地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (1): 48-54
引用本文
刘佳庚, 李静, 苏玉亮, 范作松, 刘旭亮, 郭豪. 塔河油田奥陶系储层构造应力场研究[J]. 地质力学学报, 2020, 26(1): 48-54.
LIU Jiageng, LI Jing, SU Yuliang, FAN Zuosong, LIU Xuliang, GUO Hao. Tectonic stress field research on the Ordovician reservoirs in the Tahe Oilfield[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(1): 48-54.
塔河油田奥陶系储层构造应力场研究
刘佳庚1, 李静2, 苏玉亮3, 范作松4, 刘旭亮2, 郭豪1    
1. 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580;
2. 中国石油大学(华东)地质力学与工程研究所, 山东 青岛 266580;
3. 中国石油大学(华东)石油工程学院, 山东 青岛 266580;
4. 青岛市地铁八号线有限公司, 山东 青岛 266046
摘要:油气储层构造应力场的分布特征,对油气运移、注采井网布置、储层改造等具有重要意义。为此,文章从塔河油田AD13井区的地质构造演化入手,基于油田测井资料,结合弹性力学及有限元理论,建立研究区地应力弹性力学计算模型,利用有限元软件对研究区储层地应力进行模拟研究,并将模拟结果与现场地应力实测值进行对比分析。结果表明,研究区最大水平主应力为102~130 MPa,最小水平主应力为87~110 MPa,均为压应力;研究区东部及南部最大水平主应力方向为北东向,西北部最大水平主应力方向为北东东向,西南部最大水平主应力方向为南东向,地应力大小及方向均与实际结果相符。研究结果可为研究区油气勘探开发工程提供科学依据。
关键词塔河油田    碳酸盐岩储层    地应力    地质模型    数值模拟    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.01.005    
Tectonic stress field research on the Ordovician reservoirs in the Tahe Oilfield
LIU Jiageng1, LI Jing2, SU Yuliang3, FAN Zuosong4, LIU Xuliang2, GUO Hao1    
1. School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China;
2. Institute of Geological Mechanics and Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China;
3. School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China;
4. Qingdao Metro Line 8 Co., Ltd. Qingdao 266046, Shandong, China
Abstract: The distribution characteristics of tectonic stress field in carbonate reservoir are of great significance to the study on oil and gas migration law, reasonable arrangement of injection-production pattern, reservoir transformation, etc. In this paper, starting with the geological tectonic evolution of the Well Block AD13 in the Tahe Oilfield, based on the well logging data, combined with elasticity and finite element theory, the elastic mechanics computational model of crustal stress in the research area is established and the reservoir crustal stress in the research area is simulated by using the finite element software, then the calculated results are compared with the measured values of crustal stress. The results indicate that the maximum horizontal principal stress is 102~130 MPa, the minimum horizontal principal stress is 87~110 MPa, all expressing as compressive stress. The direction of maximum horizontal principal stress in the east and south, northwest, and southwest of the research area are NE, NEE and SE, respectively. The magnitude and direction of crustal stress are consistent with the actual results. The research results can provide a scientific basis for oil and gas exploration and development engineering in the research area.
Key words: the Tahe Oilfield    carbonate reservoirs    crustal stress    geologic model    numerical simulation    

储层构造应力场的分布特征是影响储层裂缝发育规律的重要因素(毛哲等,2018钟城等,2018),也是储层评价与储层改造方案设计的重要依据,为此国内外众多学者开展了相关研究,(Beekman et al., 2000)运用有限元方法计算了含断层、褶皱的油气储层地应力;(Liu et al., 2017)利用水力压裂实验研究了断层、岩石力学、水平应力差等因素对地应力的影响;安其美等(1985)开展了华北地区受局部断裂带影响下的构造应力场反演研究,确定了最大应力集中作用下的断层分布;李春林等(2012)利用有限元软件分析了构造应力场与油气运聚的关系;马妮等(2018)秦向辉等(2018)研究了基于地震数据估算地应力的方法;雷刚林等(2007)利用有限元软件研究了库车坳陷克深三维区现今应力场的分布规律。上述研究大多是基于不同原理对储层应力进行定性的分析,有关碳酸盐岩储层构造应力场的量化研究却鲜有报道(陈书平等,1998彭钧亮,2008),为此,文章以塔河油田奥陶系碳酸盐岩储层为例,以渗流力学、弹性力学和有限元理论为基础,利用有限元软件ANSYS对研究区目的储层地应力进行模拟计算,得到研究区储层构造应力场的量化指标,为研究区储层勘探开发提供指导。

1 研究区概况 1.1 研究区概况

塔河油田位于塔里木盆地北部沙雅隆起阿克库勒凸起中段南部,东南临接满加尔坳陷寒武、奥陶系主力烃源区(Parsons,2006郭鹏,2012)。阿克库勒凸起是以寒武系—奥陶系为主体,发育震旦系至泥盆系海相沉积、石炭系至二叠系海陆交互相沉积,三叠系至第四系陆相沉积(于洪洲,2019)。研究区AD13井区位于阿克库勒凸起的西北侧翼,奥陶系上覆地层由西南向东北分别是志留系下统、泥盆系上统、石炭系下统,奥陶系油藏的主要储层为一间房组和鹰山组。

1.2 研究区构造特征

塔河油田AD13井区以TK1207-S99井为条带,北西向断裂群为主,位于中—下奥陶统地层,其顶面构造如图 1所示。

图 1 AD13井区中—下奥陶统顶面构造图 Fig. 1 The top structural distribution map of the Well Block AD13 in middle-bottom Ordovician
2 岩石力学参数确定

根据测井资料计算得到研究区动态泊松比、动态弹性模量,并根据碳酸盐岩动静态岩石力学参数转换公式,得到研究区静态岩石力学参数(俞仁连,2005胡国忠等,2005盛金昌等,2007Matsuki et al., 2009),从而综合得到研究区AD13井区特定井点目的层位岩石力学参数,如表 1所示,为后续地应力研究提供岩石力学参数。

表 1 研究区AD13井区动态、静态力学参数值 Table 1 The values of dynamic and static mechanical parameters of the sample rocks

表 1可知,岩石的泊松比随深度变化不大,而弹性模量随深度变化较大,在5650~5976 m深度范围内,岩石的弹性模量有减小的趋势;在6000~6500 m深度范围内,弹性模量有先减小后增加的趋势,分析可能是由于地质构造导致的岩石力学参数变化,岩石的动静态参数值差别明显(李静和查明,2010)。

3 构造应力场研究

地应力的大小是地层能量集聚的结果,在地应力作用下,地层岩石处于相对平衡和相对稳定状态(李静等,2011)。综合此平衡规律,根据上述得到的研究区岩石力学参数以及目标区地应力测试结果,进行塔河油田AD13井区构造应力场研究。

3.1 研究区构造应力场计算 3.1.1 垂向应力σv计算
$ {p_0} = \bar \rho {h_0}g + \int\limits_{{h_0}}^h {\rho gdh} $ (1)

式中,p0为上覆岩层压力,Mpa;h0为目的层起始深度,m;ρ为上覆岩层的平均密度;ρ为计算井段的地层密度;一般情况下,σv=p0

S94井区为研究区AD13临近井区,且油藏类型相同、流体性质相似、深度相近;AD12与AD13井区为同一静压系统井区。因此,借鉴AD12井区压力资料并结合S94、AD13井区静压数据进行分析对比,根据以上公式计算出AD13、S94井区单井垂向地应力值如表 2所示,其中TK1204井位于S94井区。

表 2 塔河油田AD13井区奥陶系单井垂向压力数据表 Table 2 The single well vertical pressure data of the Well Block AD13 in the Tahe Oilfield

表 2可以发现,研究区井点的压力系数范围为:1.091~1.133,表现为正常压力,研究区单井垂向地应力拟合曲线如图 2所示,图中研究区目标井区指AD13、S94井区数据,研究区其它井点指AD12井区数据。

图 2 AD13井区奥陶系地层压力变化曲线图 Fig. 2 The variation curves of the Ordovician formation pressure in the Well Block AD13

图 2可以发现,随着地层深度的增加,AD13井区的压力值呈线性增加,相关系数R2=0.8666,说明原始地层压力与油层中部深度之间相关程度较高。

3.1.2 水平向最大主应力σH、最小主应力σh计算

塔河油田奥陶系的饱和压力之下的单井地层压力方程为(葛洪魁等,2000):

$ P = 0.9669\frac{H}{{100}} + 7.25 $ (2)
$ {C_b} = \frac{1}{{{K_b}}} $ (3)
$ {C_{ma}} = \frac{{3\Delta t_{ms}^2\Delta t_{mp}^2}}{{{\rho _{ma}}\left( {3\Delta t_{ms}^2 - 4\Delta t_{mp}^2} \right) \times 9.299 \times {{10}^7}}} $ (4)
$ \alpha = 1 - \frac{{{C_{ma}}}}{{{C_b}}} $ (5)
$ {\sigma _H} = \frac{{{\mu _s}}}{{1 - {\mu _s}}}\left( {{P_0} - \alpha {P_p}} \right) + {\beta _H}\left( {{P_0} - \alpha {P_p}} \right) + \alpha {P_p} $ (6)
$ {\sigma _h} = \frac{{{\mu _s}}}{{1 - {\mu _s}}}\left( {{P_0} - \alpha {P_p}} \right) + {\beta _h}\left( {{P_0} - \alpha {P_p}} \right) + \alpha {P_p} $ (7)

式中,Kb为体积模量,MPa-1Cb为体积压缩系数,MPa-1Cma为骨架压缩系数,MPa-1σH为最大水平应力,MPa;σh为最小水平应力,MPa;P0为上覆岩层压力(一般情况下σv= P0);βHβh为水平向最大、最小构造应力系数(可以根据油田资料进行反求);PP为地层压力,MPa,PP=ρwgh×10-3μs为静态泊松比;α为有效应力系数(Biot系数)。

根据以上公式,自行研制开发针对研究区碳酸盐岩特点的单井地应力计算程序,通过油田测井资料计算出目标井点水平向最大、最小主应力。

通过计算得出AD13井区目标井点水平方向地应力值,如表 3所示。

表 3 AD13井区特定井点目的层位水平向地应力值 Table 3 The horizontal ground stress values of the target layer at specific point in the Well Block AD13
3.2 研究区构造应力场数值模拟

根据研究区地应力岩心实验和油田测井资料,计算单井地应力;利用有限元软件对研究区进行地应力场的数值模拟(张广明等,2011杨秀春等,2013),为研究区油气开发井位部署等提供参考依据。

研究区AD13井区顶面构造图如图 1所示,据此建立数值模拟地质模型(张明,2010)。断层采用断层带处理方式,即将断层两侧适当距离内的岩石力学参数降低一定比例(李兵等,2019),对断层所经过的单元的岩石力学性质进行折减,折减系数为同岩性层其他单元的60%,对断层附近的单元划分比较密(陈艳华等,2003),见表 4所示。

表 4 模型岩石物理力学参数表 Table 4 Physical mechanics parameter table of the rock model
3.2.1 数值模型的建立

模型采用六节点等边三角形单元plane2类型,部分区域使用四边形单元,对二维平面地质模型划分单元网格,外围边界区域粗化,目标区域AD13井区细化,共划分29127个单元,为消除边界效应,将研究区范围向外扩展3 km,数值模型如图 3所示。

图 3 AD13井区模型有限单元网格图 Fig. 3 The finite element mesh graph of the Well Block AD13 model
3.2.2 反演目标约束条件

表 3水平向地应力值,根据地应力方向和数值将其转化为应力分量。通过对地质模型边界施加初始载荷,利用反演理论,得到反演边界条件,使模拟计算结果逼近约束条件(王金铎等,2019)。该区块有限元数值模拟的反演目标约束条件见表 5所示,σx为数值模型x方向约束力,σy为数值模型y方向约束力。其中应力以压应力为正值,拉应力为负值。

表 5 反演目标约束条件 Table 5 The constraint condition of the inversion target
3.2.3 确定反演计算的边界力

通过多元线性回归方法确定边界力个数和施加顺序,利用最小二乘法得出超静定方程的解。

$ \begin{array}{l} Q = \sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{Q_i} - \overline {{Q_i}} } \right)}^2}} = \sum\limits_{i = 1}^n {\left[ {{Q_i} - \left( {{F_1}{\sigma _{i1}} + } \right.} \right.} \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\left. {\left. {{F_2}{\sigma _{i2}} + \cdots + {F_j}{\sigma _{ij}}} \right)} \right]^2} \end{array} $ (8)

其中,Fi为目标约束力;σij为矩阵系数;Q为残差平方和;Qi为目标观测值;$\overline{Q_{i}}$为回归值。根据极值原理,当Q取得极值时,F1F2、…、Fj、…、FM应满足:

$ \frac{{\partial Q}}{{\partial {F_j}}} = 0\left( {j = 1,2, \cdots ,M} \right) $ (9)

为求解回归系数,将$\sum\limits_{j=1}^{M} F_{j} \sigma_{i j}=\overline{Q_{i}}$带入式(9),得到线性方程组。用矩阵表示为:

$ \mathit{\boldsymbol{AF}} = {\bf{B}} $ (10)

其中,F=[F1F2、…、Fj、…、FM],系数矩阵A是对称矩阵。左边A=XTX, 右边B=XTY,其中

$ \mathit{\boldsymbol{X}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\sigma _{11}}}&{{\sigma _{12}}}& \cdots &{{\sigma _{1j}}}& \cdots &{{\sigma _{1M}}}\\ {{\sigma _{21}}}&{{\sigma _{22}}}& \cdots &{{\sigma _{2j}}}& \cdots &{{\sigma _{2M}}}\\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \\ {{\sigma _{i1}}}&{{\sigma _{i2}}}& \cdots &{{\sigma _{ij}}}& \cdots &{{\sigma _{iM}}}\\ \cdots & \cdots & \cdots & \cdots & \cdots & \cdots \\ {{\sigma _{N1}}}&{{\sigma _{N2}}}& \cdots &{{\sigma _{Nj}}}& \cdots &{{\sigma _{NM}}} \end{array}} \right] $ (11)
$ \mathit{\boldsymbol{Y}} = {\left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {{Q_1},}&{{Q_2},}&{ \cdots ,}&{{Q_i},}&{ \cdots ,}&{{Q_N}} \end{array}} \right]^{\rm{T}}} $ (12)

在系数矩阵F满足的条件下,A的逆矩阵A-1存在,故F=A-1B=(XTX)XTY此式为回归方程的回归系数。继而得出F1F2、…、Fj、…、FM,即是该目标区的约束力,从而进行目标区应力反演。利用MATLAB求解各回归系数,即F1F2、…、Fj、…、FM,作为边界条件。

根据已知目标井点的地应力值,利用上述方法得出边界约束力(蒙伟等,2018刘泉声等,2020)。分别施加单位力,在井点处得出各自相应值,然后利用MATLAB对数据进行线性回归,解线性方程组。采用上述方法进行研究区地应力反演分析,通过不断调试基础值进行试算,最终得到与实测资料相一致的边界受力条件。对模型左边界及下边界施加约束,在模型上边界施加154.93 kN的边界力,在模型右边界施加138.51 kN的边界力,通过ANSYS的后处理程序,得出水平向最大、最小主应力值及其方向。

3.2.4 反演结果

AD13地应力的数值模拟反演计算结果见图 4图 5图 6所示。

图 4 AD13井区最大水平主应力图 Fig. 4 The maximum horizontal stress pattern of the Well Block AD13

图 5 AD13井区最小水平主应力图 Fig. 5 The minimum horizontal stress pattern of the Well Block AD13

图 6 AD13井区地应力方向图 Fig. 6 The crustal stress direction pattern of the Well Block AD13

AD13井区最大水平主应力为102~130 MPa,表现为压应力状态,且最大水平主应力较高值主要位于研究区中部、东南及东北区域(图 4)。

AD13井区最小水平主应力值为87~110 MPa,表现为压应力状态,且最小水平主应力较低值主要分布于井区中部、东南及东北区域,与最大水平主应力较高值区域分布一致(图 5)。

东部及南部最大水平主应力场方向为北东向;西北部最大水平主应力场的方向为北东东向;西南部最大水平主应力场的方向为南东向(图 6),这与油田资料以及已有研究成果(张士诚等,2012)吻合度很好。

将数值模拟的结果与实测值进行对比,如表 6所示。

表 6 AD13井区地应力模拟值与实测值对比表 Table 6 The comparison table of the simulated values and the actual values of the ground stress of the Well Block AD13

AD13井区地应力的数值模拟值与实测值相吻合,其误差在10%左右,说明采用的地应力反演分析方法可靠。

4 结论

(1) 塔河油田AD13井区水平最大主应力为102~130 MPa,水平最小主应力为87~110 MPa,与实测值对比误差在10%左右,满足工程要求,表明该地应力反演结果可靠。

(2) 研究区断层内最大水平主应力值范围为95~109 MPa,最小水平主应力值范围为75~83 MPa,其大小明显小于连续地层,分析原因可能是由于地质构造运动引起的断层内岩石破碎,岩石力学参数相对较低所致。

(3) 研究区东部及南部最大水平主应力方向为北东向,西北部最大水平主应力方向为北东东向,西南部最大水平主应力方向为南东向,与已有资料统计结果吻合度较好,说明文中模拟结果反映了研究区地应力的分布特征。

研究结果可为碳酸盐岩储层评价及储层改造方案设计等提供科学依据。

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