（海洋地质专业论文）有限元ansys软件在东营凹陷第三系油气成藏中的应用.pdf

摘要 构造应力场、温度场及两场的耦合场研究是石油地质领域最前沿的研究内容之 一。构造应力，热应力在有机质生烃和运移中发挥着重要作用。应用于地学中的有 限元法是利用数学、力学，地学中的有限个测点的应力资料来恢复盆地的构造应力 场。本文通过研究非线性弹塑性有限元的算法，利用弹性介质中流体运移的基本方 程及由基本方程推导的有限元公式，使用高级c a d 工具之一( 大型通用有限元分析 软件a n s y s ) ，进行了东营凹陷应力场的数值模拟。 通过对东营凹陷第三系沙四段( e s 4 ) 、沙三段( e s 3 ) 、沙二段( e s 2 ) 、沙 一段( e s l ) 、东营组( e d ) 、馆陶组( n g ) 、明化镇组( n m ) 7 个层系的构造应 力场进行模拟，结果表明：在东营凹陷第三系油气聚集区，利津洼陷、牛庄洼陷及 民丰洼陷多处于高值区，而中央隆起带应力值较低。中央隆起带相比其他三个洼陷 为有利的油气聚集区。e s 4 一e s 3 存在大规模的运移排烃；沙一期无明显油气运移现 象发生。 对东营凹陷第二系沙四段( e s 4 ) 、沙三段( e s 3 ) 、沙二段( e s 2 ) 、沙一段 ( e s l ) 、东营组( e d ) 、明化镇组( n m ) 6 个层系温度场模拟分析结果表明：东 营凹陷第三系牛庄、利津、民丰洼陷的热通量值一直处于高值区，而博兴洼陷热通 量值随深度变化，也有变化，且一直处于低值区。沙三期沙二期烃源岩已基本成 熟。牛庄、利津、民丰洼陷易进入生油门限而成熟生油。 对东营凹陷第三系沙四段( e s 4 ) 、沙三段( e s 3 ) 、沙二段( e s 2 ) 、沙一段 ( e s l ) 、东营组( e d ) 、明化镇组( n m ) 6 个层系的构造应力和温度场共同作用的 耦合场分析表明：民丰洼陷，牛庄洼陷，利津洼陷应变能量强，博兴洼陷应变能量 弱的特征；而单元总应变与应变能大小分布相对基本一致，中央隆起带的应变能比 以上四个洼陷都小。因此民丰洼陷，牛庄洼陷，利津洼陷易进入生油门限而成熟牛 油，向中央隆起带聚集油气，中央隆起带是有利的油气聚集区。 关键词：东营凹陷构造应力场温度场耦合场有限元 a p p l i c a t i o no ft h ef i n i t ee l e m e n ta n s y ss o f t w a r ei nt e r t i a r yo i l g a sa c c u m u l a t i o ns y s t e mo fd o n g y i n gd e p r e s s i o n a b s t r a c t s t u d y o nt e c t o n i c s t r e s s ，t e m p e r a t u r ea n dt h e i rc o u p l e df i e l d s c o n s t i t u t e so n eo ft h er e s e a r c hf r o m i e r sm o d e mp e t r o l e u mg e o l o g y , a s t e c t o n i ca n dt h e r m a ls t r e s s e sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n h y d r o c a r b o n g e n e r a t i o na n dm i g r a t i o no fo r g a n i cs u b s t a n c e t h eg e o l o g i c a la p p l i c a t i o no f f i n i t ee l e m e n tm e t h o di st or e s t o r eb a s i n st e c t o n i cs t r e s sf i e l du s i n gs t r e s s d a t ao ff i n i t e d e t e c t i n gp o i n t si nt e r m so fm a t h e m a t i c s ，m e c h a n i c s ，a n d g e o l o g y b a s e do na r i t h m e t i ca n a l y s i so fn o n l i n e a r , e l a s t i c p l a s t i cf i n i t e e l e m e n ta sw e l la st h ee l e m e n t a r ye q u a t i o no ff l u i dm i g r a t i o ni nt h ee l a s t i c m e d i aa n dt h ef i n i t ee l e m e n tf o r m u l ad e r i v e df r o mi t n u m e r i c a lm o d e l i n g f o rs t r e s sf i e l do fd o n g y i n gd e p r e s s i o ni sc a r r i e do u tb yu s i n gt h ea n s y s s o f t w a r ew h i c hi so n eo ft h ea d v a n c e dt o o l so fc a d n u m e r i c a lm o d e l i n go fs e v e nt e r t i a r ys t r a t i g r a p h i cl a y e r si n c l d u i n g e s 4 ，e s 3 ，e s 2 ，e sl ，e d ，n ga n dn mi nd o n g y i n gd e p r e s s i o nl e a d st ot h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：( 1 ) i nt h et e r t i a r yo i l g a sa c c u m u l a t i o ns y s t e mo f d o n g y i n gd e p r e s s i o n ，n i u z h u a n g ，l i j i 1 1a n dm i n f e n gd e p r e s s i o n sa r ei nt h e h i g hp o t e n t i a la r e a s w h i l et h ec e n t r a lu p l i f tb e l th a sar e l a t i v e l yl o ws t r e s s v a l u e ( 2 ) t h ec e n t r a lu p l i f tb e l ti sam u c hm o r ep r o s p e c t i v eo i lf i e l d ， c o m p a r e dw i t ht h ea b o v et h r e ed e p r e s s i o n s ( 3 ) e s 4a n de s 3f e a t u r el a r g e s c a l e m i g r a t i o na n dh y d r o c a r b o n e x p u l s i o n ，w h i l e n oo b v i o u so i l g a s m i g r a t i o ni sd e t e c t e di ne s 1 n u m e r i c a lm o d e l i n go ft e m p e r a t u r ef i e l df o rt h es i xt e r t i a r yl a y e r so f e s 4 ，e s 3 ，e s 2 ，e sl ，e da n dn mo fd o n g y i n gd e p r e s s i o nd e m o n s t r a t e st h a t t h e r m a lf u l xo fn i u z h u a n g l i ji na n dm i n f e n gd e p r e s s i o n sh a sa l w a y sb e e n h i 2 h e r ，w h i c hi si ns h a r pc o n t r a s tt ob o x i n gd e p r e s s i o nw h e r el o w e rt h e r m a l 如i xv a r i e sw i t ht h ed e p t h t h es o u r c er o c k si ne s 3a n de s 2h a v eb e e n m a t u r eo nt h ew h o l e c o n s e q u e n t l yn i u z h u a n g ，l i ji na n dm i n f e n g d e p r e s s i o n sa r ee a s yt ob em a t u r ea n dp r o d u c t i v e b a s e do na n a l y s i so ft h ec o u p l e df i e l db e t w e e ns t r e s sa n dt e m p e r a t u r e f i e l d si ne s 4 ，e s 3 ，e s 2 ，e sl ，e da n dn mo fd o n g y i n gd e p r e s s i o n ，i ti s c o n c l u d e dt h a tt h es t r a i ne n e r g yo fn i u z h u a n g ，l i ii na n dm i n f e n g d e p r e s s i o n si sh i g h e rt h a nt h a to fb o x i n gd e p r e s s i o n t h a tt h et o t a le l e m e n t s t r a i nf o r m sb a s i c a ll yal i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t hs t r a i ne n e r g y a n dt h a ts t r a i n e n e r g yo fc e n t r a lu p l i f tb e l ti sm u c hh i g h e rt h a nt h a to ft h ea b o v ef o u r d e p r e s s i o n s t h e r e f o r e ，n i u z h u a n g ，l i ji na n dm i n f e n gd e p r e s s i o n sg e t m a t u r ee a s i l ya n dp r o d u c eo i l g a sw h i c ht h e na c c u m u l a t e si nt h ec e n t r a l u p l i t tb e l t ，t h u sc o n s t i t u t i n gt h em o s tp r o s p e c t i v eo i lf i e l d k e y w o r d s ：d o n g y i n gd e p r e s s i o n ；t e c t o n i cs t r e s sf i e l d ；t e m p e r a t u r ef i e l d , c o u p l e df i e l d ；f i n i t e 。e l e m e n tm e t h o d 1 绪论 东营凹陷作为中国东部第三系断陷盆地油气最为富集的凹陷，经过近4 0 年 的勘探和开发，已做了大量研究工作和找到了大量的油气储量和产量，为中国的 石油工业做出了巨大贡献。但是随着目前勘探形势的进一步深化和勘探难度的进 一步增加，明显表现出勘探后劲不足。其中，最关键的问题之一是，缺乏新的技 术方法手段和思路。因此，本文利用目前在世界上较为先进的大型c a d 软件之一： a n s y s 有限元分析软件系统，通过对东营凹陷不同成藏层系构造应力场、温度场， 及两耦合场关系的模拟研究，分析油气成藏的动力学因素及其对油气成藏的控制 作用，揭示油气成藏的动力学机制，以期为下一步的油气勘探提供理论及勘探实 践上的依据和指导。 1 1国内外研究现状及进展 1 1 1a n s y s 软件的历史、发展及其特点 美国a n s y s 公司是1 9 7 0 年j o h ns w a n s o n 博士创建的，a n s y s 是一个融结构、 热、流体等于一体的大型通用有限元软件，功能强大、兼容性好、计算速度快， 是工程师们开发设计的首选。 a n s y s 软件从1 9 7 1 年的2 0 版本发展到今天的6 1 版本，从用户交互图形 到计算模块。应用数值方法和计算优化上都有巨大的改进。起初它仅仅提供结构 线性力学分析和热分析，到现在发展成为了一整套可扩展的、灵活集成、可以独 立运行的，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合的，各种模块综合集 成化的大型计算软件。a n s y s 最基本的模块包含了前处理、求解器以及后处理三 大部分。 另外，它是目前世界上唯一可以进行耦合场运算的有限元分析软件。 目前常用的数值模拟方法主要有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限 差分法。就广泛性而言，有限单元法在结构分析中的地位是不可替代的。它的基 本思想是将问题的求解域划分为一系列有限大小的单元，单元之间通过节点相 连，每个单元被看作是一个整体。单元内部任意位置的待求量只能够由单元节点 上的求解值通过选定的函数关系插值得到( 易日，2 0 0 2 ) 。由于设定的单元形状 简单，因此易于从平衡关系和能量关系建立节点量的方程式，通过求解所有这些 单元方程组合成的一个总体代数平衡方程组，最终获得复杂模型的近似数值解。 一个完整的a n s y s 应用分析，典型的分析过程分为3 个主要步骤： 1 ) 创建有限元模型 创建或读入限元模型 定义材料属性 划分网格 2 ) 施加载荷并求解 施加载荷及设定边界约束条件 求解 3 ) 看分析结果 查结果是否正确 1 1 2 油气成藏机理研究现状 油气成藏研究包括油气的生成、运移、聚集以及保存和破坏的各个环节，既 是石油地质理论的核心问题，又是勘探生产研究中的关键问题。自石油工业产生 以来，油气成藏机理大致经历了三个发展阶段： 第一阶段( 1 9 世纪末- - 2 0 世纪5 0 年代初) ，是油气成藏机理研究的初始阶 段，以沿背斜褶皱带分布油气藏分布油气藏的背斜学说或重力学说为代表。 第二个阶段( 5 0 年代中期一7 0 年代末) ，本阶段是在油气藏形成的基本条件 和形成过程分析的基础上，全面研究了油气成藏机理，同时建立了陆相石油地质 理论，包括：复式油气聚集带理论、二级构造带为油气聚集带理论、控制油气藏 形成的七要素“生、储、盖、圈、古、运、保”。 第三个阶段( 8 0 年代一至今) ，主要表现在通过先进的油气勘探技术和方法， 以及计算机技术和物理模拟技术进行系统的油气成藏的各项条件、机制和相互之 间有机配置关系的研究，同时进行油气成藏过程中的定量和半定量研究。 含油气系统的概念和研究方法是石油地质与勘探领域多年经验的总结，是目 前石油地质勘探专家概括的用以描述和评价远景圈闭和含油气区带的较为完整 的方法。 针对中国陆相断陷含油气盆地油气成藏和聚集规律，在勘探实践的基础上， 国内一些学者又提出了“源控论( 胡朝元等，1 9 6 4 ) 、“油气成藏系统 和“成 藏组合单元 ( 潘元林等，1 9 9 9 ) 、“油气成藏组合体 等概念。 二者之间的主要分歧点在于，是以“源”为核心还是以“藏”为核心划分 油气系统( 图1 - 1 ) ，原则不同，结果也不同。 潭 区 l 潭 区 卜- ( 璧萎黏盒幕) _ 一l ( 复式油气带。i 图l 一1 含油气系统与成藏组合体划分示意图 1 1 3 成藏动力学研究现状 油气藏的形成实际上是油气盆地在地球动力学背景上，地质历史中的沉积动 2 力学、热动力学、化学动力学、流体动力学等综合作用的结果。成藏动力学就是 以地球动力学为基础，以油气运移聚集的动力学系统和过程为核心，把油气的生、 储、运、聚、散联结为一个统一的整体，探讨盆地油气分布规律从而指导油气勘 探工作。 这一概念是由法国石油地质学家p e r r o d o n a 1 9 8 0 年在其专著7 8 0 02 3 0 0 0铲式 i 底南段 1 0 0 0 0 主东4 0 n w w s s w3 0 4 0 8 0 0 01 8 0 0 0铲式i 断段 层 平南 2 0 近 s e4 0 - 6 02 2 0 06 4 0 06 0 0 0 铲式 i n e 问西 1 8 近e w s3 0 - 5 04 8 0 02 2 0 0 3 5 0 0 铲式 i ，乜 段月 东 3 2n n es e e5 0 - 6 02 8 0 04 8 0 04 0 0 0 铲式 i 段 石村 4 0n ws w3 0 4 57 0 01 9 0 03 5 0 0 铲式i 基八面河 3 6n es e5 0 6 03 0 03 0 04 0 0 平面状 i i 底陈官庄 4 5n e en n w5 0 - 6 04 5 04 5 03 5 0 平面状i i i 次 级 博兴 3 5n e en n w4 0 - 6 01 2 0 01 2 0 0 1 0 0 0 平面状 i i 断 层 芏 胜北 5 0 近 s4 0 - 6 02 8 0 02 8 0 02 5 0 0 铲式 i i 皿 层 e w 主滨南 2 5n e es s e3 0 - 4 52 2 02 2 02 5 0 平面状 i i 要 中央带 5 0n e e n n w3 0 - 5 03 0 0 3 0 03 5 0 平面状 i i 断 主断裂 层 2 ) 洼陷带 洼陷带是在凹陷发展过程中长期持续沉降并具有一定生油能力的低洼构造单 元。本区主要包括利津洼陷、民丰洼陷、牛庄洼陷和博兴沣陷。这些洼陷是各种 砂、砾岩体推进的主要指向区。在本区还发育一种典型的塑性拱张构造一中央隆 起带构造。由于在东营凹陷孔店一砂四段，发育了巨厚的泥岩夹岩盐、石膏层， 当上覆地层达到一定厚度，地温不断升高，岩盐、石膏会发生大规模溶解、流动， 在上覆载荷差异压实和构造应力作用f ，引起地层上拱，形成张背斜。背斜顶部 发育大量张性正断层，沉积层顶薄翼厚，具同生性质。 3 ) 缓坡带 缓坡带主要包括缓坡断阶带和鼻状构造带( 王文林等，1 9 9 9 ) 。形成缓坡断阶 带一般为板式和铲式断层，多个断层在平面上平行排列，在剖面上形成斜列组合， 或构成反向断块。铲式断层附近往往构成坡折带，配合一系列的同向板式断层， 形成节节下降的台阶，有利于形成大规模的扇体，梁家楼低位扇就是典型代表。 其他如陈官庄、八面河一王家岗断阶带、博兴断阶带都是砂体发育( 蒋有录等， 2 0 0 3 ) 、油气成藏的有利部位( 刘震，2 0 0 3 ) 。缓坡带另一种重要的构造单元为鼻 状构造，包括金家一樊家鼻状构造带、纯化一草桥鼻状构造带、王家岗鼻状构造 带。 4 ) 中央隆起带 中央隆起带断裂可分为三部分：梁家楼一史南断裂带、郝家断裂带、东营一 辛镇断裂带。由n e - n e e 走向的多条次级断层在平面上成雁行排列或向北东方向 收敛的帚状断裂组合( 刘泽容，1 9 9 7 ) ，断面多为平面式或铲式。断层倾角3 9 4 8 。c ， 断层长度4 7 2 k m 。断层主要发育时间为沙三段一沙二段。 2 2 6 第三系地层、沉积特征 东营凹陷的沉积发育特征和沉积发育史明显受构造控制( 李春光，1 9 9 4 ) 。沙四 期凹陷内分别受控于北部陈南断裂和南部石村断裂带的两个沉降中心；从沙三期 开始凹陷裂陷作用和扩张作用明显增强，盆地沉降幅度大，扩张速度加快，区内 主要断层处于发育高峰时期。沙三期由于快速的断陷和扩展，区内形成了大面积 的深水湖盆，广泛发育暗色泥岩，是凹陷生油岩最有利发育期( 表2 3 ) 。 对东营凹陷油气聚集起重要作用的东营三角洲，于沙三- 卜沉积期开始发育，同 时扇三角洲朵体沿湖盆边缘断裂带分布；至沙三中沉积期，东营三角洲前缘朵体 已推进到缓坡构造坡折带部位，并受陈官庄一王家岗断裂带活动的控制；沙三上 沉积期，东营三角洲前缘已推进到该断裂控制的湖盆范围之内。沙二下沉积期， 凹陷已基本上被河流占据，盆地周缘地形开始趋于平缓，局部断层仍有较强的活 动性，并控制了沙二卜低位扇体的发育。某些次级断层的活动控制了冲积平原内 分流河道的延伸和展布。沙二上至东营期是瓮地另一个裂陷作用幕，瓮地的构造 活动性有所增强，盆地范围扩大，水体变浅，水域扩大，但其活动的强度和幅度 均小于沙三期断裂的活动。 2 2 7 东营凹陷油气聚集特征 东营凹陷是华北地区地区最早发现工业油流，探明程度最高的一个凹陷，目 前已探明油气面积占凹陷的1 6 ，从凹陷整体看，油气的分布、运移、聚集的 规律性很强，但受局部地区的构造、断裂、沉积、生储盖组合和成油条件的控制 ( 李春光，1 9 9 0 ) 。 1 ) 成藏基本要素分析 表2 3 东营凹陷新生界地层简表 地层厚度( m )简要岩性沉积环境 界系统组段代号 新第全平原q p 2 5 0 3 5 0 灰，黄色粘土河粉细近海冲击平原， 生四新组砂三角洲 界系统 上上明化n m1 0 0 1 2 0 0 棕色，棕红色泥岩和近海冲击平原 第新镇组灰色，灰黄色粉砂岩 统 系中馆陶 n g 2 0 0 4 0 0下部厚层灰色砾岩，下部冲击扇，辨 新组 含砾砂岩，砂岩夹紫状河，上部曲流 统红色，灰绿色泥岩，河为主 上部紫红色，泥岩， 灰绿色，泥岩与粉砂 岩互层 下渐东营e dl o o 8 0 0 灰色，灰绿色，少量 河流，三角洲一 第 新 组紫色泥岩与砂岩等 湖泊 统厚互层 系 沙 e s l0 4 5 0 灰色，深灰色，灰绿湖泊一三角洲一 河段色泥岩夹砂岩，生物湖泊 街灰岩，白云岩 组e s 2 上0 3 5 0 紫红色，灰绿色泥岩湖泊一河流 段 夹砂岩，含砾砂岩及 砾岩 始 e s 2 下0 2 0 0 灰绿色，杂色泥岩和河流，三角洲一 新砂岩夹碳质页岩，含湖泊 统砾砂岩 e s 3 上0 5 0 0厚层块状砂岩和砂河流，三角洲一 段岩夹碳质页岩，含砾湖泊 砂岩薄层 e s 3 中0 7 0 0深灰色浊积岩，砂 河流三角洲一浊 岩，粉砂岩 流 e s 3 下0 4 0 0 深灰色泥岩，油页岩湖泊一浊流 夹浊积砂岩 四e s 4 上0 4 0 0 灰色泥岩，油页岩及 咸水湖泊 段砂岩，砾岩，膏泥岩 e s 4 下0 1 0 0 0 紫红色泥岩，灰色砂河流一盐湖 岩，砾岩及膏泥岩 古孔e k lo 1 3 0 0 紫红色泥岩，砂砾岩河流一盐湖 新店段及膏盐岩 统 组e l ( 2 0 9 0 0紫红色泥岩，灰色泥冲击扇，局限湖 段岩及砂岩泊 1 3 图2 4 东营凹陷油气田分布圈 烃源岩 东营凹陷沙四上亚段和沙三段是本区主要的生油层系。沙四上亚段生油岩系 以暗色油页岩、深灰色泥岩为主，利津洼陷生油岩厚2 0 0 一3 0 0 1 1 i ，牛庄洼陷厚2 5 0 - - 3 0 0 m ，博兴洼陷厚1 0 0 - - 2 3 0 m ，其他地区1 5 0 m 左右。沙三段则以暗色泥岩为 主，且从卜而上，泥岩的颜色由深变浅。沙三r 亚段主要为深灰色泥岩，厚度 2 0 0 一3 0 0 m ，主要分布于四个沣陷中心；沙三中亚段主要为深灰色泥岩，在利律、 牛庄洼陷，厚度达5 0 0 m 。其他洼陷厚度2 5 0 - - 3 0 0 m ；成熟生油岩仅限于利滓和牛 庄洼陷。 储集层 东营凹陷下第三系沙四段、沙三段、沙二段、沙一段、东营组：上第三系为 馆陶组、明化镇组。 前第三系储集层主要为太古界花岗片麻岩，古生界碳酸盐岩，中生界砂砾岩 体、潮滨滩坝砂体、湖相碳酸舳岩、河流相砂岩体及冲积、洪积砂砾岩体等。 上第三系储集层岩性多为河流相砂、砾岩，部分为冲积、洪积砂、砾岩体及 席状砂体。( 潘元林，姚铣等，2 0 0 0 ) 各种储集岩体在凹陷周围交互叠置，同时，凹陷周围也是第三系构造带的发 育地带，加之断层的通道作用，使洼陷内生成的油气运移到这些储油岩体内，并 聚集到第三系圈闭之中，从而形成油气在平面上呈环带状分布于洼陷周围，并聚 集于以第三系构造油气聚集带为主体的各种复式油气聚集带内的聚集特征( 李丕 龙等2 0 0 0 ) 。 盖层 东营凹陷发育良好的区域性盖层主要为沙一段。沙一段厚度最厚达4 0 0 m ， 以还原相泥岩为主的潮相沉积，埋深1 5 0 0 - - 2 2 0 0 m 。沙二段、三段湖相泥岩和三 角洲平原相的泥岩段是较好的局部性盖层。 2 ) 油气的分布及聚集的规律 东营凹陷具有多含油气层系、多种储集层和多种油气藏类型的特点，油气的 分布与聚集受多种因素的控制。在东营凹陷内形成多洼的特点，即利津、牛庄、 民丰和博兴4 个沣陷。如图所示，东营凹陷油气的平面分布围绕沣陷呈环带状或 复合环带状。平面分布特征是以利津、牛庄为中心，各含油气系统呈环状、半环 状分布于生油区的周缘。油气的环带状分布与古地温、古应力场及古流体势之间 具有内在联系( 刘兴才等，1 9 9 6 ；李春光，1 9 9 6 ；郑和荣等，1 9 9 7 。) 。此外，环 带状分布也受到块断活动的控制，块断运动控制生油洼陷的形成、各类储集层的 发育、各种类型圈闭的形成和油气聚散。 总而言之，东营凹陷油气的分布及聚集的规律有如下认识： 东营凹陷排烃方向由生油中心向外，故油气区多位于生油区附近并呈环带状分 布。 东营凹陷具有不同的复式油气聚集带模式( 杜贤樾等，1 9 9 6 ) 。所谓复式油气 聚集带是指具有相同成因，或成因上有联系的多层系，多种类型的圈闭有规律地 共生或出现在同一构造单元的不同部位，构成较大规模的复式圈闭带( 其背景是 各构造单元) ；在主要油源区的控制下，处于油气运移指向，在聚集油气后即形 成以一种油气藏类型为主，而以其它类型为辅的多种油气藏群体。它们在纵向上 相互叠置，平面上相互连片，形成较大规模的复式油气聚集带。 3 有限元基本原理概述 有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方 式相互联结在一起的单元组合体。 地应力研究是石油地质领域最前沿的研究内容之一。在油田应力场的研究 中，构造应力常指由于构造运动引起的地应力增量。构造应力一方面在促进有机 质向烃类转化的过程中提供了能量：另一方面也是油气运移、聚集的驱动力。现 今地应力的研究主要有水力压裂法、井壁崩落法、岩组法、光弹物理模拟试验法 ( hjp e n ge t c ) 等，但由于直接测试的数据存在大量不定因素，多数成果精确 度不高。应用于地学中的有限元法是利用数学、力学、地学中的有限个测点的地 应力资料，来恢复盆地的构造应力场。将有限元法引入古构造应力场的研究中， 为油气田勘探提供了重要参考依据( 陈志德等，2 0 0 2 ) 。 有限元是固体力学中的一种数值方法。固体力学的变量是位移、应变和应力。 这些变量要同时满足连续方程、平衡方程、本构方程和边界条件。其中本构方程 是描述介质固有性质的方程。目前有弹性、弹塑性、粘弹性等不同类型的本构方 程。本文中，我们采取的本构模型是非线性弹塑性模型( 王勖成等) 。 3 1 有限元基本方程( 线弹性) 1 ) 平衡方程： 等+ 等+ 誓+ 叉= 。 孥+ 孕+ 孥+ 萝：o 缸却七 堕+ + 鎏+ 艺= o 孤巩a z 2 ) 连续方程( 也叫几何方程，位移与应变) 斜= 罢，考，警，考+ 罢，塑i ) z + 面o w 害+ 茅 3 ) 本构方程 纠= 【d ) 4 ) 边界条件 q ，= g x l + k 朋+ v = n q y = z 汀l + o y m + f 弘n qz = t 搏l + t 叮m + o z r l 1 6 3 2 线弹性有限元的基本步骤 1 ) 弹性体的离散( 划分单元网格，确定单元模式) 。 2 ) 建立单元内一点位移与单元结点位移的关系( 也就是确定形函数) 不同的单元 其形函数是不一样的。 p ( j ，少) ) = 【( x ，y ) p 。) n ( x ，y ) 是形函数 3 ) 建立单元内任一点应变与单元节点位移的关系 k ( x ，y ) ) = 陋。) 陋】为几何矩阵( 也叫应变矩阵) 4 ) 建立单元内任一点应力与单元节点位移的关系 p ( 工，y ) ) = 陋。) 陋】为应力矩阵 5 ) 建立单元节点位移与节点力的关系 k 。j _ k 。怡。) 6 ) 整体分析 k 凇) = p ) 由以上分析可知，关键是确定形函数和几何矩阵。形函数根据不同的单元模式 确定，而陋】在空间分析中是按如下式确定的： 陋，】_ l ，】为雅可比矩阵 其中 o n i 砂 a n i 砂 3 n i a z = i j 一1 b n i a 孝 a n i a 7 7 3 n ， a f 1 7 盟芘。盟孤 。巩i叭一砂 巩一砂巩i o o o盟玉 。盟砂。 巩i o o 式中偕，刁，f ) 为单元局部坐标。 如果采用8 节点等参单元，则形函数为 m = 丢( 1 + 彘) ( 1 + ) ( 1 + 磊) 其中考o i 善q o = r j r 考o = 考i 考 3 3 非线性弹塑性有限元数值模拟的原理 1 ) 线弹性有限元的基本步骤： 首先做弹性体的离散( 划分单元网格，确定单元模式) ； 再建立单元内一点位移与单元结点位移的关系( 也就是确定形函数，不同的 单元其形函数是不一样的) ，p ( 石，y ) ) = 【( x ，y ) 8 ) ，n ( x ，y ) 是形函数； 建立单元内任一点应变与单元节点位移的关系，叠( x ，y ) ) = 陋8 ) ，陋】为几 何矩阵( 也叫应变矩阵) ； 建立单元内任一点应力与单元节点位移的关系，协( x ，y ) ) = 豳黔。) ，i s 】为应 力矩阵； 建立单元节点位移与节点力的关系，i f 8 j - k 。怡。) ； 最后整体分析为k 弦 = p ) 。其中k 】为整体刚度矩阵，侈) 为单元内任一点 的位移， p 整体结构节点载荷。 2 ) 弹塑性有限元数值模拟方法和步骤 在弹性阶段，应力与应变之间存在着一一对应的关系，即遵循广义的胡克定 律。进入塑性状态后不再存在应力与应变的一一对应关系，只能建立应力增量与 应变增量的关系，通常的做法是线性塑性本构关系，即将外载分成若干增量，然 后将每一荷载增量下的弹塑性方程线性化，这种用增量形式表示的材料本构关 系，称为增量理论或流动理论，其本质是利用一系列的线性问题拟合非线性。对 于弹塑性增量理论的有限元法，目前一般都是采用增量法求解，在每个增量步内 有时还要进行几次迭代计算，现将其基本算法说明如下： 由本增量步开始时的应力矩阵计算弹塑性矩阵 o e l ，l 。由塑性力学可知， 在d r u c k e r 公设成立的条件下，此时的塑性本构关系称为相关连的流动法则，在 这种条件下i d ，。i 是对称矩阵，当采用非关联流动法则是，弹塑性刚度矩阵是非 对称的。 计算各单元切线模量，形成整体切线刚度矩阵，再计算荷载增量，在这里 需要说明的是：对于应变软化材料，如采用全量法进行计算，无论是用变刚度法 1 8 还是常刚度法，只要在计算割线模量或初应力时考虑应变软化的影响即可，但采 用增量法计算时在应变软化段切线模量为负值，使刚度矩阵非正定，这就导致计 算上发生困难，克服这一点一般采用的措施有两个，一个是在计算刚度矩阵时对 于软化段取e = o 或者一个很小的正数，另外一个是在应力增量a a 计算中，在应 变软化段取实际的e 值。 由荷载增量计算各高斯积分点的应变矩阵； 根据弹塑性本构方程 仃) = 陋】。 ) 和屈服条件式，( p ) e ，七) = 0 ，计算 应力增量，应当注意的是全部应力和应变都是在高斯积分点上验算的，以决定该 点是否进入塑性状态，因此一个单元可能一部分进入了塑性状态，而其余部分处 于弹性状态。对于每一个荷载增量，必须决定哪一部分是弹性的和哪一部分是产 生塑性应变的，并调整应力和应变值直到屈服条件和本构方程都被满足。 计算试探应力矩阵，这是因为施加荷载增量后，对于任一点，我们不知道 其应力是处于弹性还是塑性状态，就暂时忽略材料的塑性，由 p 。j = 妙l + p 】。 l + ，计算试探性的应力，并将它代入屈服条件式，如果它被 满足，表明此材料的行为是弹性的。当屈服条件被破坏时，则表明该积分点已进 入塑性状态，这时又可分为两种情况：一种是增量步开始时的应力处于屈服曲面 以内；另一种情况是开始时的应力正好处于屈服面上。 计算单位体积内的塑性功和塑性应变增量； 计算应力修正向量f 衍，这是因为在上面中作了两处近似导致后一步末的 应力不会严格满足屈服条件。随着计算的进行这种误差会积累的，因此有必要进 行修正( 假设修正是沿着屈服曲面的法线方向进行的) ，将应力拉回屈服曲面上， 修正应力后，算出新的应力矩阵即为所求的本增量步的应力荷载增量 bd 1 协 ：一。! 筵g 竺!，p l + 。= 矽。) + 么仃。) 一丛仃) ，+ 衍) ；计算本步末 。 p 盯，p 仃j 失衡力 丸 并合并于下步的载荷增量 p 槲 中去。 以上f 为屈服曲面函数，对于本文所讨论的土体和岩体等材料它的屈服曲面 函数就比较复杂，硬化和软化现象十分明显，应用弹塑性有限元方法进行精细的 分析是比较费事的。为了确定相关的参数需要进行相当复杂的实验，一般采用实 用的简化的模型，目前适用于增量法的简化模型有：含有一个可变模量e ( t ) 的各向同性模型；含有两个可变模量k ( t ) 和g ( t ) 的各向同性模型；正交异 性和等效单轴应变模型。 对于岩体等材料，当高斯点应力达到破坏后，应当注意从破坏强度到剩余强 度的变化。这是由于材料达到破坏强度后的行为有两种典型的表现：一种是应变 软化材料，从破坏强度逐渐降到剩余强度；一种是脆性材料，材料从破坏强度突 然降到剩余强度。对于岩石来说其剩余抗拉强度r ，。通常取为零，其剪切破坏条 件为，= i 叫+ 吆矽一c = o ；剪切破坏后的条件为，= h + 卿妒一c = o ( 式中c 为 剩余凝聚力，矽为剩余内摩擦力) 。 1 9 另外当加载过程中应力偏量各分量之间的比值保持不变，或者加载路径渐趋 于一条简单的加载路径时也可以建立用全量形式表示的应力一应变关系，即弹塑 性全量理论有限元法，增量法理论适用于简单加载的情况。它主要基于三个基本 假设：体积的改变是弹性的并与静水应力成正比；应变偏量与应力偏量相似且同 轴；单一曲线假设即不论应力状态如何，对于同一种材料，等效应力仉与等效 应变e 之间有确定的关系。 4 有限元在构造应力场模拟中的应用 根据咀上原理，我们使用高级c a d 工具之一：大型通用有限元分析软件a n s y s 进行了东营凹陷应力场的数值模拟，具体的操作步骤为，首先给定作用于东营凹 陷外力的类型、大小和方向，即确定应力边界条件( 吴淦国等，2 0 0 1 ) 。此处模 型施加力系的作用形式为n n w 3 3 0 。 s s e 向引张和右行剪切联合力系，力的大小分 别为2 5 k g c m 2 和15 20k g c 一。( 剪切力：平行于引张力作用边界) ；其次确 定位移边界条件。在实际东营凹陷地质体上取一定的高度、宽度和厚度的三维体， 并且在其底面采用y 方向的约束，在四个底点施加x 、z 方向约束以保证模型没 有整体的刚体平动和转动；最后再根据各层的厚度分层，提供各层的弹性模量， 泊松比。运行结果建立了外力承载下的本区三维地质模型，得出东营凹陷第三系 沙四段( e s 4 ) 、沙三段( e s 3 ) 、沙二段( e s 2 ) 、沙一段( e s l ) 、东营组( e d ) 、 馆陶组( n g ) 、明化镇组( n m ) 7 个层系各层应力一形变场分布的等值线图件。 4 1 模型建立及参数的选取 研究区第三系由f 至上分为孔店组( e k ) ，沙河街组( e s ) ，东营组( 酣) ， 馆陶组( n g ) 和明化镇组( n m ) ，其中沙河街组( e s ) 自f 往上进一步分为沙 四段( e s 4 ) ，沙三段( e s 3 ) ，沙二段( e s 2 ) 和沙一段( e s l ) 。岩性主要为湖相 和河流相沉积的砂、泥岩、含砾砂岩、碳酸盐及膏岩等。 为了使模型建立更具合理性和有效性实际工作中，选用从南) u h l 依次跨越 通2 9 ，通4 通5 2 ，牛2 4 ，河1 2 5 ，河5 1 ，营l i ，营8 6 ，坨l ，计9 个实际井 位的连续实际剖面，作为研究之用。这条剖面穿越了东营凹陷主要的几个构造单 元和跨越了几个主要的油气聚集中心( 图4 - 1 ) ，其地层单元的厚度见表4 一l 和 岩石力学参数见表4 2 。 r a , l - - l 一乏暑：囊。髯 f 一上乏：卢象对孳： 黪溅 二赢一，一、1 7 7 爹 表4 1 各层厚度图 时间 平均厚 段地通2 9通4 通5 2牛2 4河1 2 5河5 l营1 1营8 9坨l 度( k r a ) 层 e d0 3 81 21 2 5o 8o 81 5 21 41 71 21 1 3 8 9 e s l 0 4 5o 6 80 6 2o 7 5o 7 5o 7o 6 5o 6o 50 6 3 3 3 e s 2 o 2o 2 3o 2 80 2 5o 2 50 4 5o 5 5o 70 4 80 3 7 6 7 e s 3 1 o 2o 2 90 4 5 o 6 5 o 6 5o 5 5o 60 8 5o 8o 5 6 e s 3 2 0 5 5o 3 9o 9 21 6 51 6 5o 9 51 7 5o 91 3 81 1 2 6 7 e s 3 3 0 3 5o 20 9 41 0 51 0 5o 6 51 0 5o 81 1 50 8 0 4 4 e s 4 0 3 20 4 5o 5 5o 5 2o 5 20 4 5o 6o 5 5o 7o 5 1 7 8 e d1 0 5 5 63 3 3 3 3 3 4 7 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 2 2 2 23 8 8 8 94 7 2 2 23 3 3 3 3备注： e s l 1 2 51 8 8 8 9 1 7 2 2 22 0 8 3 3 2 0 8 3 31 9 4 4 41 8 0 5 61 6 6 6 71 3 8 8 9次处的 e s 2 5 5 5 5 6 6 3 8 8 9 7 7 7 7 8 6 9 4 4 4 6 9 。4 4 4 1 2 51 5 2 7 81 9 4 4 41 3 3 3 3单位： e s 3 1 5 5 5 5 6 8 0 5 5 61 2 51 8 0 5 61 8 0 5 61 5 2 7 81 6 6 6 72 3 6 1 12 2 2 2 2k m ( 根 e s 3 2 1 5 2 7 8 1 0 8 3 32 5 5 5 64 5 8 3 34 5 8 3 32 6 3 8 94 8 6 1 12 5 03 8 3 3 3据图件 e s 3 3 9 7 2 2 2 5 5 5 5 62 6 1 1 l2 9 1 6 7 2 9 1 6 71 8 0 5 62 9 1 6 72 2 2 2 23 1 9 4 4比例计 e s 4 8 8 8 8 91 2 51 5 2 7 8 1 4 4 4 41 4 4 4 41 2 51 6 6 6 71 5 2 7 81 9 4 4 4算) 表4 - 2 ：三维模型岩石力学参数 地层岩性弹性模量( e ) ( m p a )m n m + q 泥岩1 6 1 0 3 0 3 3 n g 砂岩 3 0x1 0 30 2 9 e d + e s l砂岩4 3x1 0 3 o 2 6 泥岩 3 5x1 0 30 2 8 e s 2沙泥岩 5 0 1 0 3o 2 5 e s 3 中+ 上 泥岩 5 6 1 0 3 0 2 4 e s 3 下m 2砂泥岩 6 0 1 0 3o 2 3 基岩7 5 1 0 3 0 2 0 构造岩 5 1 0 30 3 8 ( 取自信荃麟等东营凹陷岩性油气藏成藏动力学机制和预测2 0 0 2 ) 采用以上参数，利用有限元分析软件a n s y s ，建立的研究区长4 c m 宽2 c m 的三维数据体模型如下图所示：( 比例尺为：l ：3 5 x1 0 3 ) 。 图4 - 2 东营凹陷有限元模型 4 2 数值模拟结果分析 使用a n s y s 软件，对东营凹陷沙四段( e s 4 ) 、沙三段( e s 3 ) 、沙二段( e s 2 ) 、 沙一段( e s l ) 、东营组( e d ) 、馆陶组( n g ) 、明化镇组( n m ) 不同层系构造应力 一应变场进行模拟的结果如下图所示。 图4 - 3 东营凹陷沙四段( e s 4 ) 受力变形图 图4 - 4 东营凹陷沙四段( e s 4 ) 单元总应力图 图4 5