王 磊 (中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

肖 坤 (中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249)

周長(zhǎng)所 (中國(guó)海油研究總院，北京 100027)

擠壓構(gòu)造對(duì)地層壓力影響的數(shù)值模擬分析

王 磊 (中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

肖 坤 (中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249)

周長(zhǎng)所 (中國(guó)海油研究總院，北京 100027)

擠壓構(gòu)造成因的異常壓力地層，其地震層速度和測(cè)井聲波時(shí)差資料都無(wú)異常表現(xiàn)，若采用常規(guī)的預(yù)測(cè)方法會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。因此開(kāi)展針對(duì)擠壓構(gòu)造條件下地層異常壓力機(jī)理、擠壓構(gòu)造對(duì)地層壓力影響方式及大小的研究對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)擠壓構(gòu)造區(qū)塊地層壓力具有十分重要的意義。通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了擠壓構(gòu)造應(yīng)力對(duì)地層壓力的影響機(jī)理，得出了在不同滲透地層條件下擠壓構(gòu)造應(yīng)力對(duì)地層壓力的貢獻(xiàn)率?？紤]擠壓構(gòu)造影響修正后的結(jié)果與常規(guī)預(yù)測(cè)方法的結(jié)果相比，更加接近實(shí)測(cè)值，預(yù)測(cè)精度大大提高。

地層壓力；擠壓構(gòu)造；數(shù)值模擬；貢獻(xiàn)率

造成地層超壓的機(jī)制通常有成巖作用、熱力作用、滲析作用和流體密度差異、構(gòu)造作用等[1]。目前對(duì)于由擠壓構(gòu)造作用引起的超壓機(jī)制的研究還處于定性的研究階段，對(duì)擠壓構(gòu)造應(yīng)力造成的高壓影響還處于描述、估算的水平[2]。如何定量的分析擠壓構(gòu)造引起的超壓機(jī)理，超壓機(jī)制的轉(zhuǎn)變、持有和演變以及消散，如何定量的分析擠壓構(gòu)造應(yīng)力對(duì)地層孔隙壓力大小的影響均是目前地層壓力預(yù)測(cè)研究的重要方向。下面，筆者從力學(xué)角度出發(fā)，著重研究了擠壓構(gòu)造應(yīng)力對(duì)巖層的力學(xué)作用而導(dǎo)致的異常高壓機(jī)理：分別對(duì)完全封閉、半開(kāi)放、完全開(kāi)放情況下的巖層進(jìn)行了擠壓構(gòu)造作用數(shù)值模擬分析，通過(guò)改變水平主應(yīng)力大小來(lái)模擬不同擠壓構(gòu)造應(yīng)力情況，得出了在3種情況下不同擠壓構(gòu)造應(yīng)力對(duì)地層壓力影響的大小及趨勢(shì)。

1 擠壓構(gòu)造形成異常壓力機(jī)理

在正常沉積地層，巖石受3個(gè)方向的主應(yīng)力作用：垂直主應(yīng)力σv及2個(gè)水平方向互相垂直的主應(yīng)力σH和σh，且σvgt;σHgt;σh。當(dāng)?shù)貙佑袛D壓構(gòu)造作用時(shí)，地層局部或區(qū)域發(fā)生斷層、褶皺、側(cè)向滑動(dòng)和滑脫、斷塊下降、底辟鹽丘/泥丘等運(yùn)動(dòng)，這些擠壓構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生對(duì)地層的水平擠壓應(yīng)力，從而導(dǎo)致地層孔隙度的降低。若地層的封閉性良好，地層流體在擠壓構(gòu)造作用時(shí)不能及時(shí)排出，便形成了地層超壓。

圖1 擠壓構(gòu)造引起超壓機(jī)理示意圖

擠壓構(gòu)造作用對(duì)地層壓力的影響可用一定深度處的單位立方體受力來(lái)表示(見(jiàn)圖1)。在地層一定深度處，當(dāng)沒(méi)有擠壓構(gòu)造作用時(shí)，地層正常沉積，立方體受力狀態(tài)為σvgt;σHgt;σh；當(dāng)擠壓構(gòu)造作用發(fā)生后，立方體受到的側(cè)向力σH、σh增大，從而促使立方體內(nèi)部孔隙度下降，流體受到壓縮。若立方體滲透性良好，流體壓力散失速度與流體壓力增加速度相等，那么便不會(huì)引起超壓，此時(shí)擠壓構(gòu)造應(yīng)力的貢獻(xiàn)率[3]最小，很難形成高壓。若立方體處于封閉狀態(tài)，且孔隙中充滿(mǎn)水時(shí)，則相對(duì)構(gòu)造擠壓應(yīng)力可以最大限度的提高超壓，即構(gòu)造作用對(duì)超壓的貢貢率最大。因此擠壓構(gòu)造引起超壓是地層封閉程度、滲透性及側(cè)向擠壓力大小等綜合因素共同作用的結(jié)果[4-6]。

2 擠壓構(gòu)造數(shù)值建模

筆者采用快速拉格朗日差分計(jì)算軟件FLAC3D[7-8]模擬深度2000m條件下單位巖體在未受擠壓構(gòu)造應(yīng)力作用、受到擠壓構(gòu)造應(yīng)力作用以及在不同滲透地層情況下所表現(xiàn)出的地應(yīng)力、地層孔隙壓力變化特征。該軟件基于快速拉格朗日差分算法，能夠準(zhǔn)確的模擬三維土體、巖體等材料的力學(xué)特性，尤其是塑性流變的分析。通過(guò)設(shè)定不同的參數(shù)來(lái)模擬不同構(gòu)造應(yīng)力大小，然后根據(jù)不同的構(gòu)造應(yīng)力情況與各封閉情況進(jìn)行組合模擬計(jì)算，從而得出各種情況組合條件下的地層孔隙壓力值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果與未受到擠壓構(gòu)造作用地層的孔隙壓力比較，總結(jié)出擠壓構(gòu)造應(yīng)力對(duì)地層壓力的貢獻(xiàn)率[9-11]。

數(shù)值建模設(shè)置的參數(shù)如下：①水平最大主應(yīng)力當(dāng)量密度σH為2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6g/cm3；②水平最小主應(yīng)力當(dāng)量密度σh為2.0g/cm3；③初始孔隙壓力當(dāng)量密度Pp(1)為1.0g/cm3；④初始孔隙壓力當(dāng)量密度Pp(2)為1.8g/cm3；⑤flac3D輸入?yún)?shù)為巖體泊松比0.25，彈性模量3.85GPa，初始密度2.0g/cm3。

3 模擬分析

表1 模擬情況1的模擬結(jié)果

3.1模擬情況1

模擬最小水平主應(yīng)力當(dāng)量密度σh為2.0g/cm3，初始孔隙壓力當(dāng)量密度Pp為1.0g/cm3，最大水平主應(yīng)力當(dāng)量密度由初始值2.0g/cm3在擠壓構(gòu)造應(yīng)力作用下增加到2.6g/cm3。地層滲透性分為完全封閉、半開(kāi)放、完全開(kāi)放3種情況。在每種情況下，作用于模型的擠壓構(gòu)造應(yīng)力當(dāng)量密度從2.0g/cm3增加到2.6g/cm3，從而對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的孔隙壓力值。模擬情況1的模擬結(jié)果如表1所示。

3.2模擬情況2

模擬最小水平主應(yīng)力當(dāng)量密度σh為2.0g/cm3，初始孔隙壓力當(dāng)量密度Pp為1.8g/cm3，最大水平主應(yīng)力當(dāng)量密度由初始值2.0g/cm3在擠壓構(gòu)造應(yīng)力作用下增加到2.6g/cm3。地層滲透性分為完全封閉、半開(kāi)放、完全開(kāi)放3種情況。在每種情況下，作用于模型的擠壓構(gòu)造應(yīng)力當(dāng)量密度從2.0g/cm3增加到2.6g/cm3，從而對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的孔隙壓力值。模擬情況2的模擬結(jié)果如表2所示。

表2 模擬情況2的模擬結(jié)果

由模擬情況1、2的模擬結(jié)果可以看出，在封閉性良好的地層內(nèi)，擠壓構(gòu)造應(yīng)力可以100%轉(zhuǎn)化為超壓，而對(duì)于滲透性良好的地層，擠壓構(gòu)造應(yīng)力所造成的超壓會(huì)隨著構(gòu)造作用的平衡而消失，最終對(duì)超壓的貢獻(xiàn)為0。因此通過(guò)數(shù)值模擬分析證明了擠壓構(gòu)造應(yīng)力對(duì)地層超壓貢獻(xiàn)的理論，并且若地層為含水層[3]，其擠壓構(gòu)造對(duì)地層超壓的貢獻(xiàn)與地層的封閉性成線(xiàn)性變化規(guī)律，這對(duì)校正地層壓力預(yù)測(cè)結(jié)果具有非常重要的意義。

4 實(shí)例分析

MR地區(qū)位于印支板塊和印度板塊邊界上，受2大板塊相對(duì)俯沖、碰撞作用的影響，該區(qū)塊經(jīng)歷了復(fù)雜的盆地演化、構(gòu)造變動(dòng)，形成現(xiàn)今的構(gòu)造格局。印度板塊向印支板塊小角度斜向俯沖，在該地區(qū)由西向東形成了Kaladan、Kabaw、Sagaing等大斷層，并形成了海岸平原、山脈、盆地、高地4個(gè)構(gòu)造帶。MR地區(qū)處于海岸平原和山脈之間，Kaladan斷層穿過(guò)該區(qū)塊，其中的MR油田所在地層中存在逆掩推覆構(gòu)造和擠壓構(gòu)造，且地層傾角大、斷層較發(fā)育。

表3 MR區(qū)塊預(yù)測(cè)修正結(jié)果

下面，筆者根據(jù)MR區(qū)塊的測(cè)井資料，利用常規(guī)地層壓力預(yù)測(cè)方法對(duì)MR區(qū)塊地層壓力進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并利用該區(qū)塊地層資料擬合了該區(qū)塊的擠壓構(gòu)造應(yīng)力函數(shù)，最后通過(guò)擠壓構(gòu)造貢獻(xiàn)率大小對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了修正，修正結(jié)果如表3所示。

圖2 測(cè)井聲波時(shí)差法預(yù)測(cè)模型修正前后地層壓力剖面圖

由表3的預(yù)測(cè)修正結(jié)果可以看出，對(duì)于MR這樣的典型擠壓構(gòu)造地區(qū)，常規(guī)的地層壓力預(yù)測(cè)結(jié)果往往與實(shí)測(cè)值相差較大；而考慮擠壓構(gòu)造對(duì)地層超壓貢獻(xiàn)的修正結(jié)果使預(yù)測(cè)相對(duì)誤差大大降低。

圖2所示為MR地區(qū)某口井的測(cè)井聲波時(shí)差法預(yù)測(cè)模型修正前后地層壓力剖面的對(duì)比情況，可以看出，考慮擠壓構(gòu)造影響的修正后結(jié)果與常規(guī)預(yù)測(cè)方法相比，更加接近實(shí)測(cè)值，預(yù)測(cè)精度大大提高。

5 結(jié) 論

1)擠壓構(gòu)造作用作為有效的引起超壓的機(jī)制，在擠壓構(gòu)造地區(qū)對(duì)地層孔隙壓力的影響十分顯著，在進(jìn)行地層壓力預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)根據(jù)特定的超壓機(jī)制采用適當(dāng)?shù)姆椒ā?/p>

2)擠壓構(gòu)造應(yīng)力對(duì)地層的作用除了作用方向不同外，其作用引起的超壓機(jī)理與沉積壓實(shí)作用相同。封閉性良好的地層內(nèi)，擠壓構(gòu)造應(yīng)力可以100%轉(zhuǎn)化為超壓，而對(duì)于滲透性良好的地層，擠壓構(gòu)造應(yīng)力所造成的超壓會(huì)隨著構(gòu)造作用的平衡而消失，最終對(duì)超壓的貢獻(xiàn)為0。通過(guò)數(shù)值模擬分析證明了擠壓構(gòu)造應(yīng)力對(duì)地層超壓貢獻(xiàn)的理論，對(duì)于含水地層，其擠壓構(gòu)造對(duì)地層超壓的貢獻(xiàn)與地層的封閉性成線(xiàn)性變化規(guī)律，這對(duì)校正地層壓力預(yù)測(cè)結(jié)果具有非常重要的意義。

3) 根據(jù)MR區(qū)塊地層資料擬合了該地區(qū)的擠壓構(gòu)造應(yīng)力函數(shù)，然后通過(guò)分析該地層滲透情況來(lái)確定了擠壓構(gòu)造應(yīng)力對(duì)超壓貢獻(xiàn)大小，從而修正了常規(guī)預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)果顯示預(yù)測(cè)精度大大提高。

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.03.019

P618.13

A

1673-1409(2012)03-N056-03

2012-01-29

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(820-07-02)。

王磊(1983-)，男，2007年大學(xué)畢業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)主要從事石油工程巖石力學(xué)方面的研究工作。

肖坤(1986-)，男，2009年大學(xué)畢業(yè)，碩士生，現(xiàn)主要從事油氣井巖石力學(xué)與工程方面的研究工作。