[发明专利]一种碎软低渗油气储层的压裂模拟方法

权利要求书

1.一种碎软低渗油气储层的压裂模拟方法，其特征在于：包括以下步骤；

S1、编制碎软低渗储层结构面三维网络模型程序，确定模型中结构面的几何参数，建立碎软低渗油气储层压裂的数值计算模型；

S2、建立储层韧性破坏-渗流本构模型，分别针对裂缝单元、实体单元开发基于隐式和显式时间积分的求解算法；

具体包括储层基质的塑性损伤及压裂液滤失计算，储层结构面的韧性断裂过程及压裂液流动模拟计算和多物理过程耦合求解计算；

储层基质的塑性损伤及压裂液滤失计算的具体是：

储层基质在压裂过程中会出现拉、剪两种基本破坏形式，拉、剪有效应力分别为：

其中σ_i和n_i(i＝1，2，3)分别表示主应力大小和方向；

总应力矢量与总应变矢量ε_s的关系为：

其中，E₀为弹性刚度矩阵；

为剪切塑性应变矢量；

p_w是孔隙流体压强；

I为单位矩阵；

α为有效应力系数；且有α＝1-K_b/K_s，K_s是固体颗粒的体积模量，K_b是多孔介质的排水体积模量；

张量d由拉、压损伤变量d⁽⁺⁾与d^(-)表示：

d＝d⁽⁺⁾N⁽⁺⁾+d^(-)(I-N⁽⁺⁾)

其中，假设储层基质在受拉时出现弹性损伤，以达到抗拉强度作为张拉损伤起始的判据，且当抗拉强度为0时基质完全产生张拉破坏，通过紧凑拉伸试验获取张拉损伤演化规律；

储层基质在发生塑性损伤前后的渗透系数表达式为：

其中，k为储层基质的渗透系数；k_nd为基质未发生损伤时的渗透系数；ε_s,ve为弹性体积应变；n_p为基质的孔隙率；d(+)为张拉损伤变量；k_d为基质发生损伤时的最大渗透系数；ε_s,vp为塑性体积应变；

储层结构面的韧性断裂过程及压裂液流动模拟计算具体为：

地层中压裂裂缝会受到储层结构面的影响而出现弹性变形-混合型断裂的过程，在弹性变形阶段，应力和应变之间的关系为：

σ_c＝D_0,cε_c

当达到以下应力条件时，结构面的拉、剪强度开始下降；

其中，σ_c,l和中l表示n,s,t，分别为法向和两个切向方向，σ_c,l和表示牵引力或者牵引力峰值；

D_0,c是弹性刚度矩阵；ε_c是应变矢量，其与分离位移的关系为ε_c＝S/T₀,T₀是裂缝单元的本构厚度，在ABAQUS/CAE的Property/Section模块中设置该值为实体单元特征尺寸的0.01倍；

在峰值应力之后，储层结构面发生混合型韧性断裂过程，其应力σ_c,l按照如下规律降低：

其中S_n，S_s和S_t是变量，表示法向和两个切向方向的位移；S_l是变量，表示法向或者两个切向方向的位移；s_l是常数，表示法向或两个切向方向的最大位移；参数β，γ为形状参数，分别反映结构面在拉、剪断裂过程中荷载-位移曲线为的形状；

表达式为：

式中G_n与G_S是法向与总的切向断裂能，且有G_S＝G_s+G_t，G_s和G_t是两个切向方向的断裂能；β与γ表示纯I型和纯II型断裂实验所得应力-应变曲线的形状参数；m和n与β和γ之间的关系为：

其中，χ_n＝s_n,p/s_n,χ_S＝s_S,p/s_S，s_n,p，s_S,p以及s_n，s_S分别是纯I型和纯II型断裂实验所得应力-应变曲线的峰值位移与断裂位移，分别采用紧凑拉伸、贯穿剪切实验确定材料参数；

引入立方定律反映压裂液的切向流动，考虑煤岩基质塑性损伤引起压裂液的滤失或法向流动，建立压裂液质量守恒方程如下：

其中，Q_c是总流量；w是裂缝宽度；μ是压裂液动力粘度；▽p_t是切向流的流体压力梯度；ρ_w是压裂液密度；g是重力加速度；p_n,cen和p_n,boun是裂缝中心处和边缘处的流体压力；k为储层基质的渗透系数；t为分析步时间；

多物理过程耦合求解具体是：压裂模型可分为2个部分：储层基质、储层结构面的流固耦合模型；

对于储层基质，压裂模拟过程中需要全耦合求解的主变量包括：

x^T＝[u_i,1,u_i,2,…,u_i,i；p_s,1,p_s,2,…,p_s,i；Q_s,1,Q_s,2,…,Q_s,i]

其中，u_i为每个实体单元节点位移，p_s,i为每个实体单元孔隙流体压强，Q_s,i为流入每个实体单元的流体流量；

固体部分方程采用有限元法离散，流体部分方程采用有限体积法离散，采用Newton-Raphson迭代方法对离散后的方程进行隐式求解，已知第j迭代步求解第(j+1)步未知变量的表达式为：

Jacobi(x_j)dx_j+1＝-R_j

其中，Jacobi(x_j)为第j迭代步时的雅可比矩阵，R_j为第j迭代步时的残差；

迭代收敛的条件：

||R||₂＜tolerance并且||x||₂＜tolerance

其中|| ||₂为向量的二型范数，tolerance为隐式计算中的容差，当容差tolerance取值为10^-8时，实体单元的一个计算步只需要2～5次迭代即可收敛；

对于裂缝单元，其节点力与实体单元的节点力相等，在此基础上显式求解裂缝单元的节点位移s_n,s_s,s_t，得到单元张开位移w，结合质量守恒方程以及N-S方程，计算p_n,cen值，通过立方定律得到结构面中切向流流速；假设实体单元中的孔隙流体压强p_s,i与裂缝边缘处的流体压强p_n,boun相等，结合实体单元渗透系数k的表达式，显示求解结构面中法向流的流速；

S3、数值模型中结构面处以及储层基质内嵌入裂缝单元，合并孔压节点模拟宏细观裂缝的随机分布，具体为在储层结构面处及基质内的单元边界处嵌入零厚度的裂缝单元，合并具有相同节点坐标的裂缝单元上的孔压节点，模拟储层中宏细观裂缝的随机分布；

S4、获取并输入材料参数、设置边界条件和初始条件；

S5、求解模型并输出结果，设定需要输出的参数，包括裂缝张开与剪切位移分布、裂缝传播路径、裂缝内流体压强、裂缝内流体流速、裂缝单元中弹性能与非弹性能、断裂能混合比；完整煤岩体中应力、塑性应变、损伤变量、孔隙流体压强、流体运移速率，以及各节点处孔隙流体压强随时间的演化规律；

S6、分析模拟效果，优化压裂工艺参数，进而提高碎软低渗储层中的油气产量。