新疆阜康礦區西部地區現今地應力場三維有限元數值模擬

鄒成龍，王一兵，哈爾恒·吐爾松，線遠紅，尹曉敏

（新疆科林思德新能源有限責任公司，新疆阜康 831500）

隨著油氣行業的不斷發展，煤層氣作為一種新興的非常規性天然氣資源，因其儲量巨大、安全清潔等優點受到世界各國的廣泛關注。雖然我國煤層氣資源豐富，但其儲層滲透率大多較低，非均質性較強，并且儲層本身的地質特征較為復雜，為開采帶來了極大的難度，因此如何實現煤層氣高效開發是目前我國油氣發展所面臨的關鍵問題。

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

目前，水壓致裂法和應力解除法是國內外用于地應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量方法，測量結果準確，常被用于檢測其他方法測得的數據，但這兩種方法對巖石的堅硬程度以及完整性要求較高。然而受構造運動的影響，煤礦深部很難滿足條件，因此這兩種方法很難應用于深部軟巖的地應力測量[9]。

隨著有限元理論的飛速發展，三維有限元數值模擬方法逐步成為解決油氣開采問題的重要手段，通過對目標區域邊界荷載的反演實現應力場的模擬，從而建立應力場的地質模型。相比于傳統方法，三維有限元分析方法有著對巖體的破壞性小、投入成本少、測量周期短、測量結果直觀等優點，是測量應力分布的一種新興方向。

本文將采用三維有限元數值模擬的方法對阜康礦區主力煤層現今應力場的分布進行計算。在建立地質模型和計算模型基礎上，運用ABAQUS有限元軟件，得出地質體中各單元內的應力分布，并以水力壓裂測試分析結果作為數據支持，驗證有限元數值模擬結果的準確性。

1 地質概況

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

西山窯組地層分布于“V”形火燒區帶內側，地層平均厚456.75m，含煤系數9.70%，巖性主要為砂、礫巖和泥、砂巖，煤層較為發育，植物的莖、葉的化石碎片保存較為豐富。該組地層的沉積環境較為復雜，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”形火燒區帶外側，地層平均厚940.54m，含煤系數7.28%。巖層主要由泥巖、砂巖、泥質砂巖、礫巖和煤層組成。該地層早期為湖泊-沼澤相沉積，經過演變形成含煤的碎屑巖建造。這一時期的湖沼相成為重要的成煤時期，形成的含煤層位也比較穩定，含煤特征較為明顯[13]。

目前阜康礦區內現有鉆井平臺多達17個，八道灣組煤層氣主采A2、A3、A4及A5煤層，其中A2、A5煤層為研究區煤層氣開發的主力煤層，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。經過開發生產礦區存在人工裂縫展布不清，儲量動用相對不充分等問題，亟需厘清礦區地應力場分布規律，為后續調整、壓裂動用剩余潛力奠定基礎?；诖?，本文應用三維有限元方法，定量研究A2、A5煤層中應力場的分布，明確該區裂縫起裂條件及擴展形態研究提供有利條件，為下一步礦區井位調整提供理論與實踐基礎。

2 水力壓裂測試分析

為進一步獲得阜康礦區地下地應力分布情況，對礦區多個目標井進行了注入/壓降試井以及原地應力測試。對于注入/壓降試井獲得的數據，采用擬合分析法分析；而對于原地應力測試，則采用時間平方根法分析，并輔助以雙對數法進行驗證。最終獲取到了滲透率、儲層壓力、閉合壓力、破裂壓力等儲層參數見表1。由目標井試井成果中的數據可知，新疆阜康礦區煤層氣儲層大多處于一個偏低到正常的應力場中，且非均質性極強，滲透率極低但偶有甜點。

表1 試井成果表

3 地質建模與模擬

3.1 建模方法

3.1.1 地質構造

阜康地區選取目標層區域作為計算模型，圖1分別表示阜康礦區頂面構造圖以及A5煤層頂面構造圖。由于模型區域尺度足夠消除邊界影響，建模時不必擴大范圍。

圖1 阜康地區頂面構造圖

3.1.2 模型建立

根據地質文件圖1，在三維地質建模軟件Go CAD中建立新疆阜康地區地質模型，將其節點與單元數據導出為data文件后寫入input文件中導入abaqus中進行下一步更精細的計算。因為Go CAD自帶命名格式與abaqus能識別的不兼容，所以文件名盡量采用數字與字母的組合以免abaqus識別不了導致建模失敗。成功導入軟件中，采用實體單元（C3D8），對模型劃分單元網格，建立三維模型如圖2所示。為研究斷層周圍的地應力場變化和影響區域，對斷層和取樣區域局部地區網格進行細化加密。

圖2 地質建模圖

3.1.3 巖石力學參數

圖3為巖石力學建模圖，圖中層段巖性組合的力學參數是根據巖石力學實驗分析結果來確定的。根據已有的測井試井數據，賦予模型泊松比、彈性模量等力學屬性，并對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。不同層位的力學參數如表2所示。

圖3 巖石力學建模圖

表2 巖石力學參數表

3.1.4 加載方式

計算模型的加載方式是根據不同地質模型加以確定的。本次模擬分兩層進行。邊界條件采用四周約束，同時施加分布力載荷。力的大小根據反演模擬計算來具體加以確定。從現場測井數據中找到相應井的坐標，進而通過坐標對應到模型中的節點，最后導出該節點的應力值。

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

圖4 分布力載荷應力圖

3.1.5 約束條件

對模型邊界增加邊界條件結果如圖5所示。模型變形后擠壓量的分布趨勢與區域剖面的分布趨勢一致，產生的張裂縫為低角度；沒有應力歧異點。在模擬計算中，不斷細微地調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 建模結果分析

在建立地質模型和計算模型基礎上，運用ABAQUS有限元軟件，按線彈性理論對地質體中各單元內應力分布進行計算。再經過多次反復修正計算，直到符合各項反演標準以后，通過坐標轉換以后對輸出結果進行編程處理，即可得到該區現今應力場的三維空間分布，圖6和圖7分別表示斷層應力方向以及地應力的分布。計算結果用最大、中間和最小主應力產狀、大小以及差應力或最大剪切應力大小表示，應力符號采用力學上常用的符號，即拉為正，壓為負，應力單位為MPa。

圖6 斷層應力方向

圖7 地應力圖

部分地應力計算結果如表3所示，對比表1中試井成果，發現模型誤差不大，能較精確地反映礦區地應力情況，驗證了模型的準確性。CS11-X1井周最小主應力在14MPa左右，CS15-X4井周水平最小地應力平均17MPa左右。從圖6可以看出，由于斷層的存在，導致其附近的應力方向發生偏轉。因此，壓裂設計需要考慮斷層的影響。從圖7可以看出，由于斷層的存在，導致其周圍應力明顯小于附近地層的應力。

表3 地應力計算結果

圖8為阜康礦區儲層的力學模擬應力云圖，從圖中計算結果來看，阜康礦區儲層壓力變化較大，西部八道灣組 A2 煤層儲層壓力介于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 ，平均達到5.30×10-3MPa/m，屬于欠壓儲層，可能與煤層埋深較淺有關、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，基本處于常壓儲層。

圖8 力學模擬應力云圖

4 結束語

三維有限元數值模擬方法是定量研究構造應力場三維空間分布的有效手段，在充分分析研究區各種地質資料的基礎上，建立合理的地質模型和數學模型，可取得較好的研究效果。

阜康礦區現今應力場的分布相對穩定，A2、A5煤層基本處于常壓儲層，阜康礦區的構造應力場對煤儲層內煤層氣的運移以及保存條件有至關重要的影響。它們對合理開發井網的布置、壓裂改造方案的設計、水平井的部署和注水管理有重要指導意義。