CN115201898B - 三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟方法及系统 - Google Patents

三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟方法及系统 Download PDF

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CN115201898B CN202210550383.4A CN202210550383A CN115201898B CN 115201898 B CN115201898 B CN 115201898B CN 202210550383 A CN202210550383 A CN 202210550383A CN 115201898 B CN115201898 B CN 115201898B
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Abstract

本申请提出了一种三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟方法及系统,该方法包括:构建针对注采的三维注水整体几何模型;构建三维水‑力双向耦合数值模型,包括储层变形方程中的流体压力项和储层渗流方程中的变形项的双向耦合;根据三维水‑力双向耦合数值模型计算多个应力分量,结合多个应力分量计算断层上的正应力和剪应力;构建三维局部断层模型,通过局部耦合算子将正应力和剪应力传递至局部断层模型;计算断层滑移引起的地震全过程中的摩擦系数,并计算更新后的剪应力,根据更新后的剪应力和摩擦系数模拟三维局部断层模型的摩擦过程和滑动过程。该方法构建三维模型模拟断层成核破裂滑动过程,提高了模拟的准确性和全面性。

Description

三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟方法及系统
技术领域
本申请涉及油气开采技术领域,尤其涉及一种三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟方法及系统。
背景技术
随着对清洁能源需求的不断扩大以及常规能源的逐渐耗竭,能源开发逐渐向深部能源和非常规能源发展,例如,对于页岩气、煤层气和深层地热等能源的开采。这种非常规能源地质开采活动中涉及到的水力压裂、注采、以及废水回注等操作,都会可能会诱发大的地震。
为避免诱发地震,通过深部钻孔探测方法对地壳应力的研究发现,在板块内部的地壳处于临界应力状态,其剪应力接近脆性破坏的强度极限。在这种情况下,所能承受的最大应力受古断层摩擦强度的影响。在已存在断层附近以高速率、长时期注入流体能够直接或间接地改变周围应力场,导致已存在的断层被重新激活,而注采的速率、方式、构造背景和注采设备与断层的相对位置等都是影响断层发生滑动的因素。因此,通过数值试验确定可能引起断层滑动的主要因素、断层滑动的阈值问题以及对断层滑动进行模拟,在工业的注采安全施工中尤为重要。
相关技术中,对于断层的稳定性研究,通常仅是判断断层的可能的滑动趋势,并没有涉及到断层的破裂滑动,且模拟断层的成核滑动过程的研究中,使用的数值模型大多简化为二维模型,不能真实反映地质构造特点。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此,本申请的第一个目的在于提出一种三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟方法,该方法构建三维模型模拟断层成核破裂滑动过程,为研究工业注采诱发地震中的水-力双向耦合和地质构造影响下的断层破裂滑动提供了基础,解决了三维模拟断层成核破裂过程中计算效率较低及不收敛的问题。
本申请的第二个目的在于提出一种三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟系统;
本申请的第三个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。
为达上述目的,本申请的第一方面实施例在于提出一种三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟方法,该方法包括以下步骤:
构建针对注采的三维注水整体几何模型,所述三维注水整体几何模型包括:断层、储层、基岩层和注水井,所述断层距离所述注水井预设距离;
构建三维水-力双向耦合数值模型,其中,所述三维水-力双向耦合数值模型包括储层变形方程中的流体压力项和储层渗流方程中的变形项的双向耦合;
根据所述三维水-力双向耦合数值模型计算多个应力分量,结合所述多个应力分量和所述三维注水整体几何模型计算所述断层上的正应力和剪应力;
构建针对所述断层的三维局部断层模型,并通过局部耦合算子将所述正应力和所述剪应力传递至所述三维局部断层模型;
计算断层滑移引起的地震全过程中的摩擦系数,并结合所述摩擦系数计算所述三维局部断层模型破裂滑动后的剪应力,根据更新后的剪应力和所述摩擦系数模拟所述三维局部断层模型的摩擦过程和滑动过程。
可选地,在本申请的一个实施例中,计算断层滑移引起的地震全过程中的摩擦系数,并结合所述摩擦系数计算所述三维局部断层模型破裂滑动后的剪应力,包括:通过滑块的速率与状态的本构方程计算所述摩擦系数;在所述断层的状态符合摩尔-库仑准则后,将计算出的摩擦系数代入预设的剪切应力公式计算所述更新后的剪应力。
可选地,在本申请的一个实施例中,通过以下公式表示所述储层变形方程:
Figure BDA0003654803810000021
其中,u为位移,pf为储层流体压力,αf为储层比奥系数,G为剪切模量,下标i和k分别表示变量的三个方向的分量,i和k=1,2,3,下标kk是爱因斯坦求和约定,v为泊松比,fi为体力。
可选地,在本申请的一个实施例中,通过以下公式表示所述储层渗流方程:
Figure BDA0003654803810000022
其中,mf=ρfφf
其中,mf为流体质量,Jf为流体的质量通量,Qs为质量源项,
Figure BDA0003654803810000023
为梯度算子,φf为储层的孔隙率,ρf为储层中的流体密度。
可选地,在本申请的一个实施例中,通过以下公式计算所述断层上的正应力:
Tn=4abcdσ11-2abc2σ12-2acdσ13+b2c2σ22+2bcdσ23+d2σ33
通过以下公式计算所述断层上的剪应力:
Figure BDA0003654803810000031
其中,a=sin(strike),b=cos(strike),c=sin(dip),d=cos(dip),e=sin(rake),f=cos(rake),
其中,Tn为正应力,τf为剪应力,strike、dip和rake分别为地震断层的走向、倾角和滑动角,σ11、σ12、σ13、σ22、σ23和σ33为不同的应力分量。
可选地,在本申请的一个实施例中,预设的剪切应力公式表示为如下所示:
τf=τc-μσn
其中,σn=Tn-pf
其中,τc为断层内聚强度,μ为摩擦系数,σn为有效应力,Tn为断层面上的正应力,pf为孔隙压力。
可选地,在本申请的一个实施例中,通过以下公式表示速率与状态的本构方程:
Figure BDA0003654803810000032
Figure BDA0003654803810000033
其中,μ为摩擦系数,θ为滑块滑动状态函数,a和b为摩擦本构参数,Dc为特征滑移距离,v为断层滑动速度,v0为初始滑动速度,μ0为初始摩擦系数,θ0为滑块初始滑动状态函数。
为达上述目的,本申请的第二方面实施例还提出了一种三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟系统,包括以下模块:
第一构建模块,用于构建针对注采的三维注水整体几何模型,所述三维注水整体几何模型包括:断层、储层、基岩层和注水井,所述断层距离所述注水井预设距离;
第二构建模块,用于构建三维水-力双向耦合数值模型,其中,所述三维水-力双向耦合数值模型包括储层变形方程中的流体压力项和储层渗流方程中的变形项的双向耦合;
第一计算模块,用于根据所述三维水-力双向耦合数值模型计算多个应力分量,结合所述多个应力分量和所述三维注水整体几何模型计算所述断层上的正应力和剪应力;
第三构建模块,用于构建针对所述断层的三维局部断层模型,并通过局部耦合算子将所述正应力和所述剪应力传递至所述三维局部断层模型;
第二计算模块,用于计算断层滑移引起的地震全过程中的摩擦系数,并结合所述摩擦系数计算所述三维局部断层模型破裂滑动后的剪应力,根据更新后的剪应力和所述摩擦系数模拟所述三维局部断层模型的摩擦过程和滑动过程。
可选地,在本申请的一个实施例中,第二计算模块,具体用于:通过滑块的速率与状态的本构方程计算所述摩擦系数;在所述断层的状态符合摩尔-库仑准则后,将计算出的摩擦系数代入预设的剪切应力公式计算所述更新后的剪应力。
为了实现上述实施例,本申请第三方面实施例还提出了一种非临时性计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟方法。
本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果:本申请构建三维模型模拟断层成核破裂滑动过程,能够准确的描述断层滑移引起的地震行为的完整过程,为研究工业注采诱发地震中的水-力双向耦合和地质构造影响下的断层破裂滑动提供了基础。通过构建三维模型充分的反映地震断层破裂滑动过程中的地质构造特点。并且提高了三维模拟断层成核破裂过程中的计算效率且使计算结果收敛。由此,提高了对注采诱发地震断层破裂滑动进行模拟的准确性、直观性和全面性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为本申请实施例提出的一种三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟方法的流程图;
图2为本申请实施例提出的一种具体的三维注水整体几何模型的结构示意图;
图3为本申请实施例提出的一种具体的三维局部断层模型的结构示意图;
图4为本申请实施例提出的一种注采过程中断层的滑移速率变化曲线图;
图5为本申请实施例提出的一种三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例所提出的一种三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟方法及系统。
图1为本申请实施例提出的一种三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟方法的流程图,如图1所示,该方法包括以下步骤:
步骤S101,构建针对注采的三维注水整体几何模型,三维注水整体几何模型包括:断层、储层、基岩层和注水井,断层距离注水井预设距离。
其中,三维注水整体几何模型是用于描述注采全局的全尺度模型,可描述注采过程中所涉及的各个对象、操作过程和对象的状态变化等,比如,通过三维注水整体几何模型可模拟注水过程中的流固耦合过程。本申请构建的三维注水整体几何模型可作为模拟地震断层破裂滑动的母模型。
在本申请一个实施例中,构建的三维注水整体几何模型如图2所示,该模型的大小为1000米(m)*1000米(m)*1000米(m),该模型包括断层1、储层2、基岩层3和注水井(即图中的流体注入井4)。其中,储层是具有连通孔隙,允许油气在其中储存和渗滤的岩层。断层是地壳表层中岩层顺破裂面发生明显位移的一种破裂构造,可决定油气藏的分布,在本申请中断层1距离注水井4一定距离,该距离可根据注采施工的情况预先设定。在该图中通过不同程度的灰度区分模型中不同的岩层,通过图中的描绘方式表示基岩层等各个岩层的地质特点。具体实施时,可以在相应的三维建模仿真软件中构建三维注水整体几何模型
需要说明的是,图2所示的模型仅为一种示例性说明,在实际应用中可以根据注采的实际情况进行调整,比如,可以在三维注水整体几何模型中设置多个注水井,并设置生产井等其他的注采设备,以及调整模型的尺寸大小等。
由此,本申请通过构建三维的全局模型,可以更加直观和全面的反映注采过程中涉及的各个岩层等对象的特点。
步骤S102,构建三维水-力双向耦合数值模型,其中,三维水-力双向耦合数值模型包括储层变形方程中的流体压力项和储层渗流方程中的变形项的双向耦合。
其中,三维水-力双向耦合数值模型是表示高水压和高地应力的双向耦合作用的数值模型,水-力耦合是导致深部岩石失稳破坏的重要力源。本申请构建的水-力双向耦合数值模型为三维模型,即包含三维方向的分量,进一步真实的反映断层破裂滑动中的地质特点。
其中,三维水-力双向耦合数值模型包括储层变形方程中的流体压力项和储层渗流方程中的变形项的双向耦合。储层渗流方程即储层中的流体流动方程,可以反映流体的质量平衡。
在本申请一个实施例中,构建的储层变形方程如以下公式所示:
Figure BDA0003654803810000061
其中,u为位移,pf为储层流体压力,αf为储层比奥(Biot)系数,G为剪切模量,下标i和k分别表示变量的三个方向的分量,i和k=1,2,3,下标kk是爱因斯坦求和约定,下标逗号代表了对变量的求导,v为泊松比,在本申请实施例中即为反映储层变形的弹性常数,fi为体力,体力指体积力,即分布在储层整个体积内部各个质点上的力。在本实施例中,以该方程作为注水过程中储层的变形控制方程,流体压力项即为αfpf,通过该方程可以得到储层和断层的流体压力,并通过数值模拟获得不同天数下的储层和断层的流体压力,进而可以得到储层和断层的流体压力变化。
进一步的,在本实施例中构建的储层渗流方程时,考虑流体的质量平衡主要包含流体质量的变化率、流体的质量通量和质量源项,构建的储层渗流方程如以下公式所示:
Figure BDA0003654803810000062
其中,mf=ρfφf
其中,mf为流体质量,Jf为流体的质量通量,Qs为质量源项,
Figure BDA0003654803810000063
为梯度算子,φf为储层的孔隙率,ρf为储层中的流体密度。
在本实施例中,同时考虑流体的压缩特性,以及流体密度随着流体压缩体积的变化而变化,因此可以将流体密度通过以下公式计算:
Figure BDA0003654803810000064
其中,Cf为流体的压缩系数,pf为孔隙压力,孔隙压力即上述储层变形方程中的流体压力。
在本实施例建立的耦合模型中,计算储层渗流方程中的流体质量变化时,可以从多种角度进行计算。
作为其中的第一种示例,可以在耦合模型中将流体质量变化视为与储层孔隙压力变化和储层变形相关。即,可通过以下公式计算流体质量变化:
Figure BDA0003654803810000065
其中,M为比奥Biot模量,εV为体积应变,其余参数的含义参照上述公式中的解释所述。
作为其中的第二种示例,可以在耦合模型中将流体质量变化视为与流体压力变化和储层变形相关。即,可通过以下公式计算流体质量变化:
Figure BDA0003654803810000071
其中,Sf为储水系数,储水系数是指单位面积,比如,1平方米的地层中释放或储存的水量,其余参数的含义参照上述公式中的解释所述。
在以上两个示例中,
Figure BDA0003654803810000072
即为流体流动方程中的变形项。
在本实施例建立的耦合模型中,计算储层渗流方程中的流体质量通量时,可以通过以下公式计算:
Figure BDA0003654803810000073
其中,κf为储层中的渗透率,μf为流体动态粘度系数,g为重力加速度,其余参数的含义参照上述公式中的解释所述。
步骤S103,根据三维水-力双向耦合数值模型计算多个应力分量,结合多个应力分量和三维注水整体几何模型计算断层上的正应力和剪应力。
其中,正应力是垂直于截面的应力分量,即法向应力。剪应力是相切于截面的应力分量,即为单位面积上所承受的剪力,力的方向与受力面的法线方向正交。
需要说明的是,在断层滑移引起地震前,岩层受外因(比如外力变化等)而变形时,在岩层内各部分之间产生相互作用的内力,以抵抗这种外因的作用,在针对研究的截面某一点单位面积上的内力称为应力。而如上述实施例所述,水-力双向耦合是导致岩层失稳破坏的重要力源,因此,通过本申请在步骤S102中构建的三维水-力双向耦合数值模型,可以计算出在该模型影响下岩层中各方向的应力分量。
进一步的,结合计算出的多个应力分量,采用三维注水整体几何模型计算断层上的正应力和剪应力。具体可以通过对三维注水整体几何模型进行模拟分析,确定其中的断层的各个特征参数,再结合多个应力分量通过相应的公式计算正应力和剪应力。
作为其中一种可能的实现方式,可以通过以下公式计算断层上的正应力:
Tn=4abcdσ11-2abc2σ12-2acdσ13+b2c2σ22+2bcdσ23+d2σ33
然后,再通过以下公式计算断层上的剪应力:
Figure BDA0003654803810000081
在本示例的两个公式中,a=sin(strike),b=cos(strike),c=sin(dip),d=cos(dip),e=sin(rake),f=cos(rake)。其中,Tn为正应力,τf为剪应力,strike、dip和rake分别为地震断层的走向、倾角和滑动角,在本实施例中可根据全局模型假设地震断层的走向、倾角和滑动角为已知量。σ11、σ12、σ13、σ22、σ23和σ33为不同的应力分量,即通过三维水-力双向耦合数值模型计算出的多个方向上的应力分量,下标中的数字表示不同的方向。需要理解的是,由于应力是张量,因此上述各个应力分量都是针对各个面上的力,也就是说,σ11、σ22、σ33和σ12、σ13、σ23分别为1、2和3三个方向的正应力和剪应力,下标中的1、2和3表示的三个方向即三维模型中的三个方向,即,方向1是三维坐标轴中x轴所在的方向,方向2是三维坐标轴中y轴所在的方向,方向3是三维坐标轴中z轴所在的方向,下标数字相同的应力分量是垂直于该方向所对应面上的正应力,下标数字不同的应力分量是垂直于该方向所对应面上的剪应力。举例而言,σ11为垂直于方向1所对应面上的正应力,以此类推;σ12为垂直于方向1所对应的面上的剪应力,以此类推。
步骤S104,构建针对断层的三维局部断层模型,并通过局部耦合算子将正应力和剪应力传递至三维局部断层模型。
具体的,建立一个表示断层的三维的局部几何模型,即根据步骤S101中构建的三维注水整体模型建立一个局部模型,该局部模型中断层的形状和大小等参数根据上述三维注水整体几何模型的断层确定,比如,局部模型可以与整体模型的断层特征参数一致。
作为一种示例,如图3所示,从三维注水整体几何模型中提取出断层和与断层相邻的基岩,作为该三维局部断层模型中的断层10和基岩层20,从而在该子模型中仅考虑断层和与之相邻的基岩,便于后续更加便捷和直观的模拟断层的摩擦和滑移过程。
进一步的,通过局部耦合算子将步骤S103中计算出的整体模型中断层上的正应力和剪应力,传递至该三维局部断层模型。具体通过局部耦合算子进行传递时,作为一种可能的实现方式,可以通过映射的方式进行传递,在图3所示的情况下,即如果三维局部断层模型和三维注水整体几何模型中的断层的大小等特征参数一致,则采用线性映射,否则,采用广义的映射。
步骤105,计算断层滑移引起的地震全过程中的摩擦系数,并结合摩擦系数计算三维局部断层模型破裂滑动后的剪应力,根据更新后的剪应力和摩擦系数模拟三维局部断层模型的摩擦过程和滑动过程。
具体的,本申请通过局部模型模拟断层的破裂滑动,三维局部断层模型先受到步骤S104传递的正应力和剪应力的作用,当到达某一状态时,模型中的断层10产生破裂滑动,剪应力发生了改变,本申请计算断层破裂滑动后的剪应力(即更新后的剪应力)和断层破裂滑动引起的地震过程中的摩擦系数,根据计算出的剪切应力和摩擦系数模拟断层破裂滑动后的摩擦过程和滑动过程。
在本申请一个实施例中,计算摩擦系数和断层破裂滑动后的剪应力的方法包括以下步骤,先通过滑块的速率与状态的本构方程计算摩擦系数,然后在断层的状态符合摩尔-库仑准则后,将计算出的摩擦系数代入预设的剪切应力公式计算更新后的剪应力。
具体而言,在该实施例中,断层收到传递的应力的作用,当断层达到摩尔-库仑准则后,断层产生破裂滑动,本申请通过数值模拟获得断层的滑移速度,并记录不同注水天数下的滑移速度,得到如图4所示的注采过程中断层的滑移速率变化曲线图。由该图可知,在注水的前几天断层破裂前,滑移速度在0附近,当断层达到摩尔-库仑准则后,断层开始产生一个突然的滑动,滑动速度呈现阶跃式增高的改变,从而模拟出地震的产生。
在具体计算时,将摩擦系数的演化通过速率与状态的本构方程来表示,以断层作为滑块,通过滑块的速率与状态的本构方程能够准确的描述断层滑移引起的地震行为,包括从震前滑移至地震成核至同震破裂至震后滑移的整个过程,本实施例通过以下公式表示该速率与状态的本构方程:
Figure BDA0003654803810000091
Figure BDA0003654803810000092
其中,μ为摩擦系数,θ为滑块滑动状态函数,a和b为摩擦本构参数,Dc为特征滑移距离,v为断层滑动速度,v0为初始滑动速度,μ0为初始摩擦系数,θ0为滑块初始滑动状态函数。初始滑动速度、初始摩擦系数和滑块初始滑动状态函数是断层开始进行破裂滑动的初始时刻的参数。
在具体计算时,摩擦本构参数可以从大量实验中得到,特征滑移距离、初始滑动速度、初始摩擦系数和滑块初始滑动状态函数可以通过根据三维注水整体几何模型推断或结合历史经验设定等多种方式确定,在本实施例中可看作已知量。而滑块滑动状态函数作为状态变量,可以通过以下公式计算:
Figure BDA0003654803810000101
Figure BDA0003654803810000102
Figure BDA0003654803810000103
Figure BDA0003654803810000104
Figure BDA0003654803810000105
其中,θi和θi+1分别为t和t+Δt时刻的状态变量,Kj(j=1,2,3,4)为中间变量。也就是说,本申请通过4阶的龙格-库塔(Runge-Kutta)方法求解该本构方程中滑块滑动状态函数所在的常微分方程。
通过上述本构方程表明摩擦剪应力是有效正应力和摩擦系数的函数,并依赖于滑移速率和滑动面的状态。进一步的,在断层的状态符合摩尔-库仑准则后,通过预设的剪切应力公式计算剪应力,预设的剪切应力公式表示为如下所示:
τf=τc-μσn
其中,σn=Tn-pf
其中,τc为断层内聚强度,μ为摩擦系数,σn为有效应力,Tn为断层面上的正应力,pf为孔隙压力。可将断层内聚强度和孔隙压力视为已知量,将通过本构方程计算出的摩擦系数代入上式计算断层开始滑动后的剪切应力。
需要说明的是,本申请在进行数值模拟时,先建立了反映地震断层破裂滑动问题本质的数学模型,包括导致破裂的水-力双向耦合数值模型、描述断层滑移引起的地震行为的速率-状态的本构方程等。然后寻求高效率和高准确度的数值计算方法。最后,编制程序并进行计算,进行问题的求解,在数值求解过程中通过大量实验来加以验证。上述在步骤可在三维建模软件中进行,具体进行数值模拟的过程可参照相关技术中的方式,此处不再赘述。而参照上述实施例所述,本申请计算出了层破裂滑动后的剪应力和断层破裂滑动过程中的摩擦系数,而断层的滑动是受剪应力的作用而产生滑动,进而可以根据计算出的剪切应力和摩擦系数分别进行断层破裂滑动后的滑动过程和摩擦过程的数值模拟。
由此,本申请在三维模拟中可以模拟出断层破裂滑动的滑动、摩擦过程,解决了三维模拟的计算效率较低及计算不收敛的问题,同时为研究工业注采诱发地震中水-力双向耦合下和地质构造影响下的断层破裂滑动提供了重要保障,并克服了二维模型中无法充分考虑地质构造背景的影响的困难。
综上所述,本申请实施例的三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟方法,通过构建三维模型模拟断层成核破裂滑动过程,能够准确的描述断层滑移引起的地震行为的完整过程,为研究工业注采诱发地震中的水-力双向耦合和地质构造影响下的断层破裂滑动提供了基础。通过构建三维模型充分的反映地震断层破裂滑动过程中的地质构造特点。并且提高了三维模拟断层成核破裂过程中的计算效率且使计算结果收敛。由此,该方法提高了对注采诱发地震断层破裂滑动进行模拟的准确性、直观性和全面性。
为了实现上述实施例,本申请还提出了一种三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟系统,图5为本申请实施例提出的一种三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟系统的结构示意图,如图5所示,该系统包括第一构建模块100、第二构建模块200、第一计算模块300、第三构建模块400和第二计算模块500。
其中,第一构建模块100,用于构建针对注采的三维注水整体几何模型,三维注水整体几何模型包括:断层、储层、基岩层和注水井,断层距离所述注水井预设距离。
第二构建模块200,用于构建三维水-力双向耦合数值模型,其中,三维水-力双向耦合数值模型包括储层变形方程中的流体压力项和储层渗流方程中的变形项的双向耦合。
第一计算模块300,用于根据三维水-力双向耦合数值模型计算多个应力分量,结合多个应力分量和三维注水整体几何模型计算断层上的正应力和剪应力。
第三构建模块400,用于构建针对断层的三维局部断层模型,并通过局部耦合算子将正应力和剪应力传递至三维局部断层模型。
第二计算模块500,用于计算断层滑移引起的地震全过程中的摩擦系数,并结合摩擦系数计算三维局部断层模型破裂滑动后的剪应力,根据更新后的剪应力和摩擦系数模拟三维局部断层模型的摩擦过程和滑动过程。
可选地,在本申请的一个实施例中,第二计算模块500具体用于通过滑块的速率与状态的本构方程计算摩擦系数;在断层的状态符合摩尔-库仑准则后,将计算出的摩擦系数代入预设的剪切应力公式计算更新后的剪应力。
可选地,在本申请的一个实施例中,第二构建模块200具体用于通过以下公式表示所述储层变形方程:
Figure BDA0003654803810000111
其中,u为位移,pf为储层流体压力,αf为储层比奥系数,G为剪切模量,下标i和k分别表示变量的三个方向的分量,i和k=1,2,3,下标kk是爱因斯坦求和约定,v为泊松比,fi为体力。
可选地,在本申请的一个实施例中,第二构建模块200还用于通过以下公式表示所述储层渗流方程:
Figure BDA0003654803810000121
其中,mf=ρfφf
其中,mf为流体质量,Jf为流体的质量通量,Qs为质量源项,
Figure BDA0003654803810000122
为梯度算子,φf为储层的孔隙率,ρf为储层中的流体密度。
可选地,在本申请的一个实施例中,第一计算模块300具体用于通过以下公式计算断层上的正应力:
Tn=4abcdσ11-2abc2σ12-2acdσ13+b2c2σ22+2bcdσ23+d2σ33
通过以下公式计算断层上的剪应力:
Figure BDA0003654803810000123
其中,a=sin(strike),b=cos(strike),c=sin(dip),d=cos(dip),e=sin(rake),f=cos(rake),
其中,Tn为正应力,τf为剪应力,strike、dip和rake分别为地震断层的走向、倾角和滑动角,σ11、σ12、σ13、σ22、σ23和σ33为不同的应力分量。
可选地,在本申请的一个实施例中,第二计算模块500还用于将预设的剪切应力公式表示为如下所示:
τf=τc-μσn
其中,σn=Tn-pf
其中,τc为断层内聚强度,μ为摩擦系数,σn为有效应力,Tn为断层面上的正应力,pf为孔隙压力。
可选地,在本申请的一个实施例中,第二计算模块500还用于通过以下公式表示速率与状态的本构方程:
Figure BDA0003654803810000124
Figure BDA0003654803810000125
其中,μ为摩擦系数,θ为滑块滑动状态函数,a和b为摩擦本构参数,Dc为特征滑移距离,v为断层滑动速度,v0为初始滑动速度,μ0为初始摩擦系数,θ0为滑块初始滑动状态函数。
需要说明的是,前述对三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟方法的实施例的解释说明也适用于该实施例的系统,此处不再赘述
综上所述,本申请实施例的三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟系统,通过构建三维模型模拟断层成核破裂滑动过程,能够准确的描述断层滑移引起的地震行为的完整过程,为研究工业注采诱发地震中的水-力双向耦合和地质构造影响下的断层破裂滑动提供了基础。通过构建三维模型充分的反映地震断层破裂滑动过程中的地质构造特点。并且提高了三维模拟断层成核破裂过程中的计算效率且使计算结果收敛。由此,该系统提高了对注采诱发地震断层破裂滑动进行模拟的准确性、直观性和全面性。
为了实现上述实施例,本申请还提出了一种非临时性计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,计算机程序被处理器执行时实现如上述实施例中任一所述的三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟方法。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示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。在本申请的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为,表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分,并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现,其中可以不按所示出或讨论的顺序,包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序,来执行功能,这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤,例如,可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表,可以具体实现在任何计算机可读介质中,以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用,或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言,"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下:具有一个或多个布线的电连接部(电子装置),便携式计算机盘盒(磁装置),随机存取存储器(RAM),只读存储器(ROM),可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器),光纤装置,以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外,计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质,因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描,接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序,然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解,本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中,多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如,如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样,可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现:具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路,具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路,可编程门阵列(PGA),现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成,所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中,该程序在执行时,包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外,在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器,磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本申请的限制,本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:
构建针对注采的三维注水整体几何模型,所述三维注水整体几何模型包括:断层、储层、基岩层和注水井,所述断层距离所述注水井预设距离;
构建三维水-力双向耦合数值模型,其中,所述三维水-力双向耦合数值模型包括储层变形方程中的流体压力项和储层渗流方程中的变形项的双向耦合;
根据所述三维水-力双向耦合数值模型计算多个应力分量,结合所述多个应力分量和所述三维注水整体几何模型计算所述断层上的正应力和剪应力;
构建针对所述断层的三维局部断层模型,并通过局部耦合算子将所述正应力和所述剪应力传递至所述三维局部断层模型;
计算断层滑移引起的地震全过程中的摩擦系数,并结合所述摩擦系数计算所述三维局部断层模型破裂滑动后的剪应力,根据更新后的剪应力和所述摩擦系数模拟所述三维局部断层模型的摩擦过程和滑动过程。
2.根据权利要求1所述的模拟方法,其特征在于,所述计算断层滑移引起的地震全过程中的摩擦系数,并结合所述摩擦系数计算所述三维局部断层模型破裂滑动后的剪应力,包括:
通过滑块的速率与状态的本构方程计算所述摩擦系数;
在所述断层的状态符合摩尔-库仑准则后,将计算出的摩擦系数代入预设的剪切应力公式计算所述更新后的剪应力。
3.根据权利要求1或2所述的模拟方法,其特征在于,通过以下公式表示所述储层变形方程:
Figure FDA0003654803800000011
其中,u为位移,pf为储层流体压力,αf为储层比奥系数,G为剪切模量,下标i和k分别表示变量的三个方向的分量,i和k=1,2,3,下标kk是爱因斯坦求和约定,v为泊松比,fi为体力。
4.根据权利要求1所述的模拟方法,其特征在于,通过以下公式表示所述储层渗流方程:
Figure FDA0003654803800000012
其中,mf=ρfφf
其中,mf为流体质量,Jf为流体的质量通量,Qs为质量源项,
Figure FDA0003654803800000021
为梯度算子,φf为储层的孔隙率,ρf为储层中的流体密度。
5.根据权利要求1所述的模拟方法,其特征在于,通过以下公式计算所述断层上的正应力:
Tn=4abcdσ11-2abc2σ12-2acdσ13+b2c2σ22+2bcdσ23+d2σ33
通过以下公式计算所述断层上的剪应力:
τf=-ac(bf+ade)σ11+c(2abde+f-2a2f)σ12+(ae-2ac2e+bdf)σ13+c(abf-b2de)σ22+(adf-be-2bc2e)σ23+cdeσ33
其中,a=sin(strike),b=cos(strike),c=sin(dip),d=cos(dip),e=sin(rake),f=cos(rake),
其中,Tn为正应力,τf为剪应力,strike、dip和rake分别为地震断层的走向、倾角和滑动角,σ11、σ12、σ13、σ22、σ23和σ33为不同的应力分量。
6.根据权利要求2所述的模拟方法,其特征在于,所述预设的剪切应力公式表示为如下所示:
τf=τc-μσn
其中,σn=Tn-pf
其中,τc为断层内聚强度,μ为摩擦系数,σn为有效应力,Tn为断层面上的正应力,pf为孔隙压力。
7.根据权利要求2所述的模拟方法,其特征在于,通过以下公式表示所述速率与状态的本构方程:
Figure FDA0003654803800000022
Figure FDA0003654803800000023
其中,μ为摩擦系数,θ为滑块滑动状态函数,a和b为摩擦本构参数,Dc为特征滑移距离,v为断层滑动速度,v0为初始滑动速度,μ0为初始摩擦系数,θ0为滑块初始滑动状态函数。
8.一种三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟系统,其特征在于,包括:
第一构建模块,用于构建针对注采的三维注水整体几何模型,所述三维注水整体几何模型包括:断层、储层、基岩层和注水井,所述断层距离所述注水井预设距离;
第二构建模块,用于构建三维水-力双向耦合数值模型,其中,所述三维水-力双向耦合数值模型包括储层变形方程中的流体压力项和储层渗流方程中的变形项的双向耦合;
第一计算模块,用于根据所述三维水-力双向耦合数值模型计算多个应力分量,结合所述多个应力分量和所述三维注水整体几何模型计算所述断层上的正应力和剪应力;
第三构建模块,用于构建针对所述断层的三维局部断层模型,并通过局部耦合算子将所述正应力和所述剪应力传递至所述三维局部断层模型;
第二计算模块,用于计算断层滑移引起的地震全过程中的摩擦系数,并结合所述摩擦系数计算所述三维局部断层模型破裂滑动后的剪应力,根据更新后的剪应力和所述摩擦系数模拟所述三维局部断层模型的摩擦过程和滑动过程。
9.根据权利要求8所述的模拟系统,其特征在于,所述第二计算模块,具体用于:
通过滑块的速率与状态的本构方程计算所述摩擦系数;
在所述断层的状态符合摩尔-库仑准则后,将计算出的摩擦系数代入预设的剪切应力公式计算所述更新后的剪应力。
10.一种非临时性计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一所述的三维的注采诱发地震断层破裂滑动的数值模拟方法。
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