[发明专利]一种基于拟连续地质力学模型的单裂缝扩展的模拟方法

说明书

本发明公布了一种基于拟连续地质力学模型的单裂缝扩展的模拟方法，包括：获取地质参数，包括三维地质信息和岩石物性信息；校正岩石物性信息；建立地层三维地质模型；建立有限元流固耦合模型；求解有限元流固耦合方程组，得到三维地质模型的压力场、位移场、应力场和应变场；根据应力强度准则判断是否产生裂缝；得到裂缝宽度、渗透率矩阵和柔度矩阵，进而计算裂缝对压力场和位移场的影响，由此实现基于拟连续地质力学模型的单裂缝扩展的模拟。本发明较现有方法求解迅速、准确度高、可靠性好，且有效解决了水力压裂模拟的过程中裂缝的动态显示问题。

技术领域

本发明属于水力压裂模拟技术领域，具体涉及一种基于拟连续地质力学模型的单裂缝扩展模拟方法。

背景技术

储层改造是低渗透油气藏开发实现增产的有效方法。储层改造模拟技术通过模拟裂缝扩展可预测储层中人工裂缝的尺寸、形态、规模甚至复杂程度，对现场压裂实施具有指导意义，是实现油田经济开采效益的必要技术。

储层改造模型包括二维、拟三维(P3D)以及全三维(PL3D)模型。最早期的二维模型又称为解析模型，其包括KGD模型[1]、PKN模型[2]和径向模型[3]。KGD模型假设缝高在缝长方向保持不变；PKN模型也同样假设缝高保持不变，但允许缝宽在缝高方向上的变化；径向模型假设裂缝呈扁平的椭圆体。随后发展了P3D模型，P3D模型分为块体模型和单元体模型。块体模型假设人工裂缝由上下两个椭圆沿缝长方向拼接而成；单元体模型将人工裂缝在缝长方向分解若干PKN裂缝单元。P3D模型在遇到无效格挡层时，会发生裂缝在缝高方向扩展失控现象，对此研究出了PL3D模型。PL3D模型将人工裂缝离散为多个单元，通过将三维弹性力学方程与流体流动方程进行耦合求解，得到随压力变化的缝宽。PL3D模型精确度高，但是计算速度远不如P3D模型。

目前，在储层改造模拟方面，国内外学者研究出了各种数值模拟方法，包括XFEM(扩展有限元)、DEM(离散元)、FDM/FVM(有限差分/有限体积)和BEM(边界元)方法。

XFEM方法[4]将插值函数分为描述岩体连续变形、裂缝非连续面变形和裂缝尖端变形三部分。该方法可实现在较粗规则网格下裂缝扩展模拟，且不需在裂缝附近区域重新划分网格。该方法不足之处在于该方法仅局限于解决二维问题，当扩展到三维时，如何选取J积分的积分路径没有较好的解决办法。

DEM方法[5]将岩体骨架进行颗粒离散，并假设颗粒与颗粒之间由弹簧连接，通过模拟弹簧的应力变化来模拟裂缝扩展，可直观模拟裂缝的张开和错动。该方法不足之处在于很难把握颗粒大小的选取以及颗粒间力学参数的获取，且计算量大。

FDM/FVM方法[6]在解决流体流动或传热传质问题非常成熟，广泛应用于油藏数值模拟领域。但应用于裂缝扩展模拟，该方法的不足之处在于1)不能确定裂缝扩展方向，2)不适用于较硬页岩，3)只能设定模糊的应变边界。

BEM方法[7]将积分进行降维处理，建立边界单元的线性方程组进行求解。由于只需解决裂缝内边界问题，该方法特别适用于裂缝扩展模拟，且自由度显著降低，计算量也迅速减少。但该方法仍具有不足之处：1)只能处理均质问题，2)由于边界上某一单元变形和受力状态也影响着边界上的其他单元，所构成的代数方程组系数为密集矩阵，且系数矩阵具有不对称性，导致当模拟压裂扩展时间较长时，求解速率特别低。

拟连续地质力学模型将含有裂缝的储层等效为含有渗透率张量的等效储层模型。该模型优点在于计算速度快且稳定，在计算复杂裂缝扩展时具有较大优势。该模型的问题在于不能确定裂缝的位置和扩展方向，且不能进一步进行裂缝的交叉模拟和支撑剂运移模拟。

参考文献：

[1]Geertsma J and De Klerk F.A rapid method of predicting width andextent of hydraulically induced fractures.Journal of Petroleum Technology,1969,21(12):1571-1581.