一種基于相場法的多孔粘彈性儲層水力裂縫擴展模擬方法技術

本發明專利技術提供一種基于相場法的多孔粘彈性儲層水力裂縫擴展模擬方法，包括以下步驟：

【技術實現步驟摘要】
一種基于相場法的多孔粘彈性儲層水力裂縫擴展模擬方法


[0001]本專利技術屬于粘彈性儲層
(
巖鹽
、
砂巖
、
富含粘土或有機質的頁巖
)
開發
，特別是涉及一種基于相場法的多孔粘彈性儲層水力裂縫擴展模擬方法
。

技術介紹

[0002]隨著傳統油氣資源逐漸枯竭，非常規油氣資源如頁巖氣
、
煤層氣和致密砂巖氣等成為重要的勘探方向
。
非常規油氣資源具有分布廣
、
儲量大的特點，但開發難度較高，需要采用水平井
、
壓裂等先進技術進行高效開發
。
水力壓裂作為一種廣泛應用于提高頁巖氣等低滲透非常規油氣藏產量的手段，其能顯著提高油氣藏的滲透率，并帶來了重要的經濟效益
。
在現場調查和實驗室實驗中觀察到頁巖的蠕變行為和粘彈性特征，然而目前的水力壓裂模擬模型大多基于孔隙彈性理論，其忽略了巖石的粘性變形，可能導致裂縫擴展形態與流體壓力預測的不準確
。
因此，深入研究粘彈性在頁巖儲層水力壓裂中的裂縫擴展機制對水力壓裂作業至關重要
。
[0003]水力壓裂是一項復雜的工程過程，涉及多個物理場耦合的過程，包括變形
、
流體流動和斷裂，研究這一復雜過程主要手段是采用物理試驗和數值模擬方法
。
在物理實驗方面已經取得了長足的進步，明確了地應力差
、
天然裂縫和壓裂液粘度等參數對裂縫擴展的影響
。
物理實驗雖然具有直觀性和準確性等優點，但是實驗測試通常費用昂貴
、
耗時
、
實時監測非常困難且樣品具有無法重復性等缺點，因此，數值計算建模的引入可以有效克服物理試驗的諸多缺點
。
數值模擬方法包括擴展有限元法
(XFEM)、
離散元法
(DEM)、
粘聚帶斷裂力學模型
(CZM)、
位移不連續法
(DDM)
和相場法
(PFM)。
離散元法無法考慮巖石的各向異性對水力裂縫擴展的影響；位移不連續方法難以預測非均勻介質中多條近間距裂縫的擴展行為；擴展有限元方法在模擬大量裂縫相交
、
分岔行為時還具有一定困難；粘聚帶斷裂力學模型的局限性在于裂紋的萌生與擴展只能發生在內聚力單元層；相場法是近年來新興的一種數值模擬方法，也是一種非常具有潛力的模型，能夠克服以上數值模擬方法的局限性
。
此外，相場法還具有以下優勢：
(i)
在計算過程中無需重新劃分網格；
(ii)
在模擬裂縫起裂
、
擴展
、
交叉
、
合并以及多裂紋相互穿透等復雜現象方面具有一定優勢；
(iii)
裂縫的路徑由能量最小原理決定，能夠自動追蹤裂紋路徑和位置，不需要斷裂準則
。

技術實現思路

[0004]針對現有技術的不足，采用
Maxwell
?
Wiechert
模型來描述粘彈性本構，其中體積模量和剪切模量通過
Prony
級數展開表示，考慮體積應變和偏量應變的粘彈性，同時流體的流動遵循了達西定律，基于熱力學一致的理論框架，提出了一種新的粘彈性相場模型，用于描述多孔粘彈性介質中流體驅動裂縫擴展的過程
。
[0005]一種基于相場法的多孔粘彈性儲層水力裂縫擴展模擬方法，包括以下步驟：
[0006](1)
收集多孔粘彈性儲層的地質和工程參數；
[0007](2)
通過
Maxwell
?
Wiechert
粘彈性模型，獲取彈性和粘性應變；
[0008](3)
建立應力平衡方程和流體平衡方程；
[0009](4)
基于熱力學一致框架建立水力裂縫擴展的相場方程；
[0010](5)
將粘彈性儲層中水力壓裂裂縫延伸的控制方程寫成余量的形式；
[0011](6)
建立數值迭代計算方程組；
[0012](7)
將步驟
(1)
和
(2)
獲取的參數輸入步驟
(6)
的迭代計算方程組，模擬多孔粘彈性儲層水力裂縫擴展
。
[0013]進一步的，所述步驟
(1)
粘彈性儲層的地質參數包括：地應力參數
、
地層壓力
、
巖石的孔隙度
、
巖石的滲透率
、
巖石的長期體積模量和剪切模量
、
第
i
個分支的體積和剪切松弛模量
、
第
i
個分支的弛豫時間
、
巖石的抗拉強度
、
巖石和流體的密度；工程參數包括：注入排量
、
注入時間
、
壓裂液粘度
、
壓裂液密度
。
[0014]所述步驟
(2)
通過
Maxwell
?
Wiechert
粘彈性模型，獲取彈性和粘性應變，包括以下內容：
[0015]線性各向同性粘彈性的基本遺傳積分公式為：
[0016][0017]式中，符號表示未損壞的變量；
K(t)
和
μ
(t)
分別是松弛體積模量函數和剪切模量函數，采用
Prony
級數展開：
[0018][0019][0020]式中，
K
∞
和
G
∞
分別為長期體積模量和長期剪切模量；
K0和
G0分別為
t
＝0時刻的體積模量和剪切模量；
K
i
和
G
i
分別為第
i
分支的體積模量和剪切模量；
n
是指
Prony
級數的數目；
τ
i
表示第
i
個分支的松弛時間；本研究中第
i
個分支的體積模量和剪切模量的松弛時間
τ
i
相同，即其中和分別是體積和偏應變分支的第
i
個阻尼器的粘度
。
[0021]體積應力和偏應力可以寫為：
[0022][0023][0024]式中，和分別表示純彈簧分支和第
i
個
Maxwell
單元分支中的體積應力；表示第
i
個
Maxwell
單元分支的彈性體積應變，也可以用應變速率表示，即表示，即和分別表示純彈簧分支和第
i
個
Maxwell
單元分支中本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.
一種基于相場法的多孔粘彈性儲層水力裂縫擴展模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：
(1)
收集多孔粘彈性儲層的地質和工程參數；
(2)
通過
Maxwell
?
Wiechert
粘彈性模型，獲取彈性和粘性應變；
(3)
建立應力平衡方程和流體平衡方程；
(4)
基于熱力學一致框架建立水力裂縫擴展的相場方程；
(5)
將粘彈性儲層中水力壓裂裂縫延伸的控制方程寫成余量的形式；
(6)
建立數值迭代計算方程組；
(7)
將步驟
(1)
和
(2)
獲取的參數輸入步驟
(6)
的迭代計算方程組，模擬多孔粘彈性儲層水力裂縫擴展
。2.
根據權利要求1所述的一種基于相場法的多孔粘彈性儲層水力裂縫擴展模擬方法，其特征在于步驟
(1)
所述的粘彈性儲層的地質參數包括地應力參數
、
地層壓力
、
巖石的孔隙度
、
巖石的滲透率
、
巖石的長期體積模量和剪切模量
、
第
i
個分支的體積和剪切松弛模量
、
第
i
個分支的弛豫時間
、
巖石的抗拉強度
、
巖石和流體的密度；工程參數包括：注入排量
、
注入時間
、
壓裂液粘度
、
壓裂液密度
。3.
根據權利要求1所述的一種基于相場法的多孔粘彈性儲層水力裂縫擴展模擬方法，其特征在于步驟
(2)
所述的通過
Maxwell
?
Wiechert
粘彈性模型，獲取彈性和粘性應變，包括以下內容：線性各向同性粘彈性的基本遺傳積分公式為：式中，符號表示未損壞的變量；
K(t)
和
μ
(t)
分別是松弛體積模量函數和剪切模量函數，采用
Prony
級數展開：級數展開：式中，
K
∞
和
G
∞
分別為長期體積模量和長期剪切模量；
K0和
G0分別為
t
＝0時刻的體積模量和剪切模量；
K
i
和
G
i
分別為第
i
分支的體積模量和剪切模量；
n
是指
Prony
級數的數目；表示第
i
個分支的松弛時間；本研究中第
i
個分支的體積模量和剪切模量的松弛時間相同，即其中和分別是體積和偏應變分支的第
i
個阻尼器的粘度；體積應力和偏應力可以寫為：式中，和分別表示純彈簧分支和第
i
個
Maxwell
單元分支中的體積應力；表示第
i
個
Maxwell
單元分支的彈性體積應變，也可以用應變速率表示，即和分別表示純彈簧分支和第
i
個
Maxwell
單元分支中的偏應力；是第
i
個
Maxwell
單元分支中的彈性偏應變，也可以用應變速率表示，即粘性體積應變
α
i
表示為：粘性偏應變
a
i
可以寫為：
4.
根據權利要求1所述的一種基于相場法的多孔粘彈性儲層水力裂縫擴展模擬方法，其特征在于步驟
(3)
所述應力平衡方程和流體平衡方程，包括以下內容：忽略慣性力和體積力的情況下，宏觀力平衡方程可以表示為：式中，表示梯度算子；
σ
表示損壞應力張量；在多孔粘彈性介質中，流體連續性方程可以寫為：式中，
α
(c)
表示
Biot
’
s
系數，與相場值
c
相關；
tr(
ε
)
表示體積應變；
M(c)
表示
Biot
’
s
模量；
φ
表示孔隙度；
k
表示滲透率；
μ
f
表示壓裂液粘度；式
(9)
中的參數可以定義為：
g(c)
＝
(1
?
k)(1
?
c)2+k
????????????????????????????????????????????
(11)
φ
(c)
＝
φ0+(1
?

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊兆中，易多，易良平，李小剛，楊長鑫，杜慧龍，劉建平，張丹，鄭南鑫，
申請(專利權)人：西南石油大學，
類型：發明
國別省市：