一种基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的方法、系统、设备及存储介质

本发明涉及石油工程水力压裂研究领域，特别涉及一种基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的方法、系统、设备及存储介质。

背景技术：

1、当前常规油气资源逐渐减少和枯竭，对非常规油气资源进行高效开发将成为缓解我国能源供需矛盾，保障能源安全的重大战略措施。水力压裂技术作为改善油气储层渗流状况，提高油气井采收率的重要技术手段，在国内各大油田的非常规油气储层开发中已得到广泛应用，该技术未来的进步发展将直接影响我国非常规油气资源的开发效果。水力压裂过程中会利用压裂液携带支撑剂充填在水力裂缝当中，从而使得压裂液返排后在储层形成高导流能力的填砂裂缝。然而由于油气储层深埋在地下几千米处，在强大的地应力作用下，支撑剂可能会嵌入到裂缝面的岩石当中，在一些情况下支撑剂甚至会被挤压破碎，这就导致了压裂之后水力裂缝无法进行有效支撑，大幅降低了水力裂缝的导流能力。因此必须对支撑剂在水力裂缝内部的嵌入和破碎过程进行研究，从而对支撑剂进行优选，最终提高压裂后水力裂缝的长期导流能力。

2、目前国内外针对支撑剂嵌入与破碎的研究主要集中在室内实验上，然而由于实验装置本身的局限无法观察到支撑剂在水力裂缝内部嵌入岩石以及支撑剂破碎的动态过程，因此无法准确针对储层地应力特点和岩石力学特征对支撑剂进行优选。

技术实现思路

1、为了克服当前室内实验遇到的困难，本发明的目的在于提供一种基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的方法、系统、设备及存储介质，利用该方法可最大程度还原支撑剂在水力裂缝内部的嵌入与破碎过程，从而对水力压裂过程中所用支撑剂进行优选。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

3、一种基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的方法，包括如下过程：

4、根据实际支撑剂的圆度和球度指数值建立数值支撑剂，根据实际支撑剂的破碎率、杨氏模量e、泊松比ν和抗压强度对数值支撑剂的细观参数进行标定；

5、建立数值岩样模型，根据实际岩石的岩石泊松比、岩石杨氏模量和岩石抗拉强度对数值岩样模型的细观参数进行标定，在标定完成后的数值岩样模型内部生成水力裂缝，将标定完成后的数值支撑剂按照预设充填密度布置在所述水力裂缝内部当中；

6、对填充了数值支撑剂的数值岩样模型施加地应力，模拟不同时间步下数值支撑剂在水力裂缝内的嵌入与破碎过程。

7、优选的，根据实际支撑剂的圆度和球度指数值在pfc离散元软件中利用柔性簇cluster建立相同圆度和球度指数的数值支撑剂，具体包括如下过程：

8、按照实际支撑剂的圆度和球度指数值结合geometry函数生成柔性簇cluster的墙体wall，然后在墙体wall内部充填颗粒并消除不平衡力，利用linear parallel bond模型对颗粒进行胶结，最终生成和实际支撑剂形貌一样的数值支撑剂。

9、优选的，对数值支撑剂的细观参数进行标定的具体过程包括：

10、利用pfc软件的单轴压缩数值模拟实验和双轴围压数值模拟实验对数值支撑剂的细观参数进行标定，通过不断调整数值支撑剂内部颗粒的胶结参数，直到pfc软件单轴压缩数值模拟实验测量得到的支撑剂的杨氏模量、支撑剂的泊松比、支撑剂的抗压强度以及双轴围压数值模拟实验测量得到的支撑剂的破碎率与实际支撑剂的对应参数值之间误差小于1％为止。

11、优选的，建立数值岩样模型时，在pfc离散元软件中根据实际数值模拟需要建立预设规格的数值岩样模型，再选择linear parallel bond模型对数值岩样模型进行胶结成样，得到最终的数值岩样模型。

12、优选的，在标定完成后的数值岩样模型内部生成水力裂缝时，根据实际数值模拟需要，利用geometry函数绘制水力裂缝的形态，然后删除水力裂缝内部的胶结颗粒并消除不平衡力，最终在数值岩样模型中生成具有预设几何尺寸的水力裂缝。

13、优选的，数值支撑剂的充填密度等于支撑剂总面积与水力裂缝面积的比值。

14、优选的，对填充了数值支撑剂的数值岩样模型施加地应力，施加的地应力包括最大水平主应力与最小水平主应力；

15、模拟不同时间步下数值支撑剂在水力裂缝内的嵌入与破碎过程时，利用fish函数编写脚本文件，对数值支撑剂的嵌入程度和破碎率进行实时的监测，并利用history函数记录数值支撑剂嵌入程度、破碎率和循环时间步的实时数值。

16、本发明还提供了一种基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的系统，包括：

17、第一建模单元：用于根据实际支撑剂的圆度和球度指数值建立数值支撑剂，根据实际支撑剂的破碎率、杨氏模量e、泊松比ν和抗压强度对数值支撑剂的细观参数进行标定；

18、第二建模单元：用于建立数值岩样模型，根据实际岩石的岩石泊松比、岩石杨氏模量和岩石抗拉强度对数值岩样模型的细观参数进行标定，在标定完成后的数值岩样模型内部生成水力裂缝，将标定完成后的数值支撑剂按照预设充填密度布置在所述水力裂缝内部当中；

19、模拟单元：用于对填充了数值支撑剂的数值岩样模型施加地应力，模拟不同时间步下数值支撑剂在水力裂缝内的嵌入与破碎过程。

20、本发明还提供了一种电子设备，包括：

21、一个或多个处理器；

22、存储装置，其上存储有一个或多个程序；

23、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现本发明如上所述的基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的方法。

24、本发明还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明如上项所述的基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的方法。

25、本发明具有如下有益效果：

26、本发明首次建立了基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的方法，利用该方法可以精准模拟支撑剂在裂缝内部嵌入岩石以及破碎的过程，相比较室内实验可真实还原水力压裂之后支撑剂的动态受力过程。从而为油田现场支撑剂的优选提供可靠的数值模拟方法。

技术特征：

1.一种基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的方法，其特征在于，包括如下过程：

2.根据权利要求1所述的一种基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的方法，其特征在于，根据实际支撑剂的圆度和球度指数值在pfc离散元软件中利用柔性簇cluster建立相同圆度和球度指数的数值支撑剂，具体包括如下过程：

3.根据权利要求1所述的一种基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的方法，其特征在于，对数值支撑剂的细观参数进行标定的具体过程包括：

4.根据权利要求1所述的一种基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的方法，其特征在于，建立数值岩样模型时，在pfc离散元软件中根据实际数值模拟需要建立预设规格的数值岩样模型，再选择linear parallel bond模型对数值岩样模型进行胶结成样，得到最终的数值岩样模型。

5.根据权利要求1所述的一种基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的方法，其特征在于，在标定完成后的数值岩样模型内部生成水力裂缝时，根据实际数值模拟需要，利用geometry函数绘制水力裂缝的形态，然后删除水力裂缝内部的胶结颗粒并消除不平衡力，最终在数值岩样模型中生成具有预设几何尺寸的水力裂缝。

6.根据权利要求1所述的一种基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的方法，其特征在于，数值支撑剂的充填密度等于支撑剂总面积与水力裂缝面积的比值。

7.根据权利要求1所述的一种基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的方法，其特征在于，对填充了数值支撑剂的数值岩样模型施加地应力时，施加的地应力包括最大水平主应力与最小水平主应力；

8.一种基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的系统，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

10.一种存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任意一项所述的基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的方法。

技术总结
本发明公开了一种基于离散元颗粒流模拟支撑剂嵌入与破碎的方法、系统、设备及存储介质，方法包括如下过程：根据实际支撑剂的圆度和球度指数值建立数值支撑剂，根据实际支撑剂的宏观参数对数值支撑剂的细观参数进行标定；建立数值岩样模型，根据实际岩石的力学参数对数值岩样模型的细观参数进行标定，之后在数值岩样模型内部生成水力裂缝，再将标定后的数值支撑剂按照预设充填密度布置在水力裂缝内部当中；对填充了数值支撑剂的数值岩样模型施加地应力，模拟不同时间步下数值支撑剂在水力裂缝内的嵌入与破碎过程。利用本发明可最大程度还原支撑剂在水力裂缝内部的嵌入与破碎过程，从而对水力压裂过程中所用支撑剂进行优选。

技术研发人员：王海洋,邹易,周德胜,刘二虎,谷团,刘顺,刘雄,张衍君
受保护的技术使用者：西安石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16