新疆阜康礦區(qū)西部地區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)三維有限元數(shù)值模擬

鄒成龍，王一兵，哈爾恒·吐爾松，線遠(yuǎn)紅，尹曉敏

（新疆科林思德新能源有限責(zé)任公司，新疆阜康 831500）

隨著油氣行業(yè)的不斷發(fā)展，煤層氣作為一種新興的非常規(guī)性天然氣資源，因其儲(chǔ)量巨大、安全清潔等優(yōu)點(diǎn)受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。雖然我國(guó)煤層氣資源豐富，但其儲(chǔ)層滲透率大多較低，非均質(zhì)性較強(qiáng)，并且儲(chǔ)層本身的地質(zhì)特征較為復(fù)雜，為開采帶來了極大的難度，因此如何實(shí)現(xiàn)煤層氣高效開發(fā)是目前我國(guó)油氣發(fā)展所面臨的關(guān)鍵問題。

在煤層氣開發(fā)的過程中，井位部署是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，井位部署的合理與否，直接影響到單井產(chǎn)量的大小[1]。煤層含氣性、滲透率、原生裂縫和壓裂裂縫等地質(zhì)特征是井位部署所必須考慮的因素，且這些地質(zhì)因素大多受地應(yīng)力影響。由于煤儲(chǔ)層滲透率相對(duì)較低，為提高煤層氣的開發(fā)效率需要對(duì)煤儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造[2-5]。在壓裂改造的過程中，地應(yīng)力不僅控制著儲(chǔ)層滲透率，并且對(duì)壓裂裂縫的形態(tài)也有一定影響。因此地應(yīng)力對(duì)井位部署和壓裂設(shè)計(jì)都起著至關(guān)重要的作用[6-8]。一般來說存在于地殼內(nèi)部地應(yīng)力稱之為地應(yīng)力，主要由構(gòu)造應(yīng)力、重力應(yīng)力、殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力和孔隙壓力等耦合而成，也被稱為巖體的初始應(yīng)力。

目前，水壓致裂法和應(yīng)力解除法是國(guó)內(nèi)外用于地應(yīng)力定量分析的主要研究手段。也是目前為止最可靠高效的直接測(cè)量方法，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，常被用于檢測(cè)其他方法測(cè)得的數(shù)據(jù)，但這兩種方法對(duì)巖石的堅(jiān)硬程度以及完整性要求較高。然而受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，煤礦深部很難滿足條件，因此這兩種方法很難應(yīng)用于深部軟巖的地應(yīng)力測(cè)量[9]。

隨著有限元理論的飛速發(fā)展，三維有限元數(shù)值模擬方法逐步成為解決油氣開采問題的重要手段，通過對(duì)目標(biāo)區(qū)域邊界荷載的反演實(shí)現(xiàn)應(yīng)力場(chǎng)的模擬，從而建立應(yīng)力場(chǎng)的地質(zhì)模型。相比于傳統(tǒng)方法，三維有限元分析方法有著對(duì)巖體的破壞性小、投入成本少、測(cè)量周期短、測(cè)量結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，是測(cè)量應(yīng)力分布的一種新興方向。

本文將采用三維有限元數(shù)值模擬的方法對(duì)阜康礦區(qū)主力煤層現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)的分布進(jìn)行計(jì)算。在建立地質(zhì)模型和計(jì)算模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件，得出地質(zhì)體中各單元內(nèi)的應(yīng)力分布，并以水力壓裂測(cè)試分析結(jié)果作為數(shù)據(jù)支持，驗(yàn)證有限元數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 地質(zhì)概況

阜康礦區(qū)位于新疆烏魯木齊市東北60km的阜康市南部。礦區(qū)面積 307.92km2，賦存煤炭資源84億t[10]。在煤層氣開發(fā)過程中，以四工河和洪溝正斷層為界線將礦區(qū)劃分為西部、中部和東部，阜康礦區(qū)西部主要煤層自上而下為侏羅系西山窯組和八道灣組，兩組含煤地層在區(qū)域展布上被“V”形火燒區(qū)帶分割。

西山窯組地層分布于“V”形火燒區(qū)帶內(nèi)側(cè)，地層平均厚456.75m，含煤系數(shù)9.70%，巖性主要為砂、礫巖和泥、砂巖，煤層較為發(fā)育，植物的莖、葉的化石碎片保存較為豐富。該組地層的沉積環(huán)境較為復(fù)雜，多以河流相及沼澤相的含煤碎屑沉積為主[11-12]。

八道灣組地層主要分布于“V”形火燒區(qū)帶外側(cè)，地層平均厚940.54m，含煤系數(shù)7.28%。巖層主要由泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖、礫巖和煤層組成。該地層早期為湖泊-沼澤相沉積，經(jīng)過演變形成含煤的碎屑巖建造。這一時(shí)期的湖沼相成為重要的成煤時(shí)期，形成的含煤層位也比較穩(wěn)定，含煤特征較為明顯[13]。

目前阜康礦區(qū)內(nèi)現(xiàn)有鉆井平臺(tái)多達(dá)17個(gè)，八道灣組煤層氣主采A2、A3、A4及A5煤層，其中A2、A5煤層為研究區(qū)煤層氣開發(fā)的主力煤層，煤層埋深一般200~1 400m；煤層厚度一般4.5~40.3m，含氣量一般2~13.5m3/t。經(jīng)過開發(fā)生產(chǎn)礦區(qū)存在人工裂縫展布不清，儲(chǔ)量動(dòng)用相對(duì)不充分等問題，亟需厘清礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，為后續(xù)調(diào)整、壓裂動(dòng)用剩余潛力奠定基礎(chǔ)?；诖?，本文應(yīng)用三維有限元方法，定量研究A2、A5煤層中應(yīng)力場(chǎng)的分布，明確該區(qū)裂縫起裂條件及擴(kuò)展形態(tài)研究提供有利條件，為下一步礦區(qū)井位調(diào)整提供理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

2 水力壓裂測(cè)試分析

為進(jìn)一步獲得阜康礦區(qū)地下地應(yīng)力分布情況，對(duì)礦區(qū)多個(gè)目標(biāo)井進(jìn)行了注入/壓降試井以及原地應(yīng)力測(cè)試。對(duì)于注入/壓降試井獲得的數(shù)據(jù)，采用擬合分析法分析；而對(duì)于原地應(yīng)力測(cè)試，則采用時(shí)間平方根法分析，并輔助以雙對(duì)數(shù)法進(jìn)行驗(yàn)證。最終獲取到了滲透率、儲(chǔ)層壓力、閉合壓力、破裂壓力等儲(chǔ)層參數(shù)見表1。由目標(biāo)井試井成果中的數(shù)據(jù)可知，新疆阜康礦區(qū)煤層氣儲(chǔ)層大多處于一個(gè)偏低到正常的應(yīng)力場(chǎng)中，且非均質(zhì)性極強(qiáng)，滲透率極低但偶有甜點(diǎn)。

表1 試井成果表

3 地質(zhì)建模與模擬

3.1 建模方法

3.1.1 地質(zhì)構(gòu)造

阜康地區(qū)選取目標(biāo)層區(qū)域作為計(jì)算模型，圖1分別表示阜康礦區(qū)頂面構(gòu)造圖以及A5煤層頂面構(gòu)造圖。由于模型區(qū)域尺度足夠消除邊界影響，建模時(shí)不必?cái)U(kuò)大范圍。

圖1 阜康地區(qū)頂面構(gòu)造圖

3.1.2 模型建立

根據(jù)地質(zhì)文件圖1，在三維地質(zhì)建模軟件Go CAD中建立新疆阜康地區(qū)地質(zhì)模型，將其節(jié)點(diǎn)與單元數(shù)據(jù)導(dǎo)出為data文件后寫入input文件中導(dǎo)入abaqus中進(jìn)行下一步更精細(xì)的計(jì)算。因?yàn)镚o CAD自帶命名格式與abaqus能識(shí)別的不兼容，所以文件名盡量采用數(shù)字與字母的組合以免abaqus識(shí)別不了導(dǎo)致建模失敗。成功導(dǎo)入軟件中，采用實(shí)體單元（C3D8），對(duì)模型劃分單元網(wǎng)格，建立三維模型如圖2所示。為研究斷層周圍的地應(yīng)力場(chǎng)變化和影響區(qū)域，對(duì)斷層和取樣區(qū)域局部地區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化加密。

圖2 地質(zhì)建模圖

3.1.3 巖石力學(xué)參數(shù)

圖3為巖石力學(xué)建模圖，圖中層段巖性組合的力學(xué)參數(shù)是根據(jù)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果來確定的。根據(jù)已有的測(cè)井試井?dāng)?shù)據(jù)，賦予模型泊松比、彈性模量等力學(xué)屬性，并對(duì)于不好確定的斷層周圍的彈模與泊松比，采取降低彈模增大泊松比的方式來處理。不同層位的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖3 巖石力學(xué)建模圖

表2 巖石力學(xué)參數(shù)表

3.1.4 加載方式

計(jì)算模型的加載方式是根據(jù)不同地質(zhì)模型加以確定的。本次模擬分兩層進(jìn)行。邊界條件采用四周約束，同時(shí)施加分布力載荷。力的大小根據(jù)反演模擬計(jì)算來具體加以確定。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)中找到相應(yīng)井的坐標(biāo)，進(jìn)而通過坐標(biāo)對(duì)應(yīng)到模型中的節(jié)點(diǎn)，最后導(dǎo)出該節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值。

根據(jù)不同的地質(zhì)情況，參考表1中6口井的地應(yīng)力數(shù)據(jù)，根據(jù)上覆巖層壓力計(jì)算公式p=ρgh，對(duì)模型施加了如圖4 所示的分布力載荷，圖中橙色區(qū)域表示數(shù)值為30MPa代表埋深更深的高應(yīng)力區(qū)域，埋深更淺的低應(yīng)力區(qū)用粉色表示數(shù)值為17MPa。施加如此應(yīng)力場(chǎng)，可使得模型中（那6口井名）點(diǎn)位壓后應(yīng)力與表1中所示相差無幾，表明施加的分布力載荷是一個(gè)可以信賴的應(yīng)力載荷，模型中得到的地應(yīng)力場(chǎng)也是精確的。

圖4 分布力載荷應(yīng)力圖

3.1.5 約束條件

對(duì)模型邊界增加邊界條件結(jié)果如圖5所示。模型變形后擠壓量的分布趨勢(shì)與區(qū)域剖面的分布趨勢(shì)一致，產(chǎn)生的張裂縫為低角度；沒有應(yīng)力歧異點(diǎn)。在模擬計(jì)算中，不斷細(xì)微地調(diào)整加載力的分布和大小，直到上述所有的約束條件盡可能符合為止。

圖5 邊界條件

3.2 建模結(jié)果分析

在建立地質(zhì)模型和計(jì)算模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件，按線彈性理論對(duì)地質(zhì)體中各單元內(nèi)應(yīng)力分布進(jìn)行計(jì)算。再經(jīng)過多次反復(fù)修正計(jì)算，直到符合各項(xiàng)反演標(biāo)準(zhǔn)以后，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以后對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行編程處理，即可得到該區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)的三維空間分布，圖6和圖7分別表示斷層應(yīng)力方向以及地應(yīng)力的分布。計(jì)算結(jié)果用最大、中間和最小主應(yīng)力產(chǎn)狀、大小以及差應(yīng)力或最大剪切應(yīng)力大小表示，應(yīng)力符號(hào)采用力學(xué)上常用的符號(hào)，即拉為正，壓為負(fù)，應(yīng)力單位為MPa。

圖6 斷層應(yīng)力方向

圖7 地應(yīng)力圖

部分地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示，對(duì)比表1中試井成果，發(fā)現(xiàn)模型誤差不大，能較精確地反映礦區(qū)地應(yīng)力情況，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。CS11-X1井周最小主應(yīng)力在14MPa左右，CS15-X4井周水平最小地應(yīng)力平均17MPa左右。從圖6可以看出，由于斷層的存在，導(dǎo)致其附近的應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因此，壓裂設(shè)計(jì)需要考慮斷層的影響。從圖7可以看出，由于斷層的存在，導(dǎo)致其周圍應(yīng)力明顯小于附近地層的應(yīng)力。

表3 地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖8為阜康礦區(qū)儲(chǔ)層的力學(xué)模擬應(yīng)力云圖，從圖中計(jì)算結(jié)果來看，阜康礦區(qū)儲(chǔ)層壓力變化較大，西部八道灣組 A2 煤層儲(chǔ)層壓力介于3.59~5.09MPa，平均為 4.34MPa；西部八道灣組 A5 煤層介于7.54~13.61MPa，平均為 10.58MPa儲(chǔ)層壓力梯度西部八道灣組 A2 煤層介于（4.89~5.70）×10-3MPa/m ，平均達(dá)到5.30×10-3MPa/m，屬于欠壓儲(chǔ)層，可能與煤層埋深較淺有關(guān)、西部八道灣組 A5平均為 7.75×10-3MPa/m，東部八道灣組 A2 煤層為（9.18~9.4）×10-3MPa/m，基本處于常壓儲(chǔ)層。

圖8 力學(xué)模擬應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語

三維有限元數(shù)值模擬方法是定量研究構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)三維空間分布的有效手段，在充分分析研究區(qū)各種地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，建立合理的地質(zhì)模型和數(shù)學(xué)模型，可取得較好的研究效果。

阜康礦區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)的分布相對(duì)穩(wěn)定，A2、A5煤層基本處于常壓儲(chǔ)層，阜康礦區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)對(duì)煤儲(chǔ)層內(nèi)煤層氣的運(yùn)移以及保存條件有至關(guān)重要的影響。它們對(duì)合理開發(fā)井網(wǎng)的布置、壓裂改造方案的設(shè)計(jì)、水平井的部署和注水管理有重要指導(dǎo)意義。