深水高温高压地层压裂裂缝三维扩展模型构建方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种深水高温高压地层压裂裂缝三维扩展模型构建方法，包括如下步骤：建立内聚区的裂缝扩展模型；建立高温高压压裂液的三维流动模型；在裂缝扩展模型和三维流动模型基础上，基于有限元对扩展后的三维裂缝进行计算，得到三维裂缝的尺寸数据、沿三维裂缝的压力分布数据和流量分布数据，以实现三维裂缝规模的控制和压力、流量的预测，所述尺寸数据包括三维裂缝的长、宽和高。本发明专利技术能够对三维裂缝的扩展形态进行模拟计算，指导压裂施工。指导压裂施工。指导压裂施工。

【技术实现步骤摘要】
深水高温高压地层压裂裂缝三维扩展模型构建方法及装置


[0001]本专利技术涉及石油开发
，具体是关于一种深水高温高压地层压裂裂缝三维扩展模型构建方法及装置。

技术介绍

[0002]海上油气开发过程中，压裂充填防砂是一种常用的复合防砂技术，对中、高渗透的地层既进行水力压裂后进行砾石充填，可以达到传统防砂工艺所不能达到的使油井既高产又控制出砂的最佳效果。
[0003]压裂是压裂充填的关键，而裂缝的几何形态和走向是影响压裂效果的主要因素，因此尽可能地准确描述水力压裂裂缝的几何形态对压裂充填设计有着重要意义。目前模拟压裂充填的模型较多，然而对于深水高温高压环境下的中高渗压裂过程，不能给出较好的模拟结果。一是，对于疏松/弱胶结等地质特征，常规基于线弹性断裂力学的压裂模型不能模拟岩石的大规模塑性形变。二是，基于弹塑性的模拟常用于理论上裂缝的扩展研究，如一维、二维的模拟裂缝形态的情况，对现场应用意义不大。对于裂缝扩展的研究，因为非线性力学问题，裂缝尖端奇异点的出现，常给模拟带来困难。内聚区理论的发展，给这类非线性问题提供了切实途径。
[0004]近年来，已发展了部分基于内聚区的裂缝扩展模型，但是大部分模型都偏向理论研究，温压条件、压裂液性质等都未考虑或计算，适用性较差，特别是在三维裂缝扩展上，还未有相关的研究。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种深水高温高压地层压裂裂缝三维扩展模型构建方法及装置，能够对三维裂缝的扩展形态进行模拟计算，指导压裂施工。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0007]本专利技术所述的深水高温高压地层压裂裂缝三维扩展模型构建方法，包括如下步骤：
[0008]建立内聚区的裂缝扩展模型；
[0009]建立高温高压压裂液的三维流动模型；
[0010]在裂缝扩展模型和三维流动模型基础上，基于有限元对扩展后的三维裂缝进行计算，得到三维裂缝的尺寸数据、沿三维裂缝的压力分布数据和流量分布数据，以实现三维裂缝规模的控制和压力、流量的预测，所述尺寸数据包括三维裂缝的长、宽和高。
[0011]所述的深水高温高压地层压裂裂缝三维扩展模型构建方法，优选地，所述建立内聚区的裂缝扩展模型包括如下步骤：
[0012]基于Mohr
‑
Coulomb屈服准则建立岩石弹塑性模型，具体为：
[0013]Mohr
‑
Coulomb屈服准则为：
[0014][0015][0016]其中，f为弹性屈服应力；c为内聚力；φ为内摩擦角；σ1，σ3均为地层应力分量；N
φ
为中间变量；
[0017]塑性势函数为：
[0018]g＝σ1‑
σ3W
ψ
[0019][0020]其中，ψ为膨胀角；N
ψ
为中间变量；g为塑性势函数；
[0021]根据增量塑性理论，建立弹塑性本构关系，岩石综合屈服条件表示为：
[0022]F＝F(f,g)＝F(σ,K
s
)
[0023]其中，K
s
为硬化函数；F为弹塑性屈服应力；f为弹性屈服应力；σ为地层应力；
[0024]基于总应变速率dε分解为弹性应变速率dε
e
和塑性应变速率dε
p
两个分量假设的弹塑性公式为：
[0025]dε＝dε
e
+dε
p
[0026]利用Hook定律将地层应力速率dσ和弹性应变速率dε
e
联系起来，得到岩石弹塑性模型如下：
[0027]dσ＝D
e
dε
e
＝D
e
(dε
‑
dε
p
)＝(D
e
‑
D
p
)dε
[0028]其中，D
e
为弹性矩阵；D
p
为塑性切线刚度矩阵；dσ为应力速率；dε为总应变速率；dε
e
为弹性应变速率；dε
p
为塑性应变速率；
[0029]其中，弹性应变量由胡克定律得到，塑性应变量采用相关联的流动法则求取：
[0030][0031]其中，dλ为塑性因子；
[0032]利用内聚区理论优化弹塑性模型，具体为：
[0033]针对塑性地层利用内聚区理论对尖端塑性的非线性进行处理，张力
‑
位移关系采用双线性模型，随着张开量的增大，内聚力线性增加，在张开量的临界点达到最大抗拉强度，此时微裂缝开始产生，之后内聚力随着张开量的增大而减小直到消失，界面完全分离，裂缝开始扩展；张力
‑
位移曲线所围成的面积等于断裂能；其中，断裂能G
IC
与岩石断裂韧度K
IC
的关系为下式：
[0034][0035]其中，K
IC
为岩石断裂韧度；G
IC
为断裂能；E为弹性模量；v为泊松比；T为内聚力；T
max
为最大抗拉强度；Δ为裂缝张开量；Δel为张开量临界点；Δ
IC
为界面完全分离张开量。
[0036]所述的深水高温高压地层压裂裂缝三维扩展模型构建方法，优选地，所述建立高温高压压裂液的三维流动模型包括以下步骤：
[0037]计算压裂液滤失，具体为：
[0038][0039][0040]其中，q1为滤失速度；
p
为压力；η为界面位置参数，其中滤失速度q1与压裂液流变性、压力
p
、油藏流体的压缩系数和界面位置参数η相关；k为地层渗透率；μ
a
为流体视粘度；φ为地层孔隙度；c为总压缩系数；x为沿裂缝长度位置；t为时间；α1为水力扩散系数；
[0041]计算压裂液流变性质，具体为：
[0042]当压裂液为幂律流体时，流体的视粘度为：
[0043][0044][0045]其中，μ
a
为流体视粘度；n为流变指数；K为稠度系数，与温度、压力相关；q为流量；H为裂缝高度；W为裂缝宽度；K
a
为流动时的稠度系数；
[0046]计算热应力，具体为：
[0047]由于高温高压产生的热应力冲击会造成裂缝宽度的增加，热应力计算如下：
[0048]σT＝f(T
w
，T
r
，B
f
，B
r
)＝a(B
r
‑
B
f
)f(T
r
，T
w
)
[0049]其中，σ
T
为热应力；a为热应力系数，B
r
为岩石热膨胀系数，B
f
为压裂液热膨胀系数，T
r
,T
w
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深水高温高压地层压裂裂缝三维扩展模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：建立内聚区的裂缝扩展模型；建立高温高压压裂液的三维流动模型；在裂缝扩展模型和三维流动模型基础上，基于有限元对扩展后的三维裂缝进行计算，得到三维裂缝的尺寸数据、沿三维裂缝的压力分布数据和流量分布数据，以实现三维裂缝规模的控制和压力、流量的预测，所述尺寸数据包括三维裂缝的长、宽和高。2.根据权利要求1所述的深水高温高压地层压裂裂缝三维扩展模型构建方法，其特征在于，所述建立内聚区的裂缝扩展模型包括如下步骤：基于Mohr
‑
Coulomb屈服准则建立岩石弹塑性模型，具体为：Mohr
‑
Coulomb屈服准则为：Coulomb屈服准则为：其中，f为弹性屈服应力；c为内聚力；φ为内摩擦角；σ1，σ3均为地层应力分量；N
φ
为中间变量；塑性势函数为：g＝σ1‑
σ3N
ψ
其中，ψ为膨胀角；N
ψ
为中间变量；g为塑性势函数；根据增量塑性理论，建立弹塑性本构关系，岩石综合屈服条件表示为：F＝F(f,g)＝F(σ,K
s
)其中，K
s
为硬化函数；F为弹塑性屈服应力；f为弹性屈服应力；σ为地层应力；基于总应变速率dε分解为弹性应变速率dε
e
和塑性应变速率dε
p
两个分量假设的弹塑性公式为：dε＝dε
e
+dε
p
利用Hook定律将地层应力速率dσ和弹性应变速率dε
e
联系起来，得到岩石弹塑性模型如下：dσ＝D
e
dε
e
＝D
e
(dε
‑
dε
p
)＝(D
e
‑
D
p
)dε其中，D
e
为弹性矩阵；D
p
为塑性切线刚度矩阵；dσ为应力速率；dε为总应变速率；dε
e
为弹性应变速率；dε
p
为塑性应变速率；其中，弹性应变量由胡克定律得到，塑性应变量采用相关联的流动法则求取：其中，dλ为塑性因子；利用内聚区理论优化弹塑性模型，具体为：
针对塑性地层利用内聚区理论对尖端塑性的非线性进行处理，张力
‑
位移关系采用双线性模型，随着张开量的增大，内聚力线性增加，在张开量的临界点达到最大抗拉强度，此时微裂缝开始产生，之后内聚力随着张开量的增大而减小直到消失，界面完全分离，裂缝开始扩展；张力
‑
位移曲线所围成的面积等于断裂能；其中，断裂能G
IC
与岩石断裂韧度K
IC
的关系为下式：其中，K
IC
为岩石断裂韧度；G
IC
为断裂能；E为弹性模量；v为泊松比；T为内聚力；T
max
为最大抗拉强度；Δ为裂缝张开量；Δel为张开量临界点；Δ
IC
为界面完全分离张开量。3.根据权利要求1所述的深水高温高压地层压裂裂缝三维扩展模型构建方法，其特征在于，所述建立高温高压压裂液的三维流动模型包括以下步骤：计算压裂液滤失，具体为：滤失，具体为：其中，q1为滤失速度；p为压力；η为界面位置参数，其中滤失速度q1与压裂液流变性、压力p、油藏流体的压缩系数和界面位置参数η相关；k为地层渗透率；μ
a
为流体视粘度；φ为地层孔隙度；c为总压缩系数；x为沿裂缝长度位置；t为时间；α1为水力扩散系数；计算压裂液流变性质，具体为：当压裂液为幂律流体时，流体的视粘度为：当压裂液为幂律流体时，流体的视粘度为：其中，μ
a
为流体视粘度；n为流变指数；K为稠度系数，与温度、压力相关；q为流量；H为裂缝高度；W为裂缝宽度；K
a
为流动时的稠度系数；计算热应力，具体为：由于高温高压产生的热应力冲击会造成裂缝宽度的增加，热应力计算如下：σ
T
＝f(T
w
,T
r
,B
f
,...

【专利技术属性】
技术研发人员：李中，黄辉，文敏，侯泽宁，邱浩，马楠，潘豪，闫新江，陈欢，周生田，杨蕾，
申请(专利权)人：中海石油中国有限公司北京研究中心，
类型：发明
国别省市：