基于摩尔-库伦理论的水合物开采力学稳定性定量分析方法与流程

本发明涉及海洋天然气水合物资源开采力学稳定性分析技术领域，具体涉及一种基于摩尔-库伦理论的水合物开采力学稳定性定量分析方法。

背景技术：

天然气水合物资源量巨大，能量密度高，是一种高效的清洁能源。国际和国内的水合物开采试验表明：力学稳定性是制约水合物开采的重要因素。水合物降压开采时，一方面由于孔隙压力的降低引起沉积物剪应力的增加，使得沉积物的荷载增加；另一方面，水合物在沉积物中起胶结作用，水合物分解后，沉积物的强度会降低。当沉积物的荷载超过沉积物的强度时，水合物储层可能发生失稳破坏；同时，由于井筒作用，井壁周围的应力分布较为集中，开采过程中还可能出现井壁失稳或套管失效的问题。因此，水合物开采过程中的储层和井壁是否能保持稳定性、如何评价水合物开采井筒和储层的稳定性需要进行深入的研究。

无论是井壁稳定性还是储层稳定性的均属于力学稳定性分析的范畴，其核心的思想是通过计算得到井壁或储层的荷载，将荷载与井壁或储层的强度进行对比，当强度大于荷载时则说明井壁或储层是力学稳定的；当荷载大于强度时，则表明井壁或储层会发生失稳。然而，由于井壁或储层的力学状态比较复杂，其荷载或强度均随应力状态不同而不同，因此，不能利用简单的比较来分析荷载和强度的关系。目前作为常用的是摩尔-库伦强度理论。具体来说，通过数值模拟的手段获取水合物储层或井壁在开采过程中的有效应力随时间的变化，绘制储层某点的应力摩尔圆，应力摩尔圆即代表荷载。将应力摩尔圆与井壁或储层的抗剪强度线进行对比。如果摩尔应力圆在抗剪强度线以下，则表明井壁或储层是稳定的。

“南海神狐海域天然气水合物降压开采过程中储层的稳定性”(天然气工业期刊，第38卷第4期)一文中给出了利用摩尔库伦强度理论分析水合物开采储层稳定性的方法，该方法求取储层有效应力的分布，然后选取储层中的特征点，绘制特征点的应力路径，并与抗剪强度对比，通过应力路径与抗剪强度的位置关系判断储层的稳定性。然而，上述基于摩尔-库伦强度理论的储层稳定性的判别方法仅是定性的分析，存在两个方面的缺陷：①该定性方法只能给出储层中某点的应力状态是否达到抗剪强度，即对储层是否稳定性只能给出是或者否的回答，而无法量化储层的稳定性，无法给出储层的“稳定程度”的具体指标；②使用该方法需要通过作图的方法来实现，每一次作图只能选取某一些特征点的应力来判断，无法对整个储层区域进行稳定性的分析。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对目前水合物力学稳定性分析方法无法定量化缺陷，提出一种基于摩尔-库伦理论的水合物开采力学稳定性定量分析方法，该方法不仅可以定量化分析水合物开采时井壁或储层的稳定性，给出“稳定程度”指标，还可以实现井壁和储层全区域内的稳定性分析。

本发明是采用以下的技术方案实现的，一种基于摩尔-库伦理论的水合物开采储层稳定性定量分析方法，包括以下步骤：

步骤a、通过数值模拟计算得到水合物开采过程中储层或井壁的应力分布情况；

步骤b、基于摩尔-库伦抗剪强度理论建立力学稳定系数s的定量化指标；

步骤c、将步骤a中计算得到的应力分布代入到力学稳定系数s计算公式中，获得力学稳定系数的分布；

步骤d、基于步骤c所获得的力学稳定系数的分布来定量化分析力学稳定性。

进一步的，所述步骤a具体包括以下步骤：

(1)根据海洋水合物地质调查资料，建立水合物水平井开采的地质模型；

其中，所述地质调查资料包括水合物所在站位的水深、水合物层厚度、上覆层厚度、下伏层厚度、水合物饱和度、储层孔隙度、储层渗透率、储层弹性模量、储层粘聚力和储层内摩擦角等信息，所建立的地质模型包括上覆层、下伏层、水合物层、井筒和储层外边界；

(2)将所建立的地质模型进行四面体网格划分，在水平井井筒周围进行网格加密，得到数值计算需要的网格系统；

(3)建立考虑水合物分解、气水两相渗流、传热和水合物沉积物固体变形的数学模型，将地质调查资料所包含的相关信息代入，将数学模型用有限元方法在网格系统上离散，通过数值计算得到每个网格上固体变形位移；

(4)基于计算得到的固体变形位移计算每个网格上的储层正应力和切应力；

(5)利用所获得的网格上的储层正应力和切应力计算每个网格的最大主应力和最小主应力。

进一步的，所述步骤b具体通过以下方式实现：

(1)根据地质调查资料中的储层粘聚力和内摩擦角在τ-σ坐标系下建立储层的库伦抗剪强度线：

其中，τf表示抗剪强度；σ为滑动破坏面上的法向应力；c为储层粘聚力；为沉积物内摩擦角。

(2)根据步骤a中所获得的最大主应力和最小主应力绘制摩尔应力圆；

沉积物某点的应力状态可以用下式表示：

式中，σ1为最大主应力；σ3为最小主应力，τ为剪应力；

(3)计算摩尔应力圆的圆心到抗剪强度线的距离o1b；

o1b为点到库伦抗剪强度线之间的距离：

(4)计算摩尔应力圆的半径o1a：

(5)计算摩尔应力圆圆心到库伦强度线之间的距离o1b与摩尔应力圆半径o1a的比值，将该比值定义为力学稳定系数指标，即：

如果力学稳定系数s大于1，则表明储层或井壁处于稳定状态，且力学稳定系数s越大，储层越稳定；如果力学稳定系数s小于1，则表明储层不稳定，力学稳定系数s越小，储层越不稳定。力学稳定系数的物理意义是摩尔应力圆与库伦抗剪强度线之间的相对距离，s<1表明，摩尔应力圆与库伦抗剪强度线相切，此时储层处于失稳状态；s>1表明摩尔应力圆远离库伦抗剪强度线，且s越大，摩尔应力圆距离库伦抗剪强度线越远，储层越稳定。

进一步的，所述步骤d包括以下步骤：

(1)做出储层中力学稳定系数小于1的等值线和力学稳定系数在1-5之间的等值线；力学稳定系数小于1的等值线围成的区域即为失稳破坏区域，且s越小，表明力学失稳的程度越高；力学稳定系数在1-5之间的等值线围成的区域为失稳的高风险区域s越小，失稳的风险越大；即用力学稳定系数s值的大小定量反映储层和井壁的稳定程度。

(2)计算失稳破坏区域的体积随时间的变化关系，计算失稳的高风险区域的体积随时间的变化关系，如图4所示；

(3)当储层失稳破坏区域的体积随时间逐渐增大，说明储层不稳定；当储层失稳破坏区域体积随时间逐渐减小，说明储层是稳定的，图4中，力学稳定系数s小于1的区域随时间在逐渐减小，说明储层是稳定的。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案所提出的水合物开采力学稳定性定量分析方法，克服了传统摩尔-库伦抗剪强度理论在水合物开采力学稳定性分析中只能定性分析的不足，利用力学稳定系数的概念定量化描述力学稳定性，且可定量化描述全部研究范围内的稳定性。该方法使用更为方便直观，定量化的分析结果更为精确。

附图说明

图1为本发明实施例所述水合物水平井开采储层地质模型示意图；

图2为本发明实施例水合物水平井开采储层模型网格示意图；

图3为本发明实施例库伦抗剪强度线和摩尔应力圆示意图；

图4为本发明实施例力学稳定系数小于1的区域体积随时间的变化曲线；

其中：1、上覆层；2、水合物层；3、下伏层；4、水平井井筒；5、库伦抗剪强度线；6、摩尔应力圆。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例公开一种基于摩尔-库伦理论的水合物开采力学稳定性定量分析方法，适用于水合物垂直井、水平井等多种开采方式，可以分析井壁、地层的稳定性，下面以水平井开采方式为例对本实施例进行详细说明：

基于摩尔-库伦理论的水合物开采力学稳定性定量分析方法，包括以下步骤：

步骤a、通过数值模拟计算得到水合物开采过程中储层或井壁的应力分布情况，具体实现方式为：

(1)根据海洋水合物地质调查资料，建立水合物水平井开采的地质模型；

其中，所述地质调查资料包括水合物所在站位的水深、水合物层厚度、上覆层厚度、下伏层厚度、水合物饱和度、储层孔隙度、储层渗透率、储层弹性模量、储层粘聚力和储层内摩擦角等信息，所建立的地质模型包括上覆层1、下伏层3、水合物层2、井筒4和储层外边界，如图1所示，上覆层1厚度为135米、下伏层3厚度为35米，水合物层2厚度为35米，井筒4为水平井筒，长度为500米，储层外边界尺寸为1000米×300米×205米；

(2)将所建立的地质模型进行四面体网格划分，在水平井井筒4周围进行网格加密，得到数值计算需要的网格系统；如图2所示，网格的结点数为8154，网格单元数为38204；

(3)建立考虑水合物分解、气水两相渗流、传热和水合物沉积物固体变形的数学模型，将地质调查资料所包含的相关信息代入，将数学模型用有限元方法在网格系统上离散，通过数值计算得到每个网格上固体变形位移；

(4)基于计算得到的固体变形位移计算每个网格上的储层正应力和切应力；

(5)利用所获得的网格上的储层正应力和切应力计算每个网格的最大主应力和最小主应力。

步骤b、基于摩尔-库伦抗剪强度理论建立力学稳定系数的定量化指标，具体包括：

(1)根据地质调查资料中的储层粘聚力和内摩擦角在τ-σ坐标系下建立储层的库伦抗剪强度线，如图3所示，其计算公式为：

其中，τf表示抗剪强度；σ为滑动破坏面上的法向应力；c为储层粘聚力；为沉积物内摩擦角。

(2)根据步骤a中所获得的最大主应力和最小主应力绘制摩尔应力圆；

沉积物某点的应力状态可以用下式表示：

式中，σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；τ为剪应力，该式在τ-σ坐标系中为一个圆，称为摩尔应力圆，如图3所示；

(3)计算摩尔应力圆的圆心到抗剪强度线的距离o1b；

o1b为点到直线之间的距离，利用点到直线的距离公式，计算公式为：

(4)计算摩尔应力圆的半径o1a：

(5)计算摩尔应力圆圆心到库伦强度线之间的距离o1b与摩尔应力圆半径o1a的比值，将该比值定义为力学稳定系数指标，即力学稳定系数为：

如果力学稳定系数s大于1，则表明储层处于稳定状态，且力学稳定系数s越大，储层越稳定；如果力学稳定系数s小于1，则表明储层不稳定，力学稳定系数s越小，储层越不稳定。力学稳定系数的物理意义是摩尔应力圆与库伦抗剪强度线之间的相对距离，s<1表明，摩尔应力圆与库伦抗剪强度线相切，此时储层处于失稳状态；s>1表明摩尔应力圆远离库伦抗剪强度线，且s越大，摩尔应力圆距离库伦抗剪强度线越远，储层越稳定。

步骤c、将步骤a中计算得到的每个网格上最大主应力和最小主应力代入到力学稳定系数s计算公式(5)中，得到每个网格上的力学稳定系数；

步骤d、基于力学稳定系数的分布来定量化分析力学稳定性，具体步骤为：

(1)做出储层中力学稳定系数小于1的等值线和力学稳定系数在1-5之间的等值线；力学稳定系数小于1的等值线围成的区域即为失稳破坏区域，力学稳定系数在1-5之间的等值线围成的区域为失稳的高风险区域；

(2)计算失稳破坏区域的体积随时间的变化关系，计算失稳的高风险区域的体积随时间的变化关系，如图4所示；

(3)当储层失稳破坏区域的体积随时间逐渐增大，说明储层不稳定；当储层失稳破坏区域体积随时间逐渐减小，说明储层是稳定的，图4中，力学稳定系数s小于1的区域随时间在逐渐减小，说明储层是稳定的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，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、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。