一种复杂各向异性力学特性砾岩油藏裂缝扩展模拟方法与流程

本发明属于油气田开发领域，具体涉及一种复杂各向异性力学特性砾岩油藏裂缝扩展模拟方法。

背景技术：

1、与常规砂岩储层相比，砾岩储层整体呈现低孔、低渗特征，具有较强的非均质性，其岩石力学特征与常规砂岩也存在较大的差异。前期压裂过程中发现压裂后增产效果差异明显，其中关键的影响因素之一就是压裂后裂缝扩展的机理尚不清楚。为此，有必要在充分认识储层力学性质的基础上，探索砾岩储层压裂裂缝扩展机理。经典的压裂模型主要基于储层中水力裂缝为双翼对称平面裂缝的假设，但在实际裂缝性储层中水力裂缝可能会沿着任意的路径产生和发展，在力学上属于非连续介质变形破裂问题。

2、砾岩储层中含有大量砾石，岩体由岩石和结构面组成，由于砾石和结构面的存在会造成岩体在各个方向上表现出不同的力学特征。国内外许多学者对完整和含有弱面的岩石材料强度、变形等特征进行了大量的研究，如期刊文献“多裂纹在不同岩石介质中的扩展贯通机制分析”(黄明利,冯夏庭,王水林等.岩土力学,2002,23(2)：142-146)应用材料破坏过程分析软件mfpa2d，通过对带有预裂纹拼接岩板的单轴压缩数值试验，探讨了预制裂纹在具有不同岩性的岩石中的扩展、相互作用直至贯通破坏过程的破坏机制；期刊文献“岩体裂隙尺度对其变形与破坏的控制作用”(冯增昭,赵阳升.岩石力学与工程学报,2008,27(1):78-83)利用岩石试验及分析系统—rate2d程序研究了孔隙及裂隙层次对岩石变形破坏的控制程度，从而揭示出各种层次的岩体缺陷对岩体变形、失稳的控制作用；期刊文献“预制裂纹几何与材料属性对岩石裂纹扩展的影响研究”(潘鹏志,丁梧秀,冯夏庭等.岩石力学与工程学报,2008,27(9):1882-1889)采用岩石破裂过程的弹塑性细胞自动机模拟系统epca2d[4-6]对含预制裂隙纹的岩石试件进行单轴压缩破裂过程模拟，研究了裂纹倾角、岩桥倾角对裂纹扩展、搭接和贯通的规律。总的来说，对于连续介质力学问题，如固体变形，可以采用有限元法或有限差分法进行模拟计算；对于非连续介质力学问题，如裂隙或孔隙表征，可采用块体离散元及颗粒离散元法进行模拟计算。离散元法优点在于能够模拟计算物体非连续介质的运动状态，缺点在于当物体发生持续的形变或者破坏时，求解难度大。

3、现有专利文献cn102364489a公开了一种复杂各向异性本构关系模型的数值模拟方法，该方法将木材弹性阶段的应力-应变关系简化为正交各向异性，选用yamada-sun强度准则，引入损伤因子和弹性应变能，通过设置初始和最终屈服面，并控制屈服面由前者向后者转移来描述木材塑性变形时的应变硬化。使用应变方程来描述木材横纹承压时的二次应变硬化。其优点在于能反映木材各向异性的材料特点，得到较高的预测准确率。但是，该专利文献至少存在以下几个缺点：(1)仅研究了材料的正交各向异性参数对裂缝扩展方向的影响，对于岩石复杂的完全各向异性参数对应变的影响并未涉及；(2)不属于油藏开发领域的数值模拟研究；(3)不适用于致密砾岩油藏；(4)未涉及压裂复杂缝网的扩展规律研究；(5)无法实现对砾岩油藏特有的压裂缝绕砾扩展模拟。

4、岩体的经典强度理论基本能反映强度特性，为工程应用提供良好的依据。但由于经典理论采用的是连续介质的假定，与砾岩储层的实际不甚相符，不能解释砾岩储层岩石强度的离散性、随机性等特征，也不能回答岩石强度特性与岩石自组织结构间的问题；因此，如何合理的选择岩体力学各向异性的强度理论准则去反映岩体的强度显得比较重要。而针对考虑砾岩储层复杂各向异性力学特性的水力裂缝的扩展规律，目前尚存在对其扩展规律认识不清的问题。

技术实现思路

1、本发明旨在针对现有技术中采用数值模拟方法进行水力裂缝扩展研究时，未充分考虑岩石力学性质的复杂各向异性，体现不出砾岩油藏裂缝扩展的转向机制，未涉及复杂岩石力学特性引起地应力的转向等问题，提供一种复杂各向异性力学特性砾岩储层水力压裂缝扩展数值模拟方法，基于砾岩油藏复杂各向异性力学特性表征模型，应用非常规裂缝扩展模型和非常规油藏有限元数值模拟技术，能够用来研究考虑各向异性力学特性条件下裂缝网络的扩展规律及压裂缝与力学参数的相互作用，判断水力裂缝的扩展方向和扩展路径，便于探究砾岩储层压裂裂缝扩展机理，为实际生产实践提供理论指导。

2、为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种复杂各向异性力学特性砾岩油藏裂缝扩展模拟方法，所述方法包括如下步骤：

4、步骤s101：通过测井资料获得地层基本参数，分析计算研究区内岩石力学参数，并根据地层条件，以动态测井数据为参考依据，建立地应力解释剖面；

5、步骤s102：根据岩石力学参数计算结果，将砾岩储层岩块各方向上的岩石力学参数设置为该方向上基质和各孔隙介质力学参数的复合等效数值，通过张量的形式表征出各方向的岩石力学参数，建立砾岩储层复杂岩石力学特性表征模型；

6、步骤s103：根据砾岩油藏的复模态、强非均质性地质特征，建立砾岩油藏地质模型；

7、步骤s104：根据砾岩储层复杂岩石力学特性表征模型和砾岩油藏地质模型，分析得到地应力方向和微尺度天然裂缝分布参数；

8、步骤s105：根据地应力解释剖面、地应力方向和微尺度天然裂缝分布参数，建立砾岩油藏三维地应力模型；

9、步骤s106：分析砾岩油藏压裂工艺参数，建立泵注程序；

10、步骤s107：考虑应力阴影效应、压裂液滤失系数，结合泵注程序、地应力场、油藏复杂各向异性岩石力学参数、天然裂缝分布场，采用网格剖分对含原生裂纹的结构进行单元离散，同时，单元之间通过弹簧相连，单元内部采用有限元计算，单元边界采用离散元计算，以修正的mohr-coulomb准则作为断裂判断依据，通过弹簧连接的断裂产生单元分离，采用半弹簧法处理单元接触，通过显示迭代求解运动方程，不断更新单元坐标，实现裂纹扩展的数值模拟，最终得到裂缝扩展模拟结果。

11、进一步地，所述方法还包括如下步骤：

12、步骤s108：将步骤s107中得到的压裂缝网模拟结果与微地震、示踪剂测试结果进行对比分析，验证模拟结果的准确率和可靠性，并根据对比分析结果对模型进行校正。

13、更进一步地，所述方法还包括如下步骤：

14、步骤s109：给定不同各向异性强度的岩石力学参数组合模式，确定岩石复杂各向异性力学特性对复杂缝网扩展的影响规律，指导压裂缝网参数优化。

15、进一步地，所述步骤s101中，分析计算研究区内岩石力学参数具体为：

16、借助teclog软件分析计算研究区内岩石力学参数，所述岩石力学参数包括弹性模量e、泊松比v、上覆岩层压力sv、孔隙压力pp、最小主应力shmin、最大主应力shmax、地应力方向θ、抗拉强度tensile strength、单轴抗压强度ucs。

17、进一步地，所述步骤s102中，通过张量的形式表征出各方向的岩石力学参数，建立砾岩储层复杂岩石力学特性表征模型，具体采用如下所示的岩石力学复杂各向异性表征方程：

18、

19、上式中，σ1、σ2、σ3分别为1、2、3方向的主应力；τ23、τ31、τ12分别为23、31、12方向的剪切应力；ε1、ε2、ε3分别为1、2、3方向的应变；γ23、γ31、γ12分别为23、31、12方向的剪切应变；c11，c12，...，c66为刚度系数。

20、进一步地，所述步骤s103中，所述砾岩油藏地质模型具体包括：构造模型、属性模型、岩相模型和沉积相模型；

21、所述构造模型是指断层、构造面构成的地层格架模型；

22、所述属性模型至少包括孔隙度模型、渗透率模型、有效厚度模型、净毛比模型和饱和度模型。

23、更进一步地，所述步骤s103中，所述砾岩油藏地质模型的构建过程为：

24、计算复模态砾岩油层的孔隙度、渗透率，根据孔隙度、渗透率计算结果，利用实际测井、岩心及物性分析资料，以单井相划分为基础，通过对各相变差函数的调节建立岩相模型和沉积相模型，在此基础上，利用序贯高斯算法，建立砾岩储层的属性模型，再进行地质储量拟合校正，再通过模型的质量检验，校验砾岩油藏地质模型的可靠性；

25、所述孔隙度φ的计算公式为：

26、φ＝φs-(1-φs)fs-fm

27、所述渗透率k非均质单元的计算公式为：

28、

29、上式中：φ为砾岩储层孔隙度；φs为砂岩孔隙度；k非均质单元为渗透率，10-3μm2；f为某粒度成分的百分含量；d为颗粒平均直径，cm；下角标c、s、m分别代表：砾、砂、泥。

30、进一步地，所述步骤s104中，利用kaiser效应实验和成像测井结果确定地应力方向。

31、进一步地，所述步骤s105中，利用微尺度天然裂缝网络来表征砾岩储层的非均质性；利用岩块平均渗透率等效原理，确定天然裂缝的开度；利用微尺度裂缝系统来等效砾岩储层绕砾特征。

32、更进一步地，所述步骤s105中，微尺度天然裂缝分布参数的获取方法具体为：

33、对于有天然裂缝发育的油藏，根据测井数据对裂缝产状、组系、有效性、发育规模、控制因素、成因、期次及分布评价，得到裂缝开度、裂缝渗透率、裂缝孔隙度、裂缝密度、裂缝发育方向参数；

34、对于未发育天然裂缝的砾岩储层，根据砾石形状、砾石长短轴的长度及砾石长轴方向来确定天然缝网的分布参数。

35、更进一步地，所述步骤s105中，所述砾岩油藏三维地应力模型至少包括：垂向应力模型、水平应力模型、泊松比模型、杨氏模量模型、密度模型、抗拉强度模型和抗剪强度模型。

36、进一步地，所述步骤s106具体包括：

37、以研究区实际井的典型压裂泵注程序为基础，借助实际压裂施工曲线的拟合，得到适用于研究井的泵注程序，将压裂泵注程序输入压裂模拟模块用以模拟压裂液和支撑剂在裂缝扩展中的作用。

38、进一步地，所述步骤s107中，所述修正的mohr-coulomb准则为：通过考虑中间主应力的影响，将mohr-coulomb准则形状函数修正为关于平均压力p的函数，修正后的mohr-coulomb准则形状函数具体公式为：

39、

40、

41、上式中，γ(θσ)为π平面极限迹线的矢径；γc为π平面上的三轴压缩强度矢长；m＝-0.23；i1为第一应力不变量，i1＝3p，p为静水压力，p＝1/3*(σ1+σ2+σ3)，σ1、σ2、σ3分别为1、2、3方向的主应力；θσ为罗德角；k为抗压强度之比，k＝(3-sinφ)/(3+sinφ)；φ为材料的内摩擦角。

42、更进一步地，所述步骤s107中，所述裂缝扩展模拟结果包括缝长、缝高、缝宽、裂缝开度和裂缝渗透率。

43、与现有技术相比，本发明所产生的有益效果是：

44、(1)本发明提供的复杂各向异性力学特性砾岩储层水力压裂缝扩展数值模拟方法，基于砾岩油藏复杂各向异性力学特性表征模型，应用非常规裂缝扩展模型和非常规油藏有限元数值模拟技术，能够用来研究考虑各向异性力学特性条件下裂缝网络的扩展规律及压裂缝与力学参数的相互作用，判断水力裂缝的扩展方向和扩展路径，便于探究砾岩储层压裂裂缝扩展机理，为实际生产实践提供理论指导；

45、(2)本发明提供的复杂各向异性力学特性砾岩储层水力压裂缝扩展数值模拟方法，能够考虑压裂液流动和支撑剂运移，应用边界元法计算应力阴影，考虑缝间干扰，同时，以修正的mohr-coulomb准则作为断裂判断依据，通过弹簧连接的断裂产生单元分离，采用半弹簧法处理单元接触，通过显示迭代求解运动方程，不断更新单元坐标，实现裂纹扩展的数值模拟，能够模拟裂缝网络的的非对称和不规则形态及砾岩油藏特有的压裂缝扩展现象，更准确地预测裂缝扩展形态、几何尺寸和支撑剂分布情况，计算结果可以很好的与微地震、示踪剂数据进行拟合和校正，可以获得较高的砾岩压裂复杂缝网模拟精度；

46、(3)本发明提供的复杂各向异性力学特性砾岩储层水力压裂缝扩展数值模拟方法，通过考虑储层岩石的复杂各向异性力学特性，在压裂缝网模拟过程中可以实现因地应力方向偏转引起裂缝延伸方向改变的模拟，体现出砾岩油藏裂缝扩展的转向机制，模拟过程的压力响应特征与实际施工压力接近，同时可模拟砾岩储层绕砾、穿砾等复杂效果；本发明利用砾岩储层复杂各向异性力学特性表征模型，实现了砾岩油藏压裂复杂缝网扩展数值模拟，缝网模拟结果与微地震监测相符，模拟压力曲线与实际施工曲线拟合良好，利用优化后的缝网模拟方法，可进一步开展部署优化和压裂参数优化研究工作。