CN107545078A - 流固耦合模型的构建方法及储藏缝洞变形的分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种流固耦合模型的构建方法，其包括：弹性平衡模型构建步骤，根据有效应力原理对待分析储藏的平衡模型进行处理，得到待分析储藏的弹性平衡模型；连续性模型构建步骤，获取待分析储藏的流体质量守恒方程和岩石骨架质量守恒方程，根据流体质量守恒方程和岩石骨架质量守恒方程确定待分析储藏的连续性模型；总体控制模型构建步骤，根据弹性平衡方程和连续性方程构建待分析储藏的初始总体控制模型，从而确定出待分析储藏的流固耦合模型。该方法能够用于在油藏开发前初始地应力状态下对油藏开发过程中引起的油藏缝洞变形进行仿真分析，以供用户根据仿真结果提出合理的开发方法，从而减少开发过程对储集体变形的影响。
Description
技术领域
本发明涉及油气勘探开发技术领域，具体地说，涉及流固耦合模型的构建方法及储藏缝洞变形的分析方法。
背景技术
碳酸盐岩缝洞型油藏中溶洞是主要的储集空间，缝洞为主要疏导通道，因此缝洞体在油藏开发过程中通常会发生变形。由于地层压力的降低等因素造成溶洞的坍塌及裂缝的闭合，因此也就导致了部分油井产量下降的现象，这将严重影响该类油藏的开发效益。
当前对盐酸盐岩分工的变形的研究仅基于概念模型来对溶洞的坍塌进行研究，然而这中方法很难对缝洞变形进行准确预测。
基于上述情况，亟需一种能够准确预测缝洞变形的方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种流固耦合模型的构建方法，所述方法包括：
弹性平衡模型构建步骤，根据有效应力原理对待分析储藏的平衡模型进行处理，得到所述待分析储藏的弹性平衡模型；
连续性模型构建步骤，获取所述待分析储藏的流体质量守恒方程和岩石骨架质量守恒方程，根据所述流体质量守恒方程和岩石骨架质量守恒方程确定所述待分析储藏的连续性模型；
总体控制模型构建步骤，根据所述弹性平衡方程和连续性方程构建所述待分析储藏的初始总体控制模型，从而确定出所述待分析储藏的流固耦合模型。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：
模型修正步骤，计算所述待分析储藏的损伤参数，利用所述损伤参数对初始总体控制模型进行修正，得到修正后的总体控制模型，从而确定出修正后的流固耦合模型。
根据本发明的一个实施例，所述弹性平衡模型构建步骤包括：
根据有效应力原理确定所述待分析储藏的岩体内各点的应力函数；
将所述应力函数代入所述待分析储藏的平衡模型，对所得到的方程进行时间离散，得到所述待分析储藏的弹性平衡模型。
根据本发明的一个实施例，所述应力函数为：
{σ}＝[D]{εe}-α{M}p
其中，[D]表示刚度矩阵，{εe}表示岩体内任一点的弹性应变，α表示Biot系数，p表示孔隙压力，{M}表示Kronecker符号，{σ}表示岩体内任一点的应力。
根据本发明的一个实施例，所述弹性平衡模型为：
[Kuu]{ΔU}+[Kup]{Δp}＝{ΔRu}
[Kuu]＝∑[kuu]＝∑∫Ω[B]T[D][B]dΩ
其中，[D]、[B]、分别表示刚度矩阵、几何矩阵和插值函数矩阵，α表示Biot系数，p表示孔隙压力，{M}表示Kronecker符号，[Kuu]表示节点位移与节点力的整体关系矩阵，[Kup]表示孔隙压力与节点力的整体关系矩阵，{ΔRu}表示节点力增量，[kuu]表示节点位移与节点力的单元关系矩阵，Ω表示积分区域，[kup]表示孔隙压力与节点力的单元关系矩阵，{ΔU}表示位移增量。
根据本发明的一个实施例，所述连续性模型构建步骤包括：
对所述待分析储藏的流体质量守恒方程和岩石骨架质量守恒方程进行求和，对求和得到的方程进行时间离散，得到所述待分析储藏的连续性模型。
根据本发明的一个实施例，
所述流体质量守恒方程为：
岩石骨架质量守恒方程为：
其中，αf为流体压缩系数，φ表示岩体的孔隙度，εv表示岩体体积应变，μ表示岩体的动力粘度，kx，ky，kz分别表示岩体在直角坐标系下x，y，z向的渗透系数，ρs表示岩体骨架密度，t表示时间，p表示孔隙压力。
根据本发明的一个实施例，所述待分析储藏的连续性模型为：
[Kup]{ΔU}+[Kpp]{Δp}＝{ΔRp}
其中，K表示渗透系数张量，α表示Biot系数，表示插值函数矩阵，[B]表示几何矩阵，{M}表示Kronecker符号，[Kup]表示孔隙压力与节点力的整体关系矩阵，[Kpp]表示孔隙压力与渗流节点载荷的整体关系矩阵，kp表示孔隙压力对应的单元刚度矩阵；kpp表示孔隙压力与渗流节点载荷的单元关系矩阵；αm表示Biot系数矩阵，kup表示孔隙压力与节点力的单元关系矩阵，θ表示计算系数，k表示单元刚度矩阵，表示单元几何矩阵，表示差值函数矩阵，ΔRp表示渗流节点载荷增量，Δp表示孔隙压力增量，ΔU表示位移增量，Ω表示积分区域。
根据本发明的一个实施例，所述总体控制模型为：
其中，K表示渗透系数张量，[Kup]表示孔隙压力与节点力的整体关系矩阵，[Kpp]表示孔隙压力与渗流节点载荷的整体关系矩阵，[Kuu]表示节点位移与节点力的整体关系矩阵，Δp表示孔隙压力增量，ΔU表示位移增量，{ΔRu}表示节点力增量，{ΔRp}表示渗流节点载荷增量。
根据本发明的一个实施例，利用损伤参数对初始总体控制模型进行修正的步骤包括：
根据损伤参数计算存在损伤时单元的弹性模量；
利用存在损伤时单元的弹性模量替换所述弹性平衡模型中刚度矩阵中的不存在损伤时单元的弹性模量，得到修正后的刚度矩阵，根据修正后的刚度矩阵确定修正后的总体控制模型。
根据本发明的一个实施例，
根据如下表达式计算所述损伤参数：
根据如下表达式计算存在损伤时单元的弹性模量：
Eξ＝E0(1-ξ)
其中，ξ表示损伤参数，表示归一化的等效塑性应变，a表示材料常数，E0和Eξ分别表示不存在损伤时和存在损伤时单元的弹性模量。
根据本发明的一个实施例，根据如下表达式计算修正后的刚度矩阵：
其中，表示材料损伤时节点位移与节点力的整体关系矩阵，表示材料损伤时节点位移与节点力的单元关系矩阵，[B]表示几何矩阵，表示材料损伤时的刚度矩阵，Ω表示积分区域。
根据本发明的一个实施例，所述修正后的总体控制模型为：
其中，K表示渗透系数张量。
本发明还提供了一种储藏缝洞变形的分析方法，所述方法包括：
构建待分析储藏的缝洞模型，确定所述缝洞模型的几何模型和边界条件，对所述缝洞模型进行网格划分；
基于预设储藏流固耦合模型，采用地应力分析步对所述缝洞模型进行初始状态分析，模拟出所述待分析储藏未开采时的地应力状态；
基于预设储藏流固耦合模型，采用土分析步对所述缝洞模型进行分析，模拟出随着缝洞内地层压力的降低，确定出所述待分析储藏的缝洞发生的固结形变；
其中，所述预设储藏流固耦合模型是采用如上任一项所述的模型构建方法构建得到的。
本发明是一套针对裂缝型、溶洞型及缝洞型油气藏开发后岩层变形与破坏的仿真技术。本发明首先需要获取油藏开发的渗流与力学基础参数，并按照具体地质情况建立简化的有限元力学模型。考虑初始地应力的平衡状态，本发明可以计算出油藏未开发前的地应力与孔隙压力状态；在油藏开采后，地产孔隙压力随着降低，按照本发明的相关设置可以仿真溶洞周边岩层的应力状态与塑性屈服状态；根据特定的地质条件，可给出相关的损伤破坏判据，计算得出溶洞坍塌的范围与形状。
该方法建立了缝洞变形流固耦合模型，引入了岩石破裂损伤因子，其能够用于在油藏开发前初始地应力状态下对油藏开发过程中引起的油藏缝洞变形进行仿真分析，以供用户根据仿真结果提出合理的开发方法，从而减少开发过程对储集体变形的影响
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
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的附图做简单的介绍：
图1是根据本发明一个实施例的构建缝洞变形流固耦合模型的流程图；
图2是根据本发明一个实施例的储藏缝洞变形分析方法的流程图；
图3是根据本发明一个实施例的地层压力降低趋势示意图；
图4是根据本发明一个实施例的模拟时地层压力降低趋势示意图；
图5是根据本发明一个实施例的划分网格后的有限元模型示意图；
图6是根据本发明一个实施例的开采后整个地层的孔隙压降分布云图；
图7是根据本发明一个实施例的开采后整个地层的最大主应力分布云图；
图8是根据本发明一个实施例的开采后整个地层的最小主应力分布云图；
图9是根据本发明一个实施例的溶洞上下边界点(n1、n2)间的相对位移随时间的变化曲线；
图10是根据本发明一个实施例的岩石弹性模量随岩石损伤量的变化曲线示意图；
图11是根据本发明一个实施例的岩石粘聚力随岩石损伤量的变化曲线示意图；
图12是根据本发明一个实施例的去除已损伤材料后模型的最大主应力分布云图；
图13是根据本发明一个实施例的去除已损伤材料后模型的最小主应力分布云图；
图14是根据本发明一个实施例的圆形溶洞壁的塑性应变示意图；
图15是根据本发明一个实施例的加入损伤后节点n1-n2位移差随时间的变化曲线示意图；
图16是根据本发明一个实施例的加入损伤后位移云图及溶洞变形示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
当前对碳酸盐岩缝洞变形的分析方法都仅仅是基于概念模型来对溶洞的坍塌进行研究，以此分析静态参数对缝洞变形的影响。然而这些方法均没有考虑当前地应力状态以及流体作用对缝洞变形所造成的影响，因此很难对缝洞变形进行准确地预判。
针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供给了一种在现今应力场下基于流固耦合方法判别碳酸盐岩油藏缝洞变形的方法。该方法建立了缝洞变形流固耦合模型，引入了岩石破裂损伤因子，其能够用于在油藏开发前初始地应力状态下对油藏开发过程中引起的油藏缝洞变形进行仿真分析，以供用户根据仿真结果提出合理的开发方法，从而减少开发过程对储集体变形的影响。
由于本发明所提供的缝洞变形分析方法是基于流固耦合方法来对缝洞变形进行分析的，因此本发明首先提供了一种构建缝洞变形流固耦合模型的构建方法。图1示出了本实施例中构建缝洞变形流固耦合模型的流程图。
如图1所示，该方法首先在步骤S101中根据有效应力原理对待分析储藏的平衡模型进行处理，得到待分析储藏的弹性平衡模型。
具体地，本实施例中，在构建待分析储藏的弹性平衡模型时，手续i安根据有效应力原理确定待分析储藏的岩体内各点的应力函数，随后将该应力函数代入待分析储藏的平衡模型中，最后对得到的方程进行时间离散从而得到待分析储藏的弹性平衡模型。
本实施例中，根据有效应力原理，待分析储藏的岩体内各点的应力函数可以利用如下表达式进行表示：
{σ}＝[D]{εe}-α{M}p (1)
其中，[D]表示刚度矩阵，{εe}表示岩体内任一点的弹性应变，α表示Biot系数，p表示孔隙压力，{M}表示Kronecker符号，{σ}表示岩体内任一点的应力。
待分析储藏的平衡模型用矩阵可以表示为：
其中，表示算子矩阵，{σ}表示岩体内任一点的应力，{b}表示体力向量。
这样，将表达式(1)代入表达式(2)中，将有：
对表达式(3)进行时间离散，可得：
[Kuu]{ΔU}+[Kup]{Δp}＝{ΔRu} (4)
其中，
[Kuu]＝∑[kuu]＝∑∫Ω[B]T[D][B]dΩ (5)
其中，[D]、[B]、分别表示刚度矩阵、几何矩阵和插值函数矩阵，α表示Biot系数，p表示孔隙压力，{M}表示Kronecker符号，[Kuu]表示节点位移与节点力的整体关系矩阵，[Kup]表示孔隙压力与节点力的整体关系矩阵，{ΔRu}表示节点力增量，[kuu]表示节点位移与节点力的单元关系矩阵，Ω表示积分区域，[kup]表示孔隙压力与节点力的单元关系矩阵，{ΔU}表示位移增量。
由此便构建得到了待分析储藏的弹性平衡模型。
再次如图1所示，本实施例所提供的方法在步骤S102获取待分析储藏的流体质量守恒方程和岩石骨架质量守恒方程，并根据这两个方程确定出待分析储藏的连续性方程。
具体地，待分析储藏的运动方程可以表示为：
其中，v表示流体流动速度，μ表示流体的动粘度，K表示渗透系数张量，p表示流体压力。
流体压缩系数αf可以根据如下表达式计算得到：
其中，Vf表示流体体积。
对表达式(8)进行积分，可以得到：
其中，ρf表示流体密度，ρf0表示流体初始密度，p0表示初始孔隙压力。
岩体骨架压缩系数αs可以根据如下表达式计算得到：
其中，Vs表示岩石骨架体积。
对表达式(10)进行积分，可以得到：
其中，ρs表示岩石骨架密度，ρs0表示岩石骨架初始密度。
当Δp＝p-p0的取值不大时，表达式(9)和表达式(11)可以近似表示为：
ρf＝ρf0[1+αf(p-p0)] (12)
ρs＝ρs0[1+αs(p-p0)] (13)
本实施例中，质量守恒方程包括：流体质量守恒方程和岩石骨架质量守恒方程。其中，流体质量守恒方程可以表示为：
其中，φ表示岩体的孔隙度，t表示时间，εv表示岩体体积应变，kx、ky和kz分别表示岩石在直角坐标系下x,y,z向的渗透系数，μ表示岩体的动力粘度，。
岩石骨架质量守恒方程可以表示为：
表达式(14)与表达式(15)相加可得：
其中，ki表示岩体对坐标的渗透系数，Kf和Ks分别表示流体体积模量和岩石骨架体积模量，p.ii表示孔隙压力P对坐标的二阶微分。
对表达式(16)进行时间离散，可以得到：
[Kup]{ΔU}+[Kpp]{Δp}＝{ΔRp} (17)
其中，存在：
其中，K表示渗透系数张量，α表示Biot系数，表示插值函数矩阵，[B]表示几何矩阵，{M}表示Kronecker符号，[Kup]表示孔隙压力与节点力的整体关系矩阵，[Kpp]表示孔隙压力与渗流节点载荷的整体关系矩阵，kp表示孔隙压力对应的单元刚度矩阵；kpp表示孔隙压力与渗流节点载荷的单元关系矩阵；αm表示Biot系数矩阵，kup表示孔隙压力与节点力的单元关系矩阵，θ表示计算系数，k表示单元刚度矩阵，表示单元几何矩阵，表示差值函数矩阵，ΔRp表示渗流节点载荷增量，Δp表示孔隙压力增量，ΔU表示位移增量，Ω表示积分区域。
由此便构建得到了待分析储藏的连续性模型。
由于有限元平衡方程与连续方程具有耦合项{ΔU}和{Δp}，因此需要进行联立求解，因此本实施例所提供的方法在步骤S103中根据步骤S101中所得到的弹性平衡模型和步骤S102中所得到的连续性模型构建待分析储藏的总体控制方程。
具体地，本实施例中，步骤S103中所得到的总体控制方程可以表示为：
其中，K表示渗透系数张量，[Kup]表示孔隙压力与节点力的整体关系矩阵，[Kpp]表示孔隙压力与渗流节点载荷的整体关系矩阵，[Kuu]表示节点位移与节点力的整体关系矩阵，Δp表示孔隙压力增量，ΔU表示位移增量，{ΔRu}表示节点力增量，{ΔRp}表示渗流节点载荷增量。
由此便构建得到了待分析储藏的流固耦合模型。
塑性损伤耦合模型能够真实表达实际岩石的力学行为，即塑性应变和损伤两个变量在计算时会相互影响，当单元的塑性应变达到给定的损伤值时，单元开始发生损伤。
材料在出现损伤后，器弹性感度发生退化，为了更加准确地反应这一特征，本实施例所提供的方法引入了损伤因子标量ξ来作为损伤标量，其中，损伤因子标量ξ满足：
0≤ξ≤1 (21)
因此，本实施例所提供的方法在构建得到待分析储藏的流固耦合模型后，通过引入损伤因子标量(即损伤参数)来对构建得到的流固耦合模型进行修正。具体地，如图1所示，该方法在步骤S104中计算待分析储藏的损伤参数。
在损伤及孔隙水压的作用下，Mohr-Coulomb准则可以表示为：
其中，τ表示岩石某平面上的剪应力，c*表示粘聚力，σn表示该平面上的正应力，pw表示孔隙水压，φ*表示内摩擦角。
当岩石单元的等效塑性应变超过极限塑性应变时，则可以认为该岩石单元收到破坏，将等效塑性应变用一阶指数衰减函数进行归一化，可得：
其中，为归一化的等效塑性应变，a为材料常数。
在得到待分析储藏的损伤参数后，该方法在步骤S105中利用该损伤参数对步骤S103中所得到的总体控制模型(即初始总体控制模型)进行修正，得到修正后的整体控制模型，进而得到修正后的流固耦合模型。
具体地，本实施例中，在步骤S105中首先根据损伤参数计算存在损伤时单元的弹性模量；随后利用存在损伤时单元的弹性模量来替换弹性平衡模型中刚度矩阵中的不存在损伤时单元的弹性模量，从而得到修正后的刚度矩阵；最后根据修正后的刚度矩阵来确定出修正后的总体控制模型。
考虑材料损伤的情况下，材料弹性指标可以根据如下表达式计算得到：
Eξ＝E0(1-ξ) (24)
其中，E0表示未存在损伤的单元的弹性模量，Eξ表示存在损伤的单元的弹性模量。
以存在损伤的单元的弹性模量Eξ替换刚度矩阵[D]中的E，则可以得到材料损伤时的刚度矩阵这样便存在：
其中，表示材料损伤时节点位移与节点力的整体关系矩阵，表示材料损伤时节点位移与节点力的单元关系矩阵，[B]表示几何矩阵，表示材料损伤时的刚度矩阵，Ω表示积分区域。
这样也就可以得到存在损伤时渗流应力耦合有限元整体控制方程：
其中，K表示渗透系数张量。
至此也就构建得到了基于岩石破裂损伤因子的流固耦合模型。
需要指出的是，在本发明的其他实施例中，上述步骤S101与步骤S102还可以根据实际需要进行调整(例如确定待分析储藏的连续性模型，再确定弹性平衡模型)，本发明不限于此。
图2示出了本实施例所提供的储藏缝洞变形分析方法的流程图。
如图2所示，本实施例中，该方法首先在步骤S201中构建待分析储藏的缝洞分析模型，并确定出该缝洞分析模型的集合模型边界条件，随后在步骤S202中对该缝洞分析模型进行网格划分。
为了更加清楚地阐述该方法的实现原理、实现过程以及优点，以下利用该方法针对某油田缝洞型碳酸盐岩油藏进行分析为例进行说明。
根据测试结果，该缝洞型碳酸盐岩油藏的地层岩石材料的弹性模量为45GPa，泊松比为0.26，干密度为2600kg/m3，内摩擦角为36.05度，粘聚屈服应力为80Mpa，地层孔隙度为0.75％(孔隙比为0.756％)，渗透率取0.1mD，最大水平主应力为120MPa，最小水平主应力为90MPa，垂向应力为140MPa。地层地层压力为60MPa。开采一定时间后溶洞内地层压力降为51MPa，模拟时地层压力降低趋势如图3所示。
针对该缝洞型碳酸盐岩油藏的缝洞分析模型，该模型的几何模型及边界条件如图4所示。该模型全部采用四结点、平面应变四边形单元CPE4P，共划分3810个单元数，划分网格后的有限元模型如图5所示。
再次如图2所示，在完成网格划分后，采用地应力分析步对分动分析模型进行初始状态分析，从而模拟出未开采时的地应力状态。
在对该缝洞型盐酸岩油藏进行缝洞变形分析时，首先在步骤S203中基于预设储藏流固耦合模型，采用地应力分析步进行初始状态分析，模拟出待分析储藏未开采时的地应力状态。随后在步骤S204中基于预设储藏流固耦合模型，采用土分析步，模拟开采后溶洞内地层压力的降低，整个地层所发生的固结变形。本实施例中，在步骤S203和步骤S204中所使用的预设储藏流固耦合模型即是通过上述流固耦合模型构建方法构建得到的。
图6示出了开采后整个地层的孔隙压降分布云图。从图6中可以看出，溶洞流体压力的不断降低，使得近洞壁岩石中的孔隙压力随时间不断地降低，在1.5×104s时达到51MPa。随着溶洞壁流体压力的降低，溶洞壁周围的孔隙压力急剧下降，而远离溶洞的孔隙压力接近初始值60MPa。
图7示出了开采后整个地层的最大主应力分布云图。从图7中可以看出，近洞壁的小部分区域的最大主应力都为正值(受拉应力)，最大值为56.07Mpa，有可能发生张拉破坏。而模型的大部分区域的最大主应力都为负值，离洞壁一定距离之外的区域(大约三倍的溶洞半径)的最大主应力值可以认为等于地层的最大水平主应力120MPa。
图8示出了开采后整个地层的最小主应力分布云图。从图8中可以看出，整个模型的最小主应力都为负值，故都受到压应力，压应力的最大值302.4MPa出现在溶洞壁的中间位置(右图中A区域)，故此区域处于危险状态，最先屈服或破坏。离洞壁一定距离之外的区域(大约三倍的溶洞半径)的最小主应力值可以认为等于地层的垂直主应力140MPa。
图9给出了溶洞上下边界点(n1、n2)间的相对位移随时间的变化曲线，正值表示溶洞压缩，复制表示溶洞扩张。随着油气开采，溶洞周边孔隙压力降低，在有效应力作用下溶洞逐渐压缩，大约在3×106s(即34.7天)达到稳定状态，溶洞上下两点之间的位移差也趋于稳定值0.8mm。由此可以看出，孔隙压力的降低对溶洞的变形影响不是很大。
考虑到岩石发生塑性变形后产生损伤，由此导致岩石弹性模量与粘聚力的的变化。本实施例中，岩石弹性模量随岩石损伤量的变化曲线如图10所示，而岩石粘聚力(即内聚力)随岩石损伤量的变化曲线如图11所示。
图12示出了去除已损伤材料后模型的最大主应力分布云图。从图12中可以看出，去除已损伤材料的模型的最大主应力的值为29.7MPa，模型的大部分区域的最大主应力值仍等于地层的最大水平主应力120MPa。
图13示出了去除已损伤材料后模型的最小主应力分布云图。从图13中可以看出，最小主应力绝对值的最大值为351MPa，这是由于单元损伤后模型出现缺口，此缺口的有应力集中。
从图14中可以看出从圆形溶洞壁中间位置开始发生塑性应变，随时间的增加，塑性应变值越来越大，损伤区域不断的增大，损伤区域逐渐向溶洞壁的右上角和右下角扩展，稳定后已损伤的单元的面积为38.3m2约为半溶洞面积的1.5倍。
从图15和图16可以看出考虑损伤的模型在未考虑损伤模型的相同边界条件下计算出的溶洞上下两点之间位移差的稳定值为25mm，为溶洞直径的1/32倍。溶洞顶和溶洞底不断向洞内收缩，洞顶的位移远远大于溶洞底，溶洞上部的地层向下沉陷。
本发明是一套针对裂缝型、溶洞型及缝洞型油气藏开发后岩层变形与破坏的仿真技术。本发明首先需要获取油藏开发的渗流与力学基础参数，并按照具体地质情况建立简化的有限元力学模型。考虑初始地应力的平衡状态，本发明可以计算出油藏未开发前的地应力与孔隙压力状态；在油藏开采后，地产孔隙压力随着降低，按照本发明的相关设置可以仿真溶洞周边岩层的应力状态与塑性屈服状态；根据特定的地质条件，可给出相关的损伤破坏判据，计算得出溶洞坍塌的范围与形状。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。
Claims (14)
1.一种流固耦合模型的构建方法，其特征在于，所述方法包括：
弹性平衡模型构建步骤，根据有效应力原理对待分析储藏的平衡模型进行处理，得到所述待分析储藏的弹性平衡模型；
连续性模型构建步骤，获取所述待分析储藏的流体质量守恒方程和岩石骨架质量守恒方程，根据所述流体质量守恒方程和岩石骨架质量守恒方程确定所述待分析储藏的连续性模型；
总体控制模型构建步骤，根据所述弹性平衡方程和连续性方程构建所述待分析储藏的初始总体控制模型，从而确定出所述待分析储藏的流固耦合模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
模型修正步骤，计算所述待分析储藏的损伤参数，利用所述损伤参数对初始总体控制模型进行修正，得到修正后的总体控制模型，从而确定出修正后的流固耦合模型。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述弹性平衡模型构建步骤包括：
根据有效应力原理确定所述待分析储藏的岩体内各点的应力函数；
将所述应力函数代入所述待分析储藏的平衡模型，对所得到的方程进行时间离散，得到所述待分析储藏的弹性平衡模型。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述应力函数为：
{σ}＝[D]{εe}-α{M}p
其中，[D]表示刚度矩阵，{εe}表示岩体内任一点的弹性应变，α表示Biot系数，p表示孔隙压力，{M}表示Kronecker符号，{σ}表示岩体内任一点的应力。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述弹性平衡模型为：
[Kuu]{ΔU}+[Kup]{Δp}＝{ΔRu}
[Kuu]＝∑[kuu]＝∑∫Ω[B]T[D][B]dΩ
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</mrow>
其中，[D]、[B]、分别表示刚度矩阵、几何矩阵和插值函数矩阵，α表示Biot系数，p表示孔隙压力，{M}表示Kronecker符号，[Kuu]表示节点位移与节点力的整体关系矩阵，[Kup]表示孔隙压力与节点力的整体关系矩阵，{ΔRu}表示节点力增量，[kuu]表示节点位移与节点力的单元关系矩阵，Ω表示积分区域，[kup]表示孔隙压力与节点力的单元关系矩阵，{ΔU}表示位移增量。
6.如权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，所述连续性模型构建步骤包括：
对所述待分析储藏的流体质量守恒方程和岩石骨架质量守恒方程进行求和，对求和得到的方程进行时间离散，得到所述待分析储藏的连续性模型。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述流体质量守恒方程为：
<mrow>
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岩石骨架质量守恒方程为：
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</mfrac>
<mo>=</mo>
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</mrow>
其中，αf为流体压缩系数，φ表示岩体的孔隙度，εv表示岩体体积应变，μ表示岩体的动力粘度，kx，ky，kz分别表示岩体在直角坐标系下x，y，z向的渗透系数，ρs表示岩体骨架密度，t表示时间，p表示孔隙压力。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述待分析储藏的连续性模型为：
[Kup]{ΔU}+[Kpp]{Δp}＝{ΔRp}
<mrow>
<mo>&lsqb;</mo>
<msub>
<mi>K</mi>
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其中，K表示渗透系数张量，α表示Biot系数，表示插值函数矩阵，[B]表示几何矩阵，{M}表示Kronecker符号，[Kup]表示孔隙压力与节点力的整体关系矩阵，[Kpp]表示孔隙压力与渗流节点载荷的整体关系矩阵，kp表示孔隙压力对应的单元刚度矩阵，kpp表示孔隙压力与渗流节点载荷的单元关系矩阵，αm表示Biot系数矩阵，kup表示孔隙压力与节点力的单元关系矩阵，θ表示计算系数，k表示单元刚度矩阵，表示单元几何矩阵，表示差值函数矩阵，ΔRp表示渗流节点载荷增量，Δp表示孔隙压力增量，ΔU表示位移增量，Ω表示积分区域。
9.如权利要求1～8中任一项所述的方法，其特征在于，所述总体控制模型为：
<mrow>
<mfenced open = "[" close = "]">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<msub>
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</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
其中，K表示渗透系数张量，[Kup]表示孔隙压力与节点力的整体关系矩阵，[Kpp]表示孔隙压力与渗流节点载荷的整体关系矩阵，[Kuu]表示节点位移与节点力的整体关系矩阵，Δp表示孔隙压力增量，ΔU表示位移增量，{ΔRu}表示节点力增量，{ΔRp}表示渗流节点载荷增量。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，利用损伤参数对初始总体控制模型进行修正的步骤包括：
根据损伤参数计算存在损伤时单元的弹性模量；
利用存在损伤时单元的弹性模量替换所述弹性平衡模型中刚度矩阵中的不存在损伤时单元的弹性模量，得到修正后的刚度矩阵，根据修正后的刚度矩阵确定修正后的总体控制模型。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，
根据如下表达式计算所述损伤参数：
<mrow>
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<mo>=</mo>
<mfrac>
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</mrow>
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<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
根据如下表达式计算存在损伤时单元的弹性模量：
Eξ＝E0(1-ξ)
其中，ξ表示损伤参数，表示归一化的等效塑性应变，a表示材料常数，E0和Eξ分别表示不存在损伤时和存在损伤时单元的弹性模量。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，根据如下表达式计算修正后的刚度矩阵：
<mrow>
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<mi>K</mi>
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</mover>
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<mo>&lsqb;</mo>
<mi>B</mi>
<mo>&rsqb;</mo>
<mi>d</mi>
<mi>&Omega;</mi>
</mrow>
其中，表示材料损伤时节点位移与节点力的整体关系矩阵，表示材料损伤时节点位移与节点力的单元关系矩阵，[B]表示几何矩阵，表示材料损伤时的刚度矩阵，Ω表示积分区域。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述修正后的总体控制模型为：
<mrow>
<mfenced open = "[" close = "]">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<msub>
<mover>
<mi>K</mi>
<mo>~</mo>
</mover>
<mrow>
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</mrow>
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<mfenced open = "{" close = "}">
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</mtable>
</mfenced>
<mo>.</mo>
</mrow>
14.一种储藏缝洞变形的分析方法，其特征在于，所述方法包括：
构建待分析储藏的缝洞模型，确定所述缝洞模型的几何模型和边界条件，对所述缝洞模型进行网格划分；
基于预设储藏流固耦合模型，采用地应力分析步对所述缝洞模型进行初始状态分析，模拟出所述待分析储藏未开采时的地应力状态；
基于预设储藏流固耦合模型，采用土分析步对所述缝洞模型进行分析，模拟出随着缝洞内地层压力的降低，确定出所述待分析储藏的缝洞发生的固结形变；
其中，所述预设储藏流固耦合模型是采用如权利要求1～13中任一项所述的方法构建得到的。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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