CN114970235A - 裂缝性储层地质力学非均质-各向异性建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油气田勘探开发领域，尤其是裂缝性储层地质力学非均质‑各向异性建模方法。通过裂缝面力学实验，建立裂缝面法向、切向刚度系数与正应力间的数学模型，依据裂缝面三维激光扫描实验结果，建立含裂缝面有限元几何模型，依据裂缝密度与岩体等效杨氏模量、泊松比之间的数学模型，建立裂缝性岩体地质力学非均质模型，并在裂缝性岩体地质力学非均质模型不同方向上赋予不同的岩石力学参数，建立裂缝性储层地质力学非均质‑各向异性模型，得到裂缝性岩体应力大小和方向。本发明专利基于物理模拟与数值模拟的方法提出了一种裂缝性储层地质力学非均质‑各向异性建模方法，实现了不连续岩体地质力学精细建模。
Description
技术领域
本发明涉及油气田勘探开发领域，尤其是裂缝性储层地质力学非均质-各向异性建模方法。
背景技术
在我国的含油气盆地中，裂缝性油气藏是一种重要的油气藏类型。这类油藏的探明地质储量已经超过40亿吨，占目前探明油气资源总量的1/3以上，另据有关专家预测，在我国130多亿吨的剩余油气资源量中，大约有60％左右的油气资源量分布与储层裂缝有关。因此，裂缝性油气藏的勘探开发在我国石油工业中的地位越来越重要，如何有效地勘探、合理地动用与高效地开发这些裂缝性油气藏，对我国石油工业的持续稳定发展以及增强我国能源安全供应的保障能力，确保国家安全与经济协调、持续快速发展具有长远的战略意义。
储层裂缝研究已有近百年的历史，国外以Nelson、Warren、Narr、Pollard、VanGolf-Racht、Lorenz、Aguilera以及Смехов等，国内以曾联波、宋惠珍、袁士义、刘建中、穆龙新、戴俊生、周新桂以及侯贵廷等为代表的学者们开展了大量的工作，为储层裂缝的研究奠定了良好的理论基础。由于储层裂缝的复杂性以及人们认识水平和技术水平的限制，在很长一段时间内裂缝性岩体地质力学建模以均质建模为主，即不考虑裂缝对岩体力学参数的影响。实际上，岩石的力学性质会影响天然裂缝发育程度与成因机制，同样，裂缝发育也会影响岩石力学参数的大小与各向异性。因此裂缝性储层地质力学建模与应力场数值模拟，应该考虑其非均质性与各向异性。其中，非均质性是指模型中不同单元体力学性质大小的差异性，而各向异性是指模型中同一个单元体的不同方向岩体力学性质的差异性。
本发明专利通过裂缝面力学实验，建立裂缝面法向、切向刚度系数与正应力的数学模型，开展裂缝面三维激光扫描实验，建立含裂缝面有限元几何模型，依据不同裂缝的几何样式下，裂缝密度与裂缝性岩体等效杨氏模量、泊松比之间的数学模型，赋予裂缝性岩体几何模型等效力学参数，建立裂缝性岩体地质力学非均质模型；在裂缝性岩体地质力学非均质模型不同方向上赋予不同的岩石力学参数，建立裂缝性储层地质力学非均质-各向异性模型，最后依据研究区应力大小、方向，确定边界应力大小与施力方向，模拟确定裂缝性岩体应力大小和方向。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了裂缝性储层地质力学非均质-各向异性建模方法，它实现了裂缝性岩体地质力学非均质与各向异性精细建模。
本发明的技术方案为：裂缝性储层地质力学非均质-各向异性建模方法，具体步骤如下：
第一步依据裂缝的形成时期，针对不同组系的裂缝，选取含裂缝面岩石样品，开展不同正应力、剪应力条件下的裂缝面力学实验，得到含裂缝面岩石样品的应力-应变关系曲线；
第二步利用不同正应力、剪应力条件下岩石应力-应变关系曲线，计算裂缝面的法向、切向刚度系数，分别建立裂缝面法向、切向刚度系数与正应力之间的数学模型；
第三步针对不同组系的裂缝面，开展裂缝面三维激光扫描实验，得到裂缝面三维几何数据体；
第四步选取不含裂缝的样品，开展岩石三轴力学实验，确定完整岩石的杨氏模量、泊松比、密度，所述的完整岩石是指裂缝不发育的岩石；
第五步利用裂缝面三维几何数据体，结合裂缝的几何样式，建立含裂缝面有限元几何模型，利用岩石三轴力学实验，开展数值模拟，建立不同裂缝的几何样式下，裂缝密度与裂缝性岩体等效杨氏模量、泊松比之间的数学模型，同时，揭示岩石力学参数与空间方位之间的数学关系，明确不同方向岩石力学参数大小；
第六步结合裂缝的几何样式与裂缝密度，建立裂缝性岩体几何模型，依据岩石三轴力学实验结果，对裂缝性岩体几何模型网格划分，赋予不同单元体相应的力学参数，建立裂缝性岩体均质模型；
第七步依据不同裂缝几何样式下，裂缝密度与裂缝性岩体等效杨氏模量、泊松比之间的数学模型，结合裂缝性岩体几何模型中裂缝密度分布，赋予裂缝性岩体均质模型中不同单元体对应的等效力学参数，建立裂缝性岩体地质力学非均质模型；
第八步依据岩石力学参数与空间方位之间的数学关系，在裂缝性岩体地质力学非均质模型不同方向上赋予不同的岩石力学参数，建立裂缝性储层地质力学非均质-各向异性模型；
第九步利用研究区应力大小、方向，确定边界应力大小与施力方向，模拟确定裂缝性岩体应力大小和方向。
本发明的有益效果是：通过裂缝面力学实验，建立裂缝面法向、切向刚度系数与正应力的数学模型，开展裂缝面三维激光扫描实验，建立含裂缝面有限元几何模型，依据不同裂缝的几何样式下，裂缝密度与裂缝性岩体等效杨氏模量、泊松比之间的数学模型，赋予裂缝性岩体几何模型等效力学参数，建立裂缝性岩体地质力学非均质模型；在裂缝性岩体地质力学非均质模型不同方向上赋予不同的岩石力学参数，建立裂缝性储层地质力学非均质-各向异性模型，最后依据研究区应力大小、方向，确定边界应力大小与施力方向，模拟确定裂缝性岩体应力大小和方向。本发明专利从物理模拟与数值模拟的角度提出了一种裂缝性储层地质力学非均质-各向异性建模方法，具有较高的实用价值，可操作性强，能大幅提高裂缝性储层地质力学建模精度，揭示不连续岩体地应力分布规律，为我国目前裂缝性油气藏地质工程一体化实践提供技术支持。
附图说明
图1为裂缝性储层地质力学非均质-各向异性建模方法的流程图。
图2为裂缝面岩石力学实验样品照片。
图3为裂缝面法向应力–法向位移曲线。
图4为不同样品裂缝面切向应力–位移曲线。
图5为裂缝面三维激光扫描结果。
图6为完整岩石在60MPa围压下的应力、应变关系曲线。
图7为裂缝线密度与岩体等效力学参数之间的数学关系。
图8为不同方向上裂缝性岩体等效力学参数差异性。
图9为裂缝性岩体几何模型。
图10为裂缝发育带地质力学模型。
图11为裂缝发育带地质力学模型边界条件。
图12为裂缝性岩均质模型、非均质模型、非均质-各向异性模型。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式：
本发明专利以裂缝性致密砂岩为例为例，说明本发明具体实施过程。
第1步依据裂缝的形成时期，针对不同组系的裂缝，选取含裂缝面岩石样品(图2)，开展不同正应力、剪应力条件下的裂缝面力学实验，得到含裂缝面岩石样品的应力-应变关系曲线。第2步针对不同组系的裂缝，开展不同正应力、剪应力条件下岩石应力-应变测试(图3)，计算裂缝面的法向、切向刚度系数，分别建立裂缝面法向、切向刚度系数与正应力之间的数学模型(图4)。
在岩石力学参数中，主要考虑岩石的杨氏模量、泊松比对应力的影响，而裂缝的发育同样能够改变岩石的力学性质。通过力学实验模拟不同法向应力作用下的裂缝面剪应力-剪切变形实验曲线，实验为高压岩石三轴动态测试系统。通过裂缝性岩体试样进行室内闭合试验，得到裂缝法向应力-法向位移关系曲线，进行模型进行数据处理得到，法向刚度与法向应力的关系，不同样品参数测试结果如表1所示。
Kn＝Aσn B (1)
公式(1)中，Kn为裂缝面法向刚度系数，σn为裂缝面法向应力，A、B为法向刚度与法向应力的拟合系数。
通过测量不同法向应力作用下的裂缝面剪应力-剪切变形试验曲线。定义剪切位移0.1mm时对应的斜率为裂缝面的剪切刚度，得到裂缝面剪切刚度与法向应力的关系，不同样品参数测试结果如表2所示。
Ks＝Cσn D (2)
公式(2)中，Ks为裂缝面剪切刚度系数，σn为裂缝面法向应力，C、D为法向刚度与法向应力的拟合系数。
表1不同样品参数测试结果
| A | B | R2 | |
| 样品1 | 167.3 | 0.32 | 0.94 |
| 样品2 | 183.1 | 0.28 | 0.99 |
| 样品3 | 163.6 | 0.33 | 0.94 |
| 样品4 | 172.9 | 0.29 | 0.99 |
表2不同样品参数测试结果
实验结果表明，不同样品之间裂缝面剪切刚度数值受法向应力影响，两者呈幂函数变化。
第3步针对不同组系的裂缝面，开展裂缝面三维激光扫描实验，得到裂缝面三维几何数据体。
岩石断裂表面的粗糙形态表现出良好的自相似性，即从不同的尺度观测它，均可以观测到相似的粗糙不平的特征，因此，研究很小的断裂面便可以反映宏观裂缝的力学行为。利用三维激光扫描设备获取裂缝面的三维数据，拾取裂缝面关键点的坐标。三维激光扫描实验在三维激光扫描仪测试完成，最后，采用裂缝面三维数据处理软件得到上、下裂缝面数据的三维坐标(图5)。
第4步选取不含裂缝的样品，开展岩石三轴力学实验，依据致密砂岩的埋深确定岩石力学实验围压，得到岩石应力-应变曲线(图6)，确定完整岩石的杨氏模量、泊松比、密度。
第5步利用裂缝面三维几何数据体，研究区裂缝为平行裂缝，建立含裂缝面有限元几何模型，在有限元软件中建立上、下两个裂缝面的三维分布数据点，建立裂缝面几何模型。利用岩石三轴力学实验，开展数值模拟，建立不同裂缝的几何样式下，裂缝密度与裂缝性岩体等效杨氏模量、泊松比之间的数学模型(图7)，对四个样品裂缝面密度、杨氏模量变化率、泊松比变化率进行数值统计并绘制点状图，可以看出，随着裂缝面密度的增加，四个样品杨氏模量变化率均减小，泊松比变化率均增大(图7)。由此可知，随着裂缝面密度的增加，裂缝性岩体等效杨氏模量呈线性减小，泊松比呈线性增大。同时，揭示岩石力学参数与空间方位之间的数学关系，明确不同方向岩石力学参数大小(图8)。
第6步结合裂缝的几何样式与裂缝密度，建立裂缝性岩体几何模型(图9)，依据岩石三轴力学实验结果，采用SOLID45单元类型最符合砂岩储层岩石的力学特性。网格边长的选择要视具体情况而定，划分之后形成的网格不宜过多或过少，过多会使单次数值模拟计算的时间变长，而且对模拟精度的提高并无太大意义，太少则会使数值模拟结果过于粗糙，影响数值模拟效果。相对于非裂缝区域，裂缝带的宽度一般较小，因此网格需要细分。根据上述原则，对地质模型进行了网格划分，共划分出27625个节点、89523个单元(图10)；最终通过裂缝性岩体几何模型网格划分，赋予不同单元体相应的力学参数，建立裂缝性岩体均质模型。
第7步依据不同裂缝几何样式下，裂缝密度与裂缝性岩体等效杨氏模量、泊松比之间的数学模型，结合裂缝性岩体几何模型中裂缝密度分布，赋予裂缝性岩体均质模型中不同单元体对应的等效力学参数，建立裂缝性岩体地质力学非均质模型。
第8步依据岩石力学参数与空间方位之间的数学关系，在裂缝性岩体地质力学非均质模型不同方向上赋予不同的岩石力学参数，建立裂缝性储层地质力学非均质-各向异性模型。
第9步利用研究区应力大小、方向，确定边界应力大小与施力方向，模拟确定裂缝性岩体应力大小和方向。
利用测井资料解释得到的现今地应力值是单个井点的数值，受构造起伏等因素的影响，单井地应力值不能直接作为区域应力载荷施加在力学模型上，而是需要通过数值模拟进行拟合，从而得到合适的区域地应力值。按照以上思路，对裂缝发育带地质力学模型的现今地应力场进行了数值模拟。区域地应力值主要依靠已确定的关键井地应力，结合研究区的实际地质情况，利用线性叠加原理，经多次反演拟合后最终确定。由于应力分布的复杂性，使数值模拟时的边界条件难以一次性地准确设定，因此地应力场的数值模拟实际上是一个正演与反演多次反复计算、修正的过程。反演的标准是关键井地应力的数值模拟结果与实际测算结果误差最小，且要兼顾应力方位和应力大小两方面，最终确定应力，得到边界条件，如图11所示，在模型北西南东方向施加130MPa的压应力，在北东-南西方向施加170MPa的压应力。
如图12所示，均值、非均质、非均质-各向异性裂缝性岩体模型采取不同的建模方式，模拟结果显示出明显的差异性。均质裂缝性岩体建模应力结果显示出基本均匀的应力分布的特征，局部降低，应力大小范围为152-148MPa，应力方向呈北东向。非均质裂缝性岩体建模应力结果显示出裂缝带内部应力值高，仅靠裂缝带应力低，外围又升高的特征，应力大小范围为178-149MPa，应力方向呈北东向。非均质-各向异性裂缝性岩体模型应力结果显示裂缝发育带应力较低，向外围呈两个环带逐渐升高的特征，应力大小为154-141MPa，靠近裂缝发育带，应力方向呈弧线式相切与裂缝发育带，远离裂缝发育带，应力方向呈北东向。
上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。
Claims (1)
1.裂缝性储层地质力学非均质-各向异性建模方法，实现的步骤如下：
第一步 依据裂缝的形成时期，针对不同组系的裂缝，选取含裂缝面岩石样品，开展不同正应力、剪应力条件下的裂缝面力学实验，得到含裂缝面岩石样品的应力-应变关系曲线；
第二步 利用不同正应力、剪应力条件下岩石应力-应变关系曲线，计算裂缝面的法向、切向刚度系数，分别建立裂缝面法向、切向刚度系数与正应力之间的数学模型；
第三步 选取不同组系的裂缝面，开展裂缝面三维激光扫描实验，得到裂缝面三维几何数据体；
第四步 选取不含裂缝的样品，开展岩石三轴力学实验，确定完整岩石的杨氏模量、泊松比以及密度，所述的完整岩石是指裂缝不发育的岩石；
第五步 利用裂缝面三维几何数据体，结合裂缝的几何样式，建立含裂缝面有限元几何模型，利用岩石三轴力学实验，开展数值模拟，建立不同裂缝的几何样式下，裂缝密度与裂缝性岩体等效杨氏模量、泊松比之间的数学模型，揭示岩石力学参数与空间方位之间的数学关系，明确不同方向岩石力学参数大小；
第六步 结合裂缝的几何样式与裂缝密度，建立裂缝性岩体几何模型，依据岩石三轴力学实验结果，对裂缝性岩体几何模型网格划分，赋予不同单元体相应的力学参数，建立裂缝性岩体均质模型；
第七步 依据不同裂缝几何样式下，裂缝密度与裂缝性岩体等效杨氏模量、泊松比之间的数学模型，结合裂缝性岩体几何模型中裂缝密度分布，赋予裂缝性岩体均质模型中不同单元体对应的等效力学参数，建立裂缝性岩体地质力学非均质模型；
第八步 依据岩石力学参数与空间方位之间的数学关系，在裂缝性岩体地质力学非均质模型不同方向上赋予不同的岩石力学参数，建立裂缝性储层地质力学非均质-各向异性模型；
第九步 利用研究区应力大小、方向，确定边界应力大小与施力方向，模拟确定裂缝性岩体应力大小和方向。
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| CN115795828A (zh) * | 2022-11-16 | 2023-03-14 | 武汉大学 | 基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法及装置 |
| CN115795828B (zh) * | 2022-11-16 | 2024-03-19 | 武汉大学 | 基于数据驱动的裂隙岩体变形计算方法及装置 |
| CN117725807A (zh) * | 2024-02-18 | 2024-03-19 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 基于边界元计算非均质储层裂缝应力的方法、系统及设备 |
| CN117725807B (zh) * | 2024-02-18 | 2024-05-14 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 基于边界元计算非均质储层裂缝应力的方法、系统及设备 |
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|---|---|
| CN114970235B (zh) | 2024-04-02 |
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