有限元数值模拟技术在潜山裂缝定量预测中的应用——以珠江口盆地惠州凹陷惠州26构造为例

潜山储层的裂缝发育预测是勘探开发领域一个技术难题。目前多采用地震刻画、地震属性提取、周边钻井资料揭示以及岩芯观察等方法对地下裂缝的分布情况进行预测,但存在不少问题。笔者等通过有限元数值模拟方法对珠江口盆地惠州26构造裂缝发育情况进行预测,并提出预测流程。该方法首先采用断层生长连接分析结合演化史分析建立合适的几何模型和数理模型,通过给定力学参数和边界条件,模拟裂缝主要形成期文昌期、恩平期的古构造应力场,最终通过对张应力和剪应力大小及分布的分析来预测储层构造裂缝的发育程度。模拟结果显示,文昌期裂缝强烈发育区位于F2断层西段和F1断层西段,在惠州26构造处,构造的高部位裂缝发育强度较强,在4井位置裂缝发育较弱,在7井位置发育较好的裂缝。恩平期受应力方向和大小的改变影响,主要的裂缝发育区集中在F2断层下盘惠州26构造高部位。将预测结果与钻井结果进行比较,预测结果和钻探结果较一致,印证了该方法在古潜山裂缝预测中的实用性。有限元数值模拟方法不仅能够恢复构造裂缝形成期构造应力场的分布情况,也可以对储层构造裂缝的分布及发育程度进行预测,为裂缝型潜山油气藏勘探开发提供技术支持。     

有限元数值模拟技术在潜山裂缝定量预测中的应用——以珠江口盆地惠州洼陷惠州26构造为例

潜山储层的裂缝发育预测是勘探开发领域一个技术难题。目前多采用地震刻画、地震属性提取、周边钻井资料揭示以及岩芯观察等方法对地下裂缝的分布情况进行预测,但存在不少问题。笔者等通过有限元数值模拟方法对珠江口盆地惠州26构造裂缝发育情况进行预测,并提出预测流程。该方法首先采用断层生长连接分析结合演化史建立合适的几何模型和数理模型,通过给定力学参数和边界条件,模拟裂缝主要形成期文昌期、恩平期的古构造应力场,最终通过对张应力和剪应力大小及分布的分析来预测储层构造裂缝的发育程度。模拟结果显示,文昌期裂缝强烈发育区位于F2断层西段和F1断层西段,在惠州26构造处,构造的高部位裂缝发育强度较强,在4井位置裂缝发育较弱,在7井位置发育较好的裂缝。恩平期受应力方向和大小的改变影响,主要的裂缝发育区集中在F2断层下盘惠州26构造高部位。将预测结果与钻井结果进行比较,预测结果和钻探结果较一致,印证了该方法在古潜山裂缝预测中的实用性。有限元数值模拟方法不仅能够恢复构造裂缝形成期构造应力场的分布情况,也可以对储层构造裂缝的分布及发育程度进行预测,为裂缝型潜山油气藏勘探开发提供技术支持。     

基于地质力学方法的低渗透砂岩储层构造裂缝预测研究（英文）

目前,研究并搞清构造裂缝的形成时间、位置、产状、规模及分布密度对于低渗透、超低渗透砂岩储层的勘探开发至关重要,但具有很大难度。基于应变能理论建立一套综合地质力学模型以定量预测裂缝参数及分布,如裂缝线密度和体密度等。首先,在岩石力学实验的基础上将脆性储层中由构造应力引起的总能量划分为裂缝表面能、摩擦耗能和残余应变能3种类型,其中前两者即为与裂缝产生相关的能量,并以此为桥梁推导建立应力—应变和裂缝参数之间的关系模型。其次基于地震解释结果建立复杂构造区含断层的古地质模型、岩石力学实验、测井解释,通过动静校正的方法获得砂岩、泥岩的强度参数,从而建立地质力学模型。最终,进行古应力场数值模拟计算裂缝参数三维展布特征,并以实际井点数据进行验证。结果表明地质力学模型法不同于一般的几何分析方法,具有较高的可靠性和适用性,能够预测不同构造运动阶段的裂缝参数分布,并能够进行三维空间显示;裂缝的充填程度不仅影响着裂缝开度,也在很大程度上影响着低渗透砂岩储层的渗流特征,这对于进一步实现现今裂缝开度的定量预测以及储层数值模拟具有重要意义。     

准噶尔盆地新生代构造应力对石炭纪火山岩构造裂缝发育的控制

构造裂缝的发育对改善储层的储渗条件有着重要的作用,特别是火山岩这种非传统储层,构造裂缝的发育是其成为有效储层的必要条件。本文主要借助构造应力场有限元数值模拟这一成熟的方法对准噶尔盆地石炭纪火山岩构造裂缝的发育状况进行预测。其两个主要的步骤是首先对区域构造应力场进行模拟计算,然后结合岩石的强度指标判断构造裂缝的发育状况。通过对准噶尔盆地地质背景和构造演化的分析,明确了新生代构造应力场的的决定性作用和石炭纪火山岩的分布区域(划分出六个区域),建立了数值模拟的计算模型、确定了边界条件与载荷。通过二维有限元数值模拟(应用Ansys软件)得到了新生代盆地应力场的分布特征和应力值。结合岩石强度指标,对火山岩构造裂缝(张裂缝和剪裂缝)的发育进行了预测并圈出相应的区域,主要为盆地西北缘、中央坳陷中部、滴西1东部,彩参2周缘、大井-将军庙等地区,对石炭纪火山岩的油气勘探战略选区, 优化勘探部署具有重要指导意义。     

水布垭面板堆石坝的三维弹塑性数值分析研究

在建的清江水布垭面板堆石坝高达233 m,是目前同类坝型中最高的.采用MSC.Marc非线性有限元程序,发展了三维子模型法,对该坝进行了三维弹塑性有限元仿真分析,模拟了面板的分缝、坝体材料分区、填筑及蓄水过程,采用双屈服面弹塑性模型模拟堆石体的变形特征.根据数值分析的结果,对坝体和面板的应力变形分布规律进行了探讨.     

基于地震数据构造曲率属性预测裂缝

为了有效预测岩层裂缝发育与分布,利用新疆准噶尔盆地南缘霍尔果斯背斜在纵弯变形作用下地震数据构造曲率属性进行了分析,并在此基础上进行了裂缝预测。具体方法是:利用petrel软件分析研究区的地震数据,追踪主要层面和断层并提取目标层面曲率和建立构造模型;考虑层面曲率对裂缝预测的局限性,通过“蚂蚁追踪”进一步提取目标层三维曲率属性而提取裂缝分布规律,将提取的裂缝与构造模型相结合。实例表明,上述方法可以简单、高效、全面地预测裂缝发育与分布,因此具有较强的实用性。     

松辽盆地徐家围子断陷芳深9井区火山岩储层裂缝预测

本文在松辽盆地北部徐家围子芳深9井区构造地质、石油地质及构造应力场分析的基础上,对早白垩世嫩江组末期、晚白垩世明水组末期和现今三个构造时期在营城组火山岩地层中的构造应力场进行了三维有限元数值模拟,进而分析了三维构造应力场在裂缝预测分析中的应用,研究结果与构造地质、石油地质分析结论相一致,对油气勘探开发具有指导意义。      

小湾水电站坝址区三维初始地应力场反演回归分析

基于小湾水电站坝址区工程地质地形条件,研究分析了影响工程考察域初始地应力场的基本因素及其空间分布,建立了坝址区三维有限元计算模型和初始地应力场参数空间分布模型;利用大型通用有限元软件MSC.Marc和地应力实测资料,借助最小二乘法原理,以回归精度为目标函数,优化了构造挤压荷载的模拟和作用组合,实现了初始应力场空间分布模型的参数估计。计算结果表明,改进后的方法较传统方法回归精度有了较大提高,能较为合理地模拟小湾坝址区三维初始地应力场。     

济阳坳陷四扣洼陷泥质岩裂缝储层预测研究

通过对济阳坳陷四扣洼陷及郭局子地区泥质岩储层的裂缝类型、识别特征进行的研究，认为影响本区裂缝发育程度的因素是区域构造应力及构造部位、岩性、岩相、岩层厚度、埋深及地层压力。并在此基础上建立了地质模型、力学模型和数学模型，运用三维有限元方法对四扣洼陷构造裂缝储层的分布进行了预测。通过预测，提出了研究区裂缝发育在平面上具有不均匀性、连片性差、与断层关系密切的特点，进一步指出了罗42－罗48井区等8个区带为裂缝发育的地区。这项研究不仅对研究区泥岩油气勘探，而且对济阳坳陷及类似地区的泥岩油气勘探有重要指导和启示意义。     

鄂尔多斯盆地合水地区长6致密砂岩储层现今地应力分布特征及其开发建议

致密油藏物性差,非均质性强,现今地应力分布特征影响着致密油藏钻井施工、井网部署、压裂改造和注水管理等方面。文章根据微地震监测法分析了鄂尔多斯盆地合水地区长6储层单井现今地应力的方向,利用水力压裂资料分析了研究区单井现今地应力大小。在单井现今应力分析的基础上,结合合水地区长6储层构造、沉积、岩相特点建立了三维非均质地质模型,通过室内三轴岩石力学试验与施工数据,得到不同岩相的岩石物理参数,由此建立三维力学模型。利用Ansys进行有限元数值模拟,得到了研究区长6储层三维现今地应力分布模型,模拟结果表明水平最大主应力范围为34~42 MPa;水平最小主应力范围为25~36 MPa;水平差应力范围为3~10 MPa,并将结果与实际测量的井点应力大小进行对比,误差小于10%,模拟结果可信。分析模拟结果可知研究区现今地应力的分布主要受到了岩石物理力学性质差异的影响,而构造格架的影响较小。在结果分析的基础上,建议研究区布井时,不仅考虑地应力的影响,还应将天然裂缝作为影响因素考虑,同时,为尽可能地降低开发成本,在差应力相等的区域,油气工业井一般部署在应力值低的地方。      

鄂尔多斯盆地塔巴庙地区上古生界储层裂缝特征及分布评价

根据塔巴庙地区上古生界地层完钻井的岩心、薄片裂缝观测、测井裂缝解释成果的分析,结合盆地区域构造应力历史、裂缝充填物的稳定同位素特征,对研究区裂缝的成因类型进行确定,分析认为研究上古生界地层中的裂缝为典型的区域性裂缝,具有如下特征:1)岩心上表现为张性的高角度或垂直裂缝,成组出现;2)无论砂岩、泥岩均发育该类裂缝,砂岩比其他岩类相对发育;3)裂缝形成期次与最大燕山期构造活动期一致;4)裂缝产状稳定,走向与燕山期构造主应力方向基本相同;5)裂缝分布不受局部变形所制约。在总结了控制裂缝发育的地质因素后,利用有限元法古构造应力场模拟技术,结合地层特征,对研究区主要层位的区域性裂缝的分布特征进行评价。     

印度-澳大利亚板块应力场数值模拟及其动力学分析

印度-澳大利亚板块的边界类型和性质十分复杂。本文采用伪三维有限元方法,利用WSM2000观测应力场数据的应力取向和应力状态作为主要约束,建立了印度-澳大利亚板块岩石层三维模型,对印度-澳大利亚板块构造应力场进行了数值模拟,进而探讨印度-澳大利亚板块所受边界力对板块内部应力场的影响。结果显示,印度-澳大利亚板块的构造应力场主要受到两个因素的控制:①软流层静压推力;②来自碰撞带的阻力,包括喜马拉雅、巴布亚新几内亚、新西兰和印度-澳大利亚板块与欧亚板块的西北边界。而来自俯冲消减带的拉张作用力对板内应力场的作用相对较小。      

北衙金矿区构造应力场数值模拟

在矿区地质背景研究的基础上,运用有限元原理采用线弹性模型,对北衙地区进行了三维构造应力场数值模拟。模拟结果表明,北衙向斜为一断陷盆地,向斜西翼存在隐伏断裂。在东西向挤压力作用下,在向斜两翼的应力拉张区内产生四条近南北向的断裂(组),为斑岩岩浆上侵以及金铅锌多金属矿的赋存提供了有利的构造部位。     

吉林大安油田储层裂缝的综合评价

本文在岩芯描述和三维有限元数值模拟的基础上,对大安油田裂缝的分布特征,发育规律,分组裂缝所起作用及其对开发的影响等方面进行了综合评价。大安油田储层中发育了受沉积微相和构造控制的四组裂缝。     

Finite element modeling of hydraulic fracturing in 3D

A procedure based on the finite element method is suggested for modeling of 3D hydraulic fracturing in the subsurface. The proposed formulation partitions the stress field into the initial stress state and an additional stress state caused by pressure buildup. The additional stress is obtained as a solution of the Biot equations for coupled fluid flow and deformations in the rock. The fluid flow in the fracture is represented on a regular finite element grid by means of “fracture” porosity, which is the volume fraction of the fracture. The use of the fracture porosity allows for a uniform finite element formulation for the fracture and the rock, both with respect to fluid pressure and displacement. It is demonstrated how the fracture aperture is obtained from the displacement field. The model has a fracture criterion by means of a strain limit in each element. It is shown how this criterion scales with the element size. Fracturing becomes an intermittent process, and each event is followed by a pressure drop. A procedure is suggested for the computation of the pressure drop. Two examples of hydraulic fracturing are given, when the pressure buildup is from fluid injection by a well. One case is of a homogeneous rock, and the other case is an inhomogeneous rock. The fracture geometry, well pressure, new fracture area, and elastic energy released in each event are computed. The fracture geometry is three orthogonal fracture planes in the homogeneous case, and it is a branched fracture in the inhomogeneous case.     

NUMERICAL SIMULATION OF THE STRUCTURAL STRESS FIELD OF BEIYA GOLD DEPOSIT

Based on the study about the geological background of Beiya Gold Deposit, numerical simulation was conducted about the three-dimensional structural stress field for Beiya Gold Deposit by applying finite element theory and by employing a linear elasticity model. Results of the simulation indicate that the Beiya syncline is a faulted basin, and a hidden fracture occurs in the west wing of the syncline. Under the action of the EW-trending compressive force, four nearly NS-trending fractures (groups) were generated in the stress stretching areas of the two wings of the syncline, and these fractures constitute favorable tectonic positions for the upward intrusion of porphyry magma and the occurrence of Au-Pb-Zn polymetallic deposits.     

车镇凹陷大1断层对区域油气成藏控制作用的三维数值模拟

采用有限元方法模拟了大王庄地区的应力场分布状态。根据模拟结果,对比已知油气藏的分布位置,定量分析了大1断层对区域压应力分布的控制性作用,并以此为基础探讨了区域油气运聚成藏过程的主要影响因素。模型的构建主要基于车镇凹陷大王庄地区精细三维数据体,包括三个主要地层界面及近真实的大1断层产状。据此,得出以下研究结果:(1)通过调整边界条件发现,模型在NE-SW向的伸展作用下压性应力场低值区的分布与已知油藏的分布具有较好的对应关系,均围绕大1断层呈斜对称式分布;(2)认为这种油藏斜对称式分布特征应与大1断层在区域构造应力背景下对油气的沟通、疏导作用密切相关。     

基于边界元方法的次级断裂信息挖掘试验研究

为研究次级断裂发育状况，探讨了一种地震解释主断层与地质力学相结合的边界元模拟方法:首先在安德森断层分类体系下，依据断层与应力组合特征，完善次级断裂构造演化事件分类；然后应用应力张量降阶、线性叠加原理，简化应力与位移平衡方程，并在此基础上使用蒙特卡洛方法反演古应力场；最后求解应力、应变与不连续位移平衡方程，获取地层现今应力分布，分析次级断裂开度、相对密度等信息。运用该方法在杨柳矿区童亭背斜区域开展试验，结果表明区域内最小水平主应力以近北西向为主，主断层之间广泛发育交叉断裂带，次级断裂发育带连通性强，为杨柳矿区隐蔽灾害评估提供了参考资料。      

Identification of fracture development period and stress field analysis based on fracture fabrics in tectonic superposition areas

As a direct consequence of multiple periods of stress applied on areas with tectonic superposition, the multiple-periods fractures have complex abutting relationships, and the field study of fractures is usually restricted by outcrop conditions, such as section direction. Therefore, previous studies of superposed stress fields based on fractures have been generally performed in areas with proper observation conditions and clear abutting relationships. In contrast, in many other areas, the identification of fracture development period based on field observation is often infeasible. Compared to abutting relationships, fracture fabrics obtained from field measurement are not affected by the restriction of outcrops and consequently are more representative of the fractures. According to the analysis of fracture fabrics and fracture features, this paper has separated and extracted the superposed fracture sets and identified the fracture development period in the area without available abutting relationships. Taking the southern segment of the Longmen Mountain thrust belt as an example, fractures of two development periods are identified and timed in the tectonic superposition area between two adjacent fold belts. The analysis of stress direction in each period suggests that the structural boundaries, consisting of such pre-existing structures as faults and anticlines, could have induced directional rotation in the subsequent stress. An equivalent result was achieved using a finite element simulation of the stress field. Based on the stress analysis of the field sites and the stress field simulation, the stress variation in the tectonic superposition area is well modeled.