一种非均质地层应力场数值模拟方法与流程

本发明涉及地质技术领域，具体涉及一种非均质地层应力场数值模拟方法。

背景技术：

目前为止，对于地层应力场数值模拟主要包括二维数值模拟和三维数值模拟。二维数值模拟往往以砂厚图作为建模的约束条件，进行建模和岩石力学参数的赋值，不可避免的忽略了研究地层在垂向上的岩性变化和构造形态的变化；而三维空间的数值模拟大多数是在二维数值模拟方法的基础上，增加垂向厚度，虽然得到了三维模型，但对于岩石力学参数的赋值依然采用二维建模的方法，不能真实反映研究区域在三维空间中的构造形态变化和岩石非均质性。

在油气勘探、开发过程中，地应力展布对井网部署、工程设计、钻井施工安全及增产改造参数的选取等至关重要。然而，由于地层往往构造形态复杂，岩石非均质性显著，对研究区地层进行精确的地应力数值模拟存在困难。在数值模拟的建模过程中，这些困难具体表现为以下3点：第一，地层在垂向上起伏变化明显且规律复杂，难以在有限元分析软件建模过程中直接建立这种构造形态；第二，受沉积作用的控制，地层的岩性分布在水平方向和垂向上具有显著的非均质性。因此，地层的岩石力学属性在三维空间上变化复杂，难以对地质模型进行准确而精细的力学参数赋值；第三，沉积地层具有平面分布广，垂向厚度薄(相对于平面规模)的特点。因此，地质模型的垂向精度应当远高于水平精度，而在有限元软件中直接建立符合这一地质认识的模型存在困难。

在实际地层应力场数值模拟过程中，模拟对象(即所要模拟的实际地质体)具有构造形态复杂、岩石非均质性显著的特征。因此，如何在有限元模拟软件中针对模拟对象，建立能够精细反映实际地层构造形态及其岩石非均质性的有限元数学模型是准确实现应力场数值模拟的基础。由于目前所广泛使用的有限元分析软件建模功能较差，难以直接在有限元分析软件中建立符合地质认识的模型。

本发明的目的在于解决上述困难，在保证适用性强、建模效率高的前提下，准确地实现非均质条件下的三维地层应力数值模拟。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是提供一种适用性强、模拟结果精细和准确的非均质地层应力场数值模拟方法。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所提供的一种非均质地层应力场数值模拟方法，包括以下步骤：

(1)依据所掌握的关于地质方面的原始资料，利用地质模型建模软件构建研究地层的三维地质模型；

(2)在步骤(1)中获得的三维地质模型的基础上，通过数据转换模块，读入上述三维地质模型，对组成三维地质模型的象元集群的数据结构进行分析，匹配构造形态信息和岩性分布信息，得到包含研究地层构造形态与岩性分布信息的三维空间数据体；

(3)以上述三维空间数据体为基础，引入类似地质模型中象元的概念，称之为几何单元，通过这些几何单元的三维空间叠置，在ANSYS中反映地层的构造形态，通过对这些几何单元进行差异化的岩石力学参数赋值，在ANSYS中反映地层的岩石非均质性，并生成命令流文件；

(4)得到命令流文件后，在ANSYS中导入该命令流文件，完成研究区域的建模、外围岩石的建模、岩石力学参数的赋值、各个部分的剖分，并根据已知的研究区域背景地应力，施加边界条件和载荷，进行有限元计算。

作为进一步改进，以地质模型为基础，通过自编译程序生成包含构造形态信息与岩性分布信息的三维空间数据体，并生成ANSYS命令流文件，以完成ANSYS中的建模、赋值、剖分等工作。

作为进一步改进，采用“化整为零”的建模思路，引入几何单元。以大量“几何单元”的空间堆砌描述地层的构造形态；通过对“几何单元”进行差异化的岩石力学参数赋值，在有限元分析软件中反映地层的非均质性；通过控制“几何单元”的几何形态，体现地质模型在水平方向、垂向上的分辨率差异。

采用本发明的技术方案，相对于传统的二维和三维模拟方法，具有如下优势：

(1)读取专业地质建模软件生成的三维地质模型，分析数据结构并进行匹配，得到包含研究地层构造形态与岩性分布信息的三维空间数据体。通过分析三维空间数据体，直接生成符合建模要求的命令流文件，在ANSYS中快速地完成复杂地质模型的建模、赋值、剖分工作。

(2)通过大量“几何单元”的空间堆砌能够精细描述实际地质体的复杂构造形态。

(3)通过对“几何单元”的岩石力学参数进行差异化赋值，精细描述实际地质体的岩石非均质性。

(4)“几何单元”的形态可控，采用薄层状的几何单元，符合沉积地层的地质认识。

(5)“几何单元”的尺寸可控，模型分辨率以三维地质模型为准，建模精度为水平方向(18-22)m×(18-22)m，垂向为0.4-0.6m。

(6)适用性强，模拟结果更为准确，和实际计算值相差很小。

附图说明

图1为本发明的技术流程图。

图2为本发明中Layer1水平最小主应力模拟结果图。

图3为本发明中Layer2水平最小主应力模拟结果图。

图4为本发明中Layer3水平最小主应力模拟结果图。

图5为本发明中Layer4水平最小主应力模拟结果图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种非均质地层应力场数值模拟方法，包括以下步骤：

(1)首先根据研究地层的地质认识，在专业地质建模软件中建立地质模型。在这一过程中，需要根据所掌握原始资料的实际情况，如测井资料、三维地震资料、岩心资料，选择合理的建模方法，构建研究地层的三维构造模型以及三维岩性分布模型。地质模型应当合理运用地震资料或者层位坐标数据，全面和准确的反映地层在空间上的起伏变化；充分考虑模拟地层的沉积环境，建立符合地质认识的、非均质的岩性分布三维模型；充分利用测井数据在垂向上分辨率高(0.125m左右)的特点，设置地质模型中象元的几何尺寸，一般情况下，水平方向约为20m×20m，垂向约为0.5m，以保证地质模型具有足够的垂向分辨率。总之，专业地质建模工作的最终目的是建立一个能够精细而准确地描述实际地层构造形态以及岩性非均质分布的地质模型。这样的地质模型是得到可信数值模拟结果的基础；

(2)地质模型建模软件所生成的地质模型是以大量的六面体单元构成，这种六面体单元在地质建模理论中被称为“象元”。象元在水平面的投影为固定尺寸的正方形，正方形的尺寸决定了地质模型的平面分辨率。象元垂向棱的尺寸由地层的剖分参数确定，决定了地质模型的垂向分辨率。可以看出，地质模型具有明显的栅格化特征，便于生成三维空间数据体。本质上，地质模型的构造形态与岩性非均质分布是由不同岩性参数的象元在空间上的堆砌关系所体现的。通过模型数据转换模块，读入三维地质模型，对象元集群的数据结构进行分析，匹配构造形态信息与岩性分布信息，得到包含研究地层构造形态与岩性分布信息的三维空间数据体。这一空间数据体是进行ANSYS建模的直接数据来源；

(3)步骤(2)中得到的空间数据体包含了研究地层的完整地质信息，在接下来的工作中，将围绕空间数据体进行ANSYS的建模工作。本发明采用“化整为零”的思路，依据空间数据体生成命令流文件，在ANSYS中进行建模、赋值、剖分等工作。所谓“整”是指研究地层的整套地质信息(包括构造形态信息与岩性分布信息)。为了在ANSYS中精细、准确的反映地层的整套地质信息，本发明引入了类似地质模型中“象元”的概念，称之为“几何单元”，这种“几何单元”数量庞大，结构简单，也就是所谓的“零”。通过这些“几何单元”的三维空间叠置，在ANSYS中反映地层的构造形态；通过对这些“几何单元”进行差异化的岩石力学参数赋值，在ANSYS中反映地层的岩石非均质性。“几何单元”的几何形态和尺寸由“象元”控制，可以有效反映地质模型在水平方向、垂向上的分辨率差异。这些“几何单元”数量庞大，需要进行复杂的操作，通过数据转换模块，利用空间数据体生成命令流文件，进行ANSYS建模。在以往的ANSYS建模中，由于有限元软件建模能力的限制，往往需要针对研究地层的特征进行不同程度和不同方法的简化。这一过程不可避免的导致地质模型的失真，造成了发明目的中所述的三个问题。基于个人认识的简化过程，加之各个研究区域的地质特殊性，导致简化建模的方法不具有普遍适用性(不同的研究区域，不同的研究人员，采用不同的方法进行简化)。采用“化整为零”的思路，直接、有效的解决了以上问题。

(4)得到命令流文件后，在ANSYS中导入该命令流文件，完成研究区域的建模、外围岩石的建模、岩石力学参数的赋值、各个部分的剖分。根据已知的研究区域背景地应力，施加边界条件和载荷，进行有限元计算。

为了便于直观地展示分析结果，以ANSYS中的计算节点为单位，提取有限元分析结果，利用数据读取模块读入ANSYS的输出结果(TXT文件)，生成用于描述研究区域地应力展布的三维数据体(第一主应力的大小和方向、第二主应力的大小和方向、第三主应力的大小和方向)。

使用本发明所提技术，我们对国内某油田A油藏进行了现今应力场模拟。该油层地质模型在纵向上厚度为45米左右，在地质模型建模中，平面分辨率采用25×25m、纵向分辨率为0.5m，在纵向上将整个模型划分为90个layer。随后利用本发明方法对该模型进行了三维应力场模拟。由图2至图5可以看出，本方法所得应力场数值模拟结果在平面上对于应力的差异分布刻画精细。在纵向上，各layer之间应力展布差异明显，很好地体现了地层纵向非均质性所造成的应力场纵向差异展布。在得到应力场数值模拟结果后，将油田实测水平最小主应力与模拟结果进行对比，具体见表1，可以看出模拟结果与实测结果相对误差很小，结果可信。

表1应力实测结果与模拟结果对比表

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。