利用实验手段计算应力作用下粗糙错位裂缝变形量的方法技术

本发明专利技术公开了利用实验手段计算应力作用下粗糙错位裂缝变形量的方法，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后，采用逆向计算思路对错位裂缝形态受力变形进行建模，通过多次对裂缝面施压给定位移量，计算给定位移量下裂缝所受的应力，最终绘制“应力‑位移”图版，即可得到应力与位移的关系曲线。本发明专利技术原理可靠，可对错位裂缝进行分析计算，为井下裂缝的变形情况预测提供理论依据。

The method of calculating the deformation of rough and misplaced cracks under the action of stress by means of experiment

The invention discloses a method for calculating the deformation of rough dislocation cracks under stress by means of experiment. The method processes the target reservoir shale into rectangular rock samples and splits into two rock plates with rough surfaces. After the rough surfaces of the two rock plates are dislocated to form dislocation cracks, the reverse calculation method is adopted. The stress and deformation of dislocation cracks are modeled. The stress of cracks under a given displacement is calculated by applying pressure on the crack surface several times. Finally, the stress displacement diagram is drawn, and the relationship curve between stress and displacement can be obtained. The invention has reliable principle, can analyze and calculate dislocation cracks, and provides theoretical basis for predicting deformation of underground cracks.

【技术实现步骤摘要】
利用实验手段计算应力作用下粗糙错位裂缝变形量的方法
本专利技术涉及石油领域，尤其是页岩清水压裂过中，利用实验手段计算应力作用下粗糙错位裂缝变形量的方法。
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、允许流体流动的填砂裂缝。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，使裂缝在地层压力作用下仍能保持一定开启程度和流动通道，从而达到改善油气流动条件和油气井增产的目的。由于自支撑裂缝内未充填支撑剂，裂缝会在应力作用下迅速发生变形，裂缝宽度减小，进而影响油气流量大小。因此，计算应力作用下错位裂缝的缝宽变形量，进而估算裂缝的剩余宽度，对于清水压裂后产量预测和油气藏增产潜力评价具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用实验手段计算应力作用下粗糙错位裂缝变形量的方法。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，该方法原理可靠，可对该错位裂缝进行分析计算，为井下裂缝的变形情况预测提供理论依据。为达到以上技术目的，本专利技术采用以下技术方案：采用逆向计算思路对错位裂缝形态受力变形进行建模，通过多次对裂缝面施压给定位移量，计算给定位移量下裂缝所受的应力，最终绘制“应力-位移”图版，即可得到应力与位移的关系曲线。利用专利CN201510319382.9中所述的岩板裂缝面数据获取方法，利用三维激光扫描仪对两块裂缝面进行扫描，获取裂缝面的三维数据，并对岩板建立空间直角坐标系，取岩板长度方向为横轴，宽度方向为纵轴，高度方向为竖轴，其中，横轴和纵轴所在的平面为水平面。利用实验手段计算应力作用下粗糙错位裂缝变形量的方法，依次包括以下步骤：(A)将岩样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，对扫描获取的裂缝面三维数据进行坐标变换处理，获取上裂缝面高度矩阵Zu和下裂缝面高度矩阵Zd；(B)对上裂缝面施加向下的给定初始位移量Z0，获得裂缝形态变形矩阵Zc，并得到上裂缝面与下裂缝面的总压缩量矩阵Zt；(C)在竖轴方向上对裂缝面进行立方单元离散，选定一个离散单元，上裂缝面的高度Z1，下裂缝面的高度Z2，并通过矩阵Zt可得到上裂缝面与下裂缝面的总压缩量ΔZ，利用公式(1)计算该离散单元中上裂缝面的压缩量ΔZ1：上式中：ΔZ1—选定离散单元中，上裂缝面的压缩量；Z1—选定离散单元中，上裂缝面的高度；Z2—选定离散单元中，下裂缝面的高度；ΔZ—选定离散单元中，上裂缝面与下裂缝面的总压缩量；ν—裂缝岩体的泊松比；(D)利用公式(2)计算选定离散单元中，上裂缝面所受的压力ΔFz；上式中：ΔFz—选定离散单元中，上裂缝面所受的压力；E—裂缝岩体的杨氏模量；X—离散单元边长；(E)判断选定离散单元所受的应力是否达到抗压强度，并利用公式(3)计算选定离散单元在竖轴方向所受的应力值：上式中：Δσ—选定离散单元在竖轴方向所受的应力值；σm—裂缝岩体的抗压强度；Mc—裂缝岩体的应力突变系数；(F)利用公式(4)计算上裂缝面所受的应力值：上式中：σ—上裂缝面所受的应力值；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；(G)给定一个位移量步长T，将步聚(B)中的给定位移量增加T，继续计算上裂缝面所受的应力值；(H)重复步骤(A)到骤(G)，直到获得一定数量的(σ，Z)数据点，利用(σ，Z)数据点绘制σ-Z图版，即可得到Z＝f(σ)曲线，在σ-Z图版中，给定任意应力值σ，利用Z＝f(σ)曲线得到相应的裂缝变形量Z。附图说明图1为裂缝空间直角坐标系的任意一个横-竖轴剖面示意图。图2为选定离散单元受力分析示意图。具体实施方式上述步聚中，自支撑裂缝的宽度一般是毫米级，为了尽可能获取更多的数据点，本专利技术建议初始位移量取值0.1mm，位移量步长T取值0.1mm。如图1所示，所述的步聚(A)中，对扫描裂缝面三维数据进行坐标变换处理方法为：将下裂缝面原始数中所有点的高度值减去下裂缝面的最低点高度值，即：Zd＝(zdij)＝[z0ij-min(z0ij)],(i＝1,2,3,...,h；j＝1,2,3,...,k)(5)上式中：Zd—下裂缝面高度矩阵；zdij—下裂缝面高度矩阵中，横轴方向第i排，纵轴方向第j列的点的高度值；z0ij—原始扫描数据度矩阵中，横轴方向第i排，纵轴方向第j列的点的高度值；h—对裂缝面进行扫描后，横轴方向共有h列个扫描数点；k—对裂缝面进行扫描后，纵轴方向共有k列个扫描数点；min(z0ij)—原始扫描数据高度矩阵中最低点的高度值。同样，将上裂缝面原始数中所有点的高度值减去上裂缝面的最低点高度值，再将处理后上裂缝面数据点经过坐标变换按图1所示放入下列缝面的坐标系中，使两个裂缝表面刚好接触。在图1所示的坐标系中，下裂缝面表面每个点的竖轴数据即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即组成上裂缝面高度矩阵Zu。所述的步聚(B)中，下裂缝面不变，对上裂缝面施加向下位移量Z0后，上裂缝面高度矩阵变为Z′u：Z′u＝(zu′ij)＝(zuij-Z0)，(i＝1,2,3,...,h；j＝1,2,3,...,k)(6)上式中：zu′ij—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；计算获得裂缝形态变形矩阵Zc：Zc＝Z′u-Zd(7)在矩阵Zc中，当元素zcij(Zc矩阵中，横轴方向第i排，纵轴方向第j列的点的高度值)大于零时，表示该点在位移量为Z0时，两个裂缝面没有发生接触；当zcij小于或等于零时，表示该点在位移量为Z0时两个裂缝面发生了接触变形，且压缩量为|zcij|。定义上裂缝面与下裂缝面的总压缩量矩阵为Zt，矩阵中的元素为ztij：所述步骤(C)中，公式(1)的推导过程如下：如图2所示，在选定离散单元中，已知：上裂缝面的高度Z1，下裂缝面的高度Z2，并通过矩阵Zt可得到上裂缝面与下裂缝面的总压缩量ΔZ，离散单元截面为正方形，边长为X，裂缝岩体杨氏模量为E，泊松比为υ，抗压强度为σm。对上裂缝面离散单元进行受力分析，假设为纯弹性应变，其竖轴方向上所受的压力为ΔFz，应力为Δσ，压缩量为ΔZ1，应变为εz1，根据胡克定律有：假设上裂缝面离散单元横向变形为ΔX1，则变形后的离散单元在竖轴方向受力面积为ΔA，则有：将公式(10)代入公式(9)中，得到上裂缝面离散单元的受力变形方程：同理，假设下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.利用实验手段计算应力作用下粗糙错位裂缝变形量的方法，依次包括以下步骤：(A)将岩样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，对扫描获取的裂缝面三维数据进行坐标变换处理，获取上裂缝面高度矩阵Zu和下裂缝面高度矩阵Zd；(B)对上裂缝面施加向下的给定初始位移量Z0，获得裂缝形态变形矩阵Zc，并得到上裂缝面与下裂缝面的总压缩量矩阵Zt；(C)在竖轴方向上对裂缝面进行立方单元离散，选定一个离散单元，上裂缝面的高度Z1，下裂缝面的高度Z2，并通过矩阵Zt得到上裂缝面与下裂缝面的总压缩量ΔZ，利用下式计算该离散单元中上裂缝面的压缩量ΔZ1：

【技术特征摘要】
1.利用实验手段计算应力作用下粗糙错位裂缝变形量的方法，依次包括以下步骤：(A)将岩样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，对扫描获取的裂缝面三维数据进行坐标变换处理，获取上裂缝面高度矩阵Zu和下裂缝面高度矩阵Zd；(B)对上裂缝面施加向下的给定初始位移量Z0，获得裂缝形态变形矩阵Zc，并得到上裂缝面与下裂缝面的总压缩量矩阵Zt；(C)在竖轴方向上对裂缝面进行立方单元离散，选定一个离散单元，上裂缝面的高度Z1，下裂缝面的高度Z2，并通过矩阵Zt得到上裂缝面与下裂缝面的总压缩量ΔZ，利用下式计算该离散单元中上裂缝面的压缩量ΔZ1：上式中：ν—裂缝岩体的泊松比；(D)利用下式计算选定离散单元中，上裂缝面所受的压力ΔFz；上式中：E—裂缝岩体的杨氏模量；X—离散单元边长；(E)判断选定离散单元所受的应力是否达到抗压强度，利用下式计算选定离散单元在竖轴方向所受的应力值Δσ：上式中：σm—裂缝岩体的抗压强度；Mc—裂缝岩体的应力突变系数；(F)利用下式计算上裂缝面所受的应力值σ：上式中：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；(G)给定一个位移量步长T，将步聚(B)中的给定位移量增加T，继续计算上裂缝面所受的应力值；(H)重复步骤(A)到骤(G)，直到获得一定数量的(σ，Z)数据点，得到Z＝f(σ)曲线后，给定任意应力值σ，利用Z＝f(σ)曲线得到相应的裂缝变形量Z。2.如权利要求1所述的利用实验手段计算应力作用下粗糙错位裂缝变形量的方法，其特征在于，所述步聚(A)包括：将下裂缝面原始数中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢聪，郭建春，陈迟，苟兴豪，王建，冀延民，
申请(专利权)人：西南石油大学，胜利油田鲁胜石油开发有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川,51