利用构造应力场模拟预测地应力方向

利用构造应力场模拟预测地应力方向

[摘要]五号桩油田桩23块，属于低孔超低渗油藏，水平井分段压裂技术的运用可以很大程度的提高这类油藏的产量。水平段方向应尽量垂直于人工裂缝方向，而人工裂缝的方向与应力场有着非常密切的关系。本文在综合研究目前地应力测量方法和预测方法的基础上，通过构造应力场模拟方法，对目的层段的地应力方向进行了预测，并利用本区的断裂特征加以佐证。预测结果与实测数据符合率超过90%，证明了该方法具有很高的可信度。

[关键词]地应力，五号桩油田，水平井压裂，蚂蚁追踪

中图分类号：te122.23 文献标识码：a 文章编号：1009-914x （2013）09-0126-01

引言

五号桩油田桩23块构造上位于济阳坳陷沾化凹陷东北部五号桩洼陷的北部。本块油藏埋藏较深，在3600m以下。储层非常致密，该区目的层孔隙度平均13.3%，渗透率平均仅为0.81毫达西，属于低孔超低渗油藏。随着勘探开发技术的进一步发展，特别是水平井分段压裂技术的出现，使得低孔超低渗油藏的开发可以得到更好地效果。水平井压裂希望获得最大的储层改造，水平段方向就应该尽量垂直于人工裂缝，而人工裂缝的方向与应力场有着非常密切的关系，所以有必要对本区应力场进行研究。通过预测本区最大水平主应力方向，为水平井的钻探提供依据。目前预测方法主要有有限元模拟和应力场反演方法，有限元模拟在工业设计的各领域中应用非

常广泛，逐渐推广至石油勘探领域。应力场反演方法，这里的反演是指狭义的地震波阻抗反演，该方法是利用叠前方位角道集数据和测井纵横波曲线联合反演，得到纵横波各向异性参数，进而分析出应力场分布状态，此种方法需要特别的数据体，且周期和成本较高。本文应用了有限元模拟方法。

1 原理与方法

1.1 地质构造与主应力方向的关系

1.1.1 断层与主应力方向的关系

断层是地层中普遍存在的断裂地质构造现象，对生产实践影响很大。应用断层确定主应力轴的方法主要有应用典型共轭断层对确定主应力轴和通过断层面产状及断层面上擦痕侧伏角和移位符号确

定主应力轴。根据剪切破裂所产生的断层两盘位移形式将断层分为正断层、逆断层、平移断层。对于一次构造运动形成的断层，不同断层在形成时对应不同的地应力状态，因此不同形式的断层与主应力轴的关系也不同。在研究断层与地应力的关系时，应就现存断层活动的特点等进行全面分析，以求获得比较准确的三轴应力方向。

1.1.2 褶皱与主应力方向的关系

（1）纵弯褶皱与主应力方向的关系。地壳中大多数褶皱属于纵弯褶皱，主要是由于岩层水平运动顺层挤压而形成的.当纵弯褶皱变形简单，轴面近于直立时，轴面为压性结构面。其最大主应力轴水平，中间主应力与褶皱轴线平行，最小主应力轴直立。当褶皱轴面倾斜、倒转或平卧时，则不易准确确定3个主应力轴的空间位置，

大致可以根据轴向确定中间主应力轴与之平行。（2）横弯褶皱与主应力方向的关系。横弯褶皱是地壳受垂直岩层方向的差异升降运动而形成的。其最大主应力轴近于直立或陡倾，其它2个主应力轴则近于水平，但有时难以确定其具体方向。

1.2 原理与方法

该方法以弯曲薄板作为油层构造模拟的力学模型，用二维的方法来处理油层构造，这种方法计算方便，人工干预少，对于应力场模拟将边界作为自由边界处理，不需要另外考虑边界条件。该方法主要以背斜构造作为模型进行分析，得出可以用构造面上一点的最大曲率值作为该点应力值的大小，而以最小主曲率方向指示最大主应力的方向，这样就将构造应力场的分布问题化为构造面的主曲率计算问题。

2 工作流程

2.1 计算流程

利用frs软件的frgeomech模块进行，在应力场数值模拟过程中，综合考虑了储层岩石的构造、厚度、岩性、速度等因素，在计算构造的曲率分布基础之上，进一步计算构造的应力、应变分布。给定目的层的深度层面、地层速度、地层厚度、地层密度、断层边界（可选）等数据，模拟的结果包括应力、应变、曲率和主应力方向4种数据。之后对应力和方向数据进行成图。

2.2 质量控制

根据以前的资料以及本区的地震资料，本区构造运动为拉张运

动。本区水平最大主应力方向近乎平行于断层走向和褶皱的长轴走向，据此我们可以对预测结果的准确性的做大致的判断。利用了蚂蚁追踪的技术对本区的断裂特征进行了刻画。蚂蚁追踪不仅可以识别大的断层，对一些肉眼难以识别的微小断层也可以有效识别。（1）技术实现：基于蚂蚁算法的蚂蚁追踪技术能自动分析、识别断裂系统，其原理是在地震数据体中散播大量“蚂蚁”，当“蚂蚁”发现满足预设条件的断裂痕迹时将追踪断裂痕迹并留下信息素，并利用信息素吸引其他相似“蚂蚁”跟进，直到完成断裂的识别，而其他不满足条件的断裂痕迹将不会被识别。利用蚂蚁追踪技术进行断裂系统的解释，将获得一个低噪音、具有清晰断裂痕迹的蚂蚁属性体。为了得到最终断裂系统的解释结果，还需要对获得的蚂蚁属性体进行自动断片提取，提取过程中还可以人为设置种子点，并对提取的断片进行评估、编辑和筛选等工作。（2）断层自动解释的实现步骤根据地震资料精细解释的实践经验，设计的断层自动解释方法包括五个主要步骤：①叠后振幅数据体的预处理；②做地震不连续性检测，生成相干数据体；③用蚂蚁追踪原理对相干体做进一步优化，生成加强边界特征的数据体；④根据地质、钻井和地震资料确定断层优化值区间，拾取断层碎片并进行编辑；⑤将具有同一趋势面的断层碎片聚类，生成完整的断面，建立断层模型。

3 预测结果

通过上述方法，对该区进行了地应力预测。工区内已有部分井对人工裂缝方向进行了实测，实测结果见表1，实测对20口井进行了

26井次的测量，实测数据在北偏东30°～114°范围内，平均72.2°，预测与实测误差在5°左右。我们对预测结果和实测结果进行了对比，图中红线段为钻井实测结果，其中19口井预测结果与实测结果基本相符，与实测差异较大，符合率超过90%，说明该方法具有可行性，这口井预测与实测偏差的原因有两个方面，一是因为人工裂缝方向与最大主应力方向有时会存在一定的夹角，这个夹角难以预测，二是局部可能存在非构造应力场。本次预测主要是为了预测北部少井区的地应力方向，北部局部区域的主应力方向与实测和区域应力场相差较大，为了证实预测结果的合理性，利用2.2中所述的蚂蚁追踪方法，对本区地震数据进行处理，得到目的层系的微断裂系统平面图，在1和2区域确实存在近南北向的微断层，证实了预测结果的合理性。

4 结论

该方法不受钻井的约束，所需数据均可以从外部提供，应用起来比较简便。从预测与实测结果比较看，吻合率较高，说明该方法非常有效。该方法曾在中石化东北局和西南局的部分地区都有应用，均取得较好的效果。在应用的过程中，预测结果受断层影响较大，所以在断层非常发育的区块应用要慎重。

参考文献

[1] 景锋，梁合成，边智华，刘元坤.地应力方法研究综述。华北水利水电学院学报，2008，29（2）：71～75.

[2] 魏周拓，范宜仁，陈雪莲.横波各向异性在裂缝和应力分析