页岩气储层三维地应力场计算与压裂仿真研究

摘要

丁山构造带位于四川盆地川东南地区，四川盆地及其周缘地区是我国最早发现页岩气的地区，被认为是最具潜力的页岩气勘探地区，丁山构造带页岩气储层断层和裂缝十分发育，是有利的储集区域，然而目前对该区域的现今地应力研究精度较低，制约该地区后续油气勘探开采的进展。本论文以丁山构造带为例，首先综合地质、地球物理、测井及录井资料，在对该区域地质构造发育特征总结分析的基础上，确定目的层上志留统龙马溪组的地质模型，建立相应几何模型，通过三轴力学试验、测井数据确定研究区域内力学参数，结合录井和压裂资料，确立边界条件，运用Ansys将地质模型转化为有限元模型，对该地区目的层进行现今地应力场数值模拟。通过数值模拟及分析，丁山地区上志留统龙马溪组，水平最大主压应力应力范围在35MPa-130MPa，总体表现出从东南部向北部逐渐增大的趋势，最大值在北部边缘区域；水平最小主压应力应力范围在25MPa-100MPa，总体上表现出从东南部向西北部逐渐增大的趋势，最大值出现在西北角；丁山地区整个目的层垂直主压应力应力范围在25MPa-170MPa。由于垂直压主应力主要受地层深度影响，总体上表现出埋深大的地区垂直主应力大。龙马溪组最大、最小主压应力以及垂直主压应力大小模拟结果和实测结果的总体相对误差为3.9%，吻合率达到96.1%；水平最大主压应力方向模拟结果误差为9.76%，吻合率达到90.24%，误差在允许范围内，结果可以用于后续应用。 其次，通过对该地区现今地应力场的分析，该地区水平地应力的分布与构造形态的变化有一定的规律，因此在丁山地区现今地应力场研究基础上，建立褶皱构造应力模型。认为地应力变化随曲率变化增大而发生明显变化，主要影响范围为曲率半径|K|＞0.001的范围内，整体表现为构造转折端受曲率变化影响大，翼部受曲率变化影响小，根据研究提出理论模型的地应力关系式，揭示褶皱地区地应力分布的非均匀性。 最后，基于研究区现今构造格架，结合岩石力学参数测试结果，构建相应的现今地应力场计算模型，以岩心声发射实验测试、水力压裂及测井资料等确定的井孔地应力特征为约束，确定研究区现今地应力场展布特征。在以上研究的基础上，进一步分析现今地应力场特征及不同方位天然裂缝的存在对压裂裂缝方位的影响，当不存在天然裂缝时，井孔周边的张应力和张应变特征主要受地应力场特征所控制，水力压裂缝走向平行于水平最大主应力方向，沿水平最小主应力方向张开；当天然裂缝存在时，当天然裂缝介质抗张强度小于等于围岩抗张强度2/3时，只要天然裂缝走向与水平最大主应力夹角不超过30°，水力压裂时就会沿天然裂缝张开；当两者抗张强度为3∶1时，只要天然裂缝夹角不超过45°，水力压裂时均可能张开；当裂缝夹角超过45°时，水力压裂沿水平最大主应力方向产生新的裂缝。

目录

声明

第一章前言

1.1研究目的及意义

1.2研究现状及存在问题

1.2.1研究现状

1.2.2存在问题

1.3研究内容和技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

第二章研究区地质特征

2.1区域地质背景

2.2区域地层发育特征

2.3区域构造特征

2.3.1区域构造演化

2.3.2川东南丁山地区构造格架

第三章岩石力学参数计算与三维展布

3.1研究区岩石力学参数实验研究

3.2岩石力学参数确定理论方法

3.3单井岩石力学参数研究

3.3.1纵横波波速度之间的关系

3.3.2动态岩石力学参数确定

3.3.3静态岩石力学参数确定

3.3.4单井岩石力学参数剖面

3.4三维岩石力学参数计算及展布

第四章丁山地区现今地应力场计算

4.1丁山地区及其周边区域现今应力状态

4.2丁山地区地应力反演

4.3丁山地区地应力计算模型建立过程

4.3.1几何模型建立

4.3.2有限元模型建立

4.4模型边界条件的确定与结果分析

4.4.1模型边界条件试算

4.4.2模型计算结果分析

4.5模拟结果的检验

第五章褶皱地区地应力分布特征研究

5.1褶皱地层地应力计算力学模型与影响敏感性分析

5.1.1褶皱影响的应力场有限元模拟计算及分析

5.1.2研究区地应力修正公式的建立

5.2褶皱地层地应力研究意义

第六章水力压裂有限元计算

6.1理论分析

6.2天然裂缝对压裂影响

6.2.1天然裂缝模型建立

6.2.2模型计算结果分析

6.2.3压裂裂缝扩展方位分析

结论

致谢

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢