压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法及装置

本发明涉及一种压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法及装置，属于油气开采。

背景技术：

1、随着全球常规油气资源的不断开采和对清洁能源的需求日益增强，全球油气开发逐渐向非常规油气资源方向发展，如页岩油气等。近十年来，全球各能源大国陆续开展了对页岩资源的勘探开发，特别是水平井多级水力压裂技术的广泛应用，在全球范围内取得了巨大的商业成功。但与此同时，在页岩水力压裂作业过程中，由于压裂液大量注入地层，会造成附近断层失稳并诱发较大震级的人工地震。页岩压裂诱发地震这一现象在过去十年中受到了全世界公众和科学界的关注。

2、在页岩水力压裂过程中，当压裂液的注入压力超过储层岩石的最小主应力和抗拉强度时，人工压裂缝就会在页岩储层中开启并扩展。当压裂缝延伸并沟通附近的先存断层时，水力裂缝中的流体会增加地层的孔隙压力，降低断层面上的正应力，从而导致断层失稳，引发地震事件。上述物理过程较为复杂，涉及地质力学，流体力学和断裂力学等多学科，而目前对多侧重地质力学或断裂力学分析，没有采用基于流体-应力流固耦合模拟方法，难以准确表征压裂流体注入导致断层失稳、诱发人工地震的物理机制，尚未形成较为完善的多学科流固耦合模拟方法。因此，需要建立一种页岩储层压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟新方法。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供一种压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法及装置，该方法能够对页岩压裂导致诱发地震进行定量表征。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、一种压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法，包括如下步骤：

4、基于地震、钻井和测井资料，识别目的层位和先存裂缝及断层，建立三维构造模型，基于岩心物性实验和测井资料，建立关键井岩电响应图版，建立三维属性模型；

5、基于岩石力学实验分析，结合纵波和横波测井数据，建立三维岩石力学模型，基于三维岩石力学模型，根据应力反演方程，建立三维地应力模型；

6、基于三维岩石力学模型，结合压裂施工资料，建立三维人工压裂缝模型；

7、基于线性弹性孔隙理论，结合三维构造模型和三维属性模型、三维地应力模型以及三维人工压裂缝模型，建立储层流体压力-地应力流固耦合方程；

8、对储层流体压力-地应力流固耦合方程进行求解，得到压裂液注入引起的断层附近的实时压力变化和应力变化值；

9、基于摩尔-库伦失效准则，绘制表征断层应力状态的摩尔圆，判断压力变化和应力变化值能否导致断层失稳，从而引发人工地震事件。

10、所述的流固耦合模拟方法，优选地，三维岩石力学模型的计算公式如下：

11、

12、

13、式中，υ为岩石泊松比；vp为纵波测井数据；vs为横波测井数据；e为岩石杨氏模量；ρ为岩石密度。

14、所述的流固耦合模拟方法，优选地，三维地应力模型的计算公式如下：

15、σv＝ρavg*g*z     (3)

16、

17、

18、式中，σv为垂向主应力；ρavg为上覆地层平均岩石密度；g为重力加速度；z为深度；σh为最小水平主应力；α为biot系数；pp为孔隙压力；εh为最小构造应变；εh为最大构造应变；σh为最大水平主应力。

19、所述的流固耦合模拟方法，优选地，三维人工压裂缝模型的计算公式如下：

20、

21、

22、式中，l(t)为t时刻的压裂缝半长；w(t)为t时刻的压裂缝宽度；g为剪切模量；q为注入速率；μ为注入流体黏度；h为裂缝高度。

23、所述的流固耦合模拟方法，优选地，储层流体压力-地应力流固耦合方程的计算公式为：

24、

25、

26、式中，ρ为流体密度；φ为岩石孔隙率；t为时间；k为岩石渗透率；μd为流体动力粘度；为拉普拉斯算子；pp为孔隙压力；qm(t)为t时刻的质量源项；α为biot系数；εvol为体积应变；σij为应力张量；g为岩石剪切模量；ν为岩石泊松比；δij为kronecker符号；εij为应变张量。

27、所述的流固耦合模拟方法，优选地，储层流体压力-地应力流固耦合方程的求解过程包括：假定在t时刻，储层流体通过岩石孔隙流入或流出岩石，通过渗流场控制方程，求取t0时刻储层孔隙压力场分布p(t0)，再将p(t0)带入应力场控制方程，求得t0时刻的体积应变εvol(t0)和应力场σij(t0)；

28、然后将εvol(t0)带入渗流场控制方程，求得下一时间步长t1时刻的储层孔隙压力场分布p(t1)，再将p(t1)带入应力场控制方程，求得t1时刻体积应变及应力场，如此循环计算，即可实现流体渗流场与应力场的耦合计算，最终计算得到流体注入引起的断层附近的实时压力变化和应力变化值。

29、所述的流固耦合模拟方法，优选地，摩尔-库伦失效准则的计算公式为：

30、cfs＝(τ+fcσn)+fcpp        (10)

31、δcfs＝(δτ+fcδσn)+fcδpp         (11)

32、式中，cfs为断层面库伦失效应力；σn为断层面正应力；τ为断层面剪切应力；fc为摩擦系数；pp为孔隙压力；δ为参数变化。

33、本发明第二方面提供一种压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟装置，包括：

34、第一处理单元，用于基于地震、钻井和测井资料，识别目的层位和先存裂缝及断层，建立三维构造模型，基于岩心物性实验和测井资料，建立关键井岩电响应图版，建立三维属性模型；

35、第二处理单元，用于基于岩石力学实验分析，结合纵波和横波测井数据，建立三维岩石力学模型，基于三维岩石力学模型，根据应力反演方程，建立三维地应力模型；

36、第三处理单元，用于基于三维岩石力学模型，结合压裂施工资料，建立三维人工压裂缝模型；

37、第四处理单元，用于基于线性弹性孔隙理论，结合三维构造模型和三维属性模型、三维地应力模型以及三维人工压裂缝模型，建立储层流体压力-地应力流固耦合方程；

38、第五处理单元，用于对储层流体压力-地应力流固耦合方程进行求解，得到压裂液注入引起的断层附近的实时压力变化和应力变化值；

39、第六处理单元，用于基于摩尔-库伦失效准则，绘制表征断层应力状态的摩尔圆，判断压力变化和应力变化值能否导致断层失稳，从而引发人工地震事件。

40、本发明第三方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法的步骤。

41、本发明第四方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述压裂液注入引发断层失稳的流固耦合模拟方法的步骤。

42、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

43、本发明所提供的流固耦合模拟方法，能够全面表征页岩水力压裂引发断层失稳并触发人工地震事件，大大提高对压裂诱发地震的认识。