,目前对这类储层通常采取水力压裂进行改造从而更好地开发油气[1-2]。地应力作为油气运聚的主要控制因素之一,是含油气系统的主要驱动力[3-4]。应力场的模拟是裂缝预测的主要手段之一,传统的物理模拟法存在很大的弊端,在构造演化过程的认识方面达不到现今应力场定量评价的需求[5-6]。现代技术的发展使得应力场数字模拟成为趋势,该方法使得对应力场的认识达到定量化。吴林强等[4]利用ANSYS有限元模拟软件,对归字井地区的构造应力场进行了模拟,分析了最大主应力和最小主应力的控制因素。魏春光等[6]采用石英晶格位错密度法,获得了古龙-徐家围子地区营城组晚白垩世早期的构造差应力值,并利用弹-塑性增量法,对构造应力场进行了数值模拟。陆红军等[7]针对有限元法对储存地应力进行了归纳,总结了模拟过程中所需的基本资料及其获取方法。牛骏等[8]通过耦合嵌入式离散裂缝模型和扩展有限元建立了一种适用于裂缝性页岩油藏的流固耦合高效数值模拟方法。由于不同地区不同层位地应力差异较大,为明确安塞地区延长组长7层地应力特征,选用有限元法对目的层进行应力场模拟。有限元法相比其他应力场研究方法的优势在于将传统的地质问题转化为材料受力求解问题,将地质体的应力分析转化为材料的受力分析,从而简化并便于求取和模拟应力场状态[9-10]。

图1 安塞地区位置与地层发育情况Fig.1 Location and stratigraphic development of Ansai

1 区域地质背景

研究区位于鄂尔多斯盆地中部,面积1 625 km2,构造区划上位于伊陕斜坡中东部偏南处(图1)[11-12]。伊陕斜坡具有西窄东宽、西陡东缓的构造特征,为两翼不对称的向斜构造,地层倾角在0°～1°,平均坡降10 m/km左右,东部略高于西部,地层平缓[13-14]。由于差异压实作用,安塞地区长7地层发育有鼻状构造,其长7油层组基本继承了伊陕斜坡的整体特征。研究区长7顶面构造图(图2)上明显可以看出,研究区保持了盆地内总体的构造格局,构造运动不明显,但研究区因差异压实作用,发育多个大致呈由东向西倾展布的低幅鼻状构造,虽然这些鼻状隆起的规模大小不一,总体起伏变化小,具有较好的继承连贯性[15-16]。

长7层在沉积序列中位于三叠系延长组内(表1),延长组沉积特征表现为由南向北逐渐减薄,自下而上可划分为长7、长6、长4+5油层组,其中长7油层组的岩性主要发育类型为泥页岩,夹薄层砂岩[16-17]。长7地层中下部发育一套深湖相油页岩夹砂质浊积岩,含油性较好,为含油的标志层。长7地层为延长组湖盆发育鼎盛时期形成的重要生油岩,为上下地层提供了充足的油源,该地层在湖盆广大地区均有分布,是一套稳定的地层划分对比标志层。

2 地质模型建立

有限元法是近似求解连续体的一种数值方法,其基本思路是将连续的地质体离散化,分为多个有限的组合体,各组合体间由节点相连,根据实际的岩石力学参数求解离散点处的场函数值,建立并求解联合方程组,计算组合体内应力和应变值,最后将所有组合体进行整合再计算整个连续地质体的构造应力场。

模型长43.1 km,宽37.6 km,深约97 m。将模型设置为solid186材料20node固体单元,利用 ANSYS软件进行网格化,对构造带进行细分。整个模型网格化之后,共得到38 000个单元,1 110 177个节点,平均每1 km2上有29个节点,远远满足1 km2上3～5个输出点的要求[18]。

图2 安塞地区长7层顶面构造图Fig.2 Structure map of the top of Chang 7 layer in Ansai

表1 安塞地区地层划分对比及标准层简表

以矿权界线为边界,模型顶面通过长7层顶面的构造等高线图联立Surfer软件共同建立[18-19],底面及4个侧面通过布尔操作生成；由于长7层厚度(78～110 m)远小于研究区的长宽,其地层厚度变化相对区域长宽过于不明显,因此为了降低三维地质建模的复杂性,将目的层做等厚处理,厚度(即模型高度)取各井长7厚度平均值97 m。

3 模型力学参数确定

数值法模拟应力场,其关键是对力学参数的确定,模型中力学参数的选择对模拟结果有重要的影响,力学参数选择的不同可能会导致模拟结果的巨大差异,因此对研究体力学参数的选择要准确合理[19-20]。数值模拟的岩石力参数主要为杨氏模量和泊松比。本次研究中,力学参数的选取是在研究区岩石样品力学实验结果(表2)的基础上,根据研究区测井资料,利用多元回归数据分析,做出安塞地区长7岩石力学参数与测井参数之间的线性关系,最终确定本次模型的力学参数。

力学实验分析结果显示,安塞地区长7地层岩石杨氏模量分布范围较广,主要分布在18～28 GPa,极差为31.21 GPa,平均值为23.17 GPa。泊松比主要分布在0.2～0.25,极差为0.14,平均值为0.23。通过单元素拟合分析对比发现,研究区杨氏模量和泊松比与测井补偿中子C和声波时差A具有较好的相关性,利用这两种测井参数分别对杨氏模量E和泊松比μ进行多元回归,拟合公式及其相关性为

(1)

根据拟合公式和研究区各井测井数据,将公式向全区推广,并根据研究区各井位拟合结果绘制全区杨氏模量和泊松比分布图(图3、图4、)。

表2 安塞地区长7地层力学参数实验数据Table 2 Experimental data of mechanical parameters of Chang 7 Formation in Ansai

图3 安塞地区长7杨氏模量分布Fig.3 Young’s modulus of Chang 7 layer in Ansai

图4 安塞地区长7层泊松比分布Fig.4 Poisson’s ratio of Chang 7 layer in Ansai

研究区内杨氏模量和泊松比高值区呈条带状展布,杨氏模量高值区主要分布研究区的北部和东北部。通过调研分析研究区沉积特征发现,研究区为三角洲前缘亚相,发育水下分流河道、分流间湾、天然堤等沉积微相,砂体和泥岩呈近南北向条带状展布[19]。由此可以判断研究区内杨氏模量和泊松比的分布特征受沉积环境的控制。综合杨氏模量和泊松比在全区的分布情况,分别将模型材料设置为长7层地质模型的材料设置为两种:其一为杨氏模量26.5 GPa、泊松比0.261的固体单元,分布于研究区东北部；其二为杨氏模量25.5 GPa、泊松比0.261的固体单元,分布于研究区其他区域。

由于前期相关资料中对研究区地应力的测定较少,因此地质模型水平方向受力数值(即实际地层中的水平地应力)以D199井测井综合解释资料为基础,最大水平主应力值确定为24 MPa,最小水平主应力值确定为20 MPa。经调研相关资料及文献后发现[20-22],伊陕斜坡最大水平主应力方向为NE 40°～70°,最小水平主应力方向为NW10°～40°,结合实际地质状况及模型条件,最终确定模型中最大水平主应力方向约为NE67°(图5)。

图5 模型应力加载示意图Fig.5 Schematic diagram of stress loading in model

4 模拟结果

进行有限元模拟后,可获得研究区目的层差应力分布图(图6)及水平剪切力平面分布图(图7)。结果显示安塞地区长7层差应力大小位于17.0～20.0 MPa区间内(图6)。差应力高值区主要分布于突起构造处,最大值可达近20 MPa；差应力低值区主要分布于研究区东南部,其数值小于18 MPa。根据差应力分布图与上文所述的长7层顶面构造图的对比分析,可发现差应力高值区沿突起构造处分布的规律十分明显,差应力高值区的形态也与成串分布的构造突起形态较为相似。根据差应力模拟结果和安塞地区长7地层岩相分布特征分析发现,在岩相变化的区域存在差应力的高值区,砂体内部也有部分高值区的分布。高差应力区井位的钻井需考虑井壁坍塌、套管损坏等问题,低差应力区井位进行水力压裂时需考虑储层非均质问题。

图6 安塞地区长7层差应力分布图Fig.6 Distribution map of differential stress of Chang 7 layer in Ansai

安塞地区长7层水平方向上的张剪应力数值较小(图7)。获得的数据中,剪切应力的大小位于0～0.3 MPa区间内,拉张力大小位于0～0.3 MPa区间内；绘图后研究区大部分区域具0～0.05 MPa的张应力,部分区域具0～0.05 MPa的剪应力,少部分区域具0.05 MPa以上的水平应力。其中,水平剪切力高值区同样位于突起构造处,最高值可达0.25 MPa以上。与差应力分布不同的是,水平剪切力高值区的分布有沿岩相形态分布的趋势,在研究区东北部发育砂体的区域水平剪切力高,并向西南方向递减。由于未进行岩石抗剪强度及内摩擦角测定,但可以确定抗剪强度及内摩擦角值必然存在,根据莫尔-库仑准则,在抗剪强度、最大最小主应力一定的前提下,水平剪切力越大则越容易达到莫尔包络线,岩石越易破裂。据此认为研究区长7储层水平剪应力高值区更可能发育更多的裂缝。在与各井裂缝长度与观察岩心长度比值(表3)对比分析后发现,裂缝长度与观察岩心长度比值高的井位于水平剪切力高值区,比值低的位于低值区,且该比值的递减方向与水平剪切力的递减方向较为一致,可以认为该图较好地反映了可能的裂缝发育情况。

等值线正值为剪切力，负值为拉张力图7 安塞地区长7层水平剪切力分布图Fig.7 Distribution map of horizontal shear force of Chang 7 layer in Ansai

表3 安塞地区各井裂缝长度与观察岩心长度统计Table 3 Statistical of fracture length and observed core length of each well in Ansai

5 结论

(1)安塞地区长7地层构造运动不明显, 发育多个大致呈由东向西倾展布的低幅鼻状构造,鼻状构造起伏变化小,连贯性好。区内杨氏模量和泊松比差异大,高值区呈长条状展布,其分布特征受沉积环境影响。

(2)安塞地区长7地层差应力和水平剪切力分布受构造突起分布的影响较为明显,差应力和水平剪切力高值区与构造突起发育位置具有较好的匹配性。岩相变化和砂体分布对差应力和水平剪切力分布有一定的控制作用。

(3)安塞地区长7地层差应力高值区主要分布于研究区西北部和东部,差应力低值区主要分布在研究区的东南部；长7层水平张剪应力值较小,呈剪切力的区域主要分布在研究区的东北部,面积较小,岩心观察裂缝区与水平剪应力区域具有较好的匹配,拉张力相对高值区主要分布在研究区的西南部。