[發明專利]一種深層復雜構造頁巖非均勻應力場分布的計算方法有效

申請號：	202011410977.2	申請日：	2020-12-03
公開（公告）號：	CN112502700B	公開（公告）日：	2022-03-01
發明（設計）人：	任嵐;王潘;林然;趙金洲;吳建發;宋毅	申請（專利權）人：	西南石油大學
主分類號：	E21B49/00	分類號：	E21B49/00;G06F17/10;G06F17/16;G06F17/15;G06Q50/02
代理公司：	北京中索知識產權代理有限公司 11640	代理人：	唐亭
地址：	610500 四***	國省代碼：	四川;51
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摘要：
搜索關鍵詞：	一種深層復雜構造頁巖均勻力場分布計算方法
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【權利要求書】：

1.一種深層復雜構造頁巖非均勻應力場分布的計算方法，其特征在于，包括：

建立三維坐標系并設定水力裂縫群、巖石斷層以及地層參數，建立深層復雜構造頁巖物理模型；

分別將水力裂縫群、巖石斷層離散成水力裂縫離散單元與巖石斷層離散單元，再建立水力裂縫離散單元局部坐標系，并構造同類矩陣，獲得水力裂縫離散單元坐標、巖石斷層離散單元坐標；

建立水力裂縫離散單元局部坐標系包括：將水力裂縫群離散成N個單元，每段長度2a_i，分別以每段中心為原點建立水力裂縫離散單元局部坐標系；

根據水力裂縫離散單元坐標、巖石斷層離散單元坐標以及全局與局部坐標關系式，確定水力裂縫局部離散單元坐標、巖石斷層局部離散單元坐標；

根據水力裂縫局部離散單元坐標、巖石斷層局部離散單元坐標以及DDM建立綜合應力平衡方程組；

將綜合應力平衡方程組結合縫高修正方程與應力邊界條件，聯立求解，得到局部裂縫離散單元的法向位移、切向位移；

將局部裂縫離散單元的法向位移、切向位移進行求和，結合原地應力場與計算出的誘導應力進行線性疊加得到深層復雜構造頁巖非均勻應力場的應力分布，并繪制應力分布云圖；

全局與局部坐標關系式如下：

ξ_ij＝n_j(x_i-x_j)-l_j(y_i-y_j)

ζ_ij＝l_j(x_i-x_j)+n_j(y_i-y_j)

式中：ξ_ij、ζ_ij分別為沿離散斷層/裂縫群單元切向方向坐標值、沿離散斷層/裂縫群單元法向方向坐標值；l_j、n_j分別為裂縫j單元ζ軸與x軸和y軸夾角的余弦值；x_i、x_j分別為裂縫i單元與j單元全局坐標下橫坐標值；y_i、y_j分別為裂縫i單元與j單元全局坐標下橫坐標值；a_ij為裂縫i單元與j單元長度的1/2；

綜合應力平衡方程組如下：

式中：(σ_t)_i、(σ_n)_i分別為水力裂縫i單元在局部坐標系內所受切應力與正應力；分別為水力裂縫j單元在局部坐標系內的切向位移與法向位移；D_ij為三維修正系數；(K_s)_i為巖石斷層i單元切向剛度；(K_n)_i為巖石斷層i單元法向剛度；(A_tt)_ij、(A_nt)_ij、(A_tn)_ij、(A_nn)_ij分別為水力裂縫j單元切向位移何法向位移分別在i單元上引起的切向應力分量與法向應力分量，i、j取值1～N；

縫高修正方程如下：

式中：D_ij為三維修正系數；h_f為水力裂縫高度；d_ij為裂縫i單元與裂縫j單元間的距離；α、β為理論修正系數，其α＝1、β＝2.3；

應力邊界條件如下：

式中：T_i為斷層/裂縫群內殘余切向應力；P_i為斷層/裂縫群內殘余法向應力；S_i為斷層/裂縫群內殘余切向應變；C_i為斷層/裂縫群內殘余法向應變；(σ_t)_i、(σ_n)_i分別為水力裂縫i單元在局部坐標系內所受切應力與正應力；分別為水力裂縫j單元在局部坐標系內的切向位移與法向位移；

其中：將局部裂縫離散單元的法向位移、切向位移進行求和，結合原地應力場與計算出的誘導應力進行線性疊加得到深層復雜構造頁巖非均勻應力場的應力分布，并繪制應力分布云圖，包括：

根據局部裂縫離散單元的法向位移、切向位移進行求和解出地層誘導應力分量與地層誘導應變分量；

再將原始地應力場與誘導應力場進行線性疊加，即得到深層復雜構造頁巖非均勻應力場下任意點應力張量；

根據應力張量確定特征向量與特征值；

根據特征向量與特征值能夠確定坐標平面區域內任意一點疊加后的誘導應力大小與方向，并繪制坐標平面區域內非均勻應力場的應力分布云圖；

局部裂縫離散單元的法向位移、切向位移的求和公式如下：

Δσ_zz＝ν(Δσ_xx+Δσ_yy)

其中：

式中：u_x、u_y分別為x方向與y方向地層誘導應變分量；Δσ_xx、Δσ_yy、Δσ_zz、Δσ_xy分別為x方向地層應力分量、y方向地層應力分量、z方向地層應力分量、垂直于x方向的平面上沿y方向的應力分量；ν為地層泊松比；G為地層剪切模量；ξ_ij、ζ_ij為裂縫局部坐標值；l、n分別為裂縫單元j的ζ軸與x軸和y軸夾角的余弦值的和；l_j、n_j分別為裂縫單元j的ζ軸與x軸和y軸夾角的余弦值ζ為沿離散斷層/裂縫群單元法向方向坐標值；分別為水力裂縫j單元在局部坐標系內的法向位移與切向位移；F₁、F₂、F₃、F₄、F₅、F₆分別為Papkovitch函數偏導方程的6類各階偏導數，a_j為裂縫j單元半長。