一种水力压裂复合断裂裂缝延伸与流体流动模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种水力压裂复合断裂裂缝延伸与流体流动模拟方法，包括以下步骤：(1)收集输入参数；(2)建立多孔介质应力平衡方程；(3)建立流体流动方程；(4)建立复合断裂相场演化方程；(5)采用有限元离散耦合的方程组并建立相应的数值求解迭代格式；(6)将步骤(1)中的参数代入步骤(5)建立的求解迭代格式模拟水力裂缝延伸轨迹。与现有的水力裂缝延伸模拟方法相比，考虑了压裂过程中多孔介质发生复合断裂对天然裂缝和水力裂缝延伸的影响，以及天然裂缝和水力裂缝的开启和延伸对压裂液在地层中流动特性的影响，为水力压裂裂缝延伸轨迹的预测提供更准确的方法。测提供更准确的方法。测提供更准确的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种水力压裂复合断裂裂缝延伸与流体流动模拟方法


[0001]本专利技术涉及油气田增产改造领域，具体涉及水力压裂过程中由于复合断裂产生的裂缝延伸及流体流动模拟方法。

技术介绍

[0002]非常规油气资源的开采离不开水力压裂技术，准确掌握水力压裂裂缝的延伸轨迹和水力压裂过程中流体流动规律对合理进行压裂施工设计优化具有重要作用。
[0003]现有的水力压裂裂缝延伸模拟方法中多将岩石的断裂简化为拉伸断裂，但实际上，对于存在天然裂缝的地层中，当水力裂缝开启天然裂缝时会产生剪切滑移，这对于压裂缝网的最终形态具有较大影响，同时，天然裂缝的开启和延伸及水力裂缝的延伸对于压裂液的流动也有重大影响。研究考虑水力压裂过程中岩石发生复合断裂导致的裂缝延伸和流体流动规律更贴近工程实际，因此，建立一种水力压裂复合断裂裂缝延伸与流体流动模拟方法具有重要意义。
[0004]目前所用的各种研究裂缝扩展的数值模拟方法，如边界元法、有限差分法、有限体积法、位移不连续法等，都需要建立相应的准则来判断裂缝在界面处的延伸方向，且需要预设裂缝扩展步长。使用相场法建立的裂缝延伸模型可以克服这些缺点，使得建立的复合断裂裂缝延伸模型更加可靠。

技术实现思路

[0005]本专利技术基于Biot多孔理论、变分原理、断裂力学、相场法等多学科知识，建立了一种水力压裂复合断裂裂缝延伸与流体流动模拟方法来研究压裂过程中固体变形和流体流动的规律。考虑Ⅰ型和Ⅱ型复合断裂，建立新的相场演化的驱动方程。
[0006][0007]一种水力压裂复合断裂裂缝延伸与流体流动模拟方法，包括以下步骤：
[0008](1)收集输入参数；
[0009](2)建立多孔介质应力平衡方程；
[0010](3)建立流体流动方程；
[0011](4)建立复合断裂相场演化方程；
[0012](5)采用有限元离散耦合的方程组并建立相应的数值求解迭代格式；
[0013](6)将步骤(1)中的参数代入步骤(5)建立的求解迭代格式模拟水力裂缝延伸轨迹。
[0014]进一步的，所述步骤(1)中的输入参数包括：最大水平地应力、最小水平地应力、地层压力、岩石弹性模量和泊松比、岩石抗拉强度、岩石抗压强度、Ⅰ型断裂韧性、Ⅱ型断裂韧性、孔隙度、压裂液粘度、压裂液体积模量、压裂液注入时间、压裂液排量。
[0015]所述步骤(2)建立多孔介质应力平衡方程，包括以下内容：
[0016](2.1)有效应力计算方程
[0017][0018]式中：g(c)表示衰减函数，与相场参数c有关，可由公式(2)计算得到；和分别为拉应力和压应力。
[0019]g(c)＝(1
‑
c)2ꢀꢀ
(2)
[0020](2.2)多孔弹性介质的应力平衡方程为：
[0021]▽
·
(σ
eff
‑
α(c)Ip)＝0
ꢀꢀ
(3)
[0022]式中：α(c)表示Biot系数，与相场参数c有关，可通过公式(4)计算得到；表示单位张量；p为流体压力。
[0023][0024]式中：K表示多孔弹性介质的体积模量；K
s
表示多孔介质骨架颗粒的体积模量。
[0025](2.3)应力边界条件
[0026][0027]式中：u0表示Dirichlet边界上的位移；t0表示作用在Neumann边界上的应力。
[0028]所述步骤(3)建立流体流动方程，包括以下内容：
[0029](3.1)多孔弹性介质中流体流动控制方程为：
[0030][0031]式中：ζ表示流体体积增量，可通过公式(7)计算得到；v为流体流速，可通过公式(8)计算得到；t表示时间。
[0032][0033]式中：M(c)为Biot模量，可通过公式(9)计算得到；ε
ii
表示体积应变。
[0034][0035]式中：k为各向异性渗透率，可通过公式(10)计算得到；μ为流体粘度。
[0036][0037]式中：φ表示孔隙度，可通过公式(11)计算得到，并满足公式(12)的边界条件；K
f
表示多孔介质中流体的体积模量。
[0038][0039]式中；k
x
和k
y
分别表示x和y方向的渗透率。
[0040]φ＝φ0+(1
‑
φ0)[1
‑
(1
‑
c)2]ꢀꢀ
(11)
[0041]式中：φ0表示基质初始渗透率；c为相场变量。
[0042][0043](3.2)多孔介质内流体流动控制方程对应的边界条件
[0044][0045]式中：p
f0
为Dirichlet边界上的流体压力；q
f0
为Neumann边界上压裂液的注入量。
[0046]所述步骤(4)建立的复合断裂相场演化方程，包括以下内容：
[0047](4.1)复合断裂相场演化方程为：
[0048][0049]式中：H表示相场驱动能量，可通过公式(15)计算得到；G
c
表示裂纹尖端的临界能量释放率；l0为长度尺度因子；式中项用于诱导裂缝演化，对于复合断裂，可通过公式(16)计算得到。
[0050][0051]式中：∏为拉伸应变能密度。
[0052][0053]式中：H1和H2分别表示Ⅰ型断裂和Ⅱ型断裂的弹性应变能密度，可分别通过公式(17)和(18)计算得到；G
c1
和G
c2
分别为Ⅰ型断裂和Ⅱ型断裂的临界能量释放率，可通过物理实验测得。
[0054][0055][0056]式中：λ和G为拉梅常数；ε
ii
(i＝1,2,3)为主应变；<x>
+
＝(x|+x)/2表示Macaulay括号算子。
[0057](4.2)复合断裂相场演化方程对应的边界条件
[0058][0059]式中：为外边界。
[0060]进一步的，所述步骤(5)采用有限元离散耦合的方程组并建立相应的数值求解迭代格式，包括以下内容：
[0061]公式(3)、(6)、(14)组成了非线性方程组，采用有限单元法离散该非线性方程组，方程(3)和(6)采用N
‑
R迭代法进行求解。在每个迭代步内，裂缝相场不变，迭代格式为：
[0062][0063]式中左边第一项为雅克比矩阵；δu
h
和δp
h
分别表示各高斯节点上的位移增量和流体压力增量；R
u
和R
p
分别表示应力平衡方程和流体流动连续性方程的余量，可分别通过公式(21)和(22)计算得到。
[0064][0065][0066]雅克比矩阵的各分量可通过公式(23)计算得到
[006本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水力压裂复合断裂裂缝延伸与流体流动模拟方法，包括以下步骤：(1)收集输入参数；(2)建立多孔介质应力平衡方程；(3)建立流体流动方程；(4)建立复合断裂相场演化方程；(5)采用有限元离散耦合的方程组并建立相应的数值求解迭代格式；(6)将步骤(1)中的参数代入步骤(5)建立的求解迭代格式模拟水力裂缝延伸轨迹。2.根据权利要求1所述的一种水力压裂复合断裂裂缝延伸与流体流动模拟方法，其特征在于，所述步骤(1)中的输入参数包括：最大水平地应力、最小水平地应力、地层压力、岩石弹性模量和泊松比、岩石抗拉强度、岩石抗压强度、Ⅰ型断裂韧性、Ⅱ型断裂韧性、孔隙度、压裂液粘度、压裂液体积模量、压裂液注入时间、压裂液排量。3.根据权利要求1所述的一种水力压裂复合断裂裂缝延伸与流体流动模拟方法，其特征在于，所述步骤(2)建立多孔介质应力平衡方程，包括以下内容：(2.1)有效应力计算方程式中：g(c)表示衰减函数，与相场参数c有关，可由公式(2)计算得到；和分别为拉应力和压应力。g(c)＝(1
‑
c)
2 (2)(2.2)多孔弹性介质的应力平衡方程为：
▽
·
(σ
eff
‑
α(c)Ip)＝0 (3)式中：α(c)表示Biot系数，与相场参数c有关，可通过公式(4)计算得到；I表示单位张量；p为流体压力。式中：K表示多孔弹性介质的体积模量；K
s
表示多孔介质骨架颗粒的体积模量。(2.3)应力边界条件式中：u0表示Dirichlet边界上的位移；t0表示作用在Neumann边界上的应力。4.根据权利要求1所述的一种水力压裂复合断裂裂缝延伸与流体流动模拟方法，其特征在于，所述步骤(3)建立流体流动方程，包括以下内容：(3.1)多孔弹性介质中流体流动控制方程为：式中：ζ表示流体体积增量，可通过公式(7)计算得到；v为流体流速，可通过公式(8)计算得到；t表示时间。
式中：M(c)为Biot模量，可通过公式(9)计算得到；ε
ii
表示体积应变。式中：k为各向异性渗透率，可通过公式(10)计算得到；μ为流体粘度。式中：φ表示孔隙度，可通过公式(11)计算得到，并满足公式(12)的边界条件；K
f
表示多孔介质中流体的体积模量。式中；k
x
和k
y
分别表示x和y方向的渗透率。φ＝φ0+(1
‑
φ0)[1
‑
(1
‑
c)2] (11)式中：φ0表示基质初始渗透率；c为相场变量。(3.2)多孔介质内流体流动控制方程对应的边界条件式中：p<...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨兆中，张丹，易良平，朱静怡，张景强，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：