CN105114065A - 水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，所述方法包括：根据待模拟地层的地质条件及压裂施工特征建立储层岩体力学模型，所述储层岩体力学模型由多个细观单元体组成；在所述储层岩体力学模型的压裂射孔点的位置设置施工压力，并设置所述储层岩体力学模型的应力边界条件；对所述储层岩体力学模型进行数值计算，得到水力压裂裂缝数据及水力压裂裂缝图像。本发明的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，通过细观单元体可规避压裂裂缝扩展过程中模型网格需不断重新剖分的问题。

Description

水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法

技术领域

本发明涉及石油天然气开发领域，尤其涉及一种水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，该可用于低渗储层水力压裂增产。

背景技术

受控于水力压裂工程尺度大、地层复杂、不可透视性等特征的限制，数值模拟成为一种研究水力压裂技术的常用方法。目前，随着低渗致密储层油气资源开发规模的不断加大，人们对低渗致密储层压裂增产方法进行了广泛深入的研究。实践证明，水力压裂技术是一种适用于低渗致密储层增产的技术。如果要研究低渗致密储层的水力压裂增产机理，就要对水力压裂裂缝延伸过程进行模拟分析与数值表征。

然而，低渗致密储层存在孔隙度低、孔隙结构复杂、砂体连通性差、非均匀性严重、压裂裂缝裂面极不规则、易产生多裂缝及大规模改造难度等缺点。诸多因素使得压裂裂缝设计和数值模拟更加复杂、更具挑战性。

对于压裂裂缝起裂与延伸过程的表征，既要考虑地质力学模型的实际尺度(通常为几百米，甚至达千米级别)，又要对模型中岩体内的局部天然缺陷(例如层理、裂隙、断层、岩体损伤局部化)及演化模式(例如裂缝在长、宽、高三个方向上的延伸，包括转向、分叉、穿层等复杂的几何形貌)进行精确表征。虽然目前已有方法可以模拟压裂裂缝，但现有模拟方法在解题规模、计算效率及计算精度等方面都是达不到应用要求。

发明内容

本发明提供一种水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，以解决现有技术中的一项或多项缺失。

本发明提供一种水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，所述方法包括：根据待模拟地层的地质条件及压裂施工特征建立储层岩体力学模型，所述储层岩体力学模型由多个细观单元体组成；在所述储层岩体力学模型的压裂射孔点的位置设置施工压力，并设置所述储层岩体力学模型的应力边界条件；对所述储层岩体力学模型进行数值计算，得到水力压裂裂缝数据及水力压裂裂缝图像。

一个实施例中，根据待模拟地层的地质条件及压裂施工特征建立储层岩体力学模型，包括：通过分析待模拟地层的地质条件及压裂施工特征得到实际水力压裂模型；根据所述实际水力压裂模型概化出所述储层岩体力学模型，并设定所述储层岩体力学模型的几何尺寸；将所述储层岩体力学模型离散成力学性质随机分布的所述细观单元体；设定所述储层岩体力学模型的岩体质量力学参数；设置所述储层岩体力学模型的井筒位置及所述压裂射孔点的位置。

一个实施例中，所述应力边界条件中的应力包括彼此相互垂直的垂直方向地应力、最大水平方向地应力、最小水平方向地应力。

一个实施例中，所述储层岩体力学模型的几何尺寸包括在X轴、Y轴及Z轴方向上的尺寸。

一个实施例中，设置所述储层岩体力学模型的应力边界条件，包括：在所述储层岩体力学模型的六个面分别设置应力，用以表征实际压裂工程或压裂模型实验中的最小水平地应力、最大水平地应力及垂直方向地应力，所述最小水平地应力、最大水平地应力及垂直方向地应力分别与所述X轴、Y轴及Z轴平行，并指向所述压裂射孔点的位置。

一个实施例中，所述对所述储层岩体力学模型进行数值计算，得到水力压裂裂缝数据及水力压裂裂缝图像，包括：根据所述储层岩体力学模型计算各所述细观单元体的应力；根据所述细观单元体的应力识别出被破坏的细观单元体；对所述被破坏的细观单元体进行退化刚度及涂黑处理，退化刚度及涂黑后的细观单元体相互连通形成水力压裂裂缝模型；根据所述水力压裂裂缝模型读取得到所述水力压裂裂缝数据及所述水力压裂裂缝图像。

一个实施例中，所述岩体质量力学参数包括密度、弹性模量、抗剪强度、抗拉强度、泊松比、内摩擦角、孔隙率、渗透率。

一个实施例中，所述施工压力包括所述压裂射孔点处的施工排量。

一个实施例中，所述水力压裂裂缝数据包括裂缝起裂压力、裂缝缝长、裂缝缝宽、裂缝缝高。

一个实施例中，所述实际水力压裂模型为实际压裂工程或压裂模型实验中的水力压裂模型。

一个实施例中，所有所述细观单元体的力学性质符合正太分布或韦泊分布。

本发明实施例的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，针对水力压裂裂缝大尺度、大埋深的特点，通过将储层岩体力学模型离散成力学性质随机分布的细观单元体，通过细观单元体的破坏信息获取压裂烈性的多种信息，可规避现有技术中压裂裂缝扩展过程中模型网格需不断重新剖分的问题。本发明实施例通过同时考虑拉伸、剪切破坏作用，并以细观单元体网格单元材料特性退化来表征裂缝单元，可同时实现对岩体非均匀性表征。因此可对压裂裂缝沿最小阻抗而自由选择路径、自由扩展做出三维表征，从而实现复杂、非平面裂缝的精细表征。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本发明实施例的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法的流程示意图；

图2是本发明一实施例中建立储层岩体力学模型方法的流程图；

图3是本发明一实施例中水力压裂裂缝数据及图像获得方法的流程示意图；

图4是本发明一实施例中的储层岩体力学模型的几何结构示意图；

图5是图4中的储层岩体力学模型的剖视示意图；

图6是图4中的储层岩体力学模型设置应力边界条件的示意图；

图7是图6中的储层岩体力学模型在施加水压之前的剖面结构示意图；

图8是图6中的储层岩体力学模型在施加水压之后的剖面结构示意图；

图9至图11是图8中的压裂裂缝生成过程中的形态示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图1是本发明实施例的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法的流程示意图。如图1所示，水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，包括步骤：

S101：根据待模拟地层的地质条件及压裂施工特征建立储层岩体力学模型，所述储层岩体力学模型由多个细观单元体组成；

S102：在所述储层岩体力学模型的压裂射孔点的位置设置施工压力，并设置所述储层岩体力学模型的应力边界条件；

S103：对所述储层岩体力学模型进行数值计算，得到水力压裂裂缝数据及水力压裂裂缝图像。

本发明实施例的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，可以根据任意复杂储层条件，建立压裂岩体力学模型。因为该储层岩体力学模型可由许多精细的细观单元体组成，所以无需二次剖分或加密模拟网格，即可清晰的显示出水力压裂裂缝的延伸过程。

本发明实施例中，上述施工压力可包括该压裂射孔点处的水压及/或施工排量，以对压裂储层力学模型的岩体。

图2是本发明一实施例中建立储层岩体力学模型方法的流程图。如图2所示，在如图1所示的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法的步骤S101中，根据待模拟地层的地质条件及压裂施工特征建立储层岩体力学模型的方法，可以包括步骤：

S201：通过分析待模拟地层的地质条件及压裂施工特征得到实际水力压裂模型；

S202：根据所述实际水力压裂模型概化出所述储层岩体力学模型，并设定所述储层岩体力学模型的几何尺寸；

S203：将所述储层岩体力学模型离散成力学性质随机分布的所述细观单元体；

S204：设定所述储层岩体力学模型的岩体质量力学参数；

S205：设置所述储层岩体力学模型的井筒位置及所述压裂射孔点的位置。

在上述步骤S201中，该实际水力压裂模型可以是实际压裂工程或压裂模型实验中的水力压裂模型，以对各种不同实际水力压裂过程进行模拟，从而知道实际压裂工程或压裂模型实验的开展。

在上述步骤S202中，确定储层岩体力学模型的几何尺寸时，对于用于压裂模型实验的室内实验模型，储层岩体力学模型的几何尺寸可选择在1m的尺度级别；对于现场实际压裂工程，储层岩体力学模型的几何尺寸可选择在500m的尺度级别。储层岩体力学模型的具体尺寸可视需要而定。

在上述步骤S203中，该细观单元体的力学性质随机分布，例如，这些细观单元体的力学性质可符合正太分布或韦泊分布，从而可使更符合岩层力学性质分布的实际情况。

本发明各实施例中，该储层岩体力学模型的岩体质量力学参数可包括密度、弹性模量、抗剪强度、抗拉强度、泊松比、内摩擦角、孔隙率、渗透率等，以建立力学性质与实际压裂过程一致的储层岩体力学模型。

本发明各实施例中，可在储层岩体力学模型上所设置多种应力作为上述应力边界条件，其中的应力可包括彼此相互垂直的垂直方向地应力、最大水平方向地应力、最小水平方向地应力，以模拟地应力。上述三个方向的地应力的大小可根据实际地应力值设置。

一个实施例中，上述储层岩体力学模型的几何尺寸可包括在X轴、Y轴及Z轴方向上的尺寸。如此一来，储层岩体力学模型的几何形状可以是一个立方体，立方体储层岩体力学模型包括六个面。

一个实施例中，可在上述储层岩体力学模型的六个面分别设置应力，用以表征实际压裂工程或压裂模型实验中的最小水平地应力、最大水平地应力及垂直方向地应力，上述最小水平地应力、最大水平地应力及垂直方向地应力分别与上述X轴、Y轴及Z轴平行，并指向上述压裂射孔点的位置。以此模拟地应力对压裂射孔点处产生的作用力。

图3是本发明一实施例中水力压裂裂缝数据及图像获得方法的流程示意图。如图3所示，如图1所示的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法中，对该储层岩体力学模型进行数值计算，得到水力压裂裂缝数据及水力压裂裂缝图像的方法，可包括步骤：

S301：根据所述储层岩体力学模型计算各所述细观单元体的应力；

S302：根据所述细观单元体的应力识别出被破坏的细观单元体；

S303：对所述被破坏的细观单元体进行退化刚度及涂黑处理，退化刚度及涂黑后的细观单元体相互连通形成水力压裂裂缝模型；

S304：根据所述水力压裂裂缝模型读取得到所述水力压裂裂缝数据及所述水力压裂裂缝图像。

本发明实施例中，以细观单元体网格单元的材料特性退化来表征裂缝单元，可使压裂裂缝自由选择路径、自由扩展。

本发明各实施例中，上述水力压裂裂缝数据可包括裂缝起裂压力、裂缝缝长、裂缝缝宽、裂缝缝高。以此可表征给定地层的地质条件及压裂施工特征的力压裂裂缝的形态及压裂压力等信息。

图4是本发明一实施例中的储层岩体力学模型的几何结构示意图。如图4所示，储层岩体力学模型401为立方体形状，其在X轴、Y轴及Z轴上的尺寸分别为X1、Y1、Z1。在该储层岩体力学模型401的中心Z轴方向上设置有垂直井井筒402。在井筒402的中心位置设置有压裂射孔点403。为储层岩体力学模型401设置岩体质量力学参数，包括密度、弹性模量、抗剪强度、抗拉强度、泊松比、内摩擦角、孔隙率、渗透率。

图5是图4中的储层岩体力学模型的剖视示意图，图6是图4中的储层岩体力学模型设置应力边界条件的示意图。结合图4至图6所示，压裂射孔点403设置在储层岩体力学模型401立方体的中心。在沿X轴正方向和沿X轴负方向(未示出)设置有最小水平地应力σ_h，在沿Y轴正方向和沿Y轴负方向(未示出)设置有最大水平地应力σ_H，在沿Z轴正方向和沿Z轴负方向(未示出)设置有垂直地应力σ_v。

图7是图6中的储层岩体力学模型在施加水压之前的剖面结构示意图。如图7所示，储层岩体力学模型401被离散成许多细观单元体404。在井筒402内加载不断增加的水压，对上述储层岩体力学模型401进行数值模拟，得到压裂裂缝。

储层岩体力学模型的几何尺寸、质量力学参数、射孔点施工压力大小、围压(地应力)大小均参照实际压裂工程或室内压裂实验选取、设定。

图8是图6中的储层岩体力学模型在施加水压之后的剖面结构示意图。如图8所示，在井筒402内水压的作用下，井筒402的两侧各形成一条压裂裂缝405，从图8中可以读取压裂裂缝405的裂缝缝宽a和裂缝缝长b，还可以读取裂缝缝高c(未示出)。

图9至图11是图8中的压裂裂缝生成过程中的形态示意图。在图9至图11中，通过色度值表征水压的大小，不同色度对应不同水压值，从中可看出，在压裂射孔点处的水压较大，而在远场处的水压值较小。如图9所示，当井筒内水压增大至一临界值时，压裂裂缝405起裂。如图10所示，随着水压的继续增大，压裂裂缝405向井筒的两侧延伸。如图11所示，压裂裂缝405继续延伸，几乎横向贯穿储层岩体力学模型401。

由上述具体实施例可以证实，本发明实施例的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法可以很好地模拟压力裂缝的延伸过程。通过读取压裂裂缝参数或压裂裂缝图像可以全面直观地表征压裂裂缝的形态及形成过程。

本发明实施例的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，针对水力压裂裂缝大尺度、大埋深的特点，通过将储层岩体力学模型离散成力学性质随机分布的细观单元体，通过细观单元体的破坏信息获取压裂烈性的多种信息，可避免现有技术中压裂裂缝扩展过程中模型网格需不断重新剖分的难点。本发明实施例通过同时考虑拉伸、剪切破坏作用，并以细观单元体网格单元材料特性退化来表征裂缝单元，可同时实现对岩体非均匀性表征。因此可对压裂裂缝沿最小阻抗而自由选择路径、自由扩展做出三维表征，从而实现复杂、非平面裂缝的精细表征。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，其特征在于，所述方法包括：

根据待模拟地层的地质条件及压裂施工特征建立储层岩体力学模型，所述储层岩体力学模型由多个细观单元体组成；

在所述储层岩体力学模型的压裂射孔点的位置设置施工压力，并设置所述储层岩体力学模型的应力边界条件；

对所述储层岩体力学模型进行数值计算，得到水力压裂裂缝数据及水力压裂裂缝图像。

2.如权利要求1所述的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，其特征在于，根据待模拟地层的地质条件及压裂施工特征建立储层岩体力学模型，包括：

通过分析待模拟地层的地质条件及压裂施工特征得到实际水力压裂模型；

根据所述实际水力压裂模型概化出所述储层岩体力学模型，并设定所述储层岩体力学模型的几何尺寸；

将所述储层岩体力学模型离散成力学性质随机分布的所述细观单元体；

设定所述储层岩体力学模型的岩体质量力学参数；

设置所述储层岩体力学模型的井筒位置及所述压裂射孔点的位置。

3.如权利要求2所述的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，其特征在于，所述应力边界条件中的应力包括彼此相互垂直的垂直方向地应力、最大水平方向地应力、最小水平方向地应力。

4.如权利要求3所述的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，其特征在于，所述储层岩体力学模型的几何尺寸包括在X轴、Y轴及Z轴方向上的尺寸。

5.如权利要求4所述的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，其特征在于，设置所述储层岩体力学模型的应力边界条件，包括：

在所述储层岩体力学模型的六个面分别设置应力，用以表征实际压裂工程或压裂模型实验中的最小水平地应力、最大水平地应力及垂直方向地应力，所述最小水平地应力、最大水平地应力及垂直方向地应力分别与所述X轴、Y轴及Z轴平行，并指向所述压裂射孔点的位置。

6.如权利要求1至5中任一项所述的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，其特征在于，所述对所述储层岩体力学模型进行数值计算，得到水力压裂裂缝数据及水力压裂裂缝图像，包括：

根据所述储层岩体力学模型计算各所述细观单元体的应力；

根据所述细观单元体的应力识别出被破坏的细观单元体；

对所述被破坏的细观单元体进行退化刚度及涂黑处理，退化刚度及涂黑后的细观单元体相互连通形成水力压裂裂缝模型；

根据所述水力压裂裂缝模型读取得到所述水力压裂裂缝数据及所述水力压裂裂缝图像。

7.如权利要求2至5中任一项所述的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，其特征在于，所述岩体质量力学参数包括密度、弹性模量、抗剪强度、抗拉强度、泊松比、内摩擦角、孔隙率、渗透率。

8.如权利要求1所述的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，其特征在于，所述施工压力包括所述压裂射孔点处的施工排量。

9.如权利要求1所述的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，其特征在于，所述水力压裂裂缝数据包括裂缝起裂压力、裂缝缝长、裂缝缝宽、裂缝缝高。

10.如权利要求2所述的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，其特征在于，所述实际水力压裂模型为实际压裂工程或压裂模型实验中的水力压裂模型。

11.如权利要求2所述的水力压裂裂缝延伸过程的模拟方法，其特征在于，所有所述细观单元体的力学性质符合正太分布或韦泊分布。