新疆阜康矿区西部地区现今地应力场三维有限元数值模拟

邹成龙，王一兵，哈尔恒·吐尔松，线远红，尹晓敏

（新疆科林思德新能源有限责任公司，新疆阜康 831500）

随着油气行业的不断发展，煤层气作为一种新兴的非常规性天然气资源，因其储量巨大、安全清洁等优点受到世界各国的广泛关注。虽然我国煤层气资源丰富，但其储层渗透率大多较低，非均质性较强，并且储层本身的地质特征较为复杂，为开采带来了极大的难度，因此如何实现煤层气高效开发是目前我国油气发展所面临的关键问题。

在煤层气开发的过程中，井位部署是一个非常重要的环节，井位部署的合理与否，直接影响到单井产量的大小[1]。煤层含气性、渗透率、原生裂缝和压裂裂缝等地质特征是井位部署所必须考虑的因素，且这些地质因素大多受地应力影响。由于煤储层渗透率相对较低，为提高煤层气的开发效率需要对煤储层进行压裂改造[2-5]。在压裂改造的过程中，地应力不仅控制着储层渗透率，并且对压裂裂缝的形态也有一定影响。因此地应力对井位部署和压裂设计都起着至关重要的作用[6-8]。一般来说存在于地壳内部地应力称之为地应力，主要由构造应力、重力应力、残余应力、热应力和孔隙压力等耦合而成，也被称为岩体的初始应力。

目前，水压致裂法和应力解除法是国内外用于地应力定量分析的主要研究手段。也是目前为止最可靠高效的直接测量方法，测量结果准确，常被用于检测其他方法测得的数据，但这两种方法对岩石的坚硬程度以及完整性要求较高。然而受构造运动的影响，煤矿深部很难满足条件，因此这两种方法很难应用于深部软岩的地应力测量[9]。

随着有限元理论的飞速发展，三维有限元数值模拟方法逐步成为解决油气开采问题的重要手段，通过对目标区域边界荷载的反演实现应力场的模拟，从而建立应力场的地质模型。相比于传统方法，三维有限元分析方法有着对岩体的破坏性小、投入成本少、测量周期短、测量结果直观等优点，是测量应力分布的一种新兴方向。

本文将采用三维有限元数值模拟的方法对阜康矿区主力煤层现今应力场的分布进行计算。在建立地质模型和计算模型基础上，运用ABAQUS有限元软件，得出地质体中各单元内的应力分布，并以水力压裂测试分析结果作为数据支持，验证有限元数值模拟结果的准确性。

1 地质概况

阜康矿区位于新疆乌鲁木齐市东北60km的阜康市南部。矿区面积 307.92km2，赋存煤炭资源84亿t[10]。在煤层气开发过程中，以四工河和洪沟正断层为界线将矿区划分为西部、中部和东部，阜康矿区西部主要煤层自上而下为侏罗系西山窑组和八道湾组，两组含煤地层在区域展布上被“V”形火烧区带分割。

西山窑组地层分布于“V”形火烧区带内侧，地层平均厚456.75m，含煤系数9.70%，岩性主要为砂、砾岩和泥、砂岩，煤层较为发育，植物的茎、叶的化石碎片保存较为丰富。该组地层的沉积环境较为复杂，多以河流相及沼泽相的含煤碎屑沉积为主[11-12]。

八道湾组地层主要分布于“V”形火烧区带外侧，地层平均厚940.54m，含煤系数7.28%。岩层主要由泥岩、砂岩、泥质砂岩、砾岩和煤层组成。该地层早期为湖泊-沼泽相沉积，经过演变形成含煤的碎屑岩建造。这一时期的湖沼相成为重要的成煤时期，形成的含煤层位也比较稳定，含煤特征较为明显[13]。

目前阜康矿区内现有钻井平台多达17个，八道湾组煤层气主采A2、A3、A4及A5煤层，其中A2、A5煤层为研究区煤层气开发的主力煤层，煤层埋深一般200~1 400m；煤层厚度一般4.5~40.3m，含气量一般2~13.5m3/t。经过开发生产矿区存在人工裂缝展布不清，储量动用相对不充分等问题，亟需厘清矿区地应力场分布规律，为后续调整、压裂动用剩余潜力奠定基础。基于此，本文应用三维有限元方法，定量研究A2、A5煤层中应力场的分布，明确该区裂缝起裂条件及扩展形态研究提供有利条件，为下一步矿区井位调整提供理论与实践基础。

2 水力压裂测试分析

为进一步获得阜康矿区地下地应力分布情况，对矿区多个目标井进行了注入/压降试井以及原地应力测试。对于注入/压降试井获得的数据，采用拟合分析法分析；而对于原地应力测试，则采用时间平方根法分析，并辅助以双对数法进行验证。最终获取到了渗透率、储层压力、闭合压力、破裂压力等储层参数见表1。由目标井试井成果中的数据可知，新疆阜康矿区煤层气储层大多处于一个偏低到正常的应力场中，且非均质性极强，渗透率极低但偶有甜点。

表1 试井成果表

3 地质建模与模拟

3.1 建模方法

3.1.1 地质构造

阜康地区选取目标层区域作为计算模型，图1分别表示阜康矿区顶面构造图以及A5煤层顶面构造图。由于模型区域尺度足够消除边界影响，建模时不必扩大范围。

图1 阜康地区顶面构造图

3.1.2 模型建立

根据地质文件图1，在三维地质建模软件Go CAD中建立新疆阜康地区地质模型，将其节点与单元数据导出为data文件后写入input文件中导入abaqus中进行下一步更精细的计算。因为Go CAD自带命名格式与abaqus能识别的不兼容，所以文件名尽量采用数字与字母的组合以免abaqus识别不了导致建模失败。成功导入软件中，采用实体单元（C3D8），对模型划分单元网格，建立三维模型如图2所示。为研究断层周围的地应力场变化和影响区域，对断层和取样区域局部地区网格进行细化加密。

图2 地质建模图

3.1.3 岩石力学参数

图3为岩石力学建模图，图中层段岩性组合的力学参数是根据岩石力学实验分析结果来确定的。根据已有的测井试井数据，赋予模型泊松比、弹性模量等力学属性，并对于不好确定的断层周围的弹模与泊松比，采取降低弹模增大泊松比的方式来处理。不同层位的力学参数如表2所示。

图3 岩石力学建模图

表2 岩石力学参数表

3.1.4 加载方式

计算模型的加载方式是根据不同地质模型加以确定的。本次模拟分两层进行。边界条件采用四周约束，同时施加分布力载荷。力的大小根据反演模拟计算来具体加以确定。从现场测井数据中找到相应井的坐标，进而通过坐标对应到模型中的节点，最后导出该节点的应力值。

根据不同的地质情况，参考表1中6口井的地应力数据，根据上覆岩层压力计算公式p=ρgh，对模型施加了如图4 所示的分布力载荷，图中橙色区域表示数值为30MPa代表埋深更深的高应力区域，埋深更浅的低应力区用粉色表示数值为17MPa。施加如此应力场，可使得模型中（那6口井名）点位压后应力与表1中所示相差无几，表明施加的分布力载荷是一个可以信赖的应力载荷，模型中得到的地应力场也是精确的。

图4 分布力载荷应力图

3.1.5 约束条件

对模型边界增加边界条件结果如图5所示。模型变形后挤压量的分布趋势与区域剖面的分布趋势一致，产生的张裂缝为低角度；没有应力歧异点。在模拟计算中，不断细微地调整加载力的分布和大小，直到上述所有的约束条件尽可能符合为止。

图5 边界条件

3.2 建模结果分析

在建立地质模型和计算模型基础上，运用ABAQUS有限元软件，按线弹性理论对地质体中各单元内应力分布进行计算。再经过多次反复修正计算，直到符合各项反演标准以后，通过坐标转换以后对输出结果进行编程处理，即可得到该区现今应力场的三维空间分布，图6和图7分别表示断层应力方向以及地应力的分布。计算结果用最大、中间和最小主应力产状、大小以及差应力或最大剪切应力大小表示，应力符号采用力学上常用的符号，即拉为正，压为负，应力单位为MPa。

图6 断层应力方向

图7 地应力图

部分地应力计算结果如表3所示，对比表1中试井成果，发现模型误差不大，能较精确地反映矿区地应力情况，验证了模型的准确性。CS11-X1井周最小主应力在14MPa左右，CS15-X4井周水平最小地应力平均17MPa左右。从图6可以看出，由于断层的存在，导致其附近的应力方向发生偏转。因此，压裂设计需要考虑断层的影响。从图7可以看出，由于断层的存在，导致其周围应力明显小于附近地层的应力。

表3 地应力计算结果

图8为阜康矿区储层的力学模拟应力云图，从图中计算结果来看，阜康矿区储层压力变化较大，西部八道湾组 A2 煤层储层压力介于3.59~5.09MPa，平均为 4.34MPa；西部八道湾组 A5 煤层介于7.54~13.61MPa，平均为 10.58MPa储层压力梯度西部八道湾组 A2 煤层介于（4.89~5.70）×10-3MPa/m ，平均达到5.30×10-3MPa/m，属于欠压储层，可能与煤层埋深较浅有关、西部八道湾组 A5平均为 7.75×10-3MPa/m，东部八道湾组 A2 煤层为（9.18~9.4）×10-3MPa/m，基本处于常压储层。

图8 力学模拟应力云图

4 结束语

三维有限元数值模拟方法是定量研究构造应力场三维空间分布的有效手段，在充分分析研究区各种地质资料的基础上，建立合理的地质模型和数学模型，可取得较好的研究效果。

阜康矿区现今应力场的分布相对稳定，A2、A5煤层基本处于常压储层，阜康矿区的构造应力场对煤储层内煤层气的运移以及保存条件有至关重要的影响。它们对合理开发井网的布置、压裂改造方案的设计、水平井的部署和注水管理有重要指导意义。