一种自支撑裂缝导流能力的数值计算方法技术

本发明专利技术公开了一种自支撑裂缝导流能力的数值计算方法，依次包括以下步骤：（A）对目标储层裂缝面进行单元离散分析，建立裂缝受力变形模型，绘制裂缝应力‑位移图版；（B）利用应力‑位移图版确定目标储层裂缝在已知闭合应力作用下的裂缝变形量；（C）对目标储层岩板表面进行激光扫描，计算裂缝宽度矩阵；（D）根据格子玻尔兹曼方法，计算裂缝内流体粒子微团的流动速度、密度及压力；（E）计算裂缝内流体流量Q、裂缝入口压力P1和裂缝出口压力P2；（F）使用达西公式计算裂缝导流能力。本发明专利技术原理可靠，操作简便，能够简单、准确地计算自支撑裂缝的导流能力，对水力压裂具有重要的指导意义。

A numerical method for predicting the conductivity of self supporting fractures

The invention discloses a numerical method for calculating the conductivity of self-supporting fractures, which comprises the following steps: (A) discrete element analysis of the fracture surface of the target reservoir, establishment of fracture stress and deformation model, drawing fracture stress displacement chart; (B) determination of the target reservoir fracture in the known closed by stress displacement chart. Fracture deformation under combined stress; (C) Laser scanning of the target reservoir rock plate surface to calculate the fracture width matrix; (D) According to the lattice Boltzmann method, calculate the flow velocity, density and pressure of fluid particles in the fracture; (E) calculate the fluid flow Q in the fracture, fracture inlet pressure P1 and fracture. The outlet pressure is P2; (F) the Darcy formula is used to calculate the fracture conductivity. The invention has reliable principle, simple operation, simple and accurate calculation of the conductivity of self-supporting fractures, and has important guiding significance for hydraulic fracturing.

【技术实现步骤摘要】
一种自支撑裂缝导流能力的数值计算方法
本专利技术涉及石油领域，尤其是页岩清水压裂过程中一种自支撑裂缝导流能力的数值计算方法。
技术介绍
水力压裂技术是低渗透油气藏增产改造的重要措施。水力压裂是利用地面高压泵组，以超过地层吸收能力的排量将压裂液泵入地层来产生裂缝，然后继续注入带有支撑剂(砂粒)的压裂液，使裂缝继续延伸并在其中充填支撑剂，当压裂液返排后，在地层压力作用下，支撑剂在裂缝中起到支撑裂缝的作用，阻止裂缝闭合，从而在地层中形成具有一定长度和导流能力的填砂裂缝。清水压裂是水力压裂的一种形式，被广泛应用于页岩油气藏的增产改造中。它具体是指在压裂过程中不加入支撑剂(砂粒)，仅通过将低粘度的压裂液泵入地层来产生裂缝。地下岩石性质差异较大，压裂形成的裂缝表面一般凹凸不平，同时还会在剪切作用下发生错位，因此即使不加入支撑剂，裂缝表面的凸点之间也可以相互支撑，形成自支撑裂缝，自支撑裂缝在地层压力作用下仍能保持一定开启程度，并具有一定的导流能力，从而达到改善油气流动条件和油气井增产的目的。因此，自支撑裂缝的导流能力是评价水力压裂(清水压裂)成功与否的重要指标之一。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种自支撑裂缝导流能力的数值计算方法，该方法将目标储层页岩加工为长方体岩样，并劈裂分为两个具有粗糙表面的岩板，将两个岩板的粗糙表面错位放置形成错位裂缝，通过对错位裂缝进行变形分析和数值建模，最终计算出裂缝导流能力，该方法原理可靠，操作简便，能够简单、准确地计算自支撑裂缝的导流能力，对水力压裂具有重要的指导意义。为达到以上技术目的，本专利技术采用以下技术方案：对自支撑错位裂缝的受力形态进行建模，绘制裂缝的“应力-位移”图版，基于图版计算裂缝受力变形后的裂缝宽度数据，再基于格子玻尔兹曼方程计算裂缝中的流体流速分布及密度分布数据，进而得到裂缝中的流体流量和压力数据，最终利用达西公式计算出裂缝导流能力。利用三维激光扫描仪按专利CN201510319382.9所述的方法对岩板裂缝面进行扫描，获取裂缝表面的三维数据，并建立岩板的三维坐标系：取岩板长度方向为横轴方向，宽度方向为纵轴方向，高度方向为竖轴方向，且横轴和纵轴方向所在的面为水平面。一种自支撑裂缝导流能力的数值计算方法，依次包括以下步骤：(A)对目标储层裂缝面进行单元离散分析，建立裂缝受力变形模型，绘制裂缝应力-位移图版；(B)利用步骤(A)绘制的应力-位移图版确定目标储层裂缝在已知闭合应力σf作用下的裂缝变形量Zf；(C)对目标储层岩板表面进行激光扫描，基于步骤(B)计算裂缝宽度矩阵Wf；(D)根据格子玻尔兹曼方法，利用下式计算裂缝内流体粒子微团的流速、密度及压力数据：式中：α—流体粒子微团的规定运动方向；α＝0，1，2……18；—流体粒子微团在空间和时间维度上的分布函数；—流体粒子微团在α方向上的离散速度；δt—离散时间步长；τ0—松弛时间，一般计算为τ0＝3μ+0.5，μ为流体粘度；—流体粒子微团在空间位置为时间为t+δt时刻的分布函数；—流体粒子微团在α方向上，空间位置为时间为t的平衡分布函数；ρ—时间为t时，流体粒子微团密度；—时间为t时，流体粒子微团流动速度；p—时间为t时，流体粒子微团的压力；(E)基于步骤(D)，利用下式计算裂缝内流体流量Q，裂缝入口压力P1和裂缝出口压力P2：式中：Wfin—裂缝入口处的裂缝宽度矩阵；Ufx—流体粒子微团在裂缝长度方向上的流速分布矩阵；X—对目标储层裂缝面进行单元离散分析时，离散单元的边长；wfinj—矩阵Wfin中的元素；ufxj—矩阵Ufx中的元素；pinj—裂缝入口处的压力分布矩阵Pin中的元素；poutj—裂缝出口处的压力分布矩阵Pout中的元素；k—对裂缝面进行扫描后，纵轴方向共有k列个扫描数点；(F)使用以下达西公式计算裂缝导流能力：式中：Fcd—裂缝导流能力；μ—流体粘度；L—裂缝(岩板)长度；B—裂缝(岩板)宽度。本专利技术中，所述步骤(A)对目标储层裂缝面进行单元离散分析，建立裂缝受力变形模型，绘制裂缝应力-位移图版，过程如下：对扫描裂缝面三维数据进行坐标变换，使两个裂缝表面刚好接触，对上裂缝面施加向下的初始位移量Z0，在竖轴方向上选定一个离散单元，离散单元截面为正方形，边长为X，上裂缝面高度Z1，竖轴方向上所受的压力为ΔFz，压缩量为ΔZ1，在竖轴方向所受的应力值为：式中：σm为裂缝岩体的抗压强度；Mc为岩体的应力突变系数(本专利技术中，推荐页岩应力突变系数Mc取值0.5)；υ为裂缝岩体的泊松比。从而求得上裂缝面所受的应力值σ：式中：m—对裂缝面进行立方单元离散后，横轴方向共有m排离散单元；n—对裂缝面进行立方单元离散后，纵轴方向共有n列离散单元；Δσi,j—横轴方向第i排，纵轴方向第j列的离散单元所受的应力值。以Z表示上裂缝面的向下位移量，以σ表示上裂缝面所受的应力值，通过对上裂缝面施加不同的向下位移量，不断重复上述步骤，直到获得一定数量的(σ，Z)数据点，绘制σ-Z图版，得到Z＝f(σ)曲线。本专利技术中，所述步骤(B)利用步骤(A)绘制的应力-位移图版确定目标储层裂缝在已知闭合应力σf作用下的裂缝变形量Zf，过程如下：在步骤(A)中，上裂缝面的向下位移量即为实际裂缝的变形量，所以，通过σ-Z图版，给定任意应力值σ，利用Z＝f(σ)曲线即可得到相应的裂缝变形量Z，从而可得到目标储层裂缝在已知闭合应力σf作用下的裂缝变形量Zf。本专利技术中，步骤(C)对目标储层岩板表面进行激光扫描，基于步骤(B)计算裂缝宽度矩阵Wf，过程如下：对扫描裂缝面三维数据进行坐标变换，使两个裂缝表面刚好接触，下裂缝面表面每个点的竖轴数据组成下裂缝面高度矩阵Zd，上裂缝面表面每个点的竖轴数据组成上裂缝面高度矩阵Zu。通过步骤(B)已确定了在闭合应力σf作用下，裂缝变形量为Zf，即上裂缝面的向下位移量为Zf。则在σf作用下，上裂缝面高度矩阵变为Z′u：Z′u＝(zu′ij)＝(zuij-Zf)，(i＝1,2,3,...,h；j＝1,2,3,...,k)(3)式中：z′uij—Z′u矩阵中，横轴方向第i排，纵轴方向第j列的点的高度值；zuij—Zu矩阵中，横轴方向第i排，纵轴方向第j列的点的高度值。获得裂缝形态变形矩阵Zc：Zc＝Z′u-Zd(4)从而得到裂缝宽度矩阵Wf为：式中：wfij为裂缝中横轴方向第i排，纵轴方向第j列的点的裂缝宽度值；zcij为裂缝形态变形矩阵Zc矩阵中横轴方向第i排，纵轴方向第j列的点的高度值。本专利技术中，步骤(D)根据格子玻尔兹曼方法，计算裂缝内流体流速、密度及压力数据，过程如下：玻尔兹曼(Boltzmann)方程(杨大勇.格子玻尔兹曼方法[M].电子工业出版社.2015)是描述粒子微团速度分布函数(简称“分布函数”)在时间和空间上变化的守恒方程，裂缝中的流体流动满足离散格子Boltzmann方程耦合BGK方程(简称LBGK方程)：本专利技术选用常见的三维格子玻尔兹曼速度模型D3Q19单速模型进行计算，该模型具有离散速度的对称性，粒子演化机制简单，是目前广泛使用的三维格子玻尔兹曼模型。在D3Q19单速模型条件下，式(6)中：α—流体粒子微团的规定运动方向；α＝0，1，2……18；—流体粒子微团在空间和时间维度上的分布函数；—本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自支撑裂缝导流能力的数值计算方法，依次包括以下步骤：(A)对目标储层裂缝面进行单元离散分析，建立裂缝受力变形模型，绘制裂缝应力‑位移图版；(B)利用步骤(A)绘制的应力‑位移图版确定目标储层裂缝在已知闭合应力σf作用下的裂缝变形量Zf；(C)对目标储层岩板表面进行激光扫描，基于步骤(B)计算裂缝宽度矩阵Wf；(D)根据格子玻尔兹曼方法，利用下式计算裂缝内流体粒子微团的流动速度、密度及压力：

【技术特征摘要】
1.一种自支撑裂缝导流能力的数值计算方法，依次包括以下步骤：(A)对目标储层裂缝面进行单元离散分析，建立裂缝受力变形模型，绘制裂缝应力-位移图版；(B)利用步骤(A)绘制的应力-位移图版确定目标储层裂缝在已知闭合应力σf作用下的裂缝变形量Zf；(C)对目标储层岩板表面进行激光扫描，基于步骤(B)计算裂缝宽度矩阵Wf；(D)根据格子玻尔兹曼方法，利用下式计算裂缝内流体粒子微团的流动速度、密度及压力：式中：α—流体粒子微团的规定运动方向；α＝0，1，2……18；—流体粒子微团在空间和时间维度上的分布函数；—流体粒子微团在α方向上的离散速度；δt—离散时间步长；τ0—松弛时间，一般计算为τ0＝3μ+0.5，μ为流体粘度；—流体粒子微团在空间位置为时间为t+δt时刻的分布函数；—流体粒子微团在α方向上，空间位置为时间为t的平衡分布函数；ρ—时间为t时，流体粒子微团密度；—时间为t时，流体粒子微团流动速度；p—时间为t时，流体粒子微团的压力；(E)基于步骤(D)，利用下式计算裂缝内流体流量Q，裂缝入口压力P1和裂缝出口压力P2：式中：Wfin—裂缝入口处的裂缝宽度矩阵；Ufx—流体粒子微团在裂缝长度方向上的流速分布矩阵；X—对目标储层裂缝面进行单元离散分析时，离散单元的边长；wfinj—矩阵Wfin中的元素；ufxj—矩阵Ufx中的元素；pinj—裂缝入口处的压力分布矩阵Pin中的元素；poutj—裂缝出口处的压力分布矩阵Pout中的元素；k—对裂缝面进行扫描后，纵轴方向共有k列个扫描数点；(F)使用以下公式计算裂缝导流能力：式中：Fcd—裂缝导流能力；μ—流体粘度；L—裂缝(岩板)长度；B—裂缝(岩板)宽度。2.如权利要求1所述的一种自支撑裂缝导流能力的数值计算方法，其特征在于，所述步骤(A)对目标储层裂缝面进行单元离散分析，建立裂缝受力变形模型，绘制裂缝应力-位移图版，过程如下：对扫描裂缝面三维数据进行坐标变换，使两个裂缝表面刚好接触，对上裂缝面施加向下的初始位移量Z0，在竖轴方向上选定一个离散单元，离散单元截面为正方形，边长为X，上裂缝面高度Z1，竖轴方向上所受的压力为ΔFz，压缩量为ΔZ1，在竖轴方向所受的应力值为：式中：σm为裂缝岩体的抗压强度；Mc为岩体的应力突变系数；υ为裂缝岩体的泊松比；利用下式求得上裂缝面所受的应力值σ：式中：m—对裂缝面进行立方单元离散后，横轴方向共有m排离散单元；n—对裂缝面进行立方单元离散后，纵轴方向共有n列离散单元；Δσi,j—横轴方向第i排，纵轴方向第j列的离散单元所受的应力值；以Z表示上裂缝面的向下位移量，以σ表示上裂缝面所受的应力值，通过对上裂缝面施加不同的向下位移量，获得一定数量的(σ，Z)数据点，绘制σ-Z图版，得到Z＝f(σ)曲线。3.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢聪，郭建春，陈迟，白翔，郑云川，尹丛彬，苟兴豪，黎俊峰，黄楚淏，钟烨，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51