基于角点网格数据模型的三维构造应力场模拟研究

论文摘要

构造应力对构造过程和油气的运移、聚集和油气藏的形成起着重要作用。已有的研究成果和实践经验表明：构造应力场的发展演化不仅控制了含油气盆地的形成和盆地内构造的形成及分布,还影响着生、储、盖层的发育及油气生成、运移、聚集的整个过程。主要表现为：一方面构造应力为油气生成、运聚提供能量；另一方面构造应力是驱动油气运移的主要动力,也是异常压力形成的重要因素,影响油气在岩石中的流动状态、速率等；在不同演化阶段,构造应力场不同,所发生的地质事件也相应有所不同,这些地质事件相互联系、互为因果,对于油气运移,流体势和异常压力的变化至关重要,因此需要进行不同地质时期的构造应力场模拟。考虑到目前应力场的研究主要是基于平面的二维分析,而随着油气成藏过程三维模拟的发展,构造应力场的三维数值模拟显得越来越重要。本文从三维空间角度出发,基于以不规则六面体单元为基础的角点网格数据模型,分析并研究了基于弹性力学的三维有限元法,并将其应用到了三维构造应力场的数值模拟之中。对有限元求解法进行了分析与研究并提出计算方法。从创新性来说,已有的三维应力场数值模拟大都基于已有的应力模拟软件实现,且在三维方面没有做到真正意义上的三维,均为以面模型组合得出的。本文基于角点网格数据模型进行三维数值模拟的编码实现,此处的角点网格数据模型即为真正意义上的三维体模型。实现的功能通过模拟能得出完整的三维空间应力场,包括了主应力的大小和方向在水平和垂直方向的所有信息。角点网格模型具有特有的优势,该数据模型的特点在于,各个不规则六面体在一定程度上是单独存在的,即相邻单元之间能出现断开与滑动。每个节点的z坐标都会存储8次,这8个值能体现出相邻单元之间是如何连接在一起,是存在断层还是紧紧相连等。这一特点导致了它能更符合实际地质条件地体现出研究区域的地质构造情况,包括了断层与裂缝等。这保证了模拟结果能更加准确地体现实际情况。一般的二维构造应力场的模拟忽略了垂向上的应力及应变分析,没有考虑地层之间的相互影响,而本文实现的三维构造应力场的数值模拟则充分考虑了这些因素,能得出更全面的应力场信息,这保证了模拟结果的完整性和实用性。最后本文基于前述的方法原理和算法研究,编程实现了对应的构造应力场数值模拟功能。包括了二维和三维的构造应力场数值模拟功能。并将实现的功能应用到了东营凹陷的牛庄-王家岗地区。在该区域进行了构造应力场的三维数值模拟。包括了角点网格数据模型的建立,以及构造应力场的模拟及结果存储与显示分析。牛庄洼陷属于东营凹陷南部的次级洼陷,从模拟结果分析可知,模拟所得应力场与牛庄洼陷实际构造变形相符合。因此证明该方法和模型能很好的应用于油气成藏模拟领域进行三维构造应力场模拟。

论文目录

• 作者简介
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 选题意义
• §1.2 国内外研究现状
• §1.3 存在问题及发展趋势
• §1.4 研究内容和研究方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 第二章 构造应力场基本原理
• §2.1 构造应力场概述
• §2.2 应力原理分析
• 2.2.1 平面应力与应变方程及模型
• 2.2.2 三维应力与应变方程及模型
• 2.2.3 主应力迹线的绘制原理
• 第三章 三维有限元法应力场模拟
• §3.1 角点网格数据模型概述
• 3.1.1 角点网格模型结构剖析
• 3.1.2 角点网格模型数据文件剖析
• §3.2 基于角点网格模型的三维有限元法研究
• 3.2.1 有限元法概述
• 3.2.2 基于角点网格数据模型的三维有限元法
• §3.3 模拟结果约束反演
• 第四章 构造应力场模拟功能的实现与模拟试验
• §4.1 构造应力场数值模拟功能的实现
• §4.2 理想模型模拟试验
• 4.2.1 平面理想模型的应力场数值模拟
• 4.2.2 三维理想模型的应力场数值模拟
• 第五章 胜利油田牛庄-王家岗三维构造应力场数值模拟
• §5.1 研究区域位置
• §5.2 东营凹陷构造演化特征
• §5.3 三维有限元法模拟牛庄-王家岗地区现今构造应力场
• 5.3.1 研究区域角点网格模型的建立
• 5.3.2 参数的选择
• 5.3.3 受力方式与边界条件
• 5.3.4 结果分析
• 第六章 结论与认识
• 致谢
• 参考文献