某气场储气砂层组地应力场模拟

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【摘 要】在油气勘探与开采过程中，储气砂层及其周围岩层的应力分布是确定勘探与开采方法与确保开采效果的重要参数，根据之前对场区地应力场的反演及恢复，对场区内某区域的储气砂层组的地应力进行模拟并分析储气砂层组的应力分布特征，发现了此处储气层垂向应力由浅及深逐渐变大，并且在储气砂层边缘存在应力集中及应力陡然减小。最小及最大水平应力由浅及深逐渐变大，储气砂层的最小及最大应力较周围泥岩大。进一步分析表明：地形及岩性对应力的分布有较大的影响。

【关键词】地应力场；数值模拟；储气层

0 引言

地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路、军事和其他各种地下或露天岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩土力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提。地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料的储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。

本文以某地区储气层为例，拟利用三维有限元方法，在充分考虑研究区地质、构造等背景，同时充分考虑模拟区几何模型的形状及大小、区域构造格架、边界条件下对储气砂层地应力场进行数值模拟，并对地应力分布规律进行分析。

研究区域内JP气藏层中砂层组是储气层，其勘探与开采过程中，砂层组及其周围岩层的应力分布是确定勘探与开采方法与确保开采效果的重要参数，因此，地应力场的研究显得尤为重要。

根据圣维南原理，分布于弹性体上一小块面积（或体积）内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关，荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。作为厚度仅有几米到几十米的砂层，相对于研究区域，其引起的荷载变化整体而言可视作微小，其对整个地区现今地应力场的影响在远离储气砂层组的地方可以忽略。因此，在研究储气砂层的应力分布时，可以将现今地应力场反演得到的结果作为边界条件（远离砂层组的地方），加在考虑了砂层的模型之上，利用数值模拟的方法，得到较为准确的砂层组及其附近岩体的应力分布。遵循这一思路，本文将利用已知现今地应力场计算的结果，得到JP37+8砂层组地应力模拟的边界条件，建立包含砂层组的有限元模型，进而对其地应力场进行数值模拟。

1 JP37+8砂层组地应力场模拟

1.1 模型建立

根据之前对场区的地应力的反演恢复作为依据对储气砂层组的地应力分布特征进行模拟，但因砂体分布不规律，且相对于整个区域，砂体厚度太薄（场区长50000米，宽40000，厚约3000米，砂体厚度5～20米），限于计算机硬件及软件的约束，模型在划分网格过程中无法成功。因此本文对场区某局部含储气砂层区域进行建模分析。模型如图1，模型长16500米，宽9000米，厚度为2800米，砂体厚度为5米，在模型中的展布如图2。

1.2 地质情况和材料参数

JP37+8层的砂体分布区域及厚度范围如图1、图2所示，砂体主要岩性为砂岩，砂体周围为泥岩。

砂体材料计算参数取值如表1所示：

1.3 单元划分和网格类型

建模分网时采用Ansys中的Solid45单元，建模后采用该Solid45单元进行分网，利用软件接口将分网后的模型方便地转换为FLAC3d可以识别的模型。整个计算域内共有112877个节点，623450个实体单元，研究区域的单元模型见图3与图4所示。

1.4 数值模拟

根据已得到的现今地应力场模拟的结果进行处理，得到模型在X轴及Y轴平面上应力边界条件施加如图5、图 6，以此为条件计算得到JP37+8砂层组的应力场分布。

2 JP37+8计算结果分析

根据该地区已知地应力场的反演计算结果，为目标层JP37+8砂体采用小模型进行应力分布分析提供了边界条件，通过计算得到JP37+8砂层组的应力场分布，下面对计算结果进行分析，为满足加砂压裂储层改造时优化设计方案的要求，对JP37+8计算结果中的砂岩及其与周围泥岩的应力分布情况进行分析讨论。

2.1 垂直向应力

2.2 最大水平应力

2.3 最小水平应力

通过计算得到JP37+8层目标区域地应力场垂直应力分布的特征，从云图上均可见该区域的垂直应力整体上呈现由浅向深逐渐增大的特征，砂体的存在对垂直应力的分布有一定的影响，从以上各种云图都可以看出砂体上的垂直应力都较周围泥岩的垂直应力小。在局部存在应力集中现象。

该区域的最大与最小水平应力整体上呈现由浅向深逐渐增大的特征，但是同时从各云图可以看出 砂体以及周围的最大与最小水平应力明显要比相同深度没有砂体分布的区域要小。

3 JP37+8砂层对地应力分布的影响

为研究砂体对目标地层地应力分布的影响，分析不含砂体地层与含砂体地层的的垂直、最大水平、最小水平地应力的变化，对JP37+8 层如图13所示进行数据取样分析，得到砂体对地应力分布的影响如图14所示。

由图14可以看出JP37+8应力场的泥岩到砂岩中部的应力分布变化特征，由泥岩向砂体变化，垂直应力与水平应力在边界地段均发生急剧的衰减，水平应力（最大与最小）总体上呈现减小，然后在砂体中趋于平衡，垂直应力有一减小-增大-减小-平衡的过程，总体上砂体内的应力小于砂体泥岩上的应力。水平应力减小的量值较大，而垂直应力在砂体中部比砂体泥岩小约5-7MPa。

4 结论

本文综合运用Ansys与FLAC3D软件，通过反演计算得到研究区域合理可靠的现今地应力场，利用该研究成果确定了该研究地区JP37+8模型的边界条件，根据地质模型建立数值模型，对含气砂层中的砂体及其周围地层的地应力场进行数值模拟，得到了砂层及其周围岩层的垂直应力与最大、最小水平应力的方向与大小等分布特征，发现了岩性及地形对地应力分布的影响。为该地区的气藏勘探与开采提供数据支持。

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