[發明專利]巖石力學層約束下的低滲透儲層不同尺度裂縫定量預測方法

有效

• 申請號: 202110819404.3
• 申請日: 2021-07-20
• 公開（公告）號: CN113534291B
• 公開（公告）日: 2023-02-07
• 發明（設計）人: 馮建偉;渠繼航;高翔;劉善偉;錢品淑
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G01V11/00
• 分類號: G01V11/00
• 代理公司: 北京匯澤知識產權代理有限公司 11228
• 代理人: 關宇辰

1.一種巖石力學層約束下的低滲儲層不同尺度裂縫定量預測方法，步驟如下：

步驟1：建立單井裂縫發育地質模式

步驟2：依據砂層組建立連井地層對比格架，由單井裂縫統計結果繪制連井裂縫發育地質模式；并根據裂縫規模及其控制界面劃分三級裂縫尺度

步驟3：進行巖石力學實驗、力學參數測井解釋及動－靜態校正

步驟4：參考裂縫尺度劃分表征，制定巖石力學層三級結構劃分標準，確定單元界面類型，完成巖石力學層模型、斷層模型、儲層地質模型及三維地質力學模型構建

步驟5：關鍵造縫期確定及三維古應力場模擬：基于步驟4建立的三維地質力學模型和關鍵造縫期古應力測試結果，進行彈塑性有限元三維應力場模擬

步驟6：建立軟硬互層巖石多級破裂準則；步驟6具體方法如下：

(1)、根據巖石力學理論，層狀復合巖石的破壞是一個逐次進行的過程，當處于三向應力狀態下時，將互層巖石的變形和破壞方式分為界面滑移型、夾層破壞型、基質破壞型和整體破壞型四種類型；

(2)、巖體處于三向應力狀態下，有σ₁≥σ₂≥σ₃，其中σ₁、σ₂、σ₃分別為最大主應力、中間主應力和最小主應力，如果最小主應力σ₃0時，即σ_y方向為拉張應力狀態，首先，判別不同傾角下巖石力學層界面的破裂方式，此種應力環境下，當σ₃或σ_y方向與地層的夾角為45°-90°時，復合或互層巖體位于層面拉張破裂、拉-剪破裂或剪切破裂可能范圍內，采用拉張-剪切復合破裂準則，即先用拉伸破裂準則判斷巖石是否發生拉張破裂，如果不能達到巖石的拉張破裂條件，再用莫爾-庫侖準則判斷是否會發生剪切破裂：

式中：F^t為巖石發生拉張破裂應力條件，MPa；F^s為巖石無法發生拉張破裂后發生剪切破裂的應力條件，MPa；為內摩擦角，°；σ_t為層面的抗張強度，MPa；巖石的抗張強度隨著圍壓σ₁或σ₂的增加而增大，符合以下線性關系：σ_tc＝σ_t0+2μP，其中σ_tc為圍壓下的抗張強度，MPa；σ_t0為圍壓為零時的抗張強度，MPa；μ為巖石的泊松比，無量綱，P為圍壓，MPa，即σ₁或σ₂；

(3)、如果巖體處于三向擠壓應力狀態下，即σ₁≥σ₂≥σ₃＞0，當σ₁或σ_x方向與地層的夾角為45°-75°時，復合或互層巖體位于層面剪切破裂可能范圍內，此時采用莫爾－庫侖準則判別層面是否發生滑移破壞：

式中：C_j，分別為層面的內聚力和內摩擦角，GPa，°；φ為層面傾角或水平擠壓力σ₁與地層的夾角，°；

(4)、其次，判斷基質的破裂狀態，巖體處于三向應力狀態下，最小主應力σ₃0，且當σ₃或σ_y方向與地層的夾角為0°-45°時，基質位于拉張破裂、拉-剪破裂可能范圍內，對于脆性砂巖采用格里菲斯破裂準則：

當(σ₁+3σ₃)＞0時，破裂準則為：

當(σ₁+3σ₃)≤0時，破裂準則為：

τ＝0，σ₃＝-σ_T

式中：σ_T為巖石的抗拉強度，MPa；τ為張性破裂角，°；對于發生脆性破壞的軟弱巖體，泥巖“臨界工作應力值”應控制在麥克林托克和瓦爾斯修正的格里菲斯脆性破壞條件內：

式中：σ_III為巖石的三軸抗壓強度，MPa；f為巖石強度參數，有K為三軸壓縮下的巖性軟弱系數，其中砂巖類K在1-4.5之間，泥巖類在4.5-7之間；

(5)、再次，巖體處于三向擠壓應力狀態下，即σ₁≥σ₂≥σ₃＞0，當水平擠壓力σ₁或σ_x方向與地層的夾角為0°-45°和75°-90°時，基質位于剪切破裂可能范圍內，對于脆性砂巖采用兩段式莫爾-庫侖破裂準則：

根據試驗結果繪出莫爾應力圓，提取包絡線形態，得到兩段式莫爾-庫侖曲線，對于脆性砂巖σ₀＝5MPa，σ₀為分界圍壓值，圍壓小于該值時，內摩擦角較大，破裂角減小，張性破裂為主，圍壓大于該值時，內摩擦角變小，破裂角增大，由張性破裂逐漸變為張剪性至壓剪性破裂；

(6)、而三向擠壓應力狀態下，對于泥巖則采用德魯克-普拉格彈塑性屈服準則和塑性硬化準則判別巖石的屈服臨界狀態和破裂狀態，德魯克-普拉格彈塑性屈服準則認為當材料的最大形狀變形能達到某一常數時，材料就屈服并進入塑性狀態：

其中I₁＝σ₁+σ₂+σ₃為應力第一不變量，

為應力第二不變量，其中σ_x、σ_y、σ_z分別為x軸方向、y軸方向、z軸方向上的應力分量，τ_xy、τ_yz、τ_zx分別為xy平面、yz平面、zx平面上的剪應力分量；α，K_a為僅與巖石內摩擦角和內聚力有關的實驗常數，

(7)、根據步驟(6)，當泥巖發生屈服后，仍然有可能發生破裂，分兩種情況進行判斷，當泥巖變形的應力-應變曲線符合理想彈塑性本構材料關系時，進入初始無限塑性狀態即預示巖石很難發生規模性破壞，主要以發生持續塑性變形為主，而當泥巖變形的應力-應變曲線符合硬化彈塑性本構材料關系時，破壞面是硬化面和軟化面的分界面，大致相當遠峰值屈服面，或者說破壞是塑性變形過程發展的最終結果，這樣，首先根據巖石峰值應力p-q塑性屈服曲線，確定出適合泥巖的屈服破壞準則：

式中，α_p為硬化函數，即塑性變形破壞過程中屈服面將隨著硬化函數演變，C₀和A分別是巖石的內聚力和內摩擦系數，通過力學實驗獲得，其中為內摩擦角，°，這里為保證參數A無量綱，設置P₀＝1MPa，又σ_1p為不同圍壓σ₃下的泥巖峰值應力，與砂巖的σ_c相當，σ_ij為加載過程中的應力偏量，MPa；δ_ij為克羅內克符號，對于硬化函數α_p表達如下：

式中，α_p⁰為硬化函數初始值，可由初始屈服點予以確定，當α_p＝1表示巖石達到了宏觀破壞時的硬化狀態，故其取值范圍為b為硬化參數，表示巖石的塑性硬化率，可基于硬化函數α_p和塑性應變量γ_p的關系來確定，b值越小，α_p變化越快，且逐漸趨近于1，為塑性應變增量偏張量，為塑性總應變量，ε^p為塑性體積塑性應變量，γ_p為等效剪切塑性應變量，tr(ε^p)表示矩陣ε^p的跡；

(8)、由于實際巖石力學實驗表明，地下真實巖石極少表現為理想彈塑性材料，絕大多數屬于硬化彈塑性材料，當實際巖樣缺少導致實驗數據較少時，可以采用另一種王洪才修正的莫爾-庫侖準則來判斷彈塑性泥巖的破壞與否：

式中，為巖石隨內變量k_b變化的內摩擦角，c(k_b)為巖石隨內變量k_b變化的內聚力，有：k_b＝ε₁^p+ε₂^p+ε₃^p，ε_i^p＝ε_i-ε_i^e，i＝1、2、3，式中ε_i^e，i＝1、2、3分別為三個主應力軸上的彈性主應變，可在Ansys應力場模擬結果中直接提取；

(9)、最終，判斷基質中裂縫的擴展或延伸情況，不管在砂巖還是泥巖中產生的破裂都有產狀，基于多級復合破裂準則，獲得裂縫的走向和傾角產狀數據，在三維空間中，裂縫的傾角和走向要采取投影計算的方法來確定，Ansys坐標系的X軸與大地坐標的X軸重合，Z軸與大地坐標的Y軸負方向重合，Y軸和大地坐標的Z軸重合，因此若裂縫面法線方向向量在整體坐標系下的方向余弦已經確定為其中l、m、n分別為在x軸方向、y軸方向、z軸方向上的分向量，將投影到xoz平面，其投影線與z軸負方向的夾角為α_z，則有α_z＝arctan(-l/n)，走向角α_d可確定：

若0≤α_z＜90°，α_d＝90°-α_z

若-90°＜α_z＜0，α_d＝(-90°-α_z)+360°

從地質角度看，裂縫傾角應是裂縫破裂面與xoz平面的夾角，也就是平面lx+my+nz＝0與平面y＝0之間的夾角，范圍為0°≤α_dip＜90°，其計算式為：

在Ansys三維坐標系中，裂縫傾角是裂縫表面與XY平面的夾角，也就是平面lx+my+nz＝0與平面y＝0之間的夾角α_dip，其計算式為：

(10)、由步驟(9)計算出裂縫走向和傾角α_dip，當α_dip＞15°時，則認為裂縫并非是水平縫，因此就有可能向上、下兩側延伸并穿透層面進入基質中，根據斷裂力學理論，裂縫在外力的作用下擴展形式可分為三種：張開型(I)、滑開型(II)和撕開型(III)，大量巖心觀察證明，地下互層地層中擴展形成的裂縫主要表現為張開型、滑開型或張開-滑開復合型，又由于互層型巖石內裂縫的擴展不僅要考慮巖性之間的差異，還涉及到巖性界面的塑性變形，為避免這一復雜力學變形造成的影響，對形狀改變比能密度準則進行修正后，在柱面坐標系或極坐標系中，來有效判斷裂縫尖端的擴展或穿透情況，用S_d表示裂縫尖端形狀改變比能密度場的強度：

S_d＝C₁₁K_I²+2C₁₂K_IK_II+C₂₂K_II²

其中，

式中，K_I、K_II為應力強度因子，其值越大，裂縫失穩的趨勢越大；θ為裂縫尖端極坐標角度，rad；β為已有裂縫與主應力的夾角；G為剪切彈性模量，GPa；μ為泊松比；S_dmin為裂縫抵抗擴展的斷裂韌性參數S_dc的最小值；裂縫沿著形狀改變比能密度場的強度S_d最小的地方開裂，θ＝θ₀，當該處S_dmin達到臨界值S_dc時，裂縫就開始擴展，判據為：

由Ansys軟件計算得到，S_dc為裂縫抵抗擴展的斷裂韌性參數，通過斷裂韌度K_IC計算得到，θ₀為裂縫開始擴展的破裂角，°；

(11)、在步驟(10)判別垂向上裂縫是否擴展并穿透層面和應力場模擬的基礎上，將計算模型編寫成APDL語言程序，植入Ansys有限元模擬軟件中，首先選取靠近巖性界面附近的節點N₁，采用復合巖石多級破裂準則判斷這些點是否破裂，如果已經破裂，則確定破裂性質和傾角α_dip，同時搜索附近相鄰的節點N₂、N₃、N₄、N₅、N₆，也判斷破裂性質和傾角，如果與節點N₁情況相近認為屬于同一條裂縫，將裂縫長度簡化設置為此兩個節點之間的距離a_d，其次，讀出Ansys應力場中極坐標下節點N₁的應力分量，計算裂縫尖端應力強度因子K_I、K_II和形狀改變比能密度場的強度S_d，并確定該點的擴展破裂角θ₀，在裂縫偏轉方向的巖性界面或另一側巖石中找到下一個節點N₇，再次提取應力分量并判斷是否開裂，從而用節點應力外推法求解并確定出同一條裂縫的連續節點，直到節點不再開裂為止；

步驟7：在Ansys三維應力場模擬的基礎上，結合步驟6中復合巖石多級破裂準則推導低滲砂巖及層面的裂縫體密度力學模型

步驟8：基于破裂準則、屈服準則、裂縫密度和開度力學模型，計算得到裂縫的體密度、線密度和開度值，從而完成低滲儲層不同尺度裂縫的三維定量預測。