CN113591420A - 真三轴水力压裂实验的仿真方法及处理器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气田开发技术领域，公开了一种真三轴水力压裂实验的仿真方法及处理器。仿真方法包括：根据实际岩心的尺寸确定用于模拟实际岩心的岩样模型的尺寸，在岩样模型的尺寸对应的计算空间内生成颗粒群；在颗粒群的颗粒间施加胶结，并根据实际岩心的强度调整胶结的强度；在计算空间的外围设置墙体以将计算空间围成封闭区域，并通过墙体向岩样模型施加三向的分层的地应力；在岩样模型上开展压裂注液模拟，进行注液点附近预设范围内的孔隙骨架由注液引发的孔隙压力升高并向四周传递孔隙压力的过程；控制孔隙压力增加而导致颗粒间的胶结断裂，直至岩样模型发生内部破裂。本仿真的研究成果可以为现场压裂施工提供更科学的指导，提升油气产量。

Description

真三轴水力压裂实验的仿真方法及处理器

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，具体地涉及一种真三轴水力压裂实验的仿真方法及处理器。

背景技术

随着世界经济和工业的不断发展，常规油气藏的产量已无法满足日渐增长的油气资源需求。因此，针对非常规油气藏(如稠油、超稠油、致密砂岩及页岩油气藏等)的勘探与开发工作正持续开展并深入。非常规油气藏的油气赋存方式、储层物性及地层流体性质与常规油气藏存在显著差异，常规开发模式下产量有限，亟需高效的增产措施。实践证明，大型水力压裂技术是提升非常规油气藏油气产量的最为有效且可靠的手段，在国内外的非常规油气藏开发作业中得到广泛应用。

然而，在复杂地应力及地层非均质性影响下，人工裂缝在储层中的起裂及延伸机制非常复杂，非平面裂缝路径预测难度极高，亟需开展针对复杂地质及工况条件下的人工裂缝起裂及延伸机制的基础研究，从而为现场压裂施工设计提供科学指导。

室内真三轴水力压裂实验是研究人工裂缝起裂及延伸特征的有效手段，在利用现场地层岩心或露头的基础上，可准确捕捉模拟地层条件下人工裂缝的形态特征。然而，目前的真三轴水力压裂实验存在诸多缺陷，例如由于露头获取困难且实验耗时较长，开展大量的考虑多因素变量的真三轴水力压裂实验的时间、人员及经济成本极高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明实施例提供了一种真三轴水力压裂实验的仿真方法及处理器。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种真三轴水力压裂实验的仿真方法，包括：

根据实际岩心的尺寸确定用于模拟实际岩心的岩样模型的尺寸，在岩样模型的尺寸对应的计算空间内生成颗粒群；

在颗粒群的颗粒间施加胶结，并根据实际岩心的强度调整胶结的强度；

在计算空间的外围设置墙体以将计算空间围成封闭区域，并通过墙体向岩样模型施加三向的分层的地应力；

在岩样模型的基础上构建流体计算网络，以进行岩样孔隙内的流体压力随注液的演化以及流体压力在孔隙间传递的过程；

在岩样模型上开展压裂注液模拟，进行注液点附近预设范围内的孔隙骨架由注液引发的孔隙压力升高并向四周传递孔隙压力的过程；

控制孔隙压力增加而导致颗粒间的胶结断裂，直至岩样模型发生内部破裂。

在本发明实施例中，仿真方法还包括：

调整颗粒的属性和胶结的强度，以还原实际岩心中的砾石颗粒特性；或者

调整颗粒群的部分颗粒间的接触模型，以使得部分颗粒间接触的力学特性接近实际岩心中的第一天然裂缝的特性。

在本发明实施例中，调整颗粒群的部分颗粒间的接触模型，以使得部分颗粒间接触的力学特征接近实际岩心中的第一天然裂缝包括：

施加光滑节理接触模型，以形成岩样模型中的第二天然裂缝；

设置第二天然裂缝的倾向和倾角；

设置光滑节理接触模型的第一参数，第一参数包括：单元法向刚度、单元切向刚度、摩擦系数、膨胀角、抗拉强度、内聚力和节理摩擦角；

调整第二天然裂缝的渗透率。

在本发明实施例中，仿真方法还包括：

设置流体计算网络的控制体积和流体参数，流体参数包括：流体黏度、体积模量和排量；

设置岩样模型的渗透率参数，渗透率参数包括不受外部应力作用时的松弛渗透率、受无穷大外部应力作用下的极限渗透率以及岩样模型破裂后的破裂渗透率；

设置胶结的第二参数，第二参数包括：有效模量、法-切向刚度比、抗拉强度、内聚力、内摩擦角和摩擦系数。

在本发明实施例中，仿真方法还包括：

控制颗粒间的胶结断裂而形成微裂缝并释放应变能而形成声发射事件点；

统计岩样模型中产生的微裂缝数量、微裂缝形态以及声发射事件点的位置；

形成裂缝形态、所述孔隙压力、泵压曲线以及声发射事件点的空间分布；

确定声发射事件点的矩震级以及对应的微裂缝的破坏类型。

在本发明实施例中，确定声发射事件点的矩震级包括：

根据微裂缝周边的接触力的位置和变化量，计算出声发射事件点的矩张量；

根据矩张量得到矩张量矩阵；

根据矩张量矩阵计算得到标量矩；

根据标量矩计算得到声发射事件点的矩震级。

在本发明实施例中，在颗粒群的颗粒间施加胶结包括：

对岩样模型的基质部分施加平节理接触模型；

利用平节理接触模型对颗粒间的接触处施加胶结。

在本发明实施例中，在岩样模型的基础上构建流体计算网络包括：

将相互接触的多个颗粒的球心相互连接，以形成四面体结构，四面体结构为流体计算网络的基本单元；

在每个基本单元中确定具有预设压力的孔隙；

在两个相邻孔隙之间确定流体通道；

控制水力压裂的注液中，基本单元中的孔隙压力上升，同时孔隙压力通过流体通道向相邻的基本单元中的孔隙传递。

在本发明实施例中，仿真方法还包括：

设置颗粒的属性，属性包括颗粒密度和阻尼系数；

设置颗粒群的分辨率，以控制封闭区域内的预设边上同时生成的颗粒的数量；

设置地应力精度系数；

调整地应力精度系数以使得地应力的模拟值与目标值一致。

本发明第二方面提供一种处理器，被配置成执行上述的真三轴水力压裂实验的仿真方法。

本发明第三方面提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行上述的真三轴水力压裂实验的仿真方法。

本发明第四方面提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序在被处理器执行时实现上述的真三轴水力压裂实验的仿真方法。

本发明实施例的仿真方法可以实现：(1)针对具有非均质性的岩样模型的水力压裂全过程，开展流固耦合模拟；(2)对岩样模型施加分层的地应力，还原实际岩心受到的复杂的边界应力；(3)基于断裂动力学模拟生成声发射事件点。

本发明实施例的仿真方法可以实现对真三轴水力压裂实验的模拟，开展大量的考虑多因素变量的真三轴水力压裂实验模拟的时间、人员及经济成本较低，可以针对真三轴水力压裂实验开展精细化的数字化表征，并对比验证室内实验结果，完善人工裂缝在复杂地层中的起裂及延伸机制研究，从而为水力压裂施工和缝网构建优化设计提供了理论指导。仿真的研究成果可以为现场压裂施工设计提供更科学的理论指导，进而提升非常规油气藏油气产量。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，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例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1示意性示出了根据本发明实施例的真三轴水力压裂实验的仿真方法的流程图；

图2示意性示出了根据本发明实施例的含有砾石颗粒的真实砾岩示意图；

图3示意性示出了根据本发明实施例的仿真方法生成的含有砾石颗粒的岩样模型的侧视图；

图4示意性示出了根据本发明实施例的仿真方法生成的含有砾石颗粒的岩样模型的正视图；

图5示意性示出了根据本发明实施例的含有天然裂缝的真实岩石的示意图；

图6示意性示出了根据本发明实施例的仿真方法生成的含有天然裂缝的岩样模型图；

图7示意性示出了根据本发明实施例的真三轴水力压裂实验的岩石的地应力分布图；

图8示意性示出了根据本发明实施例的仿真方法的岩样模型的地应力分布图；

图9示意性示出了根据本发明实施例的流体计算网络的基本单元的示意图；

图10示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的裂缝形态的示意图之一；

图11示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的裂缝形态的示意图之二；

图12示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的裂缝形态的示意图之三；

图13示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的孔隙压力的分布图之一；

图14示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的孔隙压力的分布图之二；

图15示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的孔隙压力的分布图之三；

图16示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的声发射事件点的分布图之一；

图17示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的声发射事件点的分布图之二；

图18示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的声发射事件点的分布图之三；

图19示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型在仿真过程中的井底压力变化曲线图；

图20示意性示出了根据本发明实施例的含砾岩颗粒(其强度较低时)的岩样模型进行仿真后的裂缝形态的示意图之一；

图21示意性示出了根据本发明实施例的含砾岩颗粒(其强度较低时)的岩样模型进行仿真后的裂缝形态的示意图之二；

图22示意性示出了根据本发明实施例的含砾岩颗粒(其强度较高时)的岩样模型进行仿真后的裂缝形态的示意图之一；

图23示意性示出了根据本发明实施例的含砾岩颗粒(其强度较高时)的岩样模型进行仿真后的裂缝形态的示意图之二；

图24示意性示出了根据本发明实施例的含砾岩颗粒的岩样模型在仿真过程中的井底压力变化曲线图；

图25示意性示出了根据本发明实施例的真三轴水力压裂实验的数字化仿真流程图。

附图标记说明

11砾石颗粒 12第一天然裂缝

13第二天然裂缝 14颗粒

15孔隙 16流域

17流管 18微裂缝

19声发射事件点

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例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实施例，并不用于限制本发明实施例。

需要说明，若本申请实施方式中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本申请实施方式中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

图1示意性示出了根据本发明实施例的真三轴水力压裂实验的仿真方法的流程图。

如图1所示，提供了一种真三轴水力压裂实验的仿真方法，包括以下步骤：

步骤101，根据实际岩心的尺寸确定用于模拟实际岩心的岩样模型的尺寸，在岩样模型的尺寸对应的计算空间内生成颗粒群；

步骤102，在颗粒群的颗粒间施加胶结，并根据实际岩心的强度调整胶结的强度；

步骤103，在计算空间的外围设置墙体以将计算空间围成封闭区域，并通过墙体向岩样模型施加三向的分层的地应力；

步骤104，在岩样模型的基础上构建流体计算网络，以进行岩样孔隙内的流体压力随注液的演化以及流体压力在孔隙间传递的过程；

步骤105，在岩样模型上开展压裂注液模拟，进行注液点附近预设范围内的孔隙骨架由注液引发的孔隙压力升高并向四周传递孔隙压力的过程；

步骤106，控制孔隙压力增加而导致颗粒间的胶结断裂，直至岩样模型发生内部破裂。

在步骤101中，根据真三轴压裂实验中选取的实际岩心的尺寸来确定数字化仿真中真三轴岩样模型的尺寸。考虑离散元颗粒计算量较大，根据计算资源设定数字化仿真方法的计算对象尺寸。针对计算机单机资源，本仿真方法其可适应几十毫米至几米边长的真三轴压裂实验岩样模型。

针对真三轴压裂实验的多数情况，一般设置岩样模型为300×300×300mm或400×400×400mm，与室内常用实验样品尺寸对应。同时，在模型中生成与岩样尺寸对应的计算空间，用于生成颗粒群，并且在计算空间周围用光滑的墙体将计算空间围成一个封闭区域。根据实际情况选取合适的分辨率Re并在封闭区域内部生成颗粒群。在此阶段生成的颗粒被赋予有颗粒密度ρb以及阻尼系数fb等属性。

其中，分辨率Re具体表征为封闭区域的一条边上可同时生成的颗粒数量。岩样模型的非均质性越强，对模型的精细度要求就越高，相应的分辨率Re也越高。

在步骤102中，在颗粒群中颗粒的相互接触处定义接触模型，从而施加颗粒间的胶结，胶结的强度根据实际岩心的强度而定。施加胶结后，颗粒群即可称为岩样模型。通过对接触模型中所定义的强度参数进行调整，可将岩样模型的强度校正至实际岩心的强度。

对岩样模型的基质部分施加平节理接触模型(flat joint model)。利用该接触模型对颗粒的接触处施加胶结后，离散的颗粒群将表现出连续介质的力学特性，主要需要对胶结设置下列参数：有效模量

法-切向刚度比

抗拉强度

内聚力cfj，内摩擦角

及摩擦系数μfj。

调整岩样模型的强度参数的主要方法分为直接定义法和试错法。直接定义法：使用岩石微观参数测试设备测量实际岩石的微观力学参数，并根据测量结果设置接触模型的微观参数。

试错法指利用生成的岩样模型开展力学参数测试的数值模拟(针对单轴或三轴实验的仿真模拟)，并将模拟得到的宏观力学参数值，如抗压强度、弹性模量对比真实岩石在实验室中测得的相应参数值，调整接触模型的微观参数值直至宏观力学参数的模拟值与真实岩石的实测值相近。由于直接测试真实岩石的微观参数的仪器成本高昂，本仿真方法中可以优先采用试错法调整岩样模型的强度参数，通过单轴或三轴实验的仿真模拟结果对比实验室的真实岩石的实测值，动态调整岩样模型的强度参数。

观察并记录真三轴压裂实验中实际岩心的非均质特征，并在岩样模型中表征。图2示意性示出了根据本发明实施例的含有砾石颗粒的真实砾岩示意图，图3示意性示出了根据本发明实施例的仿真方法生成的含有砾石颗粒的岩样模型的侧视图，图4示意性示出了根据本发明实施例的仿真方法生成的含有砾石颗粒的岩样模型的正视图，通过调整不同层的颗粒属性及颗粒间的胶结强度，使得仿真中岩样模型还原真实岩石中发育的层理和砾石颗粒特性。

图5示意性示出了根据本发明实施例的含有天然裂缝的真实岩石的示意图，图6示意性示出了根据本发明实施例的仿真方法生成的含有天然裂缝的岩样模型图，通过设定特定范围内的颗粒间的接触模型，使得该部分颗粒间接触的力学特性接近天然裂缝。

岩样模型中的天然裂缝可以通过光滑节理接触模型(smooth joint model)来实现，光滑节理接触模型能够模拟岩体在天然裂缝界面处的滑移行为。在对裂缝发育处施加该接触模型时，主要需要设置下列模型参数：单元法向刚度

单元切向刚度

摩擦系数μ_sj、膨胀角ψ_sj、抗拉强度

内聚力c_sj和节理摩擦角

由于天然裂缝的渗透率高于岩石基质，其水力特性亦需在岩样模型中加以表征。本数字化仿真方法中设置了裂缝渗透率乘子ζ_f＝k_fau/k_mtx，用以描述天然裂缝的渗透率与岩石基质的渗透率之间的关系，其中k_fau为天然裂缝的渗透率，k_mtx为岩石基质的渗透率。

在步骤103中，通过岩样模型四周的墙体向岩样模型分别独立施加三向的分层的地应力σx1，σx2…σxn，σy1，σy2…σyn，σz1，σz2…σzn，还原岩石在三轴实验中所处的复杂地应力状态。图7示意性示出了根据本发明实施例的真三轴水力压裂实验的岩石的地应力分布图，图8示意性示出了根据本发明实施例的仿真方法的岩样模型的地应力分布图，参见图7和图8。通过设置地应力精度系数δtol来控制模拟地应力值与目标地应力值之间的误差范围，优化计算效率。

其中，地应力精度系数可以由以下公式确定：

σ₀为目标地应力值，σ_p为加载过程中的当前地应力值。

在步骤104中，在岩样模型的基础上构建流体计算网络，并形成基于离散元方法的流固耦合方案，从而模拟真实岩石孔隙内的流体压力随注液的演化以及流体压力在孔隙间的传递过程。同时，设置岩样模型的渗透率参数，渗透率参数主要包括：不受外部应力作用时的松弛渗透率k_ini、受无穷大外部应力作用下的极限渗透率k_str和岩样模型破裂后的破裂渗透率k_frc。

介绍流体计算网络的生成原理及方法，图9示意性示出了根据本发明实施例的流体计算网络的基本单元的示意图，如图9所示，将相互接触的四个颗粒的球心相互连接，形成一个四面体结构，该四面体结构即为流体计算网络的基本单元，称为流域。在每个流域中定义一个具有一定流体压力的孔隙，并在两个相邻孔隙之间定义一条流体通道，称为流管。在水力压裂的注液过程中，流域中的孔隙压力不断上升，同时孔隙压力通过流管向相邻流域中的孔隙传递。流管中的流体流动过程设定为层流且遵循Hagen-Poiseuille(哈根-泊肃叶)方程，当相邻孔隙间存在压力差时，孔隙间流管中的流量由以下公式确定：

其中，μ为流体黏度(单位：mPa·s)，ΔP为相邻量孔隙间压力差(单位：Pa)，L_p为流管长度(单位：m)，r_p为流管半径(单位：m)。流管半径也可表征为开度或导流能力，与岩样模型的渗透率及颗粒间接触力有关。渗透率越大，颗粒间接触力越小，开度和导流能力越高。流管半径r_p由以下公式被确定：

其中，r_p,∞及r_p,0分别为流管在无穷大颗粒间接触力和零颗粒间接触力作用下的半径(单位：m)。α为敏感系数(无量纲)，为流管半径随颗粒间接触力的增大而减小的敏感程度。在时间步长Δt内，某一个特定孔隙内的流体压力增量由以下公式被确定：

其中，K_f为流体的体积流量(单位：m³/s)，V_d为孔隙体积(单位：m³)，∑qΔt为流入/流出的流体体积净值(单位：m³)，ΔV_d为岩样模型变形导致的孔隙体积变化量(单位：m³)。

岩样模型的渗透率k由以下公式被确定：

其中，V_c为流体计算网络的控制体积(单位：m³)。流体参数包括流体黏度μ(单位：mPa·s)、体积模量K_b(单位：Pa)和排量r(单位：m³/s)等。

在步骤105和106中，实施真三轴水力压裂实验的数字化仿真，对岩样模型开展压裂注液模拟，刻画注液点附近一定范围内的孔隙骨架由注液引发的孔隙压力升高并向四周传递孔隙压力的过程。进一步地，控制孔隙压力值增加导致颗粒间胶结断裂，直至岩样模型发生内部破裂的过程。在经过一段时间的注液模拟后，统计岩样模型中产生的微裂缝数量、微裂缝形态和声发射事件点的位置，形成精细的裂缝形态、孔隙压力、泵压曲线及声发射事件点的空间分布，并可进一步获取声发射事件点的矩震级及对应微裂缝的破坏类型等信息。

采用基于离散介质的声发射事件点统计方法，设定每个颗粒间胶结的断裂形成一个微裂缝，从而释放应变能，并形成一个声发射事件点。断裂的胶结的两端的颗粒(源颗粒)则会发生位移，且源颗粒与周围颗粒间的接触力大小也会发生变化。因此，可根据微裂缝周边的接触力的位置及变化量计算出该声发射事件点的矩张量，由以下公式确定：

其中，M_ij是该声发射事件点的矩张量，ΔF_i是接触力变化量的第i个分量(单位：N)，R_j是接触点与声发射事件点中心点之间距离的第j个分量(单位：m)，S为包围该声发射事件点的表面。基于所获得的矩张量，可将其分解为各向同性及偏差部分，分别量化其百分比为：

其中，tr(M)为矩张量M的迹，

为偏特征值。T的取值范围为-100％至100％。当30％<T<100％或-100％<T<-30％时，声发射事件点对应的微裂缝为拉伸裂缝；当-30％<T<30％时，声发射事件点对应的微裂缝为剪切裂缝。此外，由矩张量矩阵可计算出标量矩，由以下公式确定：

其中，M₀是标量矩，m_j为矩张量矩阵的第j个特征值。根据标量矩，可进一步计算得到声发射事件点的矩震级(M_w)为：

根据计算得到的声发射事件点的矩震级数值的分布情况，可在岩样模型中标定所有检测到的声发射事件点，并可基于数值大小显示其颜色及尺寸。

本发明实施例提供一种基于结合动力学与流固耦合的离散元，且适用于真三轴水力压裂实验试样的数字化仿真方法，本发明实施例的仿真方法可以实现：(1)针对具有非均质性的岩样模型的水力压裂全过程，开展流固耦合模拟；(2)对岩样模型施加分层的地应力，还原实际岩心受到的复杂的边界应力；(3)基于断裂动力学模拟生成声发射事件点。

本发明实施例的仿真方法可以实现对真三轴水力压裂实验的模拟，开展大量的考虑多因素变量的真三轴水力压裂实验模拟的时间、人员及经济成本较低，可以针对真三轴水力压裂实验开展精细化的数字化表征，并对比验证室内实验结果，完善人工裂缝在复杂地层中的起裂及延伸机制研究，从而为水力压裂施工和缝网构建优化设计提供了理论指导。仿真的研究成果可以为现场压裂施工设计提供更科学的理论指导，进而提升非常规油气藏油气产量。

下面以两个具体实施例来对本发明实施例的真三轴水力压裂实验的仿真方法进行具体说明。在第一个实施例中，主要是对含层理及天然裂缝的页岩岩样中的真三轴水力压裂过程进行了数字化仿真。在另一个实施例中，主要是对含砾石颗粒的砾岩岩样中的真三轴水力压裂过程进行了数字化仿真。

在一实施例中，对含层理及天然裂缝的页岩岩样中的真三轴水力压裂过程进行了数字化仿真，并获得了相应的裂缝形态、孔隙压力、声发射事件点的分布和井底压力变化曲线的情况。可参见图10至图19，图10示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的裂缝形态的示意图之一；图11示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的裂缝形态的示意图之二；图12示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的裂缝形态的示意图之三；图13示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的孔隙压力的分布图之一；图14示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的孔隙压力的分布图之二；图15示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的孔隙压力的分布图之三；

图16示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的声发射事件点的分布图之一；图17示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的声发射事件点的分布图之二；图18示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的声发射事件点的分布图之三；图19示意性示出了根据本发明实施例的含天然裂缝的岩样模型进行仿真过程中的井底压力变化曲线图。

对比图10和图16，对比图11和图17，对比图12和图18，可以看到，含天然裂缝的岩样模型进行仿真后的裂缝形态的分布图和声发射事件点的分布图是一定吻合度的。

本实施例的仿真方法主要包括以下六个步骤。

步骤一：根据真三轴压裂实验中选取的实际岩心尺寸确定本实施例中岩样模型的尺寸为300×300×300mm，与室内实际实验对应。在数值模型中生成相应大小的由墙体围成的封闭区域。根据实际情况选取合适的分辨率R_e＝20，并在封闭区域内部生成颗粒群，在此阶段生成的颗粒的颗粒密度ρ_b＝2500kg/m³，阻尼系数f_b＝0.7。

步骤二：对颗粒群中颗粒的相互接触处定义接触模型，从而实现颗粒间胶结的施加，胶结强度根据实际岩心的强度而定。通过对接触模型中所定义的强度参数进行调整，可将岩样模型的强度参数校正至目标值。本实施例中对岩样模型的基质部分施加了平节理接触模型，并根据试错法对岩样模型进行了单轴压缩实验仿真，将仿真结果与实验室测得的强度参数对比，对岩样模型强度参数做了调整，设置下列模型参数：有效模量

法-切向刚度比

抗拉强度

内聚力c_fj＝20MPa，内摩擦角φ_fj＝40°及摩擦系数μ_fj＝0.5。

步骤三：观察并记录真三轴压裂实验中实际岩心的非均质特征，并在岩样模型中表征。本实施例中通过光滑节理接触模型对页岩中发育的天然裂缝进行了表征，其中天然裂缝的倾向和倾角均为70°，贯穿整个岩样模型。对裂缝发育处施加的光滑节理接触模型设置下列模型参数：单元法向刚度

单元切向刚度

摩擦系数μ_sj＝0.6，膨胀角ψ_sj＝3°，抗拉强度

内聚力c_sj＝0.5MPa以及节理摩擦角

此外，针对天然裂缝的水力特征差异，设置裂缝渗透率乘子ζ_f＝10。

步骤四：通过岩样模型四周的墙体向岩样模型施加三向的分层的地应力，还原实际岩心在三轴实验中所处的复杂地应力状态。根据实际真三轴压裂实验中的三轴应力情况，本实施例选取三向均匀的地应力状态σ_x＝25.0MPa，σ_y＝8.0MPa，σ_z＝20.0MPa，并设置地应力精度系数δ_tol＝0.005。

步骤五：在岩样模型的基础上构建流体计算网络，并形成基于离散元方法的流固耦合方案，以模拟实际岩心孔隙内的流体压力随注液的演化以及流体压力在孔隙间的传递过程。设置岩样模型的渗透率参数，主要包括不受外部应力作用时的松弛渗透率k_ini＝1.0×10^-18m²，受无穷大外部应力作用下的极限渗透率k_str＝1.0×10^-19m²以及岩样模型破裂后的破裂渗透率k_frc＝1.0×10^-16m²。同时设置流体黏度μ＝200mPa·s，体积模量K_b＝2.2GPa，排量r＝5×10^-7m³/s。

步骤六：实施真三轴水力压裂实验的数字化仿真，对经过上述步骤处理的岩样模型进行注液模拟。在岩样模型中，表征出注液点附近一定范围内的孔隙中由注液所引起的孔隙压力升高的过程，并进一步开展由于孔隙压力值增大导致颗粒间胶结断裂，直至岩样模型破裂的过程。在经过一段时间的注液模拟后，统计岩样模型中产生的微裂缝数量、微裂缝形态及声发射事件点的位置，形成精细的裂缝形态描述、孔隙压力、声发射事件点分布及井底压力曲线演化结果。

在另一实施例中，对含砾石颗粒的砾岩岩样中的真三轴水力压裂过程进行了数字化仿真，并获得了相应的裂缝形态和井底压力变化曲线情况。可参见图20至图24，图20示意性示出了根据本发明实施例的含砾岩颗粒(其强度较低时)的岩样模型进行仿真后的裂缝形态的示意图之一；图21示意性示出了根据本发明实施例的含砾岩颗粒(其强度较低时)的岩样模型进行仿真后的裂缝形态的示意图之二；图22示意性示出了根据本发明实施例的含砾岩颗粒(其强度较高时)的岩样模型进行仿真后的裂缝形态的示意图之一。

图23示意性示出了根据本发明实施例的含砾岩颗粒(其强度较高时)的岩样模型进行仿真后的裂缝形态的示意图之二；图24示意性示出了根据本发明实施例的含砾岩颗粒的岩样模型在仿真过程中的井底压力变化曲线图。

本实施例的仿真方法主要包括以下六个步骤。

步骤一：根据真三轴压裂实验中选取的实际岩心的尺寸确定本实施例中岩样模型的尺寸为300×300×300mm，与室内实际实验对应，并在数值模型中生成相应大小的由墙体围成的封闭区域。根据实际情况选取合适的分辨率R_e＝25，并在封闭区域内部生成颗粒群，在此阶段生成的颗粒颗粒密度ρ_b＝2500kg/m³，阻尼系数f_b＝0.7。

步骤二：对颗粒群中颗粒的相互接触处定义接触模型，从而实现颗粒间胶结的施加，胶结强度视实际岩心的强度而定。通过对接触模型中所定义的强度参数进行调整，可将岩样模型的强度参数校正至目标值。本实施例中对岩样模型的基质部分施加了平节理接触模型，并根据试错法对岩样模型进行了单轴压缩实验仿真，将仿真结果与实验室测得的强度参数对比，对岩样模型的强度参数做了调整，设置下列参数：有效模量

法-切向刚度比

抗拉强度

内聚力c_fj＝20MPa，内摩擦角

及摩擦系数μ_fj＝0.5。

步骤三：观察并记录真三轴压裂实验中实际岩心的非均质特征，并在岩样模型中表征。本实施例中通过改变部分区域内颗粒间的接触模型的强度参数，对实际岩心的砾岩颗粒进行了表征。砾岩颗粒在Y-Z平面上关于岩样模型的中心面呈轴对称分布(可参见图20)；并对砾岩颗粒的表征范围内的接触模型设置下列模型参数：(1)强度较低的砾岩颗粒：有效模量

法-切向刚度比

抗拉强度

内聚力c_fj＝40MPa，内摩擦角

摩擦系数μ_fj＝0.5；(2)强度较高的砾岩颗粒：有效模量

法-切向刚度比

抗拉强度

内聚力c_fj＝80MPa，内摩擦角

摩擦系数μ_fj＝0.5。

步骤四：通过岩样模型四周的墙体向岩样模型施加三向的分层的地应力，还原实际岩心在三轴实验中所受的复杂地应力状态。根据实际真三轴压裂实验中的三轴应力情况，本实施例对岩样模型选取三向均匀的地应力状态σ_x＝4.0MPa，σ_y＝14.0MPa，σ_z＝20.0MPa，并设置地应力精度系数δ_tol＝0.005。

步骤五：在岩样模型的基础上构建流体计算网络，并形成基于离散元方法的流固耦合方案，以模拟岩心孔隙内的流体压力随注液的演化以及流体压力在孔隙间的传递过程。设置岩样模型的渗透率参数，主要包括不受外部应力作用时的松弛渗透率k_ini＝7.0×10^-15m²，受无穷大外部应力作用下的极限渗透率k_str＝7.0×10^-17m²以及岩样模型破裂后的破裂渗透率k_frc＝7.0×10^-14m²。同时设置流体黏度μ＝200mPa·s，体积模量K_b＝2.2GPa，排量r＝5×10^-7m³/s。

步骤六：实施真三轴水力压裂实验的数字化仿真，对经过上述步骤处理的岩样模型进行注液模拟。在岩样模型中，表征出注液点附近一定范围内的孔隙中由注液所引起的孔隙压力升高的过程，并进一步进行由于孔隙压力值增大导致颗粒间胶结断裂，直至岩样模型破裂的过程。在经过一段时间的注液模拟后，统计岩样模型中产生的微裂缝数量和微裂缝形态，形成精细的裂缝形态描述及井底压力曲线演化结果。

图25示意性示出了根据本发明实施例的真三轴水力压裂实验的数字化仿真流程图。如图25所示，总结地，真三轴水力压裂实验的数字化仿真流程包括：(1)确定样品尺寸，生成颗粒群；(2)施加颗粒间的胶结，形成岩样模型；(3)表征岩样模型的非均质特征；(4)施加复杂的地应力边界条件；(5)实现流固耦合，构建流体计算网络；(6)实施水力压裂数字化仿真，描述水力裂缝形态。

随着世界经济和工业的不断发展，常规油气藏的产量已无法满足日渐增长的油气资源需求。因此，针对非常规油气藏(如稠油、超稠油、致密砂岩及页岩油气藏等)的勘探与开发工作正持续开展并深入。非常规油气藏的油气赋存方式、储层物性及地层流体性质与常规油气藏存在显著差异，常规开发模式下产量有限，亟需高效的增产措施。实践证明，大型水力压裂技术是提升非常规油气藏油气产量的最为有效且可靠的手段，在国内外的非常规油气藏开发作业中得到广泛应用。

然而，在复杂地应力及地层非均质性影响下，人工裂缝在储层中的起裂及延伸机制非常复杂，非平面裂缝路径预测难度极高，亟需开展针对复杂地质及工况条件下的人工裂缝起裂及延伸机制的基础研究，从而为现场压裂施工设计提供科学指导。室内真三轴水力压裂实验是研究人工裂缝起裂及延伸特征的有效手段，在利用现场地层岩心或露头的基础上，可准确捕捉模拟地层条件下人工裂缝的形态特征。然而，目前的真三轴水力压裂实验存在诸多缺陷，例如由于设备条件的限制，加载复杂应力边界条件、施加地层孔隙压力、模拟地层地质及力学的非均质性特征极其困难，至今尚无可重复性高、易用的设备解决方案；其次，室内真三轴水力压裂实验仅能提供定性分析的结果，无法精细刻画人工裂缝的延伸形态、人工裂缝与天然裂缝等不连续面的相互作用、裂缝与基质中的孔隙压力演化这些关键的工程要素；再次，由于无法获取适合真三轴压裂实验尺寸的井下岩样，室内真三轴压裂实验往往采用露头岩样取代井下岩样，无法反映真实地层的地质及力学特征；最后，由于露头获取困难且实验耗时较长，开展大量的考虑多因素变量的真三轴水力压裂实验的时间、人员及经济成本极高。

针对水力压裂的数值模拟技术部分弥补了真三轴水力压裂实验的以上缺陷。其中基于连续介质的数值模拟方案应用较为广泛，如有限元方法、有限差分法及相场法等。基于上述方法的数值模型可以准确地反映水力压裂过程中的人工裂缝延伸路径及孔隙压力的演化，但无法良好体现储层的非均质性，且模型中设置过多的非连续面将会导致模型收敛性变差。此外，这些数值模拟方法的压裂裂缝扩展路径受建模影响明显，往往需要人为预先设置路径，与实际裂缝扩展路径不符，难以刻画人工裂缝的非平面扩展特征，与天然裂缝的相互作用也常常面临计算难以收敛的情况。此外，上述数值模拟方法难以刻画岩样的非连续特征，比如存在砾石、孔洞的情况。采用离散元方法可精确刻画上述非连续特征；但该方法计算量远高于其它数值方法，且随样品尺寸的增加而迅速增大。另外，常规的基于离散元方法的仿真手段不能生成声发射事件点，从而无法与室内真三轴力学实验的声发射监测仪器所测的事件点数据开展相互验证来评价仿真结果的可靠性。

本发明实施例提供一种基于结合动力学与流固耦合的离散元，且适用于真三轴水力压裂实验试样的数字化仿真方法，本发明实施例的仿真方法可以实现：(1)针对具有非均质性的岩样模型的水力压裂全过程，开展流固耦合模拟；(2)对岩样模型施加分层的地应力，还原实际岩心受到的复杂的边界应力；(3)基于断裂动力学模拟生成声发射事件点。

本发明实施例的仿真方法可以实现对真三轴水力压裂实验的模拟，开展大量的考虑多因素变量的真三轴水力压裂实验模拟的时间、人员及经济成本较低，可以针对真三轴水力压裂实验开展精细化的数字化表征，并对比验证室内实验结果，完善人工裂缝在复杂地层中的起裂及延伸机制研究，从而为水力压裂施工和缝网构建优化设计提供了理论指导。仿真的研究成果可以为现场压裂施工设计提供更科学的理论指导，进而提升非常规油气藏油气产量。

本发明实施例提供了一种处理器，该处理器被配置成执行上述实施例中的任意一项真三轴水力压裂实验的仿真方法。

具体地，处理器可以被配置成：

根据实际岩心的尺寸确定用于模拟实际岩心的岩样模型的尺寸，在岩样模型的尺寸对应的计算空间内生成颗粒群；

在颗粒群的颗粒间施加胶结，并根据实际岩心的强度调整胶结的强度；

在计算空间的外围设置墙体以将计算空间围成封闭区域，并通过墙体向岩样模型施加三向的分层的地应力；

在岩样模型的基础上构建流体计算网络，以进行岩样孔隙内的流体压力随注液的演化以及流体压力在孔隙间传递的过程；

在岩样模型上开展压裂注液模拟，进行注液点附近预设范围内的孔隙骨架由注液引发的孔隙压力升高并向四周传递孔隙压力的过程；

控制孔隙压力增加而导致颗粒间的胶结断裂，直至岩样模型发生内部破裂。

在本发明实施例中，处理器还被配置成：

调整颗粒的属性和胶结的强度，以还原实际岩心中的砾石颗粒特性；或者

调整颗粒群的部分颗粒间的接触模型，以使得部分颗粒间接触的力学特性接近实际岩心中的第一天然裂缝的特性。

在本发明实施例中，处理器还被配置成：

调整颗粒群的部分颗粒间的接触模型，以使得部分颗粒间接触的力学特征接近实际岩心中的第一天然裂缝包括：

施加光滑节理接触模型，以形成岩样模型中的第二天然裂缝；

设置第二天然裂缝的倾向和倾角；

设置光滑节理接触模型的第一参数，第一参数包括：单元法向刚度、单元切向刚度、摩擦系数、膨胀角、抗拉强度、内聚力和节理摩擦角；

调整第二天然裂缝的渗透率。

在本发明实施例中，处理器还被配置成：

设置流体计算网络的控制体积和流体参数，流体参数包括：流体黏度、体积模量和排量；

设置岩样模型的渗透率参数，渗透率参数包括不受外部应力作用时的松弛渗透率、受无穷大外部应力作用下的极限渗透率以及岩样模型破裂后的破裂渗透率；

设置胶结的第二参数，第二参数包括：有效模量、法-切向刚度比、抗拉强度、内聚力、内摩擦角和摩擦系数。

在本发明实施例中，处理器还被配置成：

控制颗粒间的胶结断裂而形成微裂缝并释放应变能而形成声发射事件点；

统计岩样模型中产生的微裂缝数量、微裂缝形态以及声发射事件点的位置；

形成裂缝形态、所述孔隙压力、泵压曲线以及声发射事件点的空间分布；

确定声发射事件点的矩震级以及对应的微裂缝的破坏类型。

在本发明实施例中，处理器还被配置成：

确定声发射事件点的矩震级包括：

根据微裂缝周边的接触力的位置和变化量，计算出声发射事件点的矩张量；

根据矩张量得到矩张量矩阵；

根据矩张量矩阵计算得到标量矩；

根据标量矩计算得到声发射事件点的矩震级。

在本发明实施例中，处理器还被配置成：

在颗粒群的颗粒间施加胶结包括：

对岩样模型的基质部分施加平节理接触模型；

利用平节理接触模型对颗粒间的接触处施加胶结。

在本发明实施例中，处理器还被配置成：

在岩样模型的基础上构建流体计算网络包括：

将相互接触的多个颗粒的球心相互连接，以形成四面体结构，四面体结构为流体计算网络的基本单元；

在每个基本单元中确定具有预设压力的孔隙；

在两个相邻孔隙之间确定流体通道；

控制水力压裂的注液中，基本单元中的孔隙压力上升，同时孔隙压力通过流体通道向相邻的基本单元中的孔隙传递。

在本发明实施例中，处理器还被配置成：

设置颗粒的属性，属性包括颗粒密度和阻尼系数；

设置颗粒群的分辨率，以控制封闭区域内的预设边上同时生成的颗粒的数量；

设置地应力精度系数；

调整地应力精度系数以使得地应力的模拟值与目标值一致。

本发明实施例提供了一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行上述的真三轴水力压裂实验的仿真方法。

本发明实施例提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序在被处理器执行时实现上述的真三轴水力压裂实验的仿真方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种真三轴水力压裂实验的仿真方法，其特征在于，包括：

根据实际岩心的尺寸确定用于模拟所述实际岩心的岩样模型的尺寸，在所述岩样模型的尺寸对应的计算空间内生成颗粒群；

在所述颗粒群的颗粒间施加胶结，并根据所述实际岩心的强度调整所述胶结的强度；

在所述计算空间的外围设置墙体以将所述计算空间围成封闭区域，并通过所述墙体向所述岩样模型施加三向的分层的地应力；

在所述岩样模型的基础上构建流体计算网络，以进行岩样孔隙内的流体压力随注液的演化以及流体压力在孔隙间传递的过程；

在所述岩样模型上开展压裂注液模拟，进行注液点附近预设范围内的孔隙骨架由注液引发的孔隙压力升高并向四周传递孔隙压力的过程；

控制所述孔隙压力增加而导致所述颗粒间的胶结断裂，直至所述岩样模型发生内部破裂。

2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，还包括：

调整所述颗粒的属性和所述胶结的强度，以还原所述实际岩心中的砾石颗粒特性；或者

调整所述颗粒群的部分颗粒间的接触模型，以使得所述部分颗粒间接触的力学特性接近所述实际岩心中的第一天然裂缝的特性。

3.根据权利要求2所述的仿真方法，其特征在于，所述调整所述颗粒群的部分颗粒间的接触模型，以使得所述部分颗粒间接触的力学特征接近所述实际岩心中的第一天然裂缝包括：

施加光滑节理接触模型，以形成所述岩样模型中的第二天然裂缝；

设置所述第二天然裂缝的倾向和倾角；

设置所述光滑节理接触模型的第一参数，所述第一参数包括：单元法向刚度、单元切向刚度、摩擦系数、膨胀角、抗拉强度、内聚力和节理摩擦角；

调整所述第二天然裂缝的渗透率。

4.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，还包括：

设置所述流体计算网络的控制体积和流体参数，所述流体参数包括：流体黏度、体积模量和排量；

设置所述岩样模型的渗透率参数，所述渗透率参数包括不受外部应力作用时的松弛渗透率、受无穷大外部应力作用下的极限渗透率以及所述岩样模型破裂后的破裂渗透率；

设置所述胶结的第二参数，所述第二参数包括：有效模量、法-切向刚度比、抗拉强度、内聚力、内摩擦角和摩擦系数。

5.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，还包括：

控制所述颗粒间的胶结断裂而形成微裂缝并释放应变能而形成声发射事件点；

统计所述岩样模型中产生的所述微裂缝的数量、所述微裂缝的形态以及声发射事件点的位置；

形成裂缝形态、所述孔隙压力、泵压曲线以及所述声发射事件点的空间分布；

确定所述声发射事件点的矩震级以及对应的所述微裂缝的破坏类型。

6.根据权利要求5所述的仿真方法，其特征在于，所述确定所述声发射事件点的矩震级包括：

根据所述微裂缝周边的接触力的位置和变化量，计算出所述声发射事件点的矩张量；

根据所述矩张量得到矩张量矩阵；

根据所述矩张量矩阵计算得到标量矩；

根据所述标量矩计算得到所述声发射事件点的矩震级。

7.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，在所述颗粒群的颗粒间施加胶结包括：

对所述岩样模型的基质部分施加平节理接触模型；

利用所述平节理接触模型对所述颗粒间的接触处施加胶结。

8.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述在所述岩样模型的基础上构建流体计算网络包括：

将相互接触的多个所述颗粒的球心相互连接，以形成四面体结构，所述四面体结构为所述流体计算网络的基本单元；

在每个所述基本单元中确定具有预设压力的孔隙；

在两个相邻所述孔隙之间确定流体通道；

控制所述水力压裂的注液中，所述基本单元中的孔隙压力上升，同时所述孔隙压力通过所述流体通道向相邻的所述基本单元中的孔隙传递。

9.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，还包括：

设置所述颗粒的属性，所述属性包括颗粒密度和阻尼系数；

设置所述颗粒群的分辨率，以控制所述封闭区域内的预设边上同时生成的所述颗粒的数量；

设置地应力精度系数；

调整所述地应力精度系数以使得所述地应力的模拟值与目标值一致。

10.一种处理器，其特征在于，被配置成执行根据权利要求1至9中任一项所述的真三轴水力压裂实验的仿真方法。

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