本發(fā)明涉及油氣田勘探，特別是頁(yè)巖氣勘探、地?zé)峥碧降刃履茉纯碧筋I(lǐng)域，具體涉及一種適用于構(gòu)造擠壓狀態(tài)的地層最大水平主應(yīng)力計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、地應(yīng)力計(jì)算是地球物理勘探中的重要組成部分，對(duì)于揭示地下巖體的應(yīng)力分布和地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)規(guī)律具有重要意義。隨著地球物理探測(cè)技術(shù)和數(shù)值模擬方法的不斷進(jìn)步，地應(yīng)力研究逐漸從定性分析發(fā)展為定量計(jì)算，能夠更精確地反映復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)力狀態(tài)。目前的研究重點(diǎn)在于結(jié)合多種探測(cè)手段與理論模型，對(duì)地殼深部的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而為油氣勘探、頁(yè)巖氣勘探、地?zé)衢_發(fā)以及地震預(yù)測(cè)等領(lǐng)域提供科學(xué)依據(jù)。

2、地應(yīng)力計(jì)算方法的研究，旨在深入了解地殼中巖體所受的應(yīng)力狀態(tài)，這對(duì)工程建設(shè)、礦產(chǎn)開采以及地震預(yù)測(cè)等領(lǐng)域至關(guān)重要。目前，常用的地應(yīng)力計(jì)算模型包括黃榮樽模型（黃氏模型）、anderson模型和組合彈簧模型等。黃氏模型基于靜力平衡原理，提出了一種計(jì)算地殼中應(yīng)力分布的方法，能夠較好地解釋主應(yīng)力方向和應(yīng)力梯度的變化，在實(shí)際工程中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。而anderson模型通過(guò)分析地殼的三種主要應(yīng)力狀態(tài)，揭示了不同構(gòu)造環(huán)境下的應(yīng)力作用機(jī)制，尤其在構(gòu)造活動(dòng)頻繁的地區(qū)表現(xiàn)出較強(qiáng)的適用性。組合彈簧模型則從彈性理論出發(fā)，將巖體的應(yīng)力傳遞和變形過(guò)程類比為彈簧元件的聯(lián)合作用，使其能夠適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件和非均質(zhì)地層。

3、這些模型的提出和不斷完善，不僅為地應(yīng)力的計(jì)算和分析提供了重要的理論支持，也推動(dòng)了地質(zhì)工程領(lǐng)域的發(fā)展，為復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的應(yīng)力預(yù)測(cè)和防控提供了更加科學(xué)的工具。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、（一）本發(fā)明相對(duì)于常規(guī)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)分析

2、本發(fā)明對(duì)常規(guī)的地應(yīng)力計(jì)算的黃榮樽模型（黃氏模型）進(jìn)行了改進(jìn)，增加了一個(gè)修正項(xiàng)，提高了構(gòu)造擠壓狀態(tài)的地層最大水平主應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性；并設(shè)計(jì)了一套計(jì)算流程，適合于頁(yè)巖氣、地?zé)峥碧降刃履茉搭I(lǐng)域的勘探應(yīng)用。

3、（二）本發(fā)明的核心內(nèi)容

4、本發(fā)明提出了一種適用于構(gòu)造擠壓狀態(tài)的地層最大水平主應(yīng)力計(jì)算方法。在原有黃氏模型中，未充分考慮擠壓環(huán)境下的孔隙壓力和構(gòu)造應(yīng)力等因素的影響，往往導(dǎo)致計(jì)算的最大水平主應(yīng)力存在偏差，誤差較大。為了解決這一問(wèn)題，本發(fā)明通過(guò)引入最大差應(yīng)力修正項(xiàng)，提高了原黃氏模型的精度和適應(yīng)性，使其能夠更準(zhǔn)確地反映擠壓狀態(tài)下的應(yīng)力場(chǎng)。

5、一種適用于構(gòu)造擠壓狀態(tài)的地層最大水平主應(yīng)力計(jì)算方法的核心計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程如下：

6、由有效應(yīng)力原理，巖石的有效應(yīng)力與上覆地層壓力、地層壓力之間的關(guān)系為：

7、(1)

8、式中，是上覆地層壓力，單位：；是地層孔隙流體壓力，單位：；是地層的巖石骨架應(yīng)力，單位：。

9、針對(duì)擠壓狀態(tài)下的地層的應(yīng)力模型而言，最大水平主應(yīng)力大于垂向應(yīng)力，由此可以得到最大差應(yīng)力為最大水平主應(yīng)力與垂向應(yīng)力的差，即：

10、(2)

11、式中，是最大水平主應(yīng)力，單位：；是垂向應(yīng)力，單位：。

12、基于范桃園等（構(gòu)造成礦作用的地應(yīng)力分析：研究現(xiàn)狀與思考，現(xiàn)代地質(zhì)，2024年）“在擠壓環(huán)境下，孔隙流體處于靜水壓力狀態(tài)時(shí)，5km的最大差應(yīng)力約為160”，代入公式2可得到此時(shí)最大水平主應(yīng)力為285。

13、將參數(shù)代入黃榮樽提出的黃氏模型：

14、(3)

15、(4)

16、式中和分別為最小和最大水平主應(yīng)力，；為垂向地應(yīng)力，；為biot系數(shù)；為孔隙壓力，；為泊松比，無(wú)量綱；和為最大最小水平主應(yīng)力方向的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)，無(wú)量綱。

17、取泊松比為0.25，最大水平主應(yīng)力方向上的構(gòu)造應(yīng)力系數(shù)為一個(gè)常數(shù)，不同地區(qū)數(shù)值不一樣，本發(fā)明根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測(cè)值反演得到為0.283，代入公式4可計(jì)算得到最大水平主應(yīng)力約為96。

18、在超壓環(huán)境下，基于范桃園等（構(gòu)造成礦作用的地應(yīng)力分析：研究現(xiàn)狀與思考，現(xiàn)代地質(zhì)，2024年）“當(dāng)巖石內(nèi)部存在超壓流體時(shí)，在擠壓環(huán)境中，隨著孔隙超壓的增加、最大差應(yīng)力的減小，最大差應(yīng)力減小的幅度為孔隙流體壓力增加幅度的2.12倍左右”，即：

19、(5)

20、公式5中為最大差應(yīng)力的減少量，為孔隙流體壓力的增加量。

21、隨著孔隙超壓的增加，最大差應(yīng)力的減少可表示為：

22、(6)

23、此時(shí)最大差應(yīng)力為55，代入到公式2，將式中替換為，可得到此時(shí)最大水平主應(yīng)力為180。同樣的，將參數(shù)代入公式4可計(jì)算得到最大水平主應(yīng)力約為115。黃氏模型與有效應(yīng)力原理計(jì)算結(jié)果不符。

24、該計(jì)算實(shí)例采用公開的計(jì)算數(shù)據(jù)，僅用于說(shuō)明黃氏模型對(duì)于構(gòu)造擠壓狀態(tài)下的地層的地應(yīng)力計(jì)算的誤差較大。

25、因此，本發(fā)明通過(guò)對(duì)多個(gè)存在構(gòu)造擠壓狀態(tài)的頁(yè)巖氣勘探區(qū)、地?zé)峥碧絽^(qū)的地應(yīng)力的分析，在黃氏模型的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)最大差應(yīng)力與擠壓構(gòu)造的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，引入與最大差應(yīng)力相關(guān)的修正項(xiàng)，其中k是一個(gè)調(diào)整系數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出，提出了一個(gè)改進(jìn)的計(jì)算公式，改進(jìn)后的黃氏模型可以寫為：

26、(7)

27、公式7是本發(fā)明提出的適用于構(gòu)造擠壓狀態(tài)的地層最大水平主應(yīng)力的核心計(jì)算公式。

技術(shù)特征：

1.一種適用于構(gòu)造擠壓狀態(tài)的地層最大水平主應(yīng)力計(jì)算方法的具體步驟包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種適用于構(gòu)造擠壓狀態(tài)的地層最大水平主應(yīng)力計(jì)算方法，隸屬于油氣田勘探技術(shù)領(lǐng)域，特別是頁(yè)巖氣勘探、地?zé)峥碧降刃履茉纯碧筋I(lǐng)域，該方法通過(guò)對(duì)多個(gè)存在構(gòu)造擠壓狀態(tài)的頁(yè)巖氣勘探區(qū)、地?zé)峥碧絽^(qū)的地應(yīng)力的分析，在常規(guī)地應(yīng)力計(jì)算的黃榮樽模型的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)最大差應(yīng)力與擠壓構(gòu)造的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，引入與最大差應(yīng)力相關(guān)的修正項(xiàng)，提出了一個(gè)改進(jìn)的計(jì)算公式，提高了黃榮樽模型的精度和適應(yīng)性，使其能夠更準(zhǔn)確地反映擠壓狀態(tài)下的最大水平主應(yīng)力場(chǎng)。

技術(shù)研發(fā)人員：鄭涵賓,熊曉軍,張本健,周剛,鐘原
受保護(hù)的技術(shù)使用者：成都理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15