【doc】有限元数值模拟在构造裂缝定量预测中的应用

1、有限元数值模拟在构造裂缝定量预测中的应用第8卷第【期特种油气藏special0liandgasreservnirsv018n()【maf2001文章编号:【0066535(2001)fl1r006404有限元数值模拟在构造裂缝定量预测中的应用引言陈忠,张吉昌,罗玉庆,邢玉忠,马全华(中油辽河油田分公司勘探开发研究院.辽宁盘锦12401o)摘要:牛,坨油田的储层裂缝比较发育,裂缝的发育状况直接影响油井的产能.从构造裂缝形成的外固一裂缝形成的古柯追应力场出发.根据弹性力学理论,利用有限元敷值模拟法,研究牛r0坨油田储层裂缝的方拄,密度等的分布谊研究不捉为牛r坨地匪的油气开发提供了依据.同时对其它储

2、层(如碳酸盐岩厦特殊岩性储层)的裂缝研究具有重要的指导意殳关键词:变质岩;古构造应力场;构追裂缝;有限元法;敷值模拟;牛一坨油田中图分类号:te344文献标识码:a世界上,裂缝性油气藏的产量占石油天然气总产量的一半上,是21世纪石油增储上产的重要领域之一.由于裂缝性油气藏具有孔隙度低,非均质性强的特点,使其研究成为一大难题:裂缝性油气藏表征技术的关键是裂缝的分布规律研究,目前国内外对裂缝的研究主要集中在地面调查,岩心裂缝分析,试井及测井等技术和方法上.由于钻井取心的费用昂贵和测试资料的局限性,加之仅靠几口井的有限资料难反映纵,横向变化比较大的裂缝,因此综合应用多学科,尤其是数学和力学方法来描述

3、预测裂缝已越来越引起人们的重视=本文以牛心坨太古界变质岩潜山储层为例,通过地质分析确定研究层裂缝形成时期,依据裂缝形威的力学机制,弹性理论和岩石破裂准则,结合岩石力学性质,用有限元数值模拟法对牛心坨潜山的裂缝发育区和方位进行预测.构造应力场及储层构造裂缝的三维数值模拟是数学,力学和地学相互渗透,有机结合的系统,全过程是地质模型,力学模型和数学模型相互制约的过程.地质摸型(1)隔离体的选择.三维隔离体应选择足够(2)根据研究区的构造及应力场的演化史确定构造裂缝的成因及形成时期,推断隔离体的受力大小及方式.牛心坨地区应力场为沙四时期拉张型应力场,且以张裂缝为主.(3)断层的选择及处理.断层的筛选既

4、要体现研究区的基本格局,保留其对应力场的主要影响,又不会因断层太多增加工作量.(4)根据岩心,测井,试井资料制定网格剖分方案及反演标准.2力学模型2.1岩性层的划分白于数值模越是以层的顶底界作为单元的上下边界,对于块状油藏而言.可根据岩性观测和测井资料,通过井间对比建立岩性层的概念.2.2岩石力学参数的确定古构造应力场及构造裂缝数值模拟所用的力学参数主要有弹性模量,泊松比,抗张强度,粘聚力和内摩擦角.这些参数可通过岩石力学实验直接测得.由于早期和同期断层对于构造应力场及构造裂缝的分布有很大影响,对于多断块且仍恬动的断层而言,可把断层作为一软弱带处理,即断层两侧适当距离内充填岩性的这些力学参数适

5、当降低一定的比例.2.3边界条件的确定大,尽量减少边界效应对研究区或层位的影响一由于牛心坨潜山储层构造应力场是沙四时期啦螭日期21)(11i1ij11,改目日期:ol川i1i怍者筒靠:球r【q0r,业牲,iq拣牛r.ih一k噍雌.地孛lll醑丸j电话:(14273821i53a第l期陈忠等:有限元数值模拟在构造裂缝定量预测中的应用的应力场,故边界载荷以nnwsse向加最大主应力,并把其顶面作为自由面,底面固定,模拟时考虑单元的重力:3综合数学模型由于牛心坨潜山具有结构复杂,边界不规则和历经复杂地质运动的特点,用有限元法可将地质体划分为足够多,足够小的均质单元,根据几何方程,物理方程和平衡方程,

6、计算出各个节点的应力和应变值,进而确定裂缝的发育区.3.1应变一位移关系(几何方程)3.2应力一应变关系(物理方程)rle百【ilidy了.ry(d+:)y(:+d)y(d+d)3.3应力和外力的平衡关系平衡方程(2)根据其力和力矩的关系.对于受载弹性体内任意一小六面体,可得到平衡方程:挚ri鲁+一睾+=oi当+粤+:.(1),(2),(3)式中:y为泊松比;e为弹性模量;,y,为单元体内各点沿,方向的分量;,为弹性体内各点的应力矢量;e,e,ee,e为弹性体内各点的应变矢量;4f=fff:为给定体力矢量作用在弹性体边界上的面力矢量.4裂缝发育区的确定及计算结果分析4.1岩石的破裂判断及裂缝方

7、位角确定应用上述方程计算出古构造应力场以后,在每一个输出点上获得一个二阶应力张量,即:(4)通过平面旋转相似变换将化为对角阵后,力及主应力方向即可进行岩石的破裂判断和计算:=】c5由于牛心坨地区主要为张裂缝,据此选择了反映张破裂的格里菲斯准则和反映剪切破裂的库仑当+3a0时(规定压为正,拉为负,三维(6)若ot,会产生张裂缝.其临界破裂方位由破裂面与最大主压应力之间的夹角a来确定.当(7)=d【8)此时破裂方向沿最大主压应力的方向一4.12库仑摩尔准则该理论认为,岩石的破裂主要是在某个面的剪切破坏,平面上剪切破坏与该面上的正应力和剪应力r的组合有关其破坏准则是:rh=c+jtg0(9)其中(是

8、岩有的崮有剪切强鹰.是岩石的舢一00aoaa一.旦.00a0a一nl二(一+2二+(+堕时0c<十66特种油气藏第8卷内摩擦角,当某一个面上的正应力与剪应力满足以上关系时,则开始出现剪裂面,此时的剪应力就是极限剪应力r.设在局部坐标系下,破裂面法向量的方向余弦为:n=(,)=(c0sa,cosp,cos?)(10)则剪裂面的正应力和剪应力r分别为:l=o1171+2n+3rn=(11)【p=+dj+d;将计算的代剪破裂准则可得到许用剪切应力r(即极限剪切强度),r=c+fintg币将计算出的r与已得到的剪应力r比较,即可判断岩石破裂与否,剪切裂面的方位是以剪破裂面法线方向n与最大主压应力

9、之间的夹角.来确定,而且剪破裂面呈互为共轭的关系.因此,最小主应力应平分共轭剪裂面的夹角,即:nl2=45./2(12)4.2裂缝密度的计算在实际应用过程中,计算出每个单元的张破裂率f(j=/)和单元的剪破裂率j(j=r/r),然后对其分别进行变量标准化,标准化后的张破裂率和剪破裂率分别乘以相应的权系数(根据岩心观察的结果和参考其它地区的统计结果,牛心坨地区张破裂率和剪破裂率的加权系数分别为07和0.3),相加得出单元的总破裂率f,并以此来判断破裂程度,同时作出总破裂率等值线图.最后由总破裂率与岩心裂缝密度的统计关系得出裂缝线密度值.4.3计算结果分析通过对8个层的计算,该研究区裂缝分布具有以

10、下的特征:(1)各层平面上裂缝密度变化范围较大,最大达200条/m,最小仅为60条/m:(2)各层高值区分布相对稳定,高值主要分布在北部的坨37更27附近及南部的坨3424井附近.(3)纵向上随深度增加裂缝发育情况变化不大,大于400n以后髓深度增加裂缝密度有明显降低的趋势,临层之间等值线形态有继承性.图i为第7层的裂缝密度等值线圈一(4)摸拟出的裂缝方位为160l70.,即nnw向,在坨3434井以北数值比较稳定,且变化幅度较小(150170.),在该井以南变化较大(150220),裂缝方位从nnw向nne过渡,纵向上随深度的增加裂缝方位无变化.从坨34132和坨3l一133两口井的一线油水

11、井注水后动态变化(表1)情况可以看出,本次预测的裂缝发育区与裂缝的实际发育区吻台较好.从表1可以看出,受效井坨3434井和坨3527井位于坨34132的nnw向,这一方向为主裂缝方向,而坨3232和坨3l35井见效是由于坨27133井注水而造成的,dca处理坨31133井裂缝方向为ne向,因此坨3232井比坨3l一35井先见效,从而证明了注水先沿裂缝方向推进,使处于裂缝发育方向的油井先见效,井容易造成水淹.表1洼水受效情况统计tab1waterinjectionefficiencystatistic5结论(1)通过裂缝的定量识别.认为牛心坨潜山宏第l朔陈忠等:有限元数值模拟在构造裂缝定量预测中

12、的应用67观裂缝有3组,其中以nnw向最发育,ne和近ew方向次之.纵向上裂缝发育,非均质性强,随深度增加裂缝发育状况无明显变差的趋势.(2)在地质模型,力学模型和数学模型基础上,用三维有限元法对该区储层构造裂缝形成期古应力场进行数值模拟,结合岩石破裂准则,计算了牛心坨潜山储层构造裂缝的三维分布与岩心资料,测井资料及油藏开发资料相对比,其预测结果可信度高,可用来指导探并的部署.(3)三维有限元数值模拟能够真实地再现实际地层和构造分布情况,对薄层,断层等进行适当的处理后,可以不受其它条件的限制,计算结果能给出应力和裂缝的空间方位,是模拟构造应力场及构造裂缝的发展方向.参考文献:1彭仕宓油藏开发地

13、质学m北京:石油工业出版社,19982赵澄林,等特殊油气储层m北京:石油工业出版社,1997(3姜耀俭橙辽盐地北部应力场分布与有利储集层预测m青岛:海洋大学出版社,19944刘建中油田应力测量m.北京地质出舨社,19935张学汝.荨.变贯岩储集层构造裂缝研究技术m北京:石油工业出版社,1999编辑王威(上接第63页)4影响储集空间发育的因素4.1构造因素潜山储层储榘空间有裂缝和孔洞,主要受构造,岩石性质及次生变化的影响.构造裂缝的发育一般与大的构造运动和所在的构造部位密切相关,不同部位受构造应力作用也不同,构造轴部转折部位及地层曲率大的部位是受力最强的位置,也是构造裂缝最多的部位.另外,离边界

14、断层越近,受力越强,裂缝密度越大,构造裂缝越多.如:本区的曙4-403块位于局部构造高部位而且靠近断层,发育3组裂缝,即nw向,ew向,nee向.其中nee向裂缝与ne向断层近于平行,说明该组裂缝为张裂缝:经分析认为,ne向西掉断层跗近可能为裂缝发育区.4.2岩石性质的影响裂缝的主要参数主要决定于岩石的性质,矿物成分及岩石结构等不同.其缝洞的发育程度也不同.由于率区的石英砂岩硬且脆,在应力作用下易破碎形成裂缝,而泥质含量较多的板岩等裂缝不发育4.3次生变化的影响次生变化主要是重结晶作用和方解石充填作用,本区的储层一般为半充填或局部充填,降低了储集空间.5结论通过分析认为,本区潜山储层的储集空间与岩石类型及所处位置有极大的关系,局部高部位,受风化剥蚀严重的地方,孔洞及裂缝发育.因此,以后的勘探目标应着重在此类地区.通过对该区构造