基于彈-塑性增量法的構(gòu)造應(yīng)力場精細(xì)數(shù)值模擬

基于彈-塑性增量法的構(gòu)造應(yīng)力場精細(xì)數(shù)值模擬

孝泉-新昌地區(qū)的徐家河群二-四段（以下簡稱徐二-四段）是典型的致密砂巖儲層。該層天然氣勘探取得突破的關(guān)鍵是構(gòu)造裂縫發(fā)育帶的預(yù)測。1模型模擬過程粘彈性與應(yīng)力指數(shù)級差異在地球上的巖石變形,一般都是長時期、極低應(yīng)變速率的塑性變形。因此最合理的模擬方案,應(yīng)該采用流變過程來處理,即必須用流變方程來描述ε=Aσnexp(?Q10?3RT)ε=Aσnexp(-Q10-3RΤ)式中ε為應(yīng)變速率,σ為構(gòu)造應(yīng)力,T為溫度,A為材料的熱敏系數(shù),Q為蠕變活動能量,n為應(yīng)力指數(shù),R為氣體常數(shù)。應(yīng)力指數(shù)n對于應(yīng)變速率ε影響極大,其微小誤差就會導(dǎo)致ε產(chǎn)生指數(shù)級的誤差,從而使模擬計算的精度降低,甚至無法進(jìn)行,這將導(dǎo)致模擬過程非常復(fù)雜。因此,到目前為止,國內(nèi)外至今無人進(jìn)行流變過程的構(gòu)造應(yīng)力場有限元數(shù)值模擬。有人用粘彈性來近似地模擬此過程,但實際上都做不到粘性問題計算,而只是按彈性問題處理。為了比較逼近流變過程下塑性材料的構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬,本文采用增量法來模擬巖石的塑性變形,即用若干個直線段逼近拋物線型應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖1),第一個直線段描述彈性階段,而其后不同斜率的直線段則是模擬塑性變形,在每個直線段內(nèi)按有限元法進(jìn)行彈性問題模擬計算,這是本數(shù)值模擬源程序的重要特色。2模擬結(jié)果及驗證建立構(gòu)造應(yīng)力場模擬地質(zhì)模型,也就是確定一系列地質(zhì)參數(shù)。這些參數(shù)包括構(gòu)造應(yīng)力場分期、構(gòu)造應(yīng)力方向、構(gòu)造應(yīng)力值大小、變形介質(zhì)巖相-地質(zhì)模型和變形介質(zhì)物性參數(shù)。它們既是構(gòu)造應(yīng)力場模擬的依據(jù),又是檢驗構(gòu)造應(yīng)力場模擬結(jié)果的約束條件。(1)構(gòu)造應(yīng)力場分期,即確定形成孝泉-新場背斜、對須二—四段裂縫形成起重要作用的構(gòu)造事件,為構(gòu)造應(yīng)力場模擬時一系列參數(shù)的確定提供基礎(chǔ)依據(jù)。據(jù)區(qū)域地質(zhì)背景及該背斜的分布特征,本文認(rèn)為該構(gòu)造事件應(yīng)為早白堊世中期—古新世期間的四川期構(gòu)造運(yùn)動,構(gòu)造期年齡為135~52Ma,構(gòu)造變形的高潮期發(fā)生在古新世和早始新世(96~52Ma)。(2)構(gòu)造應(yīng)力方向確定,即構(gòu)造應(yīng)力場模擬時施加外荷作用力的方向確定,也是檢驗?zāi)M結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)。包括古構(gòu)造應(yīng)力場方向確定和現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場方向確定。古構(gòu)造應(yīng)力場方向依據(jù)孝泉-新場背斜構(gòu)造的產(chǎn)狀特征來確定,現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場方向依據(jù)現(xiàn)代天然地震學(xué)的研究成果(斷層面解或稱震源機(jī)制解)來確定。(3)構(gòu)造應(yīng)力值大小測定,包括古構(gòu)造應(yīng)力值測定和現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力值計算。實測構(gòu)造應(yīng)力值是檢驗?zāi)M結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)。古構(gòu)造應(yīng)力值測定采用晶格位錯密度法,測試結(jié)果見表1?，F(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力值計算采用水力壓裂資料計算獲得,計算結(jié)果見表2,表格中的Δσ為最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的差值(σ1-σ3),剪應(yīng)力τ=Δσ/2。(4)巖相地質(zhì)模型的建立,是應(yīng)力場模擬單元剖分的基礎(chǔ)。根據(jù)孝泉-新場地區(qū)須二—四段沉積相圖和構(gòu)造圖,并結(jié)合斷裂形成期次,將變形介質(zhì)分為如下6種類型:(A)砂巖含量50%~60%;(B)砂巖含量60%~70%;(C)砂巖含量70%~80%;(D)砂巖含量80%~90%;(E)斷裂帶:古構(gòu)造期及新構(gòu)造期分別已經(jīng)形成的斷裂;(F)構(gòu)造弱化帶:小斷裂及古構(gòu)造期尚未形成的斷裂分布區(qū)。(5)變形介質(zhì)物性參數(shù),即確定彈性模量和泊松比,通常由巖石力學(xué)試驗來獲得。這次我們收集了研究區(qū)內(nèi)具有代表性的30口井的力學(xué)參數(shù),在對比分析的基礎(chǔ)上,設(shè)定了這次構(gòu)造應(yīng)力場模擬的3次增量及各種材料的巖石物性參數(shù)(表3)。3結(jié)果3.1外荷作用力系平衡本次模擬的是孝泉-新場地區(qū)須二—四段的平面應(yīng)變問題,即不考慮體力及地質(zhì)模型在垂向上的位移。根據(jù)三角剖分結(jié)果,在X方向及Y方向分別給予96個外荷作用力。為了使地體不發(fā)生大幅度漂移,把地質(zhì)模型左上角及右下角的兩個節(jié)點設(shè)為約束點,限制其位移量為0.5個單位。在計算中保證模型所受外力的合力必須等于零,外力的合力矩也必須等于零,即必須做到外荷作用力系平衡。根據(jù)本增量法源程序的規(guī)定,選用3次增量計算,就需要給予3組平衡的外荷作用力?？紤]到第一次增量是彈性階段,一般在脆性變形條件下,巖石的彈性域常為巖石變形的主體部分,因而在第一次增量計算時把各外荷作用力選擇為各總外荷作用力的70%;第二次增量計算時選擇為總外荷作用力的20%;第三次增量計算時選擇總外荷作用力的10%。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整各邊界點上外荷作用力的大小,不斷模擬調(diào)整,不斷逼近,在保證力系平衡的前提下,如果模擬計算的主應(yīng)力方向與實測主應(yīng)力方向的偏差小于5°,并且模擬計算的剪應(yīng)力值與實測剪應(yīng)力值誤差小于5MPa,那么就認(rèn)為模擬結(jié)果是在誤差范圍以內(nèi)。3.2地質(zhì)構(gòu)造差異對構(gòu)造應(yīng)力值的影響(1)孝泉-新場地區(qū)為一構(gòu)造裂縫不發(fā)育地區(qū)。據(jù)本次古構(gòu)造應(yīng)力場剪應(yīng)力值模擬結(jié)果(圖2)可以看出,在孝泉-新場復(fù)式背斜軸部,古構(gòu)造應(yīng)力場剪應(yīng)力值差別并不是很大,除斷裂附近剪應(yīng)力值較小外(最小27MPa),其余地區(qū)多穩(wěn)定在30~32MPa,剪應(yīng)力值最大相差也不過5MPa左右。剪應(yīng)力值相對較穩(wěn)定,說明該地區(qū)沒有出現(xiàn)過明顯的應(yīng)力集中或應(yīng)力釋放的區(qū)域,也就是應(yīng)力差值較小,不足以產(chǎn)生構(gòu)造裂縫。此外,據(jù)近幾年來我國地質(zhì)工作者對我國各地區(qū)古構(gòu)造應(yīng)力值的研究,現(xiàn)已在各地區(qū)利用晶格位錯密度法測定了104個樣品的四川期古構(gòu)造差應(yīng)力值(表4)。由表中可以看出,我國各地區(qū)四川期古構(gòu)造差應(yīng)力值分布各異,最大的可達(dá)183MPa,最小的60.8MPa,與其他地區(qū)相比,孝泉-新場地區(qū)古構(gòu)造差應(yīng)力值最小,比其他地區(qū)最少也差15MPa。構(gòu)造裂縫的形成雖然受多種因素控制,但構(gòu)造應(yīng)力是一主要影響因素,構(gòu)造應(yīng)力值越小,說明該地區(qū)巖層受破壞程度越弱,因此,孝泉-新場地區(qū)的構(gòu)造裂縫發(fā)育程度相對較弱。(2)據(jù)本模擬軟件的基礎(chǔ)理論,巖層破壞強(qiáng)度(構(gòu)造裂縫發(fā)育程度)最大的區(qū)域應(yīng)該位于構(gòu)造剪應(yīng)力值極大或者極小的區(qū)域。構(gòu)造剪應(yīng)力值越大,巖層變形程度也越大,即構(gòu)造裂縫也越發(fā)育;而在斷裂分布區(qū)域,由于構(gòu)造活動已破壞了巖層的完整性,構(gòu)造應(yīng)力已得到部分釋放,因此構(gòu)造剪應(yīng)力值往往最小,但由于這些地區(qū)往往會出現(xiàn)較多的派(或伴)生小斷層及節(jié)理,因此這些地區(qū)構(gòu)造裂縫也較發(fā)育。對于孝泉-新場地區(qū),由于構(gòu)造活動相對較弱,構(gòu)造剪應(yīng)力值相差不大,沒有出現(xiàn)明顯的構(gòu)造剪應(yīng)力高值區(qū)。因此,根據(jù)現(xiàn)有的資料并結(jié)合古構(gòu)造應(yīng)力場模擬成果來分析(圖2),我們認(rèn)為孝泉-新場地區(qū)構(gòu)造裂縫較發(fā)育的地區(qū),主要應(yīng)該位于區(qū)內(nèi)斷裂帶附近。至于斷裂對于油氣成藏的漏失作用,我們認(rèn)為可能并不嚴(yán)重或沒有漏失。4討論(1)疊統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)造圖3為孝泉-新場地區(qū)主要斷裂(F58,F101,F112,FS3斷裂)的地震剖面圖。剖面上,4條斷裂向上均終止于須家河組三段內(nèi)部,F58和FS3斷裂向下斷達(dá)上三疊統(tǒng)底,F101和F112斷裂向下終止于上三疊統(tǒng)內(nèi)部,據(jù)“八五”、“九五”國家重點科技攻關(guān)項目研究成果,對于川西須家河組須二氣藏的形成,馬鞍塘-小塘子組烴源巖為主力氣源;平面上,F101和FS3斷裂呈近東西向,F58和F112斷裂呈近南北向(圖4),而對該地區(qū)須二—四段影響比較明顯的構(gòu)造運(yùn)動有四川期(135~53Ma)的最大主應(yīng)力方向近南北向、華北期(52~23.3Ma)的最大主應(yīng)力方向近東西向、喜馬拉雅期(23.3~0.78Ma)最大主應(yīng)力方向近南北向。因此,孝泉-新場地區(qū)的主要斷裂既溝通了氣源巖層與儲層,并且沒有通達(dá)地表,又在斷裂形成后的某個地質(zhì)時期曾表現(xiàn)為張性特征,因此這些斷裂是油氣藏形成的良好的運(yùn)移通道,而且可能不存在油氣的漏失問題。(2)石油與天然氣運(yùn)移機(jī)理據(jù)萬天豐等對我國基巖裂隙水與地下熱水的分布統(tǒng)計分析,在所有控制基巖裂隙水與地下熱水的斷層中,以幾乎平行于新構(gòu)造運(yùn)動最大主壓應(yīng)力方向的張剪性斷層富水性最好。而石油與天然氣就是富含烴類物質(zhì)的地下流體,因此,其運(yùn)移機(jī)理也應(yīng)符合上述規(guī)律。據(jù)孝泉-新場地區(qū)新構(gòu)造應(yīng)力場