三维现今地应力场有限元数值计算

研究现今地应力场的分布规律对油气藏的勘探、开发有重要的指导意义。依据Petrel地质模型网格节点数据,建立有限元三维精细几何模型,并对岩体和断层进行不同尺寸的网格剖分。综合利用地球物理测井与岩芯资料,采用VB.net编程求得三维岩石力学参数,根据单元中心坐标分别赋予相应的参数。运用大型有限元软件ANSYS建立了塔里木盆地##2地区三维有限元模型,以测井应力解释剖面为井点应力约束条件,经过多次反演试算得到模型的合理边界条件。与现场资料数据比较发现:数值模拟结果吻合性较好。可为三维现今地应力场的模拟提供数值计算方法。     

三维现今地应力场有限元数值计算

研究现今地应力场的分布规律对油气藏的勘探、开发有重要的指导意义.依据Petrel地质模型网格节点数据,建立有限元三维精细几何模型,并对岩体和断层进行不同尺寸的网格剖分.综合利用地球物理测井与岩芯资料,采用VB.net编程求得三维岩石力学参数,根据单元中心坐标分别赋予相应的参数.运用大型有限元软件ANSYS建立了塔里木盆地##2地区三维有限元模型,以测井应力解释剖面为井点应力约束条件,经过多次反演试算得到模型的合理边界条件.与现场资料数据比较发现:数值模拟结果吻合性较好.可为三维现今地应力场的模拟提供数值计算方法.     

高尚堡油田深层油藏南区现今地应力场预测及应用

通过结合"岩心测试-测井计算-地震属性",构建高尚堡油田深层油藏南区(简称高深南区)三维非均质岩石力学场,并采用地质模型与有限元模型的无缝焊接技术,对高深南区现今地应力的三维空间分布进行研究,提出压裂优势区和压裂优势井段优选的建议。结果表明:高深南区最大水平主应力方向总体为NE-NEE向,地应力数值变化范围大,呈西低东高的分布趋势,并满足垂向主应力最大水平主应力最小水平主应力(SVSHmaxShmin),且Shmin为挤压应力,属于Ia类地应力状态;断层是影响高深南区应力场分布的最主要因素,造成地应力数值和方向在断层附近表现出显著异常,岩石力学参数是引起断块内地应力场差异的重要原因,主要影响地应力的数值,埋深与地应力数值呈较高的线性关系;高深南区部分井的油层段具备较低水平应力差的条件,是形成复杂缝网条件的压裂优势区;地质模型与有限元模型的无缝焊接技术发挥了Petrel软件与Ansys软件的优势,还原了目标区块形态,精细刻画了断层,体现了储层的非均质性,提高了预测精度,为类似复杂断块区地应力精细预测提供了参考,为低渗油藏高效开发提供了理论依据。     

四川LZ页岩储层现今地应力方向及主控因素——以龙一段为例

现今地应力场方向是影响页岩储层压裂改造效果的主要因素之一,进行现今应力场方向展布特征及其主要影响因素分析对页岩气开发应用具有重要的意义。利用古地磁结合波速各向异性法、微地震监测法、测井资料三种方法来判别地应力方向,对LZ地区地应力方向平面展布特征及主控因素分析。结果表明,宽缓向斜处三种解释方法都适用,准确度和可信度排序为岩心实验测试、偶极横波测井、电成像测井。断裂影响区域偶极横波测井不再适用,岩心实验测试结果可信度大于电成像测井。裂缝发育强构造变形区域对三种方法解释结果均有影响,需多种方法结合分析;LZ地区龙马溪组现今最大主应力方向变化范围在90°～125°之间。得胜、宝藏、云锦向斜的最大主应力方向在115°左右,福集向斜最大水平主应力方向偏转最大,在80°～100°之间,可能与西侧华蓥山断裂逆冲兼具走滑有一定关系。断裂规模越大其扰动范围和强度越大。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级断裂最大扰动范围分别为1100 m、850 m、500 m、300 m。紧闭背斜褶皱变形区,受褶皱顶部派生的拉张应力影响,地应力方向沿着褶皱轴向偏转,靠近褶皱顶部,受拉张应力影响大,偏转角度最大。该研究成果可为后期水平井井位轨迹优化及压裂改造工程提供理论支撑。     

乌夏断裂带二叠系火山岩-碎屑岩混杂地层裂缝预测

基于岩石破裂准则,建立造缝期古地应力和现今地应力与裂缝参数之间的关系.通过构造解析确定古今地应力的性质和方向及古应力的大小,运用ANSYS反复调试出现今应力的大小,将裂缝参数计算模型代入古今地应力场的数值模拟结果中,模拟计算准噶尔盆地乌夏地区二叠系火山岩碎屑岩混杂地层裂缝的开度、密度、孔隙度和渗透率.结果表明:风城组裂缝最为发育,分布也最为广泛,在乌夏地区各位置均有发育;佳木河组裂缝比较发育,分布广泛,在乌尔禾地区、风城地区、夏子街地区均有发育,呈条带状.岩心统计资料验证了模拟计算结果的可靠性.     

基于FLAC3D的岩体初始高水平构造应力场反演方法

为探讨深部岩体工程初始高水平构造应力场的数值模拟反演方法,采用三维有限差分法FLAC~(3D)分别对位移边界条件、应力边界条件、混合边界条件及基于初始应变能理论的反演方法进行数值试验对比分析。结果表明:在模拟岩体初始高水平构造应力场过程中,位移边界条件、应力边界条件、混合边界条件三种方法均不能满足要求;而基于初始应变能理论的反演方法效果较好,将该方法应用于狮子山矿区地应力场的反演分析,计算表明各测点的地应力反演值与实测值之间误差在允许范围内,进一步验证了该方法模拟计算岩体初始高水平构造应力场具有较好的可靠性,研究成果为深部岩体工程高水平构造应力场的反演计算方法提供了参考。     

大宁—吉县地区5号煤层现今地应力预测及其对煤层气开发的影响

现今地应力场对煤储层渗透率具有极其重要的控制作用。我国鄂东大宁-吉县地区煤层气资源丰富,然而该区现今地应力研究程度较低,不利于该地区煤层气的高效开发。为查明大宁-吉县地区主采煤层现今地应力场特征,本次研究利用三维有限元数值模拟方法对下二叠统山西组5# 煤层现今地应力分布进行预测。结果表明,5# 煤层现今地应力表现为正断型应力机制。鄂东大宁-吉县5# 煤层最大水平主应力在15.4～21.6 MPa之间,最小水平主应力在9.8～14.4 MPa之间,构造变形的复杂性会对地应力分布产生影响。现今地应力控制压裂裂缝扩展,研究区现今地应力状态下的压裂裂缝沿着NNW-SSE方向垂直扩展。研究区5# 煤层应力差大部分小于6 MPa,具备形成复杂裂缝网络的地应力基础。煤层渗透率随有效地应力的增大呈指数减小,有效地应力越大,煤储层的渗透性越差。研究区东南部远离断层,又是应力降低区域,煤层气易在此地发生聚集,形成煤层气储藏的丰富区。研究成果可为研究区煤层气效益开发提供地质基础与科学指导。     

鹧鸪山隧道地应力反演模型与三维地应力

结合四川汶川-马尔康高速公路鹧鸪山隧道地应力现场测量资料,分析与之紧邻的317国道鹧鸪山隧道实测地应力资料,采用Surfer软件为过渡平台,生成更为快速精细的三维地质模型。通过ANSYS对地层划分和浅表层生成处理后导入FLAC3D,同时考虑了河谷下切时空演变过程对山体地应力的影响,对汶马高速公路鹧鸪山隧道地应力反演与研究获得了初始应力场资料。通过分析区域构造特征、实测数据和以往研究成果,经多次试算后得出,在重力场模型上,在两个水平方向的竖向边界上同时施加对称梯度应力,所取得的拟合效果最好。数值模拟也验证该隧道最大主应力方向主要在N50°W~N70°W,隧道埋深0.8~1.35 km范围内存在高地应力场。     

天府三汇一矿地应力场三维有限元分析及其分布特征

重庆天府三汇一矿位于华蓥山帚状褶皱带的收敛端,属地应力相对集中地带,矿区的煤与瓦斯突出不但发生的次数多,突出强度也大,且正在开采的煤层均属突出煤层,对该区域原始应力场的三维分布规律研究可为矿井生产设计及煤与瓦斯突出危险性区域预测提供参考依据。在收集三汇一矿地质资料的基础上,建立起三维有限元计算模型,利用ANSYS大型通用有限元软件采用弹塑性有限元法对该矿初始地应力场进行数值模拟。根据模拟结果,分析了三汇一矿地应力场的三维分布特征,并对K煤层的地应力分布进行了分析。     

铜城断裂带阜二段储层应力场数值模拟及开发建议

通过裂缝形成时期古应力场数值模拟,预测铜城断裂带阜二段储层裂缝的产状;利用岩心声速实验以及微地震监测技术确定井点现今地应力方位;结合压裂资料计算井点现今地应力;通过确定岩石力学参数并建立有限元模型进行现今应力场数值模拟;借助于裂缝产状以及现今应力场数值模拟结果,预测储层中天然裂缝的开启压力和开启次序。结果表明,铜城断裂带阜二段现今水平最大主应力为北东东向;在注水过程开发中,北东东向裂缝优先开启,南东东向裂缝后开启;裂缝的开启压力随裂缝走向与水平最大主应力之间的夹角增大而增大;裂缝埋深与开启压力同样具有较好正相关性,在构造高部位(1 850~2 350 m)裂缝的开启压力在25~50 MPa之间,在构造低部位(3 300~4 000 m)裂缝的开启压力在45~75 MPa之间;通过计算储层的实际破裂压力,提出在不同区块采用不同的注水压力,以保证油气井的高产与稳产。     

超深层走滑断裂带应力场模拟及其开发意义: 以顺北5号断裂带南段为例

为了分析顺北5号断裂带南段应力场平面分布及其开发意义,选取一间房组为研究对象,在岩石力学实验基础上,通过ANSYS软件进行应力场数值模拟,结合地应力驱油理论,对应力场进行了平面分布预测。结果表明：顺北地区一间房组地应力受断裂带控制,最大水平主应力方向为北东-南西向为主,断裂带周围地应力方向变化快,断裂带内最大主应力方向趋向于与断层走向向平行。地应力分布与流体势分布具有一致性,断裂带对应低流体势分布区,为油气有利聚集带。结合一间房组储层发育类型,井轨优化方位根据储层的差异而变化,天然裂缝性储层、基质低渗透性薄储层油气藏水平井的钻井方位应平行于最小主应力方位,基质低渗透性厚储层水平井的钻井方位应与最大主应力方向平行。     

巴什基奇克组地层岩石力学及地应力特征

为深入认识克深地区巴什基奇克组地层岩石力学及地应力特征,以室内力学试验结果及压裂分析结果为依据,采用点-线-面、体逐步递进的技术思路开展研究区岩石力学参数三维空间展布及三维地应力反演分析.研究结果表明:地层弹性模量及抗压强度在分析区域西南角以及南部边缘相对较高,其余大部分区域相对较低.地层泊松比主要分布在区域西南角以及南部边缘泊松比相对较低,其余部分相对较高,弹性模量与抗压强度的分布规律相近,与泊松比分布规律相反.巴什基奇克组地层地应力状态以潜在走滑型为主,垂向主应力分布范围则为130.0～196.0 MPa,水平最大主应力分布范围为160.0～210.0 MPa,水平最小主应力平面分布范围则为110.0～175.0 MPa,断裂带附近主应力的大小变化较大,形成快速的应力变化带.断层下盘应力集中程度大,应力水平高,断层上盘呈现低应力水平,形成显著的低应力区.埋深对最大主应力影响显著,构造高点地应力水平相对较低.巴什基奇克组地层顶面地应力方位以近NS向为主,水平最大主应力方位范围为345°～25°.     

一种实现复杂初始地应力场精确平衡的通用方法

初始地应力场是岩体工程结构有限元分析的重要初始条件,为了实现初始地应力场平衡,传统做法是在计算模型上施加与之相平衡的外荷载(体力、边界力),但外荷载往往组成复杂甚至不可知,且施加边界荷载所要求的模型边界条件通常与初始地应力平衡后结构计算分析所要求的模型边界条件不一致,这就为初始地应力场平衡带来了困难.为此,本文提出了一种可以实现复杂初始地应力场精确平衡的通用方法,该方法的基本思路是直接在有限元计算模型中施加结点荷载来与初始地应力场进行平衡,从而完全避免了由于外荷载的不可知以及边界条件不一致性所带来的困难;此外,由于所施加结点荷载是直接由初始地应力场通过单元积分计算出来的,故可实现初始地应力场的精确平衡.算例分析表明,所提出的方法不仅简便易行,且精度很高,是一种实现复杂初始地应力场平衡的通用方法.     

地应力及岩石抗拉强度对双孔爆破的影响

为研究地应力和岩石抗拉强度对爆破效果的影响,本文利用颗粒流程序（PFC2D）开展数值模拟实验,用单孔爆破实验效果验证了模型的合理性。考虑炮孔间的相互影响,从裂纹形态、应力场及能量场三个角度来分析双孔爆破实验结果。结果表明:（1）双孔爆破在地应力为40~60 MPa时裂纹才会受到明显的抑制作用,当地应力小于40 MPa时,随着地应力的提高,平行于炮孔方向的裂纹受到的抑制作用较小,而垂直于炮孔连线方向的裂纹受到抑制作用较大。（2）地应力在0~5 MPa时,摩擦能和动能衰减最严重;地应力在20~40 MPa时,岩体内部应变能峰值最高。（3）抗拉强度每增长10 MPa,裂纹数量会减少约80%,同时,岩石抗拉强度对能量场的影响也较严重。     

地应力对岩体爆破特征影响规律分析

为研究地应力对岩体爆破的影响,本文通过颗粒流软件（PFC2D）建立计算模型,进行数值模拟,从模型内部应力变化、裂纹分布、裂纹数量和能量场多个角度来分析爆破效果。结果表明：地应力严重影响岩体的爆破效果,尤其是压碎区,地应力每增长1 MPa,峰值应力就会大约增长26 MPa;地应力会抑制裂纹发育,对岩体裂纹分布状态和裂纹数量的抑制效果在3~6 MPa时最明显;地应力每增长1 MPa,岩体内部应变能会大约增长250 kJ;摩擦能和动能的能量变化峰值会随地应力的增加而稍微增加。     

玉维高速科色特长隧道地应力特征及工程地质意义

玉维高速紧邻金沙江西岸,全程共30座隧道,隧道占总里程的52.55%,隧道建设中极有可能遇到复杂地质问题及地应力的影响。以玉维高速科色特长隧道地应力特征为研究对象,完成了6个点的地应力测试工作及岩石室内物理力学测试,结合构造稳定性、岩爆分级、隧道空间布置分析理论完成了该隧道工程地质意义研究。研究结果表明：地应力在垂直方向上随深度以似线性增长趋势,整体表现为“浅部以走滑型地应力场为主、深部以正断型地应力场为主”的规律;地应力特征表现为“浅部区域以水平构造应力为主,深部以垂直应力为主”;各测点的最大剪应力与平均应力之比值均未达到稳定临界值,隧道周边的构造相对稳定;岩爆级别随深度逐渐增大,但级别为中等至轻微;隧道方位分析表明,隧道（右幅）K24+995至K25+730段隧道方位不利,K25+730至K28+200段隧道方位有利。     

砂砾岩地层三维地应力场研究

以西部某地区砂砾岩储层为研究对象,基于丰富的压裂改造资料、地球物理测井资料,分析深部地层实测地应力的大小与方向,建立了适用于砂砾岩储层的地应力评价模型并计算地应力单井剖面.在此基础上,利用地震构造模型构建合理的三维空间数值模型,以单井地应力为基本约束,利用有限元法对工区现今三维地应力场进行反演.研究结果表明:工区地应力整体处于压应力作用下,表现为西北向东南方向逐渐增大的趋势.受断裂发育及次级构造影响,断裂带内3个主应力显著降低,断裂边缘和端部存在应力激增带.地应力方位整体近E-W,受断裂和局部构造发育的影响,局部地应力方向发生偏转.     

大岗山深埋硬岩公路隧道岩爆预测

位于川西和青藏高原接触带的长大深埋硬岩公路隧道建设面临极大的岩爆危害,对其岩爆倾向性的准确预测是解决这一瓶颈问题的关键手段。以泸石高速大岗山隧道为工程背景,基于地勘中地形地貌、地质构造、岩石力学参数和地应力实测数据资料,采用数值模拟和数理统计相结合的方法,反演分析隧址区全线初始地应力场,系统分析了大岗山隧道各断面开挖洞周围岩二次应力,基于应力判据法对其岩爆发生情况进行了综合预测。结果表明:隧道全线地应力场分布规律以竖向应力为主,竖向应力量值最大达33.25 MPa,且局部地应力复杂,水平构造作用明显,以NWW-SEE向挤压作用为主,具备发生岩爆条件;隧道埋深大于408 m时有中等、强烈岩爆活动,中等岩爆段长度占隧道全长的13.8%,强烈岩爆段长度占隧道全长的39.7%,且埋深大于450 m时岩爆在边墙部位发生;岩爆发生受地形地貌、地质构造影响显著,由于地应力在软弱岩体中得到释放,断裂带、辉绿岩脉内部无岩爆活动,而断裂带和沟谷地形会使其附近完整花岗岩段内出现地应力集中现象,从而加剧其岩爆烈度。     

老井开发对加密井水力压裂裂缝扩展的影响规律

随着页岩气的开发,对已有水平井井网加密将会是后期开发的关键。老井的持续开采会引起地层孔隙压力和地应力的重新分布,地应力的重新分布对裂缝扩展行为和路径造成显著影响。为了探究地应力的重新布对裂缝扩展行为的影响机制,本文基于块体离散元数值模拟方法,针对老井开采后地应力场变化对加密井水力裂缝扩展的影响特征开展研究。本研究综合考虑了注液速率,压裂液粘度、地应力梯度和初始地应力场等因素对水力裂缝扩展的影响。结果表明,老井引起的地应力降低会导致新井水力裂缝向老井偏移。提高注液速率,增大压裂液粘度可以有效降低地应力非均匀导致的水力裂缝偏移问题。地应力梯度越大、初始地应力越高,水力裂缝的偏移率越高。本研究对页岩气水平井加密方案制定具有一定的理论指导意义。     

低渗透油藏注水开发中地应力方向变化的研究分析

摘要 基于油田开发过程中对地应力方向变化及其影响机制认识不足的现状, 对鄂尔多斯盆地安塞油田某区块长6 油层组4 口取芯井各向异性钻柱, 分别在干样与地层原位条件下进行现今地应力方向相对油田开发初期地应力方向偏转值的测定, 并对其影响机制进行分析。结果表明: 干样与地层原位条件下测试的地应力方向变化存在较大差异, 因此对于油田储层地应力进行地层原位条件下的测试具有重要的意义; 在油田注水开发过程中最大主应力方向相对偏转值在 4.65°~8.73°之间, 平均值约为 7°, 从储层物性特征、岩石破裂机理等方面进行分析, 认为“天然水道”对地应力方向的偏转具有重要的控制作用; 根据油田开发初期地应力方向(NE65°), 确定研究区现今地应力方向约为 NE58°。研究结果对油田开发过程中水力压裂、加密布井以及井网调整等实际问题有重要指示意义。