CN105319603B - 致密砂岩储层复杂网状裂缝的预测方法 - Google Patents
致密砂岩储层复杂网状裂缝的预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于石油勘探领域，具体地，涉及一种致密砂岩储层复杂网状裂缝的预测方法。预测方法步骤如下：建立构造地质模型及裂缝发育模型，测试古、今地应力大小及方向，完整岩石力学参数实验，测试岩石力学参数及裂缝应力敏感性，建立裂缝性岩石多级复合破裂准则，进行岩石变形物理测试获取峰值强度，建立单轴状态应力‑应变与裂缝体密度关系模型，建立三轴状态应力‑应变与裂缝体密度、产状关系模型，建立单轴状态应力‑应变与裂缝体密度关系模型，计算模拟现今条件下裂缝参数，验证裂缝定量预测结果的可靠性。本发明能准确地获取致密砂岩储层复杂裂缝参数并进行定量表征，适合于任何脆性储层为主的裂缝定量预测工作，减少了勘探开发的风险和成本。
Description
技术领域
本发明属于石油勘探领域，具体地，涉及一种致密砂岩储层复杂网状裂缝的预测方法。
背景技术
随着油气资源勘探开发逐渐由东部向西部、由常规储层向非常规储层的转变，寻找裂缝性油气藏已成为热点，如何预测裂缝的空间分布，并定量表征裂缝参数是石油地质研究的前沿问题。与其它储层相比，致密砂岩储层埋藏深度大、地层压力系数高、成岩作用强烈、构造运动期次多、网状裂缝非常发育，构造裂缝作为重要的储集空间和渗流通道，其形成和发育直接受控于构造应力场和储层岩石物理性质。因此，国内外学者多采用构造应力场法来预测裂缝分布，另外还有已知井点约束法、分形几何法、曲率分析法、测井分析法、地震分析法、应变量分析法、离散裂缝网络建模技术(DFN)等。实践证明，基于地质力学理论进行裂缝空间预测是必然的趋势，但仍存在缺陷和不足，储层地质结构非均质性强、应力条件复杂多变、构造活动期次多都影响着裂缝的发育和分布，同时局部构造和沉积特征也会改变应局部应力的再分配，使得不同组系裂缝之间相互叠加和改造，最终形成了复杂的网状系统；另外基于均质地质力学模型的裂缝成因机制分析，只考虑了各种弹性能量的相互转换，忽略了裂缝面摩擦耗能和塑形变形能，从而无法建立更合适的岩石复合破裂准则和更准确的裂缝参数力学模型，浪费了大量的计算资源，使得裂缝建模和预测遇到了瓶颈效应。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种致密砂岩储层复杂网状裂缝的预测方法，综合考虑储层力学非均质性和多期叠加机制，基于能量守恒定律，考虑弹性应变能、塑性耗散能、裂缝表面能和摩擦耗能，在复合破裂准则优选的前提下，建立有效的岩石破裂力学模型，在古应力场数值模拟的基础上，计算裂缝密度参数，并给出空间展布特征。
为实现上述目的，本发明采用下述方案：
致密砂岩储层多期裂缝的预测方法，步骤如下：
步骤1：建立构造地质模型及裂缝发育模型
步骤2：测试古、今地应力大小及方向
步骤3：完整岩石力学参数实验
步骤4：测试岩石力学参数及裂缝应力敏感性
步骤5：建立裂缝性岩石多级复合破裂准则
步骤6：进行岩石变形物理测试获取峰值强度
步骤7：建立单轴状态应力-应变与裂缝体密度关系模型
步骤8：建立三轴状态应力-应变与裂缝体密度、产状关系模型
步骤7：建立单轴状态应力-应变与裂缝体密度关系模型
步骤10：计算模拟现今条件下裂缝参数
步骤11：验证裂缝定量预测结果的可靠性
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：解决了准确获取致密砂岩储层复杂裂缝参数并进行定量表征的问题，适合于任何脆性储层为主的裂缝定量预测工作；有效预测多期应力场作用下致密砂岩储层裂缝的产状、密度，为研究裂缝性储层的有利发育区提供了可靠依据，为裂缝性储层的压裂改造设计和开发方案优化提供了保障，减少了勘探开发的风险和成本。
附图说明
图1是致密砂岩储层多期裂缝的预测方法的流程示意图。
具体实施方式
致密砂岩储层多期裂缝的预测方法，步骤如下：
步骤1：建立构造地质模型及裂缝发育模型，具体方法如下：
(1)、收集三维地震解释深度域的断层、地层数据，按砂层组或砂层级别建立现今三维构造地质模型；
(2)、分析构造演化史，确定关键造缝期，基于现今三维构造地质模型和断层相关褶皱理论和方法，建立研究区深度-声波时差关系图，获得压实规律，通过弯曲去褶皱、恢复到基准面、拼板恢复法恢复造缝时期的古构造形态，建立关键期古构造地质模型；
(3)、依据野外露头观察、岩心观察、成像测井解释和岩心CT扫描，统计裂缝产状、密度、开度、充填度、孔隙度、渗透率、力学性质参数，分析裂缝优势充填方向和共轭裂缝代表的最大主应力方向，结合构造演化史、裂缝充填物包裹体测试划分裂缝发育期次，确定造缝关键期，建立不同产状裂缝的充填程度模版，划分裂缝充填分布区域，综合建立裂缝地质发育模式；充填等级分为未充填、半充填和全充填。
步骤2：测试古、今地应力大小及方向，具体方法如下：
(1)、对钻井岩心按照不同层位进行采样，每个层位对应一组岩石样品，每组包含四块，岩石样品平行于岩心长轴方向，在实验室内加工成标准圆柱柱塞样，其长度和直径分别50mm和25mm；
(2)、选取标准柱塞样，通过岩石破裂声发射法测试凯赛尔点，获得不同期次构造运动的古最大主应力值及范围；
(3)、选取标准柱塞样，测试岩心声波速度的各向异性，确定现今最大应力、最小主应力方向，并测试不同方向的应变；
(4)、收集油田现场井壁崩落资料、储层压裂改造资料，分析获得现今地应力大小及方位；
(5)、选取每口井的标准柱塞样，在实验室中进行粘滞剩余磁性测量，提取地理北方向的信息，用于岩心裂缝定向和岩心声速定向，并校正以上测试分析获得的地应力方向；
步骤3：完整岩石力学参数实验，具体方法如下：
(1)、对钻井岩心按照不同岩性进行水平间隔采样，间隔为45°，每个岩性对应一组岩石样品，每组包含六块，岩样垂直于岩心长轴方向，在实验室内加工成标准圆柱柱塞样，其长度和直径分别50mm和25mm；
(2)、每组选取一块岩心在MTS真三轴岩石力学仪上进行单轴加载实验，测试获得岩石的单轴抗压强度、泊松比、弹性模量；
(3)、每组选取一块岩心在直剪岩石力学仪上进行直接剪切实验，测试获得岩石的单轴抗剪强度；
(4)、每组选取一块岩心在进行巴西劈裂实验，测试获得岩石的单轴抗张强度；
(5)、首先根据地层经历的构造演化史，确定岩样的历史古埋深，计算上覆地层围压范围，每隔5-10Mpa设置围压等级，每组选取三块岩心在MTS真三轴岩石力学仪上进行真三轴加载实验，测试获得岩石的三轴抗压强度、泊松比、弹性模量、内摩擦角、内聚力；
(6)、选择测井解释模型，对杨氏模量、泊松比、密度动态岩石力学参数进行测井解释，并对岩石力学实验结果进行动静态校正，以获得更真实的地层力学强度参数；
步骤4：测试岩石力学参数及裂缝应力敏感性，具体方法如下：
(1)、按照步骤3的标准，钻取岩心中含有不同产状、不同充填程度、不同数量裂缝的岩样，加工成标准柱塞样，其长度和直径分别50mm和25mm；；
(2)、按照步骤3进行岩石力学实验，获得单轴、直剪、三轴围压条件下的裂缝性岩石力学强度参数以及裂缝面摩擦系数、抗剪强度；
步骤5：建立裂缝性岩石多级复合破裂准则，具体方法如下：
(1)、根据完整岩石单轴、直剪、三轴岩石力学实验结果及应力-应变曲线，首先分析单轴破裂形态是否为剪切、拉张或张剪性质，量取剪裂角，再分析围压状态下岩石破裂的力学性质，绘出莫尔应力圆，求取包络线及斜率，斜率即内摩擦系数；
(2)、在三向压缩状态下，脆性致密砂岩破裂判据适用两段式莫尔－库仑准则：
τ＝C+fσ或
式中：σ1为最大主应力，单位为MPa；σ3为最小主应力，单位为MPa；τ为剪应力，单位为MPa；α为岩石剪切破裂角，单位为弧度；为岩石内摩擦角，单位为弧度；C为岩石内聚力，单位为MPa；f为岩石内摩擦系数；莫尔-库仑准则合理给出了岩石发生剪切破裂所需的应力和剪切破裂方向，可以用于判断裂缝是否产生及裂缝的产状；
(3)、拉张应力状态下采用改进的格里菲斯准则，当(σ1+3σ3)＞0时，破裂准则为：
当(σ1+3σ3)≤0时，破裂准则为：
θ＝0，σ3＝-σT
式中：σT为岩石的抗拉强度，单位为MPa；θ为张性破裂角，单位为度；
(4)、对于裂缝性岩体，采用各向异性拉-剪复合破裂准则：
或τ＝C+f·σ
C＝K·Cj+(1-K)·Cr
f＝K·fj+(1-K)·fr
式中：Ft为岩石发生拉张破裂应力条件，单位为MPa；Fs为岩石无法发生拉张破裂后发生剪切破裂的应力条件，单位为Pa；Cj、fj为裂缝面内聚力和内摩擦系数；Cr、fr为基岩内聚力和内摩擦系数；K为裂缝充填率，其值位于0-1之间，以上参数通过野外和单井裂缝统计结果、岩石力学实验获得；
步骤6：进行岩石变形物理测试获取峰值强度，具体方法如下：
通过岩石物理测试定量获得研究区岩石的变形阶段，基于砂岩单轴压缩全应力应变曲线，设置好加载等级，加载等级为单轴抗压强度的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％，同时采用计算机CT扫描仪器对不同受力阶段的裂缝扩展结果进行扫描成像，统计单元体内裂缝的产状、开度、体密度、长度及应变能密度，同时划分砂岩变形-破裂阶段：岩石压密阶段-岩石体积扩容阶段-新增微裂缝阶段-岩石破坏阶段-微裂缝集结产生宏观缝阶段，确定微观裂缝大量集结连通时的峰值强度σp；
步骤7：建立单轴状态应力-应变与裂缝体密度关系模型，具体方法如下：
(1)、基于岩石物理测试结果及应力-应变曲线计算总输入能量，以弹性胡克定律和能量守恒定律为前提，总输入能量＝弹性应变能+裂缝摩擦耗能+残余能，其中裂缝面摩擦能占总能量的1/4-1/5，得到用主应力表示的弹性应变能Ue或应变能密度
(2)、选取平行六面表征单元体计算裂缝摩擦耗能，其边长等分别为L1、L2、L3，单位为m；沿σ1方向单元体边长为L1，沿σ2方向单元体边长为L2，沿σ3方向单元体边长为L3，单轴压缩情况下，裂纹尖端表面的剪切滑动位移为：
L＝(1-μ)/GKΠ(8r/π)1/2
式中：L为剪切滑移位移，单位为m；G为剪切模量，单位为Gpa；μ为岩石泊松比；KΠ为二类强度因子，因此，岩石从破坏开始产生裂缝并受到摩擦阻力停止前的释放能主要包括裂缝表面能和摩擦耗能：
Ua＝σ2acos2θtanθ/(sin2θE)+(1-u2)KΠπhσ2acos2θsin2θ/(4E)
式中：θ为岩石剪裂角，单位为弧度；σ为裂缝面正应力，单位为Mpa；a为裂缝贯穿后的长度，单位为m；
(3)、在各种能量分别表征的基础上，计算单轴压缩状态下裂缝体密度和应变能密度之间的关系：
式中：为新增裂缝表面积的摩擦能密度，单位J/m3；为裂缝产生后剩余的应变能密度，单位J/m3；J为产生单位面积裂缝所需要的总能量，单位为J/m2；为要产生裂缝必须克服的弹性应变能密度，单位J/m3；Dvf为裂缝体密度，单位为m2/m3；为系数，直接通过实验数据拟合回归法求得。
步骤8：建立三轴状态应力-应变与裂缝体密度、产状关系模型，具体方法如下：
(1)、基于单轴压缩状态下应力-应变与裂缝密度参数的定量关系表达式，通过区分不同应力状态，计算应变能密度和裂缝体密度之间的定量化关系，关键是确定公式系数，三轴挤压应力状态下，裂缝体密度计算公式：
Dvf＝[σ1 2+σ2 2+σ3 2-2μ(σ1+σ2+σ3)-σp 2+2μ(σ2+σ3)σp]/(2EJ)
裂缝线密度计算公式：
(2)、有张应力存在时,裂缝体密度计算公式：
Dvf＝[(σ1ε1+σ2ε2+σ3ε3)E-σt 2]/(2EJ)
裂缝线密度计算公式：
当(σ1+3σ3)＞0时，裂缝线密度：
当(σ1+3σ3)≤0时，θ＝0，裂缝线密度：
Dlf＝Dvf
(3)、基于多级复合破裂准则，获得裂缝的走向和倾角产状数据，在大地三维坐标系中，裂缝倾角是裂缝表面与XY平面的夹角，也就是平面lx+my+nz＝0与平面y＝0之间的夹角αdip(0°≤αdip≤90°)，其计算式为：
步骤9：求取裂缝叠加因子并定量计算模拟多期古裂缝参数，具体方法如下：
(1)、将以上得到的裂缝古密度计算公式，基于应力场模拟平台，在步骤1-4获得的古构造地质模型、岩石力学参数、应力状态的基础上，确定模型力学边界，进行力的加载，模拟古构造应力场三维分布，由程序自动判别破裂状态，给出应变能密度，并计算出第一期裂缝古密度、倾角、走向参数；
(2)、以第一期裂缝参数计算结果为基础，继续加载晚期构造作用力，产生新的构造应力场和相应裂缝参数，这时采用裂缝干扰因子，包括裂缝走向夹角、充填程度、应力状态，分两种情况进行叠加计算；
(3)、拉张应力条件下，如果新产生裂缝与原始裂缝夹角超过30°则会发生切割或终止现象，如果夹角小于30°，且裂缝半充填或未充填时，则两者叠加继续延伸，裂缝规模变大，如果夹角小于30°，且裂缝全部充填，则低角度斜交或平行原始裂缝；
(4)、压应力为主的条件下，如果新产生裂缝与原始裂缝夹角超过45°则会发生切割或终止现象，如果夹角小于45°、大于15°，且裂缝半充填或未充填时，则两者叠加继续延伸，裂缝规模变大，如果夹角小于45°，且裂缝全部充填，则低角度斜交或平行原始裂缝；
(5)、晚期裂缝与早期裂缝夹角β≤30°或15°≤β≤45°时，两期叠加后裂缝体密度计算公式为：
晚期裂缝走向与早期裂缝走向夹角β>30°或β>30°时，两期叠加后裂缝体密度计算公式为：
式中：σy1、σy2、σy3分别为早期最大、中间、最小主应力，单位为MPa；σx1、σx2、σx3分别为晚期最大、中间、最小主应力，单位为MPa；εx1、εx2、εx3分别为晚期主应变；
(6)、根据步骤1统计出的裂缝充填规律和平面分布结果，进行多期次裂缝参数叠加，通过前两期构造应力场的模拟计算，运行裂缝计算程序，产生两套单期裂缝参数，接着把后一期的古应力场及裂缝参数数据导出，叠加到前一期应力场和裂缝参数结果中，判断每一节点的充填程度、应力状态及后期最大主应力与早期裂缝走向夹角大小，调用裂缝叠加干扰因子进行判别，最终得到每一节点的叠加裂缝参数值；
步骤10：计算模拟现今条件下裂缝参数，具体方法如下：
经过多期裂缝参数叠加之后，再模拟计算现今应力场分布，通过井点应力值的校正，导出每一节点的应力值，叠加到古裂缝参数中，基于“现今应力场不能产生裂缝，仅对裂缝有效性进行改造”的思路，最终获得现今裂缝的密度参数，采用软件三维显示功能，实现裂缝倾角、走向、密度参数的三维空间显示。
步骤11：验证裂缝定量预测结果的可靠性，具体方法如下：
针对以上得到的裂缝三维分布预测结果，通过单井岩心统计、成像测井解释和CT扫描裂缝结果进行精度验证，如模拟结果与实际数据吻合度吻合度大于90％，则认为计算模拟结果可靠，否则回到步骤7，重新分析岩石力学及应力测试结果，并重新修正应力、应变与裂缝参数关系模型。
Claims (1)
1.一种致密砂岩储层多期裂缝的预测方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：建立构造地质模型及裂缝发育模型，具体方法如下：
(1)、收集三维地震解释深度域的断层、地层数据，按砂层组或砂层级别建立现今三维构造地质模型；
(2)、分析构造演化史，确定关键造缝期，基于现今三维构造地质模型和断层相关褶皱理论和方法，建立研究区深度-声波时差关系图，获得压实规律，通过弯曲去褶皱、恢复到基准面、拼板恢复法恢复造缝时期的古构造形态，建立关键期古构造地质模型；
(3)、依据野外露头观察、岩心观察、成像测井解释和岩心CT扫描，统计裂缝产状、密度、开度、充填度、孔隙度、渗透率、力学性质参数，分析裂缝优势充填方向和共轭裂缝代表的最大主应力方向，结合构造演化史、裂缝充填物包裹体测试划分裂缝发育期次，确定造缝关键期，建立不同产状裂缝的充填程度模版，划分裂缝充填分布区域，综合建立裂缝地质发育模式；充填等级分为未充填、半充填和全充填；
步骤2：测试古、今地应力大小及方向，具体方法如下：
(1)、对钻井岩心按照不同层位进行采样，每个层位对应一组岩石样品，每组包含四块，岩石样品平行于岩心长轴方向，在实验室内加工成标准圆柱柱塞样，其长度和直径分别50mm和25mm；
(2)、选取标准柱塞样，通过岩石破裂声发射法测试凯赛尔点，获得不同期次构造运动的古最大主应力值及范围；
(3)、选取标准柱塞样，测试岩心声波速度的各向异性，确定现今最大应力、最小主应力方向，并测试不同方向的应变；
(4)、收集油田现场井壁崩落资料、储层压裂改造资料，分析获得现今地应力大小及方位；
(5)、选取每口井的标准柱塞样，在实验室中进行粘滞剩余磁性测量，提取地理北方向的信息，用于岩心裂缝定向和岩心声速定向，并校正以上测试分析获得的地应力方向；
步骤3：完整岩石力学参数实验，具体方法如下：
(1)、对钻井岩心按照不同岩性进行水平间隔采样，间隔为45°，每个岩性对应一组岩石样品，每组包含六块，岩样垂直于岩心长轴方向，在实验室内加工成标准圆柱柱塞样，其长度和直径分别50mm和25mm；
(2)、每组选取一块岩心在MTS真三轴岩石力学仪上进行单轴加载实验，测试获得岩石的单轴抗压强度、泊松比、弹性模量；
(3)、每组选取一块岩心在直剪岩石力学仪上进行直接剪切实验，测试获得岩石的单轴抗剪强度；
(4)、每组选取一块岩心进行巴西劈裂实验，测试获得岩石的单轴抗张强度；
(5)、首先根据地层经历的构造演化史，确定岩样的历史古埋深，计算上覆地层围压范围，每隔5-10Mpa设置围压等级，每组选取三块岩心在MTS真三轴岩石力学仪上进行真三轴加载实验，测试获得岩石的三轴抗压强度、泊松比、弹性模量、内摩擦角、内聚力；
(6)、选择测井解释模型，对杨氏模量、泊松比、密度动态岩石力学参数进行测井解释，并对岩石力学实验结果进行动静态校正，以获得更真实的地层力学强度参数；
步骤4：测试岩石力学参数及裂缝应力敏感性，步骤4具体方法如下：
(1)、按照步骤3的标准，钻取岩心中含有不同产状、不同充填程度、不同数量裂缝的岩样，加工成标准柱塞样，其长度和直径分别50mm和25mm；
(2)、按照步骤3进行岩石力学实验，获得单轴、直剪、三轴围压条件下的裂缝性岩石力学强度参数以及裂缝面摩擦系数、抗剪强度；
步骤5：建立裂缝性岩石多级复合破裂准则，具体方法如下：
(1)、根据完整岩石单轴、直剪、三轴岩石力学实验结果及应力-应变曲线，首先分析单轴破裂形态是否为剪切、拉张或张剪性质，量取剪裂角，再分析围压状态下岩石破裂的力学性质，绘出莫尔应力圆，求取包络线及斜率，斜率即内摩擦系数；
(2)、在三向压缩状态下，脆性致密砂岩破裂判据适用两段式莫尔－库仑准则：
τ＝C+fσ或
式中：σ1为最大主应力，单位为MPa；σ3为最小主应力，单位为MPa；τ为剪应力，单位为MPa；为岩石内摩擦角，单位为弧度；C为岩石内聚力，单位为MPa；f为岩石内摩擦系数；莫尔-库仑准则合理给出了岩石发生剪切破裂所需的应力和剪切破裂方向，直接用于判断裂缝是否产生及裂缝的产状；
(3)、拉张应力状态下采用改进的格里菲斯准则，当(σ1+3σ3)＞0时，破裂准则为：
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当(σ1+3σ3)≤0时，破裂准则为：
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式中：σT为岩石的抗拉强度，单位为MPa；θ为张性破裂角，单位为度；
(4)、对于裂缝性岩体，采用各向异性拉-剪复合破裂准则：
或τ＝C+f·σ
C＝K·Cj+(1-K)·Cr
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式中：Ft为岩石发生拉张破裂应力条件，单位为MPa；Fs为岩石无法发生拉张破裂后发生剪切破裂的应力条件，单位为Pa；Cj、fj为裂缝面内聚力和内摩擦系数；Cr、fr为基岩内聚力和内摩擦系数；K为裂缝充填率，其值位于0-1之间，以上参数通过野外和单井裂缝统计结果、岩石力学实验获得；
步骤6：进行岩石变形物理测试获取峰值强度，具体方法如下：
通过岩石物理测试定量获得研究区岩石的变形阶段，基于砂岩单轴压缩全应力应变曲线，设置好加载等级，加载等级为单轴抗压强度的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％，同时采用计算机CT扫描仪器对不同受力阶段的裂缝扩展结果进行扫描成像，统计单元体内裂缝的产状、开度、体密度、长度及应变能密度，同时划分砂岩变形-破裂阶段：岩石压密阶段-岩石体积扩容阶段-新增微裂缝阶段-岩石破坏阶段-微裂缝集结产生宏观缝阶段，确定微观裂缝大量集结连通时的峰值强度σp；
步骤7：建立单轴状态应力-应变与裂缝体密度关系模型，具体方法如下：
(1)、基于岩石物理测试结果及应力-应变曲线计算总输入能量，以弹性胡克定律和能量守恒定律为前提，总输入能量＝弹性应变能+裂缝摩擦耗能+残余能，其中裂缝面摩擦能占总能量的1/4-1/5，得到用主应力表示的弹性应变能Ue或应变能密度
(2)、选取平行六面表征单元体计算裂缝摩擦耗能，其边长等分别为L1、L2、L3，单位为m；沿σ1方向单元体边长为L1，沿σ2方向单元体边长为L2，沿σ3方向单元体边长为L3，单轴压缩情况下，裂纹尖端表面的剪切滑动位移为：
L＝(1-μ)/GKΠ(8r/π)1/2
式中：L为剪切滑移位移，单位为m；G为剪切模量，单位为Gpa；μ为岩石泊松比；KΠ为二类强度因子；因此，岩石从破坏开始产生裂缝并受到摩擦阻力停止前的释放能主要包括裂缝表面能和摩擦耗能：
Ua＝σ2acos2θtanθ/(sin2θE)+(1-u2)KΠπhσ2acos2θsin2θ/(4E)
式中：θ为岩石剪裂角，单位为弧度；σ为裂缝面正应力，单位为Mpa；a为裂缝贯穿后的长度，单位为m；
(3)、在各种能量分别表征的基础上，计算单轴压缩状态下裂缝体密度和应变能密度之间的关系：
式中：为新增裂缝表面积的摩擦能密度，单位J/m3；J为产生单位面积裂缝所需要的总能量，单位为J/m2；为要产生裂缝必须克服的弹性应变能密度，单位J/m3；Dvf为裂缝体密度，单位为m2/m3；为系数，直接通过实验数据拟合回归法求得；
步骤8：建立三轴状态应力-应变与裂缝体密度、产状关系模型，具体方法如下：
(1)、基于单轴压缩状态下应力-应变与裂缝密度参数的定量关系表达式，通过区分不同应力状态，计算应变能密度和裂缝体密度之间的定量化关系，关键是确定公式系数，三轴挤压应力状态下，裂缝体密度计算公式：
Dvf＝[σ1 2+σ2 2+σ3 2-2μ(σ1+σ2+σ3)-σp 2+2μ(σ2+σ3)σp]/(2EJ)
裂缝线密度计算公式：
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(2)、有张应力存在时,裂缝体密度计算公式：
Dvf＝[(σ1ε1+σ2ε2+σ3ε3)E-σt 2]/(2EJ)；
裂缝线密度计算公式：
当(σ1+3σ3)＞0时，裂缝线密度：
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当(σ1+3σ3)≤0时，θ＝0，裂缝线密度：
Dlf＝Dvf
(3)、基于多级复合破裂准则，获得裂缝的走向和倾角产状数据，在大地三维坐标系中，裂缝倾角是裂缝表面与XY平面的夹角，也就是平面lx+my+nz＝0与平面y＝0之间的夹角αdip(0°≤αdip≤90°)，其计算式为：
步骤9：建立单轴状态应力-应变与裂缝体密度关系模型，具体方法如下：
(1)、将以上得到的裂缝古密度计算公式，基于应力场模拟平台，在步骤1-4获得的古构造地质模型、岩石力学参数、应力状态的基础上，确定模型力学边界，进行力的加载，模拟古构造应力场三维分布，由程序自动判别破裂状态，给出应变能密度，并计算出第一期古裂缝密度、倾角、走向参数；
(2)、以第一期裂缝参数计算结果为基础，继续加载晚期构造作用力，产生新的构造应力场和相应裂缝参数，这时采用裂缝干扰因子，包括裂缝走向夹角、充填程度、应力状态，分两种情况进行叠加计算；
(3)、拉张应力条件下，如果新产生裂缝与原始裂缝夹角超过30°则会发生切割或终止现象，如果夹角小于30°，且裂缝半充填或未充填时，则两者叠加继续延伸，裂缝规模变大，如果夹角小于30°，且裂缝全部充填，则低角度斜交或平行原始裂缝；
(4)、压应力为主的条件下，如果新产生裂缝与原始裂缝夹角超过45°则会发生切割或终止现象，如果夹角大于15°、小于45°，且裂缝半充填或未充填时，则两者叠加继续延伸，裂缝规模变大，如果夹角小于45°，且裂缝全部充填，则低角度斜交或平行原始裂缝；
(5)、晚期裂缝与早期裂缝夹角β≤30°或15°≤β≤45°时，两期叠加后裂缝体密度计算公式为：
晚期裂缝走向与早期裂缝走向夹角β>30°或β>30°时，两期叠加后裂缝体密度计算公式为：
式中：Dvfy为早期裂缝体密度，单位为m2/m3；Dvfx为晚期裂缝体密度，单位为m2/m3；σy1、σy2、σy3分别为早期最大、中间、最小主应力，单位为MPa；σx1、σx2、σx3分别为晚期最大、中间、最小主应力，单位为MPa；εx1、εx2、εx3分别为晚期主应变；
(6)、根据步骤1统计出的裂缝充填规律和平面分布结果，进行多期次裂缝参数叠加，通过前两期构造应力场的模拟计算，运行裂缝计算程序，产生两套单期裂缝参数，接着把后一期的古应力场及裂缝参数数据导出，叠加到前一期应力场和裂缝参数结果中，判断每一节点的充填程度、应力状态及后期最大主应力与早期裂缝走向夹角大小，调用裂缝叠加干扰因子进行判别，最终得到每一节点的叠加裂缝参数值；
步骤10：计算模拟现今条件下裂缝参数，具体方法如下：经过多期裂缝参数叠加之后，再模拟计算现今应力场分布，通过井点应力值的校正，导出每一节点的应力值，叠加到古裂缝参数中，基于“现今应力场不能产生裂缝，仅对裂缝有效性进行改造”的思路，最终获得现今裂缝的密度参数，采用软件三维显示功能，实现裂缝倾角、走向、密度参数的三维空间显示；
步骤11：验证裂缝定量预测结果的可靠性，具体方法如下：针对以上得到的裂缝三维分布预测结果，通过单井岩心统计、成像测井解释和CT扫描裂缝结果进行精度验证，如模拟结果与实际数据吻合度吻合度大于90％，则认为计算模拟结果可靠，否则回到步骤7，重新分析岩石力学及应力测试结果，并重新修正应力、应变与裂缝参数关系模型。
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| Wang et al. | Numerical analysis on scale effect of elasticity, strength and failure patterns of jointed rock masses | |
| Liu et al. | Experimental investigation of the effects of heterogeneity and geostress difference on the 3D growth and distribution of hydrofracturing cracks in unconventional reservoir rocks | |
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| Zhao et al. | Numerical study of the effect of natural fractures on shale hydraulic fracturing based on the continuum approach | |
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| Fu et al. | Prediction of tectonic fractures in coal reservoirs using geomechanical method | |
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| Yan et al. | A multiscale analysis of adjacent fault dislocation mechanism induced by tunnel excavation based on continuous-discrete coupling method | |
| Feng et al. | Quantitative prediction of 3-D multiple parameters of tectonic fractures in tight sandstone reservoirs based on geomechanical method | |
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| Chang et al. | Strength anisotropy of jointed rock slope considering mining damage: a numerical analysis method | |
| Chen et al. | Numerical modeling of fracture process using a new fracture constitutive model with applications to 2D and 3D engineering cases | |
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| Pierce et al. | Synthetic rock mass applications in mass mining |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |