层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法技术

公开了一种层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法。该方法可以包括：根据地层参数与施工参数，建立页岩地层模型；根据流体渗流方程、岩石变形方程、层理作用准则与裂缝面流体流动方程，建立流固耦合数值方程；根据流固耦合数值方程，在页岩地层模型内进行扩展有限元数值模拟，确定层理发育的页岩地层水力裂缝高度。本发明专利技术可以判断多个水平层理对裂缝高度的限制作用，分析层理发育的页岩地层在不同施工参数条件下水力裂缝形态和施工压力曲线特征，揭示层理对水力裂缝扩展形态影响的机理，指导压裂优化设计。

Numerical simulation method of hydraulic fracture height in shale with developed bedding

【技术实现步骤摘要】
层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法
本专利技术涉及油气田开发领域，更具体地，涉及一种层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法。
技术介绍
与常规油气藏不同，页岩储层发育多种弱结构面包括构造缝(张性缝和剪性缝)、层间页理缝、层面滑移缝、成岩收缩微裂缝和有机质演化异常压力缝等5种地层特征，这些弱结构面显然影响水力压裂裂缝形态尤其是裂缝高度的扩展。目前对于层理发育的页岩压裂裂缝高度及形态的评估大多应用传统的致密砂岩模拟方法，只考虑层间应力差和岩石力学差异，计算的裂缝高度多大于实际的情况。弱地层层理产生了一种独特的影响水力压裂裂缝高的机制,它们限制水力压裂的垂直延伸。对于这一问题相关学者也开展了一定的研究，Gu等人(2008)提出了关于层理发育地层裂缝高度在层理界面处出现滑移的问题，他们的解决方法基于Renshaw和Pollard的裂缝交叉标准(Renshaw和Pollard1995)，但在目前现场大规模页岩压裂情况下，这些简化的交叉穿越标准不能完全评价层理等水平界面对裂缝高度的决定性作用，页岩层理等弱结构面对水力裂缝高度限制作用及裂缝扩展形态的影响有待进一步评估。因此，有必要开发一种层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法。公开于本专利技术
技术介绍
部分的信息仅仅旨在加深对本专利技术的一般
技术介绍
的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
技术实现思路
本专利技术提出了一种层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法，其能够判断多个水平层理对裂缝高度的限制作用，分析层理发育的页岩地层在不同施工参数条件下水力裂缝形态和施工压力曲线特征，揭示层理对水力裂缝扩展形态影响的机理，指导压裂优化设计。所述方法可以包括：根据地层参数与施工参数，建立页岩地层模型；根据流体渗流方程、岩石变形方程、层理作用准则与裂缝面流体流动方程，建立流固耦合数值方程；根据所述流固耦合数值方程，在所述页岩地层模型内进行扩展有限元数值模拟，确定层理发育的页岩地层水力裂缝高度。优选地，所述地层参数包括：初始地应力场、初始渗流场、初始孔隙度与裂缝面滤失系数、层理数量与层理厚度。优选地，所述施工参数包括施工流体排量与施工流体粘度。优选地，所述岩石变形方程为：其中，Ω为积分空间，S为积分空间表面，pw为孔隙流体渗流压力，I为单位矩阵向量，为储层岩石中有效应力，为虚应变场，δv为岩石节点虚速度场，T为单位积分区域外表面力，f为不考虑流体重力的单位体积力，φ为岩石孔隙度；ρw为孔隙流体密度，g为重力加速度，δ为虚场量符号。优选地，所述流体渗流方程为：其中，Ω为积分空间，S为积分空间表面，φ为岩石孔隙度，n为与积分外表面的法线平行的方向；vw为岩石孔隙间流体流动速度，t为计算时间。优选地，所述裂缝面流体流动方程包括裂缝面切向流动方程与裂缝面切向流动方程。优选地，所述裂缝面切向流动方程为：q＝-kt▽p(3)其中，q为压裂液排量，kt为流动系数，p为流动压力；所述裂缝面法向流动方程为：qt＝ct(pi-pt)，qb＝cb(pi-pb)(5)其中，qt为流体在裂缝上表面的渗流流量，qb为流体在裂缝下表面的渗流流量，ct为流体在裂缝上表面的滤失系数，cb为流体在裂缝下表面的滤失系数，pt为流体在裂缝上表面的孔隙压力，pb为流体在裂缝下表面的孔隙压力，pi为Colesive裂缝单元中间面流体压力。优选地，所述层理作用准则包括：主裂缝与单个层理相交时止裂与界面滑移准则；裂缝穿越界面准则。优选地，所述主裂缝与单个层理相交时止裂与界面滑移准则为：当净压力相对小于摩擦应力时，滑动区域遵循公式(9)：其中，βs为滑动的相对长度，Π为相对净压力的量级；当净压力远大于1时，滑动区域遵循公式(10)：优选地，所述裂缝穿越界面准则为：其中，Cr为穿越函数，Kint为穿越应力强度系数，KIc为层理后面岩石的断裂韧度，α＝σhτm，σh为层理界面后面地层的相对最小水平应力，τm为水平界面的滑移部分的临界剪切应力。本专利技术具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本专利技术的特定原理。附图说明通过结合附图对本专利技术示例性实施例进行更详细的描述，本专利技术的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本专利技术示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。图1示出了根据本专利技术的层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法的步骤的流程图。图2示出了根据本专利技术的一个实施例的裂缝沿层理扩展时形成的最大拉应力云图。图3示出了根据本专利技术的一个实施例的多个页岩层理裂缝扩展初始模型。图4示出了根据本专利技术的一个实施例的裂缝在层理内扩展时裂缝高度图。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本专利技术。虽然附图中显示了本专利技术的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本专利技术而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本专利技术更加透彻和完整，并且能够将本专利技术的范围完整地传达给本领域的技术人员。图1示出了根据本专利技术的层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法的步骤的流程图。在该实施例中，根据本专利技术的层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法可以包括：步骤101，根据地层参数与施工参数，建立页岩地层模型；步骤102，根据流体渗流方程、岩石变形方程、层理作用准则与裂缝面流体流动方程，建立流固耦合数值方程；步骤103，根据流固耦合数值方程，在页岩地层模型内进行扩展有限元数值模拟，确定层理发育的页岩地层水力裂缝高度。在一个示例中，地层参数包括：初始地应力场、初始渗流场、初始孔隙度与裂缝面滤失系数、层理数量与层理厚度。在一个示例中，施工参数包括施工流体排量与施工流体粘度。在一个示例中，岩石变形方程为：其中，Ω为积分空间，S为积分空间表面，pw为孔隙流体渗流压力，I为单位矩阵向量，为储层岩石中有效应力，为虚应变场，δv为岩石节点虚速度场，T为单位积分区域外表面力，f为不考虑流体重力的单位体积力，φ为岩石孔隙度；ρw为孔隙流体密度，g为重力加速度，δ为虚场量符号。在一个示例中，流体渗流方程为：其中，Ω为积分空间，S为积分空间表面，φ为岩石孔隙度，n为与积分外表面的法线平行的方向；vw为岩石孔隙间流体流动速度，t为计算时间。在一个示例中，裂缝面流体流动方程包括裂缝面切向流动方程与裂缝面切向流动方程。在一个示例中，裂缝面切向流动方程为：q＝-kt▽p(3)其中，q为压裂液排量，kt为流动系数，p为流动压力；裂缝面法向流动方程为：qt＝ct(pi-pt)，qb＝cb(pi-pb)(5)其中，qt为流体在裂缝上表面的渗流流量，qb为流体在裂缝下表面的渗流流量，ct为流体在裂缝上表面的滤失系数，cb为流体在裂缝下表面的滤失系数，pt为流体在裂缝上表面的孔隙压力，pb为流体在裂缝下表面的孔隙压力，pi为Colesive裂缝单元中间面流体压力。在一个示例中，层理作用准则包括：主裂缝与单个层理相交时止裂与界面滑移准则；裂缝穿越界面准则。在一个示例中，主裂缝与单个层理相交时止裂与界面滑移准则为：当净压力相对小于摩擦应力时，滑动区域遵循公式(9)：其中，βs为滑动的相对长本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法，包括：根据地层参数与施工参数，建立页岩地层模型；根据流体渗流方程、岩石变形方程、层理作用准则与裂缝面流体流动方程，建立流固耦合数值方程；根据所述流固耦合数值方程，在所述页岩地层模型内进行扩展有限元数值模拟，确定层理发育的页岩地层水力裂缝高度。

【技术特征摘要】
1.一种层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法，包括：根据地层参数与施工参数，建立页岩地层模型；根据流体渗流方程、岩石变形方程、层理作用准则与裂缝面流体流动方程，建立流固耦合数值方程；根据所述流固耦合数值方程，在所述页岩地层模型内进行扩展有限元数值模拟，确定层理发育的页岩地层水力裂缝高度。2.根据权利要求1所述的层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法，其中，所述地层参数包括：初始地应力场、初始渗流场、初始孔隙度与裂缝面滤失系数、层理数量与层理厚度。3.根据权利要求1所述的层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法，其中，所述施工参数包括施工流体排量与施工流体粘度。4.根据权利要求1所述的层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法，其中，所述岩石变形方程为：其中，Ω为积分空间，S为积分空间表面，pw为孔隙流体渗流压力，I为单位矩阵向量，为储层岩石中有效应力，为虚应变场，δv为岩石节点虚速度场，T为单位积分区域外表面力，f为不考虑流体重力的单位体积力，φ为岩石孔隙度；ρw为孔隙流体密度，g为重力加速度，δ为虚场量符号。5.根据权利要求1所述的层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法，其中，所述流体渗流方程为：其中，Ω为积分空间，S为积分空间表面，φ为岩石孔隙度，n为与积分外表面的法线平行的方向；vw为岩石孔隙间流体流动速度，t为计算时间。6.根据权利要求1所述的层理发育页岩地层水力裂缝高度数值模拟方法，其中，所述裂缝面流体...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙志宇，苏建政，张汝生，刘长印，黄志文，郑惠光，李凤霞，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司，中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11