砂泥岩地层地应力纵向分布特征与规律.pdf

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1、第2O卷第4期地质力学学报Vo1．20No．42014年12月JOURNALOFGEOMECHANICSDec．2014文章编号：1006~616(2014)04~352—11砂泥岩地层地应力纵向分布特征与规律张东涛，童亨茂。，赵海涛。，吕雪，张昊(1．中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京102249；2．中国石油天然气股份有限公司浙江油田分公司，杭州310023；3．天津城建大学地质与测绘学院，天津300384)摘要：以实际沉积地层中抽象出来的砂泥岩地层概念模型为研究对象，在盆地构造力学、岩石力学性质分析的基础上，采用应力场数值模拟法研究分析砂泥岩地层中的纵

2、向地应力分布特征和规律。研究结果表明，水平主应力在砂泥岩的分界面发生突变，变化程度主要与两侧岩石的力学性质差异相关，也与区域构造应力有一定关联；杨氏模量对最大水平主应力影响程度大于对最小水平主应力的影响，泊松比对地层最小水平主应力影响程度大于对最大水平主应力的影响。杨氏模量和泊松比对最大水平主应力的影响，在伸展应力状态下前者影响相对较小，走滑应力状态下，影响程度基本相同，挤压应力状态下，前者影响程度相对较大；而对于最小水平主应力的影响，在三种应力状态下，泊松比的影响均大于杨氏模量。地层的岩性变化方式(渐变或突变)对地层最小水平应力差产生显著影响，厚度变化对地层最小水平应力差大小

3、无影响。上述认识可以指导砂泥岩地层的压裂和储层改造，改善压裂效果。关键词：地应力分布；数值模拟；泊松比；杨氏模量；砂泥岩中图分类号：P553文献标识码：A0引言随着地下深部矿产资源(如油气、页岩气、煤等)的勘探开发，地应力分布特征与规律的研究日益受到重视。有国外学者统计了世界不同地区地应力的测量结果，总结了垂直应力、水平平均主应力与垂直应力之比随埋深的分布规律¨“。国内学者则在统计我国不同地区地应力测量结果的基础上，总结了最大、最小水平应力和垂直应力在一定深度区间内与深度的关系。秦向辉等统计了实测地应力与杨氏模量的关系，发现水平最大主应力和水平最小主应力与杨氏模量成正相关。景锋

4、等⋯统计分析认为地应力随泊松比的增大而减小。Gudmundsson指出水平地应力对岩石的杨氏模量很敏感。总的来说，已有的研究侧收稿日期：2014-07-04基金项目：国家自然科学基金项目(41272160，40772086)；国家油气重大专项(2011ZX05006-006-02-01，2011ZX05023-004．012)作者简介：张东涛，男，硕士生，中石油浙江油田分公司助理工程师通讯作者：童亨茂，E-mail：tonghm@cup．edu．cn；tong-hm@163．eom第4期张东涛等：砂泥岩地层地应力纵向分布特征与规律353重地应力的测量、区域地应力的分布特征和规律

5、研究，相对比较宏观，而对于地质体内部(如砂泥岩间互地层)地应力的精细分布特征和规律的研究则较缺乏。随着油气勘探开发的不断深入，油气勘探开发的难度不断加大，需要进行地层压裂和改造的储层(如低渗透储层)比例不断加大。目前中国探明的石油地质储量中，低渗透储量所占的比例高达60％～70％，低渗透层将是我国今后相当长时期增储上产的主要基础资源。低孔渗油藏的开采及增产需要进行储层改造，现今低孔渗储层的改造方式主要是水力压裂，宏观的地应力分布规律已不能满足储层压裂对地应力研究的要求。能否确定油藏地应力的精细分布是决定储层压裂成败的关键因素，而这方面还缺少深入研究。在地层压裂、储层改造过程中，

6、一方面要实现对砂岩储层的压裂，另一方面，还要把压裂缝控制在砂岩储层内，保证泥岩隔层不被压裂。确定砂泥岩间互地层地应力的分布特征和规律是基础，是实现储层有效压裂的关键。地应力的精细研究不仅是储层压裂改造的基础性工作，而且在压裂改造过程中造成断层的再活动分析预测也有重要意义”。不同岩性地应力分布的差异本质上是其岩石力学性质(如杨氏模量、泊松比等)的差异引起的。本文针对上述问题，在前人对地应力宏观分布规律研究的基础上，以岩石力学参数变化的剖面地层概念模型为对象，应用ANSYS软件，定量分析岩石力学参数(杨氏模量、泊松比)对地层水平主应力分布的影响以及岩性变化、层厚变化对应力差的影响，

7、确定砂泥岩间互地层地应力的分布特征和规律。1砂泥岩地层应力场数值模拟砂岩和泥岩的力学性质存在显著差异，这是造成砂、泥岩内部地应力分布差异的内因。在地层温压条件下，泥岩一般具有流变特征，表现为泊松比相对较大。岩石力学实验的统计结果表明，泥岩的杨氏模量往往也比砂岩大，但岩性与杨氏模量大小并不是一一对应关系。因此，可以采用不同力学性质的材料模拟地层剖面力学参数变化对地应力分布的影响。本文采用应力场数值模拟法，利用不同力学参数的材料，模拟分析力学参数变化时剖面地层地应力分布特征和规律。依据有限单元理