CN115828683A - 一种含天然裂缝地层裂缝缝宽的计算方法 - Google Patents

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CN115828683A CN202211502769.4A CN202211502769A CN115828683A CN 115828683 A CN115828683 A CN 115828683A CN 202211502769 A CN202211502769 A CN 202211502769A CN 115828683 A CN115828683 A CN 115828683A
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郭书生
黄志洁
赵启彬
梁豪
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Abstract

本发明涉及一种含天然裂缝地层裂缝缝宽的计算方法，属于水力压裂数值模拟技术领域。为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种含天然裂缝地层裂缝缝宽的计算方法，通过获取储层地质力学参数和储层岩石力学参数建立含天然裂缝储层有限元物理模型，建立含天然裂缝储层的裂缝起裂和扩展数学模型，开展水力压裂数值模拟，获取裂缝扩展形态，基于裂缝扩展变形后有限元物理模型，获取水力裂缝单元的坐标信息并划分裂缝边，求取裂缝宽度。本发明克服传统基于裂缝图像识别由于像素点不连续导致误差的缺点。

Description

一种含天然裂缝地层裂缝缝宽的计算方法
技术领域
本发明涉及一种含天然裂缝地层裂缝缝宽的计算方法，属于水力压裂数值模拟技术领域。
背景技术
利用有限元方法模拟计算水力裂缝参数是一种常见的数值模拟手段，对于含天然裂缝地层，采用有限元方法模拟裂缝扩展后裂缝形态复杂，对于形成的裂缝可能存在主裂缝、一级裂缝甚至二级裂缝多级裂缝体系，导致裂缝宽度统计和计算困难，目前对于裂缝宽度的提取是通过在两侧壁面上标记两点，通过获取两点间的距离，来反映裂缝宽度的大小，但是该方法存在由于像素点不连续导致误差的缺点。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提供一种含天然裂缝地层裂缝缝宽的计算方法。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种含天然裂缝地层裂缝缝宽的计算方法，包括以下步骤：
步骤一、：获取目标储层的地质力学参数以及目标储层岩石力学的基本资料，所述基本资料包括储层地应力大小、地应力方向、天然裂缝特征、储层岩石杨氏模量、泊松比、抗拉强度；
步骤二、根据步骤一获取的参数，建立含天然裂缝的有限元物理模型；
步骤三、步骤一和步骤二建立的模型，建立含天然裂缝储层的裂缝起裂和扩展数学模型；
步骤四、根据步骤二和步骤三建立的模型，开展裂缝扩展数值模拟分析，获取裂缝扩展形态；
步骤五、基于裂缝扩展变形后有限元物理模型，获取水力裂缝单元的坐标信息并划分裂缝边；
步骤六、基于裂缝边求取裂缝宽度。
进一步的技术方案是，所述步骤1目标储层的地质力学参数包括地应力大小、地应力方位、天然裂缝长度和方向。
进一步的技术方案是，所述步骤1目标储层的岩石力学参数包括杨氏模量、泊松比、抗拉强度，通过岩石力学实验获取。
进一步的技术方案是，所述步骤3含天然裂缝储层的裂缝起裂和扩展数学模型包括：
(1)裂缝单元应力场模型：
Figure BDA0003966907300000021
Figure BDA0003966907300000022
式中：σ为应力矢量，Pa；σn为裂缝单元法向应力，Pa；σs、σt为裂缝单元切向应力，Pa；ε为应变，无因次；K为单元刚度矩阵，无因次；dn为裂缝单元法向位移，m；ds、dt裂缝单元切向位移，m；To为裂缝单元厚度，m；
(2)裂缝单元流体流动模型：
流体切向流动：
Figure BDA0003966907300000023
流体法向流动：
Figure BDA0003966907300000024
式中：q为通过裂缝单元单位面积的体积流率密度矢量，m2/s；d为裂缝单元的开度，m；μ为压裂液粘度，Pa·s；▽p为单元切向流动流体压力梯度，Pa/m；qt为流体流入裂缝单元上表面的流量，m3/s；qb为流体流入裂缝单元下表面的流量，m3/s；ct为裂缝单元上表面的流量滤失系数，m3/(Pa·s)；cb为裂缝单元下表面的流量滤失系数，m3/(Pa·s)；pt为裂缝单元上表面的流体压力，MPa；pb为裂缝单元下表面的流体压力，MPa；pi为裂缝单元上表面的流体压力，MPa。
(3)裂缝起裂准则：
Figure BDA0003966907300000031
Figure BDA0003966907300000032
式中：
Figure BDA0003966907300000033
为岩石抗拉强度，MPa；
Figure BDA0003966907300000034
—即岩石的剪切强度，MPa；<σn为裂缝单元受力状态。
(4)裂缝扩展准则：
Figure BDA0003966907300000035
GT＝Gn+Gs+Gt
GT＝GC时，裂缝扩展
式中：Gn为裂缝单元法向能量释放率，Pa·m；Gs、Gt为裂缝单元切向能量释放率，Pa·m；
Figure BDA0003966907300000036
为裂缝单元法向临界能量释放率，Pa·m；
Figure BDA0003966907300000037
为裂缝单元切向临界释放率，Pa·m；η为材料本身有关的常数，取2.284，无因次；GC为裂缝单元混合模式下的总临界能量释放率，Pa·m。
进一步的技术方案是，所述步骤5中获取水力裂缝单元的坐标信息并划分裂缝边的具体过程为：提取裂缝单元法向位移大于零的裂缝单元，确定该裂缝单元的节点分别为Node1、Node2、Node3和Node4。
进一步的技术方案是，所述步骤6中求取裂缝宽度的具体过程为：分别计算Node1、Node2之间宽度，Node3、Node4之间有效宽度，根据流体流动规律，裂缝单元入口端流体压力大于出口端流体压力，选取节点间最大值作为裂缝宽度
本发明具有以下有益效果：本发明克服传统基于裂缝图像识别由于像素点不连续导致误差的缺点。
附图说明
图1是本发明的流程框图；
图2是节点示意图；
图3是裂缝识别图；
图4是裂缝宽度分布图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种含天然裂缝地层裂缝缝宽的计算方法，包括以下步骤：
步骤一、获取目标储层的地质力学参数以及目标储层岩石力学的基本资料，所述基本资料包括储层地应力大小、地应力方向、天然裂缝特征、储层岩石杨氏模量、泊松比、抗拉强度；
步骤二、根据步骤一获取的参数，建立含天然裂缝的有限元物理模型；
步骤三、步骤一和步骤二建立的模型，建立含天然裂缝储层的裂缝起裂和扩展数学模型；
含天然裂缝储层的裂缝起裂和扩展数学模型包括：
(1)裂缝单元应力场模型：
Figure BDA0003966907300000051
Figure BDA0003966907300000052
式中：σ为应力矢量，Pa；σn为裂缝单元法向应力，Pa；σs、σt为裂缝单元切向应力，Pa；ε为应变，无因次；K为单元刚度矩阵，无因次；dn为裂缝单元法向位移，m；ds、dt裂缝单元切向位移，m；To为裂缝单元厚度，m；
(2)裂缝单元流体流动模型：
流体切向流动：
Figure BDA0003966907300000053
流体法向流动：
Figure BDA0003966907300000054
式中：q为通过裂缝单元单位面积的体积流率密度矢量，m2/s；d为裂缝单元的开度，m；μ为压裂液粘度，Pa·s；▽p为单元切向流动流体压力梯度，Pa/m；qt为流体流入裂缝单元上表面的流量，m3/s；qb为流体流入裂缝单元下表面的流量，m3/s；ct为裂缝单元上表面的流量滤失系数，m3/(Pa·s)；cb为裂缝单元下表面的流量滤失系数，m3/(Pa·s)；pt为裂缝单元上表面的流体压力，MPa；pb为裂缝单元下表面的流体压力，MPa；pi为裂缝单元上表面的流体压力，MPa。
(3)裂缝起裂准则：
Figure BDA0003966907300000055
Figure BDA0003966907300000056
式中：
Figure BDA0003966907300000057
为岩石抗拉强度，MPa；
Figure BDA0003966907300000058
—即岩石的剪切强度，MPa；<σn为裂缝单元受力状态。
(4)裂缝扩展准则：
Figure BDA0003966907300000061
GT＝Gn+Gs+Gt
GT＝GC时，裂缝扩展
式中：Gn为裂缝单元法向能量释放率，Pa·m；Gs、Gt为裂缝单元切向能量释放率，Pa·m；
Figure BDA0003966907300000062
为裂缝单元法向临界能量释放率，Pa·m；
Figure BDA0003966907300000063
为裂缝单元切向临界释放率，Pa·m；η为材料本身有关的常数，取2.284，无因次；GC为裂缝单元混合模式下的总临界能量释放率，Pa·m；
步骤四、根据步骤二和步骤三建立的模型，开展裂缝扩展数值模拟分析，获取裂缝扩展形态；
步骤五、基于裂缝扩展变形后有限元物理模型，获取水力裂缝单元的坐标信息并划分裂缝边；
步骤六、基于裂缝边求取裂缝宽度。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种含天然裂缝地层裂缝缝宽的计算方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一、：获取目标储层的地质力学参数以及目标储层岩石力学的基本资料，所述基本资料包括储层地应力大小、地应力方向、天然裂缝特征、储层岩石杨氏模量、泊松比、抗拉强度；
步骤二、根据步骤一获取的参数，建立含天然裂缝的有限元物理模型；
步骤三、步骤一和步骤二建立的模型，建立含天然裂缝储层的裂缝起裂和扩展数学模型；
步骤四、根据步骤二和步骤三建立的模型，开展裂缝扩展数值模拟分析，获取裂缝扩展形态；
步骤五、基于裂缝扩展变形后有限元物理模型，获取水力裂缝单元的坐标信息并划分裂缝边；
步骤六、基于裂缝边求取裂缝宽度。
2.根据权利要求1所述的一种含天然裂缝地层裂缝缝宽的计算方法，其特征在于，所述步骤1目标储层的地质力学参数包括地应力大小、地应力方位、天然裂缝长度和方向。
3.根据权利要求1所述的一种含天然裂缝地层裂缝缝宽的计算方法，其特征在于，所述步骤1目标储层的岩石力学参数包括杨氏模量、泊松比、抗拉强度，通过岩石力学实验获取。
4.根据权利要求1所述的一种含天然裂缝地层裂缝缝宽的计算方法，其特征在于，所述步骤3含天然裂缝储层的裂缝起裂和扩展数学模型包括：
(1)裂缝单元应力场模型：
Figure FDA0003966907290000011
Figure FDA0003966907290000021
式中：σ为应力矢量，Pa；σn为裂缝单元法向应力，Pa；σs、σt为裂缝单元切向应力，Pa；ε为应变，无因次；K为单元刚度矩阵，无因次；dn为裂缝单元法向位移，m；ds、dt裂缝单元切向位移，m；To为裂缝单元厚度，m；
(2)裂缝单元流体流动模型：
流体切向流动：
Figure FDA0003966907290000022
流体法向流动：
Figure FDA0003966907290000023
式中：q为通过裂缝单元单位面积的体积流率密度矢量，m2/s；d为裂缝单元的开度，m；μ为压裂液粘度，Pa·s；
Figure FDA0003966907290000024
为单元切向流动流体压力梯度，Pa/m；qt为流体流入裂缝单元上表面的流量，m3/s；qb为流体流入裂缝单元下表面的流量，m3/s；ct为裂缝单元上表面的流量滤失系数，m3/(Pa·s)；cb为裂缝单元下表面的流量滤失系数，m3/(Pa·s)；pt为裂缝单元上表面的流体压力，MPa；pb为裂缝单元下表面的流体压力，MPa；pi为裂缝单元上表面的流体压力，MPa；
(3)裂缝起裂准则：
Figure FDA0003966907290000025
Figure FDA0003966907290000026
式中：
Figure FDA0003966907290000027
为岩石抗拉强度，MPa；
Figure FDA0003966907290000028
—即岩石的剪切强度，MPa；<σn为裂缝单元受力状态；
(4)裂缝扩展准则：
Figure FDA0003966907290000029
GT＝Gn+Gs+Gt
GT＝GC时，裂缝扩展
式中：Gn为裂缝单元法向能量释放率，Pa·m；Gs、Gt为裂缝单元切向能量释放率，Pa·m；Gn C为裂缝单元法向临界能量释放率，Pa·m；Gs C为裂缝单元切向临界释放率，Pa·m；η为材料本身有关的常数，取2.284，无因次；GC为裂缝单元混合模式下的总临界能量释放率，Pa·m。
5.根据权利要求1所述的一种含天然裂缝地层裂缝缝宽的计算方法，其特征在于，所述步骤5中获取水力裂缝单元的坐标信息并划分裂缝边的具体过程为：提取裂缝单元法向位移大于零的裂缝单元，确定该裂缝单元的节点分别为Node1、Node2、Node3和Node4。
6.根据权利要求1所述的一种含天然裂缝地层裂缝缝宽的计算方法，其特征在于，所述步骤6中求取裂缝宽度的具体过程为：分别计算Node1、Node2之间宽度，Node3、Node4之间有效宽度，根据流体流动规律，裂缝单元入口端流体压力大于出口端流体压力，选取节点间最大值作为裂缝宽度。
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