CN107609265A - 一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明保护性公布了一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟方法及系统，方法包括：S1、根据深度域构造信息和地层岩性信息，建立地层模型；S2、将具体地地层模型导入有限元分析程序，设置地层模型的材料属性，得到初始有限元模型；S3、设置边界条件和初始应力条件，通过有限元计算得到初始模拟应力场；S4、通过蚂蚁追踪算法对初始模拟应力场进行验证，根据验证结果对初始有限元模型和初始应力条件进行反复修正与迭代，直至模拟应力场与实测应力场一致时，得到最终有限元模型和最终模拟应力场。本发明的有益效果是：通过蚂蚁追踪算法对有限元模拟结果进行反复修正与迭代，不断优化分析结果，使得模拟结果更加准确。

Description

一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟方法及系统

技术领域

本发明涉及地层模拟技术领域，特别涉及一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟方法及系统。

背景技术

构造应力对构造、地质结构、盆地油气聚集等有类似连锁控制的作用，诸多学者在经过大量研究后发现了分析构造应力场的重大价值，试图在构造应力场与其他地质属性之间寻求规律。我国是从70年代中期开始将有限元数值模拟技术应用在地学领域的。随着有限元数值模拟技术的出现，在综合利用其它方法如地质、地球物理、地球化学研究成果的基础之上，采用这类数值模拟技术，可以建立不受时空限制的各种地层模型，帮助研究人员比较直观地认识和理解构造应力场的特征和演化历史，并可以对其演化趋势做出预测。近十年来，随着计算机性能的提高，国内的构造应力场分析以及数值模拟的技术的运用有了迅速的发展。很多学者在数值模拟方法上进行了应用、分析、总结，在生产方面广泛地将这些方法用于构造研究、圈定油气聚集区、裂缝预测、地震预测等。但是，现有的对构造应力场的分析结果以及数值模拟的模拟结果，与实测数据相比，有很大差距，并不能直接用于表征真实的构造应力场。

发明内容

本发明提供了一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟方法及系统，解决了现有技术的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一方面，提供一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟方法，包括：

S1、根据深度域构造信息和地层岩性信息，建立地层模型；

S2、将所述地层模型导入有限元分析程序，设置所述地层模型的材料属性，得到初始有限元模型；

S3、设置所述初始有限元模型的边界条件和初始应力条件，通过有限元分析得到应力施加在所述初始有限元模型上产生的初始模拟应力场；

S4、通过蚂蚁追踪算法对所述初始模拟应力场进行验证，根据验证结果对所述初始有限元模型和所述初始应力条件进行反复修正与迭代，直至所述模拟应力场与实测应力场一致时，得到最终有限元模型和最终应力条件。

本发明的有益效果是：本技术方案通过有限元分析与蚂蚁追踪算法对模拟结果进行反复验证，优化验证有限元分析结果，使得模拟结果更加准确，可以将模拟结果直接表征真实构造应力场，进一步预测地层微构造。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

优选地，还包括：

S5、通过对所述最终有限元模型进行应力场的有限元分析，预测地下裂缝的发育方向及发育程度。

优选地，步骤S1包括：

S11、对深度域构造信息和地层岩性信息中的具有横坐标、纵坐标和深度的层位数据点信息对应的三维空间中的层位数据点进行标准化处理，相邻两个层位数据点之间为横纵等间距；

S12、根据从左至右和从上至下的顺序规则对标准化处理后的所述层位数据点进行排序编号；

S13、对排序编号后的所述层位数据点进行三角网格剖分，得到具有多个三角单元的地层模型，每个所述三角单元均由三个所述层位数据点组成，每个所述三角单元均具有相应的单元号。

优选地，所述材料属性包括：地层密度、杨氏模量、岩石泊松比、地层厚度和自由度。

优选地，所述边界条件包括：材料的形变上限和断裂上限，所述初始应力条件包括：应力方向和应力大小。

另一方面，提供一种地层应力场的有限元模拟系统一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟方法及系统，包括：

建立模块，用于根据深度域构造信息和地层岩性信息，建立地层模型；

导入模块，用于将所述地层模型导入有限元分析程序，设置所述地层模型的材料属性，得到初始有限元模型；

设置模块，用于设置所述初始有限元模型的边界条件和初始应力条件，通过有限元分析得到应力施加在所述初始有限元模型上产生的初始模拟应力场；

修正模块，用于通过蚂蚁追踪算法对所述初始模拟应力场进行验证，根据验证结果对所述初始有限元模型和所述初始应力条件进行反复修正与迭代，直至所述模拟应力场与实测应力场一致时，得到最终有限元模型和最终应力条件。

优选地，还包括：

分析模块，用于通过对所述最终有限元模型进行应力场的有限元分析，预测地下裂缝的发育方向及发育程度。

优选地，所述建立模块包括：

标准化子模块，用于对深度域构造信息和地层岩性信息中的具有横坐标、纵坐标和深度的层位数据点信息对应的三维空间中的层位数据点进行标准化处理，相邻两个层位数据点之间为横纵等间距；

编号子模块，用于根据从左至右和从上至下的顺序规则对标准化处理后的所述层位数据点进行排序编号；

剖分子模块，用于对排序编号后的所述层位数据点进行三角网格剖分，得到具有多个三角单元的地层模型，每个所述三角单元均由三个所述层位数据点组成，每个所述三角单元均具有相应的单元号。

优选地，所述材料属性包括：地层密度、杨氏模量、岩石泊松比、地层厚度和自由度。

优选地，所述边界条件包括：材料的形变上限和断裂上限，所述初始应力条件包括：应力方向和应力大小。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟的流程示意图；

图2为本发明另一实施例提供的一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟的流程示意图；

图3为本发明另一实施例提供的一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟方法的流程示意图；

图4为本发明另一实施例提供的一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟系统的结构示意图；

图5为本发明另一实施例提供的一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种地层应力场的有限元模拟方法一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟方法及系统，包括：

S101、根据深度域构造信息和地层岩性信息，建立地层模型；

S102、将地层模型导入有限元分析程序，设置地层模型的材料属性，得到初始有限元模型；

S103、设置初始有限元模型的边界条件和初始应力条件，通过有限元分析得到应力施加在初始有限元模型上产生的初始模拟应力场；

S104、通过蚂蚁追踪算法对初始模拟应力场进行验证，根据验证结果对初始有限元模型和初始应力条件进行反复修正与迭代，直至模拟应力场与实测应力场一致时，得到最终有限元模型和最终应力条件。

材料属性包括：地层密度、杨氏模量、岩石泊松比、地层厚度和自由度。边界条件包括：材料的形变上限和断裂上限。初始应力条件包括：应力方向和应力大小。

应力场数值模拟从构造力学出发，利用深度域构造信息、地层岩性信息建立地层模型，通过数值模拟的方法得到构造应力场，其中包括了最大主应变与最大主应力等。地层模型是反映地下地质构造的理想化模型，是对地下复杂构造的抽象简化，而构造应力场是地下构造应力施加在地层模型上的应力状态，不同的地层模型与构造应力结合产生不同的构造应力场。

在有限元地层应力模拟中地层的材料模型至关重要，关系到地层的岩石力学性质，对模拟结果的影响极大。目前材料模型的来源有多种来源，如岩石物理实验的结果，测井岩石物理模拟，地层压力数据等等。主要得到的参数为地层的岩石泊松比、杨氏模量、密度、地层厚度等等。边界条件的确定来源主要来自于成像测井、岩心、井径等资料，通过对地应力来源的方向和大小的初步确定，可以更好的约束边界条件。

对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤相同，仅在具体公式推导和运算求解上有区别。有限元求解问题的基本步骤通常为：

①建立有限元模型

a.建立或导入几何模型

将编好点号和单元号的地层模型导入到有限元分析软件中。

b.定义材料属性

主要输入材料的密度、杨氏模量、泊松比、厚度、自由度等。

c.建立有限元模型

当关键点、单元号以及材料属性输入成功后有限元模型即建立成功。

②施加载荷并求解

a.定义约束(即边界条件)

定义的约束条件包括材料的形变上限、断裂上限等。

b.施加载荷

即施加的外部应力条件，例如某区块的主应力方向为105度至115度，那么施加的应力方向即为110度左右方向，施加的应力大小根据井点的实测结果给一个范围。施加载荷包括垂直应力，水平应力等。

c.求解

当边界条件确定后通过有限元分析求解，如果边界条件导致材料破裂则中断计算，调整边界条件继续计算。

③后处理

a.绘制结果

绘制应力场分布方向的矢量图、最大主应力大小的等值线图、最大主应变大小的矢量图等。

b.分析结果

通过对绘制结果的图进行分析，分析边界条件的合理性。

如图2所示，一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟方法，包括：

S201、根据深度域构造信息和地层岩性信息，建立地层模型；

S202、将地层模型导入有限元分析程序，设置地层模型的材料属性，得到初始有限元模型；

S203、设置初始有限元模型的边界条件和初始应力条件，通过有限元分析得到应力施加在初始有限元模型上产生的初始模拟应力场；

S204、通过蚂蚁追踪算法对初始模拟应力场进行验证，根据验证结果对初始有限元模型和初始应力条件进行反复修正与迭代，直至模拟应力场与实测应力场一致时，得到最终有限元模型和最终应力条件；

S205、通过对最终有限元模型进行应力场的有限元分析，预测地下裂缝的发育方向及发育程度。

分析构造应力场的变化特征，可以将其作为进一步判断裂缝的参考依据。可以从另一个方面来验证裂缝方向及发育程度，同时也可以告诉我们构造对裂缝发育程度的影响大小。裂缝是沟通储层的通道，应力场预测和验证裂缝发育程度目的主要是为了寻找地下裂缝相对发育的储层以及利用地应力的特性方便进行人造压裂缝改造储层。

通过蚂蚁追踪算法对地层中的微构造、断裂进行追踪分析，一般在方差体为基础上进行蚂蚁追踪，反复对比达到最佳效果。地层的应力状态和材料的复杂性决定应力模拟的结果不可能一次达到预想的想过，通过井点的应力场大小与方向与实测结果进行验证，不断修正模型与外部条件，使井点处的模拟结果与实测一致。达到结果的可信与优化。

蚂蚁追踪算法主要是在方差体的基础上对断裂进行细化追踪，提高断层识别的分辨率，使断裂、断层更加细化。蚂蚁追踪在方差体的基础上更加清晰的反应断裂、断层的分布状况，对方差体不能直观反映的微小断裂有极大的改善。

蚂蚁追踪的作用在于与应力场相互验证，对应力场的模拟起到约束作用，可以对应力场的结果进行验证。首先是应力场的应力方向与蚂蚁体所反映的构造分布有必然联系。应力是产生一系列微构造、断裂和其他构造现象的主要因素，应力场反应的就是应力的空间分布状态。而蚂蚁追踪所反映的是地震所能反应的一系列断裂的分布状态。由于他们存在必然联系，用蚂蚁追踪的结果与应力场模拟结果进行验证必然可信。

如图3所示，建立地层模型的实现方法具体包括：

S301、对深度域构造信息和地层岩性信息中的具有横坐标、纵坐标和深度的层位数据点信息对应的三维空间中的层位数据点进行标准化处理，相邻两个层位数据点之间为横纵等间距；

S302、根据从左至右和从上至下的顺序规则对标准化处理后的层位数据点进行排序编号；

S303、对排序编号后的层位数据点进行三角网格剖分，得到具有多个三角单元的地层模型，每个三角单元均由三个层位数据点组成，每个三角单元均具有相应的单元号。

有限元地应力分析的关键之一就是关于地层模型的确立，地层模型的准确与否关系到模拟结果的真实性与可靠性。目前的现今地应力的模型的确立采取了简化抽象的矩形薄板模型或者圆形模型，薄板模型表现为板的长度和宽度远远大于模型的厚度，如果区块的地层过于复杂，应该考虑按照区块进行分块建模。具体如下：

①将地震解释中的X、Y、Z(横坐标，纵坐标，深度)的层位数据点进行规格化处理，使相邻两个层位数据点之间的横纵间距相等，四个两两相邻的层位数据点形成一个网格；

②将标准化以后的点数据进行重建编号，使之不再遵循原有的X、Y的大小排序方式，形成从左到右，从上到下的顺序进行排序编号；

③将排好顺序的点序列进行三角网格剖分，使之形成一个一个的三角单元，单元的组成形式为形成最近的三角形，不再有空余的未组成三角形的点；

④对网格三角剖分的模型进行保存后会得到关于关键点和三角单元的两个文件，关键点的格式为X、Y、Z格式，三角单元的格式为N1、N2、N3(即为组成三角单元的三个点的点号)。

如图4所示，一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟系统，包括：

建立模块401，用于根据深度域构造信息和地层岩性信息，建立地层模型；

导入模块402，用于将地层模型导入有限元分析程序，设置地层模型的材料属性，得到初始有限元模型；

设置模块403，用于设置初始有限元模型的边界条件和初始应力条件，通过有限元分析得到应力施加在初始有限元模型上产生的初始模拟应力场；

修正模块404，用于通过蚂蚁追踪算法对初始模拟应力场进行验证，根据验证结果对初始有限元模型和初始应力条件进行反复修正与迭代，直至模拟应力场与实测应力场一致时，得到最终有限元模型和最终应力条件。

如图5所示，一种地层应力场的有限元模拟系统，包括：

建立模块501，用于根据深度域构造信息和地层岩性信息，建立地层模型；

建立模块501包括：

标准化子模块5011，用于对深度域构造信息和地层岩性信息中的具有横坐标、纵坐标和深度的层位数据点信息对应的三维空间中的层位数据点进行标准化处理，相邻两个层位数据点之间为横纵等间距；

编号子模块5012，用于根据从左至右和从上至下的顺序规则对标准化处理后的层位数据点进行排序编号；

剖分子模块5013，用于对排序编号后的层位数据点进行三角网格剖分，得到具有多个三角单元的地层模型，每个三角单元均由三个层位数据点组成，每个三角单元均具有相应的单元号。

导入模块502，用于将地层模型导入有限元分析程序，设置地层模型的材料属性，得到初始有限元模型；

设置模块503，用于设置初始有限元模型的边界条件和初始应力条件，通过有限元分析得到应力施加在初始有限元模型上产生的初始模拟应力场；

修正模块504，用于通过蚂蚁追踪算法对初始模拟应力场进行验证，根据验证结果对初始有限元模型和初始应力条件进行反复修正与迭代，直至模拟应力场与实测应力场一致时，得到最终有限元模型和最终应力条件。

分析模块505，用于通过对最终有限元模型进行应力场的有限元分析，预测地下裂缝的发育方向及发育程度。

材料属性包括：地层密度、杨氏模量、岩石泊松比、地层厚度和自由度。边界条件包括：材料的形变上限和断裂上限，初始应力条件包括：应力方向和应力大小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟方法，其特征在于，包括：

S1、根据深度域构造信息和地层岩性信息，建立地层模型；

S2、将所述地层模型导入有限元分析程序，设置所述地层模型的材料属性，得到初始有限元模型；

S3、设置所述初始有限元模型的边界条件和初始应力条件，通过有限元分析得到应力施加在所述初始有限元模型上产生的初始模拟应力场；

S4、通过蚂蚁追踪算法对所述初始模拟应力场进行验证，根据验证结果对所述初始有限元模型和所述初始应力条件进行反复修正与迭代，直至所述模拟应力场与实测应力场一致时，得到最终有限元模型和最终应力条件。

2.根据权利要求1所述的一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟方法，其特征在于，还包括：

S5、通过对所述最终有限元模型进行应力场的有限元分析，预测地下裂缝的发育方向及发育程度。

3.根据权利要求1所述的一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟方法，其特征在于，步骤S1包括：

S11、对深度域构造信息和地层岩性信息中的具有横坐标、纵坐标和深度的层位数据点信息对应的三维空间中的层位数据点进行标准化处理，相邻两个层位数据点之间为横纵等间距；

S12、根据从左至右和从上至下的顺序规则对标准化处理后的所述层位数据点进行排序编号；

S13、对排序编号后的所述层位数据点进行三角网格剖分，得到具有多个三角单元的地层模型，每个所述三角单元均由三个所述层位数据点组成，每个所述三角单元均具有相应的单元号。

4.根据权利要求1所述的一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟方法，其特征在于，所述材料属性包括：地层密度、杨氏模量、岩石泊松比、地层厚度和自由度。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟方法，其特征在于，所述边界条件包括：材料的形变上限和断裂上限，所述初始应力条件包括：应力方向和应力大小。

6.一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟系统，其特征在于，包括：

建立模块，用于根据深度域构造信息和地层岩性信息，建立地层模型；

导入模块，用于将所述地层模型导入有限元分析程序，设置所述地层模型的材料属性，得到初始有限元模型；

设置模块，用于设置所述初始有限元模型的边界条件和初始应力条件，通过有限元分析得到应力施加在所述初始有限元模型上产生的初始模拟应力场；

修正模块，用于通过蚂蚁追踪算法对所述初始模拟应力场进行验证，根据验证结果对所述初始有限元模型和所述初始应力条件进行反复修正与迭代，直至所述模拟应力场与实测应力场一致时，得到最终有限元模型和最终应力条件。

7.根据权利要求6所述的一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟系统，其特征在于，还包括：

分析模块，用于通过对所述最终有限元模型进行应力场的有限元分析，预测地下裂缝的发育方向及发育程度。

8.根据权利要求6所述的一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟系统，其特征在于，所述建立模块包括：

标准化子模块，用于对深度域构造信息和地层岩性信息中的具有横坐标、纵坐标和深度的层位数据点信息对应的三维空间中的层位数据点进行标准化处理，相邻两个层位数据点之间为横纵等间距；

编号子模块，用于根据从左至右和从上至下的顺序规则对标准化处理后的所述层位数据点进行排序编号；

剖分子模块，用于对排序编号后的所述层位数据点进行三角网格剖分，得到具有多个三角单元的地层模型，每个所述三角单元均由三个所述层位数据点组成，每个所述三角单元均具有相应的单元号。

9.根据权利要求6所述的一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟系统，其特征在于，所述材料属性包括：地层密度、杨氏模量、岩石泊松比、地层厚度和自由度。

10.根据权利要求6-9任一项所述的一种基于蚂蚁追踪的地层应力场有限元模拟系统，其特征在于，所述边界条件包括：材料的形变上限和断裂上限，所述初始应力条件包括：应力方向和应力大小。