CN113408161B - 水力压裂激发Kraukls波模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水力压裂激发Kraukls波模拟方法及系统，属于Krauklis波研究领域。所述方法包括：获取人工裂缝的裂缝模型，并根据预设剖分规则进行裂缝模型离散化处理，获得网格单元模型；扫描所有网格单元，筛选出与裂缝开口相关的网格单元，并确定与裂缝开口相关的网格单元的属性参数；根据与裂缝开口相关的网格单元的属性参数和预设位移载荷计算公式，逐一计算各与裂缝开口相关的网格单元对应裂缝开口处的位移载荷；根据位移载荷计算结果对所有网格单元进行位移载荷装配，并将装配完成的位移载荷加到常规有限元的位移项上，获得最终有限元方程；求解所述有限元方程，获得并输出模拟结果。本发明方案实现了水力压裂激发Kraukls波的准确模拟。
Description
技术领域
本发明涉及Krauklis波研究领域，具体地涉及一种水力压裂激发Kraukls 波模拟方法及一种水力压裂激发Kraukls波模拟系统。
背景技术
水力压裂是一项有广泛应用前景的油气井增产措施，水力压裂法是目前开采天然气的主要形式，要求用大量掺入化学物质的水灌入页岩层进行液压碎裂以释放天然气。所以水力压裂是一种广泛应用的储层改造手段，特别是针对页岩、碳酸盐等致密储层。通过水利压裂进行储层改造时，岩层裂缝开裂时，会激发地震波。而Krauklis波就是在这过程中激发的一种导波，这种导波沿着裂缝展布方向传播，其传播特性与裂缝的发育程度、几何形态密切相关。为了能够有效进行水力压裂导致的微地震事件定位，以及刻画压裂产生的裂缝，以便于进行事故隐患的预先准备或进行储存的定位裂，了解开裂过程中激发产生的Krauklis波具有很大的价值。但是受开裂裂缝随机性强的特质，使得Krauklis波的产生和传播也觉有很强的随机性。所以目前还没有有效且准确进行Krauklis波模拟的方法。针对目前水力压裂激发Krauklis波模拟困难的问题，需要创造一种水力压裂激发Kraukls波模拟方法。
发明内容
本发明实施方式的目的是提供一种水力压裂激发Kraukls波模拟方法，以至少解决目前水力压裂激发Krauklis波模拟困难的问题。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种水力压裂激发Kraukls波模拟方法，应用于水力压裂法下人工裂缝的监测，所述方法包括：S1)获取人工裂缝的裂缝模型，并根据预设剖分规则进行裂缝模型离散化处理，获得网格单元模型；S2)扫描所有网格单元，筛选出与裂缝开口相关的网格单元，并确定与裂缝开口相关的网格单元的属性参数；S3)根据与裂缝开口相关的网格单元的属性参数和预设位移载荷计算公式，逐一计算各与裂缝开口相关的网格单元对应裂缝开口处的位移载荷；S4)根据位移载荷计算结果对所有网格单元进行位移载荷装配，并将装配完成的位移载荷加到常规有限元的位移项上，获得最终有限元方程；S5)求解所述有限元方程，获得并输出模拟结果。
可选的，步骤S1)中，所述获取人工裂缝的裂缝模型，并根据预设剖分规则进行裂缝模型离散化处理，获得网格单元模型，包括：获取裂缝模型的模型参数；利用Delaunay等参三角网格单元模型和所述模型参数进行各裂缝形状拟合，获得网格单元模型。
可选的，所述模型参数包括：裂缝的空间位置、裂缝孔径、裂缝面光滑程度以及裂缝走向。
可选的，所述利用Delaunay等参三角网格单元模型和所述模型参数进行各裂缝形状拟合，包括：在各裂缝开口位置，对应网格单元有且只有一条边与裂缝开口重合。
可选的，步骤S2)中，所述与裂缝开口相关的网格单元的属性参数，包括：与裂缝开口相关的网格单元中与裂缝开口向量重合的边，以及所述与裂缝开口向量重合的边上的网格单元节点的编号及坐标。
可选的，步骤S3)中，所述根据与裂缝开口相关的网格单元的属性参数和预设位移载荷计算公式，逐一计算各与裂缝开口相关的网格单元对应裂缝开口处的位移载荷，包括：每次选取一个与裂缝开口相关的网格单元，确定该与裂缝开口相关的网格单元中与裂缝开口向量重合边上的网格单元节点的编号及坐标；计算当前网格单元节点坐标的位移载荷，以表示当前裂缝开口处的位移载荷；根据预设空间尺度函数和预设时间与子波函数获得位移载荷法方程，其表达关系式为：
Ftime＝Fspace·Ftime
其中，Fspace为预设空间尺度函数；Ftime为预设时间与子波函数。
可选的，所述预设空间尺度函数表达式为：
其中，为落在开口处节点相对于裂缝中心点的位置向量；为表征裂缝开口的向量；所述预设时间与子波函数表达式为：
其中，A0为振幅系数；τ为子波函数的时间尺度因子；t0为子波函数的中心时刻；t为时间序列。
可选的，步骤S4)中，所述根据位移载荷计算结果对所有网格单元进行位移载荷装配，包括：获得所有与裂缝开口相关的网格单元的单元节点的位移载荷计算结果；根据位移载荷装配计算公式进行所有与裂缝开口相关的网格单元的单元节点的位移载荷装配，获得最终的位移载荷矩阵；其中，所述位移载荷装配计算公式为：
其中，F为最终的位移载荷矩阵；Nopening为落在裂缝开口处的节点个数； Ci为描述第i个落在裂缝开口处节点的编号位置向量；Fi为第i个落在裂缝开口处节点的位移载荷。
本发明第二方面提供一种水力压裂激发Kraukls波模拟系统，应用水力压裂法下人工裂缝的监测，所述系统包括：采集单元，用于获取人工裂缝的裂缝模型；处理单元，用于：根据预设剖分规则进行裂缝模型离散化处理，获得网格单元模型；扫描所有网格单元，筛选出与裂缝开口相关的网格单元，并确定与裂缝开口相关的网格单元的属性参数；根据与裂缝开口相关的网格单元的属性参数和预设位移载荷计算公式逐一计算各与裂缝开口相关的网格单元对应裂缝开口处的位移载荷；根据位移载荷计算结果对所有网格单元进行位移载荷装配，并将装配完成的位移载荷加到常规有限元的位移项上，获得最终有限元方程；输出单元，用于求解所述有限元方程，获得并输出模拟结果。
另一方面，本发明提供一种计算机可读储存介质，该计算机可读存储介质上储存有指令，其在计算机上运行时使得计算机执行上述的水力压裂激发 Kraukls波模拟方法。
通过上述技术方案，将随机化的裂缝模型进行三角剖分，使得裂缝形状变为规律可循的三角形组合，形成为网格单元模型。然后在网格单元模型中筛选出与裂缝开口相关的网格单元，进行位移载荷计算并对应将计算获得的位移载荷装配到网格单元中。装配后的网格单元模型便拟合了实际的裂缝开口的位移载荷情况，该位移载荷情况便表示了裂缝的位移情况，将该位移项作为已知数据进行有限元方程求解，便可以获取Kraukls波的模拟结果。应对了压裂产生随机性的特质，实现了水力压裂激发Kraukls波的准确模拟，解决了目前水力压裂激发Krauklis波模拟困难的问题。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
图1是本发明一种实施方式提供的水力压裂激发Kraukls波模拟方法的步骤流程图；
图2是本发明一种实施方式提供的水力压裂激发Kraukls波模拟系统的系统结构图。
附图标记说明
10-采集单元；20-处理单元；30-输出单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图2是本发明一种实施方式提供的水力压裂激发Kraukls波模拟系统的系统结构图。如图2所示，本发明实施方式提供一种水力压裂激发Kraukls 波模拟系统，所述系统包括：采集单元10，用于获取人工裂缝的裂缝模型；处理单元20，用于：根据预设剖分规则进行裂缝模型离散化处理，获得网格单元模型；扫描所有网格单元，筛选出与裂缝开口相关的网格单元，并确定与裂缝开口相关的网格单元的属性参数；根据与裂缝开口相关的网格单元的属性参数和预设位移载荷计算公式逐一计算各与裂缝开口相关的网格单元对应裂缝开口处的位移载荷；根据位移载荷计算结果对所有网格单元进行位移载荷装配，并将装配完成的位移载荷加到常规有限元的位移项上，获得最终有限元方程；输出单元30，用于求解所述有限元方程，获得并输出模拟结果。
图1是本发明一种实施方式提供的水力压裂激发Kraukls波模拟方法的方法流程图。如图1所示，本发明实施方式提供一种水力压裂激发Kraukls 波模拟方法，所述方法包括：
步骤S10：获取所述人工裂缝的裂缝模型，并根据预设剖分规则进行所述裂缝模型离散化处理，获得网格单元模型。
具体的，采集单元10进行水力压裂后产生的人工裂缝模型采集，包括人工裂缝的空间形状和投影形状。因为裂缝的空间展布存在着复杂性，无法直接用形状模型进行后续模拟，所以需要使用网格单元模型，进行人工裂缝形状拟合，以保证后续移动载荷计算和装配的简略性，提高Kraukls波模拟效率。优选的，将人工裂缝模型中离散的点进行三角网格剖分，将形状复杂且无规律的裂缝形状拟合成多个相接的三角形，便于后续对裂缝进行形状分析。判断一个三角网格化产生的结果是否为最优，一般认为，三角网格化后得到的三角形中细长和尖锐的三角形越少越好，而类似与等边三角形和锐角三角形越多越好。而Delaunay等参三角网格单元模型因为其具有空圆特性和最大化最小角特性，使得避免了狭长三角形的产生，所以优选在本发明中选用Delaunay等参三角网格单元模型进行人工裂缝原始形状拟合。这种网格的尺寸可以随着拟合区域的尺寸灵活变化，而且可以提供双二次插值函数，这样可以保证所求解的数值解具有双二阶精度。通过Delaunay等参三角网格单元模型剖分获得的网格单元，每一个网格单元包括6个节点，其中 3个角节点，对应着三角形的三个顶点；另外3个是边节点，对应三角形三条边的中点。在网格剖分的过程中，处理单元20实时进行采集单元10获取的人工裂缝的空间形态扫描，包括裂缝的空间位置、裂缝孔径、裂缝面光滑程度以及裂缝走向。其中，裂缝的空间位置用于确认网格单元在空间中的位置，裂缝孔径以及裂缝表面光滑程度则用以确定网格单元的大小尺寸。裂缝孔径越小、裂缝面粗糙程度越大，则网格的尺寸要求也就更精细。而裂缝的走向则用以确认三角形内角的角度分布。
步骤S20：扫描所有网格单元，筛选出其中与裂缝开口相关的网格单元，并确定所述与裂缝开口相关的网格单元的属性参数。
具体的，处理单元20获取剖分后的所有网格单元组合形成的网格单元模型，然后进行网格单元模型筛选，过滤掉其中远离裂缝开口的网格单元，仅保留与裂缝开口相关的网格单元。然后进行这些与裂缝开口相关网格单元的属性参数获取。在步骤S10中，进行三角网格剖分时，为避免干扰，获得裂缝开口相关网格单元时，需要保证与裂缝开口相关网格单元有且只有一条边与裂缝开口重合，以便于后续在裂缝开口处加载位移载荷。处理单元20 将筛选出来的与裂缝开口相关的网格单元进行整合，然后逐一获取这些网格单元中与裂缝开口重合的那一条边，以获取这些边上所有的网格单元节点的编号和坐标。这些参数在获取进行位移载荷计算时，需要根据坐标位置进行向量确定，以保证位移载荷计算准确。
步骤S30：根据所述与裂缝开口相关的网格单元的属性参数和预设位移载荷计算公式逐一计算各与裂缝开口相关的网格单元对应裂缝开口处的位移载荷。
具体的，位移载荷的加载原则为，与裂缝形成原理相同，在裂缝开口面上，从裂缝的几何中心向两个侧裂缝壁的位置，位移载荷的值递减。为了表征这种递减关系，需要在载荷方程中定义一个空间尺度函数。该空间尺度函数值在裂缝中心处达到峰值1，而在两个侧裂缝壁的位置，则为0。在介于裂缝中心和两个侧裂缝壁之间的位置，尺度函数对称光滑递交。通过空间尺度函数建立，体现了位移载荷从裂缝中心向两个侧裂缝壁递减的特性。优选的，本发明根据上述规则建立的空间尺度函数关系式为：
其中，为落在开口处节点相对于裂缝中心点的位置向量；为表征裂缝开口的向量。其中，定义为由裂缝中心点指向该节点的向量，其具体表达式为：
其中，(x0,y0)为裂缝的中心店坐标；(xnode,ynode)为落在裂缝开口处的节点坐标。为表征裂缝开口的向量，由裂缝开口的起点志向裂缝开口终点的向量，其表达式为：
其中，为裂缝开口按照逆时针方向的起点；为裂缝开口按照逆时针方向的终点。除了需要空间尺度函数，Krauklis波的生成和传输需要用时间域来进行表征，时间域的时间序列的性质与特征则是各种数学滤波的理论基础，因此，对地震勘探资料作时间域内的研究，在现代地震勘探中具有重要意义。裂缝在开裂时会激发地震波，Krauklis波就是在这过程中激发的一种导波。所以需要定义一个时间与子波函数，优选的，本发明提出的时间域子波函数表达式为：
其中，A0为振幅系数；τ为子波函数的时间尺度因子；t0为子波函数的中心时刻；t为时间序列。而位移载荷方程便是空间尺度函数与时间域子波函数相乘获得，所以最终的位移载荷方程为：Ftime＝Fspace·Ftime，即：
通过上述关系式，逐一进行各与裂缝开口相关网格单元中，开口线上的位移载荷计算。
步骤S40：根据位移载荷计算结果对所有网格单元进行位移载荷进行装配，并将装配完成的位移载荷加到常规有限元的位移项上，获得最终有限元方程。
具体的，完成每一个与裂缝开口相关网格单元位移载荷计算后，需要将这些计算获得的位移载荷装配到整个网格单元模型中，获得完整的人工裂缝的位移载荷。有限元节点装配方式就是将创建的有限元模型整合装配形成完整部件或装配体。所以本发明选用有限元节点装配方式进行位移载荷装配。其计算公式如下：
其中，F为最终的位移载荷矩阵；Nopening为落在裂缝开口处的节点个数； Ci为描述第i个落在裂缝开口处节点的编号位置向量；Fi为第i个落在裂缝开口处节点的位移载荷。在一种可能的实施方式中，位移载荷不局限于仅在与开口裂缝相关网格单元中进行，可以在所有网格单元中进行。获取完整的网格单元模型，其中，与裂缝开口相关的网格单元通过上述装配公式进行装配结果计算。而处理单元20识别到的与裂缝开口无关的网格单元，直接默认结果为0，将所有结果整合到一起，便获得了最后的位移载荷。完成位移载荷装配后，直接将最终的位移载荷加到有限元方程的位移项上，作为有限元方程的已知条件。
步骤S50：求解所述有限元方程，获得并输出模拟结果。
具体的，获得最终的位移载荷后，在有限元方程中，位移项变为已知条件。输出单元30将装配获得的位移载荷值直接放入到有限元方程中进行求解，获得求解结果，当前结果便为Kraukls波的模拟结果。
本发明实施方式还提供一种计算机可读储存介质，该计算机可读存储介质上储存有指令，其在计算机上运行时使得计算机执行上述的水力压裂激发 Kraukls波模拟方法。
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式的方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM， Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。
Claims (8)
1.一种水力压裂激发Kraukls波模拟方法，应用于水力压裂法下人工裂缝的监测，其特征在于，所述方法包括：
S1)获取人工裂缝的裂缝模型，并根据预设剖分规则进行裂缝模型离散化处理，获得网格单元模型；
S2)扫描所有网格单元，筛选出与裂缝开口相关的网格单元，并确定与裂缝开口相关的网格单元的属性参数；
S3)根据与裂缝开口相关的网格单元的属性参数和预设位移载荷计算公式，逐一计算各与裂缝开口相关的网格单元对应裂缝开口处的位移载荷；包括：
每次选取一个与裂缝开口相关的网格单元，确定该与裂缝开口相关的网格单元中与裂缝开口向量重合边上的网格单元节点的编号及坐标；
计算当前网格单元节点坐标的位移载荷，以表示当前裂缝开口处的位移载荷；
根据预设空间尺度函数和预设时间与子波函数获得位移载荷法方程，其表达关系式为：
其中，F为预设空间尺度函数；
space
Ftime为预设时间与子波函数；
所述预设空间尺度函数表达式为：
其中，
为落在开口处节点相对于裂缝中心点的位置向量；
所述预设时间与子波函数表达式为：
其中，A0为振幅系数；
τ为子波函数的时间尺度因子；
t0为子波函数的中心时刻；
t为时间序列；
S4)根据位移载荷计算结果对所有网格单元进行位移载荷装配，并将装配完成的位移载荷加到常规有限元的位移项上，获得最终有限元方程；
S5)求解所述有限元方程，获得并输出模拟结果。
2.根据权利要求1所述的水力压裂激发Kraukls波模拟方法，其特征在于，步骤S1)中，所述获取人工裂缝的裂缝模型，并根据预设剖分规则进行裂缝模型离散化处理，获得网格单元模型，包括：
获取裂缝模型的模型参数；
利用Delaunay等参三角网格单元模型和所述模型参数进行各裂缝形状拟合，获得网格单元模型。
3.根据权利要求2所述的水力压裂激发Kraukls波模拟方法，其特征在于，所述模型参数包括：
裂缝的空间位置、裂缝孔径、裂缝面光滑程度以及裂缝走向。
4.根据权利要求2所述的水力压裂激发Kraukls波模拟方法，其特征在于，所述利用Delaunay等参三角网格单元模型和所述模型参数进行各裂缝形状拟合，包括：
在各裂缝开口位置，对应网格单元有且只有一条边与裂缝开口重合。
5.根据权利要求4所述的水力压裂激发Kraukls波模拟方法，其特征在于，步骤S2)中，所述与裂缝开口相关的网格单元的属性参数，包括：
与裂缝开口相关的网格单元中与裂缝开口向量重合的边，以及所述与裂缝开口向量重合的边上的网格单元节点的编号及坐标。
6.根据权利要求1所述的水力压裂激发Kraukls波模拟方法，其特征在于，步骤S4)中，所述根据位移载荷计算结果对所有网格单元进行位移载荷装配，包括：
获得所有与裂缝开口相关的网格单元的单元节点的位移载荷计算结果；
根据位移载荷装配计算公式进行所有与裂缝开口相关的网格单元的单元节点的位移载荷装配，获得最终的位移载荷矩阵；其中，所述位移载荷装配计算公式为：
其中，F为最终的位移载荷矩阵；
Nopening为落在裂缝开口处的节点个数；
Ci为描述第i个落在裂缝开口处节点的编号位置向量；
Fi为第i个落在裂缝开口处节点的位移载荷。
7.一种水力压裂激发Kraukls波模拟系统，应用水力压裂法下人工裂缝的监测，其特征在于，所述系统包括：
采集单元，用于获取人工裂缝的裂缝模型；
处理单元，用于：
根据预设剖分规则进行裂缝模型离散化处理，获得网格单元模型；
扫描所有网格单元，筛选出与裂缝开口相关的网格单元，并确定与裂缝开口相关的网格单元的属性参数；
根据与裂缝开口相关的网格单元的属性参数和预设位移载荷计算公式逐一计算各与裂缝开口相关的网格单元对应裂缝开口处的位移载荷；包括：
每次选取一个与裂缝开口相关的网格单元，确定该与裂缝开口相关的网格单元中与裂缝开口向量重合边上的网格单元节点的编号及坐标；
计算当前网格单元节点坐标的位移载荷，以表示当前裂缝开口处的位移载荷；
根据预设空间尺度函数和预设时间与子波函数获得位移载荷法方程，其表达关系式为：
其中，F为预设空间尺度函数；
space
Ftime为预设时间与子波函数；
所述预设空间尺度函数表达式为：
其中，
为落在开口处节点相对于裂缝中心点的位置向量；
所述预设时间与子波函数表达式为：
其中，A0为振幅系数；
τ为子波函数的时间尺度因子；
t0为子波函数的中心时刻；
t为时间序列；
根据位移载荷计算结果对所有网格单元进行位移载荷装配，并将装配完成的位移载荷加到常规有限元的位移项上，获得最终有限元方程；
输出单元，用于求解所述有限元方程，获得并输出模拟结果。
8.一种计算机可读储存介质，该计算机可读存储介质上储存有指令，其在计算机上运行时使得计算机执行权利要求1至6中任一项权利要求所述的水力压裂激发Kraukls波模拟方法。
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| 水力压裂水平裂缝影响参数的数值模拟研究;彪仿俊;刘合;张士诚;张劲;王秀喜;;工程力学(第10期);第228-235页 * |
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Also Published As
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