非常规双重介质储层多裂缝起裂与扩展的数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种非常规双重介质储层多裂缝起裂与扩展的数值模拟方法，包括以下步骤：发展基于显式时间积分求解策略的渗流‑应力耦合模型及算法；发展显式时间积分的三维水力裂缝粘弹塑性损伤模型及网格单元；在网格边界嵌入零厚度裂缝单元模拟水力裂缝遇天然裂缝的随机相交和分岔；编制井眼‑射孔孔眼‑多裂缝压裂液竞争分配程序，实现射孔孔眼(裂缝)间压裂液的动态分配过程；建立多裂缝破裂与竞争扩展的数值模型，编制三维多裂缝交错扩展程序；开展非常规双重介质储层体积压裂复杂多裂缝破裂与竞争扩展的数值模拟，找出降低近井摩阻、多裂缝串联形成优势主裂缝的工艺技术参数和储层条件，进而提高了页岩气体积压裂复杂裂缝模拟方法的准确性。

【技术实现步骤摘要】
非常规双重介质储层多裂缝起裂与扩展的数值模拟方法
本专利技术涉及石油与天然气开发
，特别是涉及一种非常规双重介质储层多裂缝起裂与扩展的数值模拟方法。
技术介绍
长期以来，我国能源供需矛盾突出，石油天然气对外依存度逐年攀升，2017年我国石油对外依存度达到67.4％，天然气达到39.4％，大大超过国际公认的警戒线，严重威胁我国能源安全。据美国能源信息署EIA的全球调查显示，我国页岩气储量为36.1万亿立方米，排名全球第一位。作为一种典型的非常规天然气资源，我国页岩气资源开发潜力巨大。我国页岩气藏普遍埋藏较深，特别是四川盆地的五峰-龙马溪组平均埋深超3000m，部分已达到5000m，呈现地质构造复杂、页理发育、高应力和高强度等典型特征，致使储层施工压力高达80-110MPa。根据涪陵页岩气田近三年在一期浅层(垂深2000-3000m)的开发实践发现：页岩气水平井分段多簇射孔体积压裂过程中，储层破裂压力和裂缝延伸压力高，常遇到施工压力超限储层压不开、近井地带裂缝形态复杂而引起砂堵的恶性事故。近年来，国内外学者针对页岩气体积压裂复杂裂缝的起裂和扩展行为开展了大量的室内实验和数值模拟研究。然而，这些研究均假设多簇射孔压裂后，在每一个射孔簇处形成一条主缝，各射孔簇主裂缝共同扩展，研究重点集中在各簇主裂缝间相互干扰作用下的应力场和裂缝形态，少有学者研究从射孔簇内射孔孔眼起裂的多条裂缝在近井地带的扩张、扩展、相交和分岔行为。同时，页岩储层通常含有大量的天然裂缝，是典型的双重介质系统，而现有水力裂缝扩展模型中普遍将页岩处理为常规单重介质，甚至是不可渗透介质，这会对压裂过程中主裂缝附近流体压力分布的计算准确度产生影响，进而影响水力裂缝和天然裂缝相遇后以及主裂缝周围尚未连通天然裂缝的起裂与扩展行为。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，针对页岩气体积压裂施工压力高、多数射孔簇内水力裂缝未得到有效扩展的科学难题，考虑页岩应力场、渗流场和裂缝内流场的相互耦合，构建显式时间积分的裂缝粘弹塑性损伤模型及网格单元，开发离散天然裂缝生成程序以及裂缝单元嵌入程序，创建页岩双重介质渗流-应力-损伤耦合的复杂裂缝交错扩展模型，进而提供一种非常规双重介质储层多裂缝起裂与扩展的数值模拟方法：本专利技术的目的通过以下技术方案来实现，一种非常规双重介质储层多裂缝起裂与扩展的数值模拟方法，它包括以下步骤：S1.建立非常规双重介质储层体积压裂水力压裂裂缝扩展的数学模型，发展基于显式时间积分求解策略的渗流-应力耦合模型及算法；S2.针对裂缝的变形，考虑裂缝面之间的摩擦效应，发展显式时间积分的裂缝粘弹塑性损伤模型及网格单元；S3.在非常规储层基质网格边界嵌入零厚度裂缝单元模拟水力裂缝遇天然裂缝的随机相交和分岔；S4.编制井眼-射孔孔眼-多裂缝压裂液竞争分配程序，实现多个射孔孔眼和裂缝间压裂液的动态分配过程；S5.建立非常规储层体积压裂复杂多裂缝破裂与竞争扩展的数值模型，并编制复杂多裂缝交错扩展程序；S6.开展非常规双重介质储层体积压裂复杂多裂缝破裂与竞争扩展的数值模拟，研究射孔簇内多条水力主裂缝和天然裂缝交错扩展的排斥、吸引、分岔和相交规律，找出降低近井摩阻、多裂缝串联形成优势主裂缝的工艺技术参数和储层条件。在步骤S2中，针对裂缝的变形，考虑裂缝面之间的摩擦效应，发展新的内聚力本构模型描述裂缝单元的变形破坏行为，构建零厚度、考虑裂缝面摩擦效应的裂缝粘弹塑性损伤模型，其力学本构模型，裂缝的起裂和扩展服从Traction-separation损伤准则；针对裂缝交叉和分岔扩展时有限元计算不易收敛的难题，推导三角形裂缝单元的显式时间积分有限元方程列式，并编制裂缝单元的计算程序；裂缝网格单元结构上、下表面节点具有流体压力(包括基质孔隙压力及裂隙孔隙压力)自由度和位移自由度，用以计算裂缝面的变形以及压裂液的滤失，中间层节点只具有流体压力自由度，用来计算裂缝内流体的流动。在步骤S3中，根据储层天然裂缝分布规律，采用蒙特卡洛方法生成离散天然裂缝网络，建立含离散天然裂缝的有限元几何模型，对整个研究区域进行网格剖分，并开发在所有单元间嵌入流固耦合裂缝单元的程序，在所有网格的边界上插入裂缝单元，用粘弹塑性损伤裂缝单元统一表征水力裂缝和天然裂缝。因此，水力裂缝能够沿着任意单元的边界扩展，从而实现多裂缝的相交和分岔扩展行为，并且无需重新划分网格。表征水力裂缝和天然裂缝的裂缝单元本质上是相同的，只是力学参数和水力参数大小上存在区别。裂缝单元和页岩基质单元之间通过共用节点的方式耦合。本专利技术具有以下优点：1.对整个研究区域进行网格剖分，并开发在所有单元间嵌入流固耦合裂缝单元的程序，在所有网格的边界上插入裂缝单元，用粘弹塑性损伤裂缝单元统一表征水力裂缝和天然裂缝，因此，水力裂缝能够沿着任意单元的边界扩展，从而实现多裂缝的相交和分岔扩展行为，并且无需重新划分网格。2.考虑射孔簇附近页岩储层天然裂缝的影响，建立页岩双重介质储层体积压裂射孔簇内孔眼渗流-应力-损伤耦合模型，揭示页岩储层射孔簇附近复杂裂缝的起裂与演化机理。3.综合考虑天然裂缝和多条水力主裂缝的相互耦合作用，揭示射孔簇之间多条水力主裂缝与天然裂缝的排斥、吸引、分岔和相交的竞争扩展机理。附图说明以下附图旨在对本专利技术做示意性说明和解释，并不限定本专利技术的范围。其中：图1是本专利技术所示数值模拟方法流程示意图；图2是裂缝粘弹塑性损伤本构模型示意图；图3是裂缝网格单元结构示意图；图4是储层天然裂缝分布，有限元网格划分策略，基质、裂缝单元通过共用节点耦合示意图；图5是井眼-射孔孔眼-多裂缝压裂液竞争分配模型示意图；图6双重介质储层自射孔簇起裂的多条水力主裂缝相互干扰数值模拟结果。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的描述，但本专利技术的保护范围不局限于以下所述。一种非常规双重介质储层多裂缝起裂与扩展的数值模拟方法，包括以下步骤：S1.建立非常规双重介质储层体积压裂水力压裂裂缝扩展的数学模型，发展基于显式时间积分求解策略的渗流-应力耦合模型及算法：根据Biot孔隙弹性理论，推导页岩基质骨架的应力平衡方程、几何方程和Biot有效应力模型，建立页岩的基质骨架变形控制方程。假设页岩孔隙流体流动服从达西定律，结合质量守恒方程，推导出页岩的渗流控制方程；联立基质骨架变形控制方程、渗流控制方程和渗透率应力敏感性张量，结合水平井分段多簇压裂簇内射孔的流体和应力边界条件，建立基于显式时间积分求解策略的页岩流固耦合数学模型，对所压裂储层几何模型进行网格离散，并在单元的节点上引入未知位移和压力自由度，推导页岩流固耦合数学模型的有限元方程列式，开发流固耦合单元的显式时间积分计算程序；S2.针对裂缝的变形，考虑裂缝面之间的摩擦效应，发展显式时间积分的裂缝粘弹塑性损伤模型及网格单元，具体为：针对裂缝的变形，考虑裂缝面之间的摩擦效应，发展新的内聚力本构模型描述裂缝单元的变形破坏行为，构建零厚度、考虑裂缝面摩擦效应的裂缝粘弹塑性损伤模型，其力学本构模型裂缝的起裂和扩展服从Traction-separation损伤准则(如图2所示，图中是储层岩石的抗拉强度(剪切强度)，MPa；τf是裂缝面的摩擦应力，MPa；Kn(Kt)是拉伸(剪切)状态的界面硬化系数；是初始本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非常规双重介质储层多裂缝起裂与扩展的数值模拟方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1.建立非常规双重介质储层体积压裂水力压裂裂缝扩展的数学模型，发展基于显式时间积分求解策略的渗流‑应力耦合模型及算法；S2.针对裂缝的变形，考虑裂缝面之间的摩擦效应，发展显式时间积分的裂缝粘弹塑性损伤模型及网格单元；S3.在非常规储层基质网格边界嵌入零厚度裂缝单元模拟水力裂缝遇天然裂缝的随机相交和分岔；S4.编制井眼‑射孔孔眼‑多裂缝压裂液竞争分配程序，实现多个射孔孔眼和裂缝间压裂液的动态分配过程；S5.建立非常规储层体积压裂复杂多裂缝破裂与竞争扩展的数值模型，并编制复杂多裂缝交错扩展程序；S6.开展非常规双重介质储层体积压裂复杂多裂缝破裂与扩展的数值模拟，研究射孔簇内多条水力主裂缝和天然裂缝交错扩展的排斥、吸引、分岔和相交规律，找出降低近井摩阻、多裂缝串联形成优势主裂缝的工艺技术参数和储层条件。

【技术特征摘要】
1.一种非常规双重介质储层多裂缝起裂与扩展的数值模拟方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1.建立非常规双重介质储层体积压裂水力压裂裂缝扩展的数学模型，发展基于显式时间积分求解策略的渗流-应力耦合模型及算法；S2.针对裂缝的变形，考虑裂缝面之间的摩擦效应，发展显式时间积分的裂缝粘弹塑性损伤模型及网格单元；S3.在非常规储层基质网格边界嵌入零厚度裂缝单元模拟水力裂缝遇天然裂缝的随机相交和分岔；S4.编制井眼-射孔孔眼-多裂缝压裂液竞争分配程序，实现多个射孔孔眼和裂缝间压裂液的动态分配过程；S5.建立非常规储层体积压裂复杂多裂缝破裂与竞争扩展的数值模型，并编制复杂多裂缝交错扩展程序；S6.开展非常规双重介质储层体积压裂复杂多裂缝破裂与扩展的数值模拟，研究射孔簇内多条水力主裂缝和天然裂缝交错扩展的排斥、吸引、分岔和相交规律，找出降低近井摩阻、多裂缝串联形成优势主裂缝的工艺技术参数和储层条件。2.根据权利要求1所述的非常规双重介质储层多裂缝起裂与扩展的数值模拟方法，其特征在于：在步骤S2中，针对裂缝的变形，考虑裂缝面之间的摩擦...

【专利技术属性】
技术研发人员：李扬，朱海燕，刘英君，刘清友，李武广，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51