复杂构造区全层系地质力学建模及其地质与工程应用

doi:10.13745/j.esf.sf.2024.6.28

地学前缘 ›› 2024, Vol. 31 ›› Issue (5): 195-208.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.6.28

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复杂构造区全层系地质力学建模及其地质与工程应用

徐珂¹^,²^,³^,⁴(), 刘敬寿⁵^,⁶^,^*(), 张辉¹^,²^,³^,⁴, 张冠杰⁵^,⁶, 张滨鑫⁵^,⁶, 王海应¹^,²^,³^,⁴, 张禹¹, 来姝君¹, 钱子维¹, 强剑力¹

1.中国石油天然气股份有限公司塔里木油田公司, 新疆库尔勒 841000
2.中国石油天然气集团有限公司超深层复杂油气藏勘探开发技术研发中心, 新疆库尔勒 841000
3.新疆维吾尔自治区超深层复杂油气藏勘探开发工程研究中心, 新疆库尔勒 841000
4.新疆超深油气重点实验室, 新疆库尔勒 841000
5.中国地质大学(武汉) 资源学院, 湖北武汉 430074
6.中国地质大学(武汉) 构造与油气资源教育部重点实验室, 湖北武汉 430074

收稿日期:2023-11-15 修回日期:2024-06-25 出版日期:2024-09-25 发布日期:2024-10-11
通信作者: * 刘敬寿(1989—),男,博士,教授,主要从事储层地质力学与油区构造解析方面的教学和科研工作。E-mail: liujingshou@126.com
作者简介:徐珂(1991—),男,高级工程师,主要从事油气田地质力学的生产和科研工作。E-mail: xukee0505@163.com
基金资助:
中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“库车坳陷深层-超深层天然气田开发关键技术研究与应用”(2018E-1803);超深层油气藏开发关键技术研究与应用(2023ZZ14-03);国家自然科学基金项目(42102156);中国地质大学(武汉)“地大学者”人才岗位科研启动经费项目(2022046)

Geological and engineering applications of full-stratum geomechanical modeling in complex structural areas

XU Ke¹^,²^,³^,⁴(), LIU Jingshou⁵^,⁶^,^*(), ZHANG Hui¹^,²^,³^,⁴, ZHANG Guanjie⁵^,⁶, ZHANG Binxin⁵^,⁶, WANG Haiying¹^,²^,³^,⁴, ZHANG Yu¹, LAI Shujun¹, QIAN Ziwei¹, QIANG Jianli¹

1. PetroChina Tarim Oilfield Company, Korla 841000, China
2. Research and Development Center for Ultra-Deep Complex Reservoir Exploration and Development, CNPC, Korla 841000, China
3. Engineering Research Center for Ultra-deep Complex Reservoir Exploration and Development, Xinjiang Uygur Autonomous Region, Korla 841000, China
4. Xinjiang Key Laboratory of Ultra-Deep Oil and Gas, Korla 841000, China
5. School of Earth Resources, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China
6. Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources of Ministry of Education, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China

Received:2023-11-15 Revised:2024-06-25 Online:2024-09-25 Published:2024-10-11

摘要/Abstract

摘要：

受区域挤压、岩性和构造形态等多种因素的综合影响,复杂构造区具有地应力非均质性和各向异性强、现今地应力场在空间变化大的特征,严重制约了该类地区油气勘探开发进展。为解决复杂构造区地质力学建模难度大、精度低,且现有三维地应力建模方法在复杂构造连片建模中的不准确问题,以库车坳陷博孜大北地区为例,提出了复杂构造区地质体全层系逆向有限元地质力学建模方法,通过对部分起伏较大、跨度大的长条连体背斜迭代扫描,准确建立断层与岩体复杂交切关系,实现了复杂构造区地应力网格建模和误差追溯。明确了博孜大北地区现今地应力分布特征,揭示了博孜大北地区深层储层地应力强非均质性和强各向异性的主控因素,进而通过逆向有限元建模方法明确了钻井过程中产生应力扰动范围。研究结果表明:(1)逆向有限元地质力学建模法是复杂构造区全层系地质力学建模的有效方法,建模结果与实际的勘探开发生产需要吻合度高;(2)明确了盐上岩石力学层结构和浅部高陡地层产状是影响博孜大北地区储层地应力强非均质性和各向异性的关键;(3)逆向有限元地质力学建模法是明确钻井过程中应力扰动范围的有效方法,是保障油气高效勘探开发的重要手段。

关键词: 复杂构造区, 地质力学建模, 三维应力场, 博孜大北地区, 库车坳陷

Abstract:

Areas with complex geological features have poorly defined geostress distribution patterns with strong geostress heterogeneity and anisotropy, which seriously restrict the progress of oil and gas exploration and development. To solve the problems of high modeling accuracy requirements for complex structures and lithology and inaccuracies in current 3D geomechanical modeling techniques for complex structures, this paper, taking the Bozi-Dabei area in Kuqa depression as an example, proposes a full-stratum inverse finite element geomechanical modeling technique for complex structure areas. By iterative scanning of long and large-scale strip-connected anticlines, the modeling accuracy is improved, and the complex intersection relationship between faults and rock masses is accurately established—thus, the modeling of geostress mesh and error tracing in areas with complex structures is achieved. Using this technique, the current distribution characteristics of geostresses in Bozi-Dabei were clarified, and the main controlling factors of strong geostress heterogeneity and anisotropy in deep reservoirs were revealed. Furthermore, the range of stress disturbance during drilling was clearly defined. Results showed that (1) the modeling technique was effective for full-stratum modeling of complex deformation areas, with high accuracy meeting the needs of exploration, development, and production. (2) The key factors affecting the strong geostress heterogeneity and anisotropy in reservoirs of the study area were the mechanical-layer structure of salt layers and the attitude of shallow high, steep strata. (3) The modeling technique was effective for determining the range of stress disturbance during drilling, thus it can be an important evaluation tool for efficient oil and gas exploration and development.

Key words: complex structure, geological and mechanical modeling, 3D stress field, Bozi-Dabei area, Kuqa depression

中图分类号:

徐珂, 刘敬寿, 张辉, 张冠杰, 张滨鑫, 王海应, 张禹, 来姝君, 钱子维, 强剑力. 复杂构造区全层系地质力学建模及其地质与工程应用[J]. 地学前缘, 2024, 31(5): 195-208.

XU Ke, LIU Jingshou, ZHANG Hui, ZHANG Guanjie, ZHANG Binxin, WANG Haiying, ZHANG Yu, LAI Shujun, QIAN Ziwei, QIANG Jianli. Geological and engineering applications of full-stratum geomechanical modeling in complex structural areas[J]. Earth Science Frontiers, 2024, 31(5): 195-208.

图/表 14

图1 克拉苏构造带区域位置与典型剖面特征图

Fig.1 Location and typical cross sections of the Krasu structural belt

图2 库车坳陷地层系统图

Fig.2 Stratigraphic column diagram of the Kuche depression

图3 内置虚拟层面的地应力网格自由划分 a—单元体数目109万;b—单元体数目136万。

Fig.3 Unststructured grids with embedded virtual layers for stress field simulation. (a) 1.09 million elements. (b) 1.36 million elements.

图4 复杂构造区地质体全层系逆向有限元地质力学建模 a—三维点云数据处理;b—双向差异迭代拟合、几何模型误差检测消除;c—层面干预地应力网格划分;d—地震多属性检测方法反演三维非均质岩石力学场;e—三维非均质地质力学建模。

Fig.4 Reverse finite-element geomechanical modeling of complex geological bodies in structurally complex areas. (a) Processing of 3D point cloud data. (b) Bidirectional iterative fitting and elimination of geometric model errors. (c) Intervention of layering in stress grid division. (e) Inversion of 3D heterogeneous rock mechanics field using seismic multi-attribute detection method. (f) 3D geomechanical modeling of heterogeneous stress field.

图5 bz301井地质力学综合成果图,应力在纵向上分为明显的三段 a—5 834~5 870 m,Sh:130 MPa;b—5 870~5 940 m,Sh:132 MPa;c—5 940~5 958 m,Sh:128 MPa。

Fig.5 Geomechnical modeling results from well BZ301. The stress field is divided into three distinct sections along the vertical direction: a—5834-5870 m, Sh: 130MPa; b—5870-5940 m, Sh: 132MPa; c—5940-5958 m, Sh: 128MPa.

表1 单井现今地应力数值模拟与测井解释结果对比

Table 1 Comparison of numerical simulation and logging interpretation results for in situ stress in a single well

井号	水平最小主应力			垂向主应力			水平最大主应力
井号	测井解释应力/MPa	数值模拟应力/MPa	偏差率/ %	测井解释应力/MPa	数值模拟应力/MPa	偏差率/ %	测井解释应力/MPa	数值模拟应力/MPa	偏差率/ %
bz1501	104.8	107.8	2.9	117.7	119.2	1.3	127.1	132.5	4.2
bz15	101.1	104.8	3.6	111.3	118.6	6.5	124.9	130.1	4.2
bz29	112.9	116.2	2.9	132.3	131.5	-0.6	137.9	143.2	3.8
bz3	132.1	126.1	-4.5	145.2	143.2	-1.4	162.5	154.9	-4.6
bz301	130.0	122.6	-5.7	142.6	136.3	-4.4	159.8	151.6	-5.2
bz302	134.3	124.1	-7.6	147.7	137.5	-6.9	167.9	154.5	-8.0
bz102	144.4	138.6	-4.0	158.9	152.5	-4.0	169.8	167.1	-1.6
db14	137.0	135.8	-0.9	147.3	143.9	-2.3	163.1	165.2	1.3
db9	133.6	130.1	-2.6	140.5	136.3	-3.0	163.2	164.0	0.5
db1201	124.3	127.5	2.6	137.9	136.9	-0.7	160.2	163.1	1.8
db15	111.5	108.7	-2.5	133.3	132.6	-0.5	159.4	157.8	-1.0

图6 博孜大北地区现今应力场分布特征

Fig.6 Characteristics of present-day stress field distribution in the Bozi-Dabei area

表2 凸字型岩石力学层结构

Table 2 Mechanical parameters for convex layered rock structure

层位	杨氏模量/ GPa	泊松比	岩石密度/ (kg·m^-3)
第四系(Q)	12.4	0.27	2 450
康村组(N_1-2k)	26.0	0.25	2 590
吉迪克组(N₁j)	36.7	0.24	2 640
苏维依组(E_2-3s)	19.1	0.26	2 540
库姆格列木群(E_1-2km¹) 上泥岩段	20.7	0.26	2 560

表3 均匀型岩石力学层结构

Table 3 Mechanical parameters for homogeneous layered rock structure

层位	杨氏模量/ GPa	泊松比	岩石密度/ (kg·m^-3)
第四系(Q)	17.5	0.23	2 450
康村组(N_1-2k)	18.4	0.28	2 490
吉迪克组(N₁j)	19.4	0.31	2 470
苏维依组(E_2-3s)	18.1	0.32	2 480
库姆格列木群(E_1-2km¹) 上泥岩段	19.3	0.28	2 500

图7 不同构造位置、不同岩石力学层结构水平最小主应力梯度测井解释结果

Fig.7 Logging interpretation results on minimum principal stress gradient at different structural positions under different layered rock structures

图8 膏盐厚度对地应力分布的影响 a—膏盐层厚度变化模式图;b—应力场数值模拟结果;c—盐层厚度增加700 m的水平最小主应力变化;d—盐层厚度增加700 m的水平最大主应力变化。

Fig.8 Influence of gypsum thickness on the distribution of in situ stress. (a) Modes of gypsum layer thickness changes.(b) Results of numerical simulation of stress field. (c) Horizontal minimum principal stress variation with a 700 m increase in salt layer thickness. (d) Maximum horizontal principal stress variation with a 700 m increase in salt layer thickness.

图9 地层倾角对地应力分布的影响 a—地层倾向与水平最大主应力平行时水平最小主应力与地层倾角关系图;b—水平最小主应力剖面图。

Fig.9 Influence of stratigraphic dip on the distribution of in situ stress. (a) Relationship between minimum horizontal principal stress and bedding angle when the bedding direction is parallel to the maximum horizontal principal stress. (b) Profile of the minimum horizontal principal stress.

图10 地层倾向对地应力分布的影响 a—地层倾向与水平最小主应力垂直时水平最小主应力与地层倾角关系图;b—水平最小主应力剖面图。

Fig.10 Influence of stratigraphic azimuth on the distribution of in situ stress

图11 bz-X井地质力学模型和井筒地应力场模拟结果 a—地质力学模型图;b—井筒应力场数值模拟剖面图。

Fig.11 Geomechanical model of well bz-X (a) and numerical simulation result of wellbore stress field (b)

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