一种基于边界元方法的全三维裂缝相交过程模拟方法技术

本发明专利技术涉及裂缝模拟技术领域，具体地说，涉及一种基于边界元方法的全三维裂缝相交过程模拟方法，其包括以下步骤：(1)时间步与注入压力初始化；(2)、裂缝开度计算；(3)、质量守恒检查；(4)、判断是否满足裂缝扩展条件；(5)、裂缝扩展计算；(6)、自适应调整天然裂缝网格；(7)、自适应调整人工裂缝网格；(8)、进入下一个时间步的计算。本发明专利技术可实现人工裂缝与天然裂缝相交过程中，人工与天然裂缝内网格的动态、自适应调整，进而为利用边界元方法进行三维裂缝相交模拟提供重要的技术支撑，推动全三维裂缝扩展模拟的进一步发展。

【技术实现步骤摘要】
一种基于边界元方法的全三维裂缝相交过程模拟方法
本专利技术涉及裂缝模拟
，具体地说，涉及一种基于边界元方法的全三维裂缝相交过程模拟方法。
技术介绍
利用边界元方法进行裂缝扩展模拟具有待求解未知数少、计算精度高等优点，适用于模拟大型水力压裂过程。但是目前基于边界元方法的全三维裂缝扩展模型尚未考虑裂缝相交的情形，导致对水力压裂缝网真实形态的刻画不足，影响了压裂施工方案的制定与优化。网格问题是阻碍全三维压裂缝网模型发展的一个主要原因。三维裂缝平面相交时，网格处理非常复杂，尤其是当裂缝动态相交时，需要实时对网格进行调整和更新，既要保证网格质量又要避免过度的网格加密带来的计算负担。现有处理裂缝相交网格的技术均是针对裂缝面固定的情形，无法处理裂缝扩展过程中裂缝形态的动态变化。同时，三维裂缝面相交过程还需对人工裂缝扩展网格进行特殊处理，以实现对相交过程的完整刻画。
技术实现思路
本专利技术的内容是提供一种基于边界元方法的全三维裂缝相交过程模拟方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。根据本专利技术的一种基于边界元方法的全三维裂缝相交过程模拟方法，其包括以下步骤：(1)时间步与注入压力初始化；将上个时间步n的时间步长Δtn和注入点压力作为当前时间步n+1的初始猜测，下标inj表示注入；(2)、裂缝开度计算；使所有裂缝单元压力均与注入点压力相等，采用边界元算法计算当前时间步长及注入点压力下裂缝开度下标i为裂缝单元编号，k为更新注入点压力的的迭代步编号，j为更新时间步长的迭代步编号；(3)、质量守恒检查；检查当前压力迭代步对应注入压力下，当前时间步长内注液总量与裂缝体积总变化量是否相等，若相等则进入下一步，否则采用二分法对注入点压力进行更新，并返回步骤(2)；(4)、判断是否满足裂缝扩展条件；计算当前时间步长下，人工裂缝尖端的最大等效应力集中因子与天然裂缝尖端单元的最大F值下标HF与NF分别代表人工裂缝与天然裂缝；检查注入当前时间步长流体后，人工裂缝或天然裂缝是否能发生拟稳态扩展，若不能，则采用二分法对时间步长进行更新，并返回步骤(2)，直到人工裂缝或天然裂缝满足拟稳态扩展条件，则进入下一步；(5)、裂缝扩展计算；判断裂缝是否扩展及计算裂缝扩展长度；(6)、自适应调整天然裂缝网格；采用逐次节点捕获技术对于人工裂缝相交后的天然裂缝平面网格进行自适应调整与优化；如果人工裂缝相邻前沿网格点均恰落在天然裂缝平面的边界位置；初始时刻，天然裂缝网格并未沿着交线分布；天然裂缝网格点的调整分为两类：a.移动网格点与交线端点重合；b.调整网格点使之落在交线内部，对于上述两类情形，天然裂缝网格调整均需经历以下3个步骤：a.1、找到网格平面内的捕获点；a.2、寻找与捕获点相邻的图距离为Ndis的节点，定义为松弛节点；a.3、等间距移动捕获点至目标点位置；在松弛过程中，采用优化算法对被松弛网格总体质量进行优化；如果总体网格质量达不到要求，则增加松弛节点的搜索图距离；重复a.2与a.3，直至达到最大图距离Nrelax；对于a类网格调整，a.1中的捕获点为与端点最近的节点，a.3中的目标点为交线端点；对于b类网格，捕获点搜索方法如下：网格平面空间被交线上最后一个节点与交线分为三个区域，三个区域内分别对应S＝1、0、-1；与交线上最后一个节点相连的单元若有边界跨过交线，则从该边界上的两个节点中寻找捕获点；将与交线较为靠近的节点选为捕获点；目标点为捕获点在交线上的投影；若目标位置过于靠近交线端点或落在交线外侧，则按照a类网格调整方法，移动捕获点与端点重合；(7)、自适应调整人工裂缝网格；(7.1)、对人工裂缝扩展前沿进行平滑处理，通过3阶Savitzky-Golay滤波器插值方法，将裂缝扩展向量转移到裂缝前沿网格点上，裂缝扩展向量与裂缝前沿网格点所在切线相垂直；(7.2)、构建新的裂缝单元；当人工裂缝与天然裂缝相交时，需重构多个裂缝单元；当相邻两人工裂缝前沿扩展向量均为不0时，主要由较长扩展向量对应的前沿点与交线上天然裂缝的网格点连接，构成新的人工裂缝单元；若有一侧人工裂缝前沿已与天然裂缝相交，则所有新增单元均与未相交的人工裂缝前沿网格点连接；当人工裂缝与天然裂缝边界相交时，需对人工裂缝扩展向量方向进行调整，若相邻网格点中有一个网格点的扩展向量相交与天然裂缝平面外时，需要对相交与平面外的扩展向量或相交于平面内的扩展向量进行移动；使新增网格统一处于平面内或平面外；(8)、进入下一个时间步的计算。作为优选，步骤(2)中，裂缝开度计算的方法为：设裂缝平面由一系列三角形单元网格构成，每个长方形单元有3个方向的位移不连续量：与裂缝面平行且相互正交的切向位移不连续量Dx与Dy以及垂直于裂缝平面的法向位移不连续量Dz；裂缝单元单位位移不连续量在空间任一点(x,y,z)诱导的位移及应力大小为：ux＝C{[2(1-v)I,z-zI,xx]Dx-zI,xyDy-[(1-2v)I,x+zI,xz]Dz}uy＝C{-zI,xyDx+[2(1-v)I,z-zI,yy]Dy-[(1-2v)I,y+zI,yz]Dz}ux＝C{[(1-2v)I,x-zI,xz]Dx+[(1-2v)I,y-zI.yz]Dy+[2(1-v)I,z-zI,zz]Dz}σxx＝2C{[2I,xz-zI,xxx]Dx+[2vI,yz-zI,xxy]Dy+[I,zz+(1-2v)I,yy-zI,xxz]Dz}σyy＝2C{[2vI,xz-zI,xyy]Dx+[2I,yz-zI,yyy]Dy+[I,zz+(1-2v)I,xx-zI,yyz]Dz}σzz＝2C{-zI,xzzDx-zI,yzzDy+[I,zz-zI,zzz]Dz}τxy＝2C{[(1-v)I,yz-zI,xxy]Dx+[(1-v)I,xz-zI,xyy]Dy-[(1-2v)I,xy+zI,xyz]Dz}τyz＝2C{-[vI,xy+zI,xyz]Dx+[I,zz+vI,xx-zI,yyz]Dy-zI,yzzDz}τzx＝2C{[I,zz+vI,yy-zI,xxz]Dx-[vI,xy+zI,xyz]Dy-zI,xzzDz}；其中，C为与岩石力学性质相关的常数：v为岩石基质泊松比；函数I为半无穷空间格林函数，S为当前三角形单元面积；设单元i满足应力边界条件，所受法向应力为σzi，对应裂缝内压强大小，沿局部坐标系x、y方向的切向应力分别为τxi和τyi；此时所有裂缝单元作用在单元i的应力总和加上就地应力，应等于作用在单元表面的应力边界条件：上式中A为影响系数；裂缝单元i的开度wi对应单元z方向位移不连续量的负数，即作为优选，步骤(4)中，人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于边界元方法的全三维裂缝相交过程模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：/n(1)时间步与注入压力初始化；将上个时间步n的时间步长Δt

【技术特征摘要】
1.一种基于边界元方法的全三维裂缝相交过程模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)时间步与注入压力初始化；将上个时间步n的时间步长Δtn和注入点压力作为当前时间步n+1的初始猜测，下标inj表示注入；
(2)、裂缝开度计算；使所有裂缝单元压力均与注入点压力相等，采用边界元算法计算当前时间步长及注入点压力下裂缝开度下标i为裂缝单元编号，k为更新注入点压力的的迭代步编号，j为更新时间步长的迭代步编号；
(3)、质量守恒检查；检查当前压力迭代步对应注入压力下，当前时间步长内注液总量与裂缝体积总变化量是否相等，若相等则进入下一步，否则采用二分法对注入点压力进行更新，并返回步骤(2)；
(4)、判断是否满足裂缝扩展条件；计算当前时间步长下，人工裂缝尖端的最大等效应力集中因子与天然裂缝尖端单元的最大F值下标HF与NF分别代表人工裂缝与天然裂缝；检查注入当前时间步长流体后，人工裂缝或天然裂缝是否能发生拟稳态扩展，若不能，则采用二分法对时间步长进行更新，并返回步骤(2)，直到人工裂缝或天然裂缝满足拟稳态扩展条件，则进入下一步；
(5)、裂缝扩展计算；判断裂缝是否扩展及计算裂缝扩展长度；
(6)、自适应调整天然裂缝网格；采用逐次节点捕获技术对于人工裂缝相交后的天然裂缝平面网格进行自适应调整与优化；
如果人工裂缝相邻前沿网格点均恰落在天然裂缝平面的边界位置；初始时刻，天然裂缝网格并未沿着交线分布；天然裂缝网格点的调整分为两类：a.移动网格点与交线端点重合；b.调整网格点使之落在交线内部，对于上述两类情形，天然裂缝网格调整均需经历以下3个步骤：
a.1、找到网格平面内的捕获点；
a.2、寻找与捕获点相邻的图距离为Ndis的节点，定义为松弛节点；
a.3、等间距移动捕获点至目标点位置；在松弛过程中，采用优化算法对被松弛网格总体质量进行优化；如果总体网格质量达不到要求，则增加松弛节点的搜索图距离，重复a.2与a.3，直至达到最大图距离Nrelax；
对于a类网格调整，a.1中的捕获点为与端点最近的节点，a.3中的目标点为交线端点；
对于b类网格，捕获点搜索方法如下：网格平面空间被交线上最后一个节点与交线分为三个区域，三个区域内分别对应S＝1、0、-1；与交线上最后一个节点相连的单元若有边界跨过交线，则从该边界上的两个节点中寻找捕获点；将与交线较为靠近的节点选为捕获点；目标点为捕获点在交线上的投影；若目标位置过于靠近交线端点或落在交线外侧，则按照a类网格调整方法，移动捕获点与端点重合；
(7)、自适应调整人工裂缝网格；
(7.1)、对人工裂缝扩展前沿进行平滑处理，通过3阶Savitzky-Golay滤波器插值方法，将裂缝扩展向量转移到裂缝前沿网格点上，裂缝扩展向量与裂缝前沿网格点所在切线相垂直；
(7.2)、构建新的裂缝单元；
当人工裂缝与天然裂缝相交时，需重构多个裂缝单元，当相邻两人工裂缝前沿扩展向量均为不0时，由较长扩展向量对应的前沿点与交线上天然裂缝的网格点连接，构成新的人工裂缝单元；若有一侧人工裂缝前沿已与天然裂缝相交，则所有新增单元均与未相交的人工裂缝前沿网格点连接；
当人工裂缝与天然裂缝边界相交时，需对人工裂缝扩展向量方向进行调整，若相邻网格点中有一个网格点的扩展向量相交与天然裂缝平面外时，需要对相交与平面外的扩展向量或相交于平面内的扩展向量进行移动；使新增网格统一处于平面内或平面外；
(8)、进入下一个时间步的计算。


2.根据权利要求1所述的一种基于边界元方法的全三维裂缝相交过程模拟方法，其特征在于：步骤(2)中，裂缝开度计算的方法为：
设裂缝平面由一系列三角形单元网格构成，每个长方形单元有3个方向的位移不连续量：与裂缝面平行且相互正交的切向位移不连续量Dx与Dy以及垂直于裂缝平面的法向位移不连续量Dz；
Dx＝ux(x，y，0-)-ux(x，y，0+)
Dy＝uy(x，y，0-)-uy(x，y，0+)；
Dz＝uz(x，y，0-)-uz(x，y，0+)
裂缝单元单位位移不连续量在空间任一点(x，y，z)诱导的位移及应力大小为：
ux＝C{[2(1-v)I，z-zI，xx]Dx-zI，xyDy-[(1-2v)I，x+zI，xz]Dz}
uy＝C{-zI，xyDx+[2(1-v)I，z-zI，yy]Dy-[(1-2v)I，y+zI，yz]Dz}
ux＝C{[(1-2v)I，x-zI，xz]Dx+[(1-2v)I，y-zI.yz]Dy+[2(1-v)I，z-zI，zz]Dz}
σxx＝2C{[2I，xz-zI，xxx]Dx+[2vI，yz-zI，xxy]Dy+[I，zz+(1-2v)I，yy-zI，xxz]Dz}
σyy＝2C{[2vI，xz-zI，xyy]Dx+[2I，yz-zI，yyy]Dy+[I，zz+(1-2v)I，xx-zI，yyz]Dz}
σzz...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐慧莹，崔二龙，虎丹丹，张景，黄浩勇，张烈辉，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51