[發明專利]一種基于數字巖心的頁巖力學參數快速計算方法

有效

• 申請號: 201710288425.0
• 申請日: 2017-04-27
• 公開（公告）號: CN107045580B
• 公開（公告）日: 2020-04-21
• 發明（設計）人: 曾青冬;姚軍;張磊;劉文政
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06Q50/02
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 楊樹云

1.一種基于數字巖心的頁巖力學參數快速計算方法，其特征在于，包括：

(1)構建頁巖礦物組分三維數字巖心

A、掃描頁巖結構，分析得到頁巖礦物結構圖，并計算脆性礦物的體積百分含量；

B、基于頁巖礦物結構圖，采用數字巖心構建方法構建頁巖礦物組分三維數字巖心；

(2)基于頁巖礦物組分三維數字巖心的有限元并行計算

C、對頁巖礦物組分三維數字巖心依次進行區域分解、離散化，得到若干個三維像素，每個三維像素被視為8節點的三線性有限元；

對頁巖礦物組分三維數字巖心依次進行區域分解、離散化，包括：

e、將頁巖礦物組分三維數字巖心按照大小進行均分，得到多個子區域，每個子區域界面滿足位移連續，每個子區域的弱形式如式(Ⅰ)所示：

∫_Γ(u(l)-v(l))f(l)dl＝0 (Ⅰ)

式(I)中，l是坐標變量，u(l)和v(l)表示相鄰子區域的位移，f(l)為有限元形函數；

f、對步驟e得到的每個子區域進行離散化，離散化后得到的每一個三維像素都看成是一個8節點的三線性有限元，每個三線性有限元由一種礦物質占據，各種礦物質的彈性模量和泊松比由已有的實驗數據給出；

D、對步驟C處理后的頁巖礦物組分三維數字巖心施加一個宏觀應變，使得該三維數字巖心彈性勢能最小，基于并行計算利用快速共軛梯度法求取由該宏觀應變引起的平均應力，求得整體頁巖的巖石力學參數，巖石力學參數包括頁巖體積模量、頁巖剪切模量、頁巖楊氏模量和頁巖泊松比。

2.根據權利要求1所述的一種基于數字巖心的頁巖力學參數快速計算方法，其特征在于，所述步驟A，通過CT或FIB-SEM掃描頁巖結構。

3.根據權利要求1所述的一種基于數字巖心的頁巖力學參數快速計算方法，其特征在于，所述步驟A，掃描頁巖結構，分析得到頁巖礦物結構圖，包括：

a、對頁巖樣品表面依次進行打磨、氬離子拋光；

b、采用CT或FIB-SEM掃描頁巖樣品，進行電子成像；

c、收集在掃描頁巖樣品形成電子顯微鏡成像中產生的X射線光譜，并將其與礦物質特征譜進行比對，得到每一像素點對應的礦物質，構建頁巖礦物結構圖；

d、計算脆性礦物的體積百分含量。

4.根據權利要求1所述的一種基于數字巖心的頁巖力學參數快速計算方法，其特征在于，所述頁巖礦物組分包括石英、白云石、方解石、鉀長石、斜長石、黃鐵礦和粘土，所述脆性礦物包括石英、白云石和方解石。

5.根據權利要求1所述的一種基于數字巖心的頁巖力學參數快速計算方法，其特征在于，所述步驟B，所述數字巖心構建方法包括過程模擬法、馬爾可夫隨機重建法。

6.根據權利要求1-5任一所述的一種基于數字巖心的頁巖力學參數快速計算方法，其特征在于，所述步驟D，包括步驟如下：

g、三維數字巖心的彈性勢能E_n的表達式如式(Ⅱ)所示：

式(Ⅱ)中，p,q,rs為數字巖心坐標系的x,y,z三個方向,d為積分符號，ε_pq和ε_rs分別為pq方向和rs方向的應變量，C_pqrs為彈性模量張量；

由于對稱性，應變張量ε包含6個獨立變量(ε_xx、ε_yy、ε_zz、ε_xy、ε_xz、ε_yz)，ε_xx、ε_yy、ε_zz、ε_xy、ε_xz、ε_yz分別是指各個方向的應變量，C_pqrs表示為C_αβ，α，β為x,y,z三個方向，如式(Ⅲ)、式(Ⅳ)所示：

式(Ⅲ)、式(Ⅳ)中，u_p是指p方向的位移，x_p是指p方向的坐標，u_q是指q方向的位移，x_q是指q方向的坐標；

C_pqrs表示為C_αβ，ε_pq表示為ε_α，ε_rs表示為ε_β，三維數字巖心的彈性勢能E_n的表達式式(Ⅱ)轉化為式(Ⅴ)：

要使三維數字巖心彈性勢能最小，必須滿足式(Ⅵ)：

式(Ⅵ)中，um是位移，m是指所有節點和所有方向；

采用快速梯度方法對式(Ⅵ)進行求解，基于MPI并行技術對各子區域進行有限元計算，計算得到各子區域的應力和應變，通過算術平均求得整體數字巖心的平均應力和平均應變；

K、基于三維數字巖心平均應變應力，計算得到頁巖體積模量、頁巖剪切模量、頁巖楊氏模量和頁巖泊松比：

頁巖體積模量的計算公式如式(Ⅶ)所示：

式(Ⅶ)中，σ₀為平均應力，σ_xx、σ_yy、σ_zz分別為x、y、z方向的正應力，K為頁巖體積模量，ε_xx、ε_yy、ε_zz分別為x、y、z方向的正應變；

頁巖剪切模量的計算公式如式(Ⅷ)所示：

σ_ij＝2με_ij (Ⅷ)

式(Ⅷ)中，σ_ij是指i,j方向的正應力，i,j分別為x、y方向，μ為頁巖剪切模量，εij為切應力；

頁巖楊氏模量的計算公式如式(Ⅸ)所示：

式(Ⅸ)中，E為頁巖楊氏模量；

頁巖泊松比的計算公式如式(Ⅹ)所示：

式(Ⅹ)中，ν為頁巖泊松比。