有限元分析方法在现今地应力场模拟中的应用

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1、第36卷第2期石油钻探技术2008年3月PETROIEUMDRIIIINGTECHNIQUES．．试井与开采有限元分析方法在现今地应力场模拟中的应用谢润成周文陶莹王世泽。姚娟邓辉(1．成都理工大学能源学院，四川成都6l0059；2．成都理工大学油气藏地质及开发_T程国家重点实验室．四川成都6J00593．中国石化西南分公司工程技术研究院，四川德阳650006；4．成都理二r=大学环境与土木工程学院，四川成都610059)摘要：在综合考虑模拟区几何模型的形状及大小、区域构造格架、边界条件的情况下，选择与地质构造相适应的力学模型，并以实测地

2、应力(压裂法、声发射法)为约束条件，利用有限元现今地应力场模拟方法计算了模拟区地应力场的平面和剖面展布及其特征，模拟结果可为生产单位科学开发管理油气藏提供参考。关键词：现今地应力；应力场；数值模拟；有限元法中图分类号；TE319文献标识码：B文章编号：lOO卜0890(2008)02—0060—04地应力在油气田开发井网部署、钻井过程中井质体岩性和温度应力等作用下形成的。在一个较大壁稳定性、地层破裂压力预测、定向井及水平井井眼的区域上，可通过调查活动断层等新构造活动特征、轨迹的设计与控制、射孔、压裂方案设计、油气层改地震震源机制解和地应

3、力实测的基础上得到对区域造措施中裂缝的方位及几何尺寸的预测、油气井套现今应力场总体规律的初步认识。但要定量反映区管损坏的预测与预防、油气井防砂等方面都有着重域应力场，找出应力集中部位，则需要通过地应力实要的应用口j。有关现今地应力场的研究主要是对测或者应力场的数值模拟来实现。所谓区域应力场地应力的大小和方向进行研究，目前比较成熟的方的有限元模拟，就是采用有限单元法根据已知地应法有应力计测定法、声发射法、压裂法和测井法等，力实测点(压裂法、声发射法等)通过应力模拟来推但这些方法几乎都只能对地层中的某一个点或数个求整个计算区域地应力场的方法

4、。点的地应力进行确定，不能对地应力场的平面或剖具体方法是：首先根据区域的地质涮查结果，建面分布进行研究。通常，对地应力场的平面或剖面立整个研究区的地质力学模型，通过不断改变边界的研究主要是采用物理模拟和数值模拟，前人曾将力的作用方式和大小，使计算区内某些特定点的构该方法应用于陕甘宁盆地、胜利油田等区块的地应造主应力的计算值(包括大小和方向)与测点地应力力场模拟，取得了较好的现场应用效果l1“]，如沈海值达到最佳拟合，由此所得到的应力一变形场为研究超等n。进行了考虑断层影响下的有限元应力场模区现今的应力一变形场的模拟，用数学语言则可描述为

5、一个最优化问题。拟研究。而川西中深层气藏属于典型的致密低渗气模型结构的总体平衡方程为：藏，压裂或整体压裂是气藏增储上产的重要技术手一F+F(1)段，因而地应力场的研究显得尤为重要。针对这式中，K为单元刚度矩阵；为节点位移；F为白重一现状，笔者利用三维有限元现今地应力场数值模应力的总体荷载列阵；F为构造应力的荷载列阵。拟方法，在充分结合研究区地质、构造等背景的情况应力计算式为：下。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、力学模型和计算值与实测值收稿日期：2007—08-06；改回日期：2007l0-10的最佳拟合准

6、则，模拟得到了地应力场的平面和剖基金项目：“十五”国家科技攻关项目“川西坳陷侏罗系气藏地应力面展布。与气层压裂改造方案研究”(编号：2001BA605A-05—02—04)部分成果作者简介：谢润成(1979)，男，2003年毕业于成都理工大学石1有限元应力场模拟的基本思路油工程专业，2006年获成都理工大学油气田开发工程专业硕士学位，在读博士研究生，讲师，从事油气藏工程地质的教学与科研工作。地应力是在上覆岩层重力、地质构造作用力、地联系电话：(028)84079005维普资讯http://www.cqvip.com第36卷第2期谢润成等

7、：有限元分析方法在现今地应力场模拟中的应用盯一D(2)3)从测量地质体的相互切割、错断的距离和采式中，D为弹性矩阵；B为几何矩阵，矩阵中的各元用仪器测量的方法，可获得研究区内不同点的位移素值取决于单元类型，可由弹性力学的几何方程导资料，分析区域位移场特征，反推外力作用方式。出。在区域地应力场的反分析中，常根据研究的目设在模型域范围内有N个点的实测应力值()、的，结合模型的建立确定位移的边界条件，即首先综。()、。()按实测数量及可信度，分别赋予相应的合研究区内构造条件、岩性条件，划分不同的小区权系数叫()、叫。()、叫。()；用某一构造

8、应力参数T(如应力屏蔽区、无应变区、刚性岩体区和塑性岩体(确定的F)正问题求解，得到应力值为d()、d区等)，再根据地质方法分析得到的位移结果，确定()、()，将T看作维空间的一个变动点，即：位移约束条件。