CN110286421B - 一种致密砂岩储层天然裂缝建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种针对致密砂岩储层中天然裂缝的建模方法，包括以下步骤：1)识别单井裂缝与断层破碎带内部结构；2)基于沉积相控与断裂地震解释，采用确定性与多种随机性算法相结合的建模方法，建立岩相‑构造耦合下基质地质模型；3)在岩相‑构造耦合基质地质模型约束下，采用序贯指示模拟结合垂向概率体的趋势建模方法，建立三维非均匀岩石力学模型；4)对三维非均匀岩石力学模型进行有限元数值模拟，获取三维空间应力场模型；5)通过建立应力场与裂缝参数间关系，采用离散裂缝网络建模的方法建立裂缝模型。本发明能够准确的对天然裂缝在地下的空间展布进行很好的描述，可广泛适用于非常规储层裂缝建模领域。
Description
技术领域
本发明涉及非常规储层表征与建模领域，是一种针对致密砂岩储层中天然裂缝的建模方法。
背景技术
致密砂岩储层中，孔喉半径小，孔隙空间有限，天然裂缝成为这类非常规储层中油气运移与储集的通道与场所。因此，明确天然裂缝在地下储层中的空间分布是核心内容，对天然裂缝进行建模是最为立体直观展现天然裂缝空间分布的手段，同时，为后期进行油藏数值模拟建立准确的裂缝-基质模型。天然裂缝建模一直是世界上存在的难题，时至今日，通过地球物理手段对地下天然裂缝进行识别与建模是最为直接的方法。但由于裂缝存在多尺度的问题，从地球物理手段进行建模存在局限于单井，同时空间上仅能对较大尺度的裂缝进行识别的问题，本文提出一种基于断层破碎带地质概念模式指导下，从裂缝发育力学成因入手，借助有限元数值模拟的方法，通过模拟应力场的空间分布，建立离散裂缝网络模型的方法。是一种从机理角度，建立真实地层下天然裂缝网络模型的方法。
进行有限元数值模拟，准确的非均质岩石力学模型是关键。从沉积-构造同时控制储层形成角度入手，首先建立岩相-构造耦合下的基质地质模型，对非均质岩石力学模型进行约束。致密砂岩储层中，天然裂缝往往发育在断层等构造部位区域，因此，断层破碎带的内部结构制约着天然裂缝的空间发育；同时，在远离断层区域，天然裂缝的发育受控于岩石力学性质的差异性，受岩相控制作用明显。以往的模型中，更多注重将沉积或岩相的空间分带性刻画的较为详细，断层仅作为一个二维的存在。本次发明中，将断层考虑成体，将断层破碎带的分带性与岩相分布的分带性进行耦合，建立岩相-构造耦合下的基质地质模型。
在传统连续性属性建模过程中，往往是基于沉积相控下的序贯高斯模拟算法，存在相带边界条件控制范围过大，垂向分辨率较低的问题。在本次发明中，是在岩相-构造耦合下的基质地质模型约束下，将平面模拟效果较好的序贯高斯算法，和垂向模拟效果较好的垂向概率体方法，通过趋势建模的方法进行整合，建立起准确的非均质岩石力学模型。
以往对地质模型进行有限元数值模拟，其地质模型多为均一岩石力学分布，或仅断层处做特殊赋值的方法进行。本文将前期获得的三维非均质岩石力学模型通过网格赋值法进行力学模型的建立，模拟了非均质储层状态下应力场的空间分布，更为真实的反应了地下应力的空间分布状态。
将岩石破裂时释放的应变能与岩石破裂时新增的表面积通过能量守恒建立联系，进而对裂缝密度等参数进行基于应力场的空间计算，最后采用离散裂缝网络建模方法建立裂缝模型。该方法真正从裂缝形成力学机理角度出发，对裂缝空间分布进行刻画。
发明内容
本发明的目的是为了建立一种对沉积和构造共同控制下所形成的强非均质储层，进行基于应力场模拟的裂缝建模方法。能够更为准确的描述地下天然裂缝的空间分布，建立起更符合实际地质情况的裂缝模型。
本发明通过以下步骤实现：
步骤一，识别裂缝与断层破碎带内部结构。通过岩心和测井对单井裂缝和断裂带内部结构进行定量描述，确定裂缝密度参数和断裂带内部结构样式。获取裂缝密度参数主要依据岩心上的观察与测量；断裂带内部结构的刻画主要依据白云岩化作用的强弱，结合裂缝密度进行判断。
步骤二，构建沉积-构造耦合下的基质地质模型。构造方面，不同于将断层建成面，而是建成体。按照识别的断层破碎带内部结构，建立断层破碎带模型；沉积方面，考虑岩相差异是造成岩石力学空间差异的主要因素，建立沉积相带控制下的岩相模型。该模型的建立一改以往构造模型断层处的处理方式，真正还原了模型的真实状态，将构造引起的分带性与沉积引起的分带性进行耦合，反映真实储层非均质性特征。
步骤三，建立三维非均质岩石力学模型。在沉积-构造耦合下的基质地质模型约束下，采用多种随机模拟算法，建立三维非均质岩石力学模型。平面上，采用序贯高斯模拟算法，分不同沉积-构造耦合相带进行约束，取多次模拟后的算术平均，进行平面模型的建立；垂向上，采用概率体的建模方法，对不同岩石力学属性(密度、泊松比和杨氏模量)建立概率分布进行约束，增加模型垂向上的分辨率；采用趋势建模的方法将序贯指示与概率体进行融合，建立能够反映真实地下情况的三维非均质岩石力学模型。
步骤四，对三维非均质岩石力学模型进行有限元数值模拟。在岩石力学模型的基础上，依次经过网格划分、载荷施加、位移约束，最后进行有限元求解，获取空间应力场的分布。
步骤五，基于应变能与表面能理论，运用能量守恒的原理，将应力场与裂缝密度建立联系。将求解计算获得的密度作为输入参数，采用离散裂缝网络建模方法建立裂缝模型。
在上述技术方案中，所述步骤一中，断层破碎带的内部结构包括断层核部、两侧的诱导裂缝带以及原状地层。
在上述技术方案中，所述步骤二中，对断层体的建立采用分段建模的方法，中间用面进行边界划分，并对断层体区域网格进行加密处理；非断层区域采用相控的方式，采用沉积微相边界条件去控制岩相的分布。
在上述技术方案中，所述步骤三中，所有随机模拟方法均基于密井网的单井岩石力学解释，首先进行序贯指示算法模拟建模，再进行概率体的建模，最后将两个模型，用趋势建模中的多元线性回归方法进行融合。
在上述技术方案中，所述步骤四中，运用的大型有限元软件Ansys中的MechanicalAPDL模块，很好的将地质模型、力学模型与数学模型有机结合在一起，实现了对复杂强非均质地质体的有限元求解。
在上述技术方案中，所述步骤五中，由于研究区既存在张裂缝又存在剪裂缝，不同裂缝类型遵循不同的破裂准则，张裂缝遵循格里菲斯破裂准则，剪裂缝遵循库伦-摩尔破裂准则。因此在计算裂缝密度时，分不同的裂缝类型进行计算。
本发明致密砂岩储层天然裂缝建模方法，具有以下效益成果：真正将沉积与构造共同控制下的储层非均质性进行了建模，一改以往仅将构造断层简化成面的思想，准确构建了断层破碎带的内部结构，并与非断层区域沉积控制下的岩相模型进行耦合，更加合理的描述了储层的非均质性，为后期进行有限元数值模拟提供了更为准确的岩石力学模型。同时，从裂缝形成力学机理角度入手，运用岩石破裂瞬间释放的能量与裂缝新增表面积之间的关系，计算获取空间裂缝密度分布。从成因入手，更好的表征了各类尺度下裂缝的分布，增加了储层裂缝预测与建模的精度，有助于后期水力压裂与井位部署。
附图说明
图1为一种致密砂岩储层天然裂缝建模方法流程示意图；
图2为本发明致密砂岩储层天然裂缝建模方法中断层破碎带地质概念模型；
图3为本发明致密砂岩储层天然裂缝建模方法中构建的沉积-构造耦合基质地质模型；
图4为本发明致密砂岩储层天然裂缝建模方法中在图3约束下建立的三维非均质岩石力学模型；
图5为本发明致密砂岩储层天然裂缝建模方法中对图4进行有限元数值模拟获取应力云图；
图6为本发明致密砂岩储层天然裂缝建模方法中基于图5模拟结果，通过建立应力场与裂缝密度间关系获取的裂缝密度模型；
图7本发明致密砂岩储层天然裂缝建模方法中建立的离散裂缝网络模型；
具体实施方式
下面结合附图及本发明所应用的实作进一步的详细描述，但该实例不应作为对本次发明的限制。
图1为一种致密砂岩储层天然裂缝建模方法流程示意图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤一，识别裂缝与断层破碎带内部结构；
步骤二，构建沉积-构造耦合基质地质模型；
步骤三，建立三维非均质岩石力学模型；
步骤四，进行有限元数值模拟；
步骤五，建立应力场与裂缝密度间关系；
步骤六，进行离散裂缝网络建模；
接下来结合具体实例，对上述每一步骤进行解释说明。
步骤一，根据实地野外露头考察，取心井岩心观测，测井与地震响应特征的研究，断层破碎带内部结构如图2所示；划分出了典型的“二元结构”，包括位于中间的断层核部，两侧的诱导裂缝带，诱导裂缝带外侧为原状地层区域。结合露头、取心井与测井裂缝解释资料，在断层核部区域，岩层破碎程度较大，裂缝发育密度中等；在诱导裂缝带区域，岩层未发生较明显破碎，裂缝发育密度较大；在原状地层部位，根据距离断层滑移面的距离，裂缝密度成反比关系，同时在不同岩性下，裂缝的发育程度也不同，呈现岩石颗粒粒度越细，裂缝发育程度越好的现象，且砂岩发育裂缝情况整体好于泥岩。
步骤二，用两个边界对断层破碎带的内部分带结构进行划分，同时与沉积相的边界进行耦合，采用确定性建模方法，建立起完整的沉积-构造耦合下组合模型。非断层区域，分五种沉积相类型(河道、辫状河道间、河道前缘砂坝、朵叶体、半深湖相)，采用序贯指示模拟算法，进行沉积相控下的岩相模型的建立，主要划分了六种岩相类型，分别是：泥岩、粉砂岩、细砂岩、中细砂岩、中粗砂岩和砂砾岩，最终建立沉积-构造耦合基质地质模型图3。
步骤三，采用地质约束结合多种随机建模方法的形式建立岩石力学模型。在沉积-构造耦合基质地质模型的约束下，依次进行序贯高斯随机模拟，概率体建模和趋势建模。序贯高斯随机模拟采用多次模拟结果取算术平均的方法；概率体建模突出垂向分辨率高的优势建立垂向概率体；通过趋势建模的线性拟合，将序贯高斯随机模拟结果与概率体建模结果进行融合，建立平面、垂向精度更高的三维非均质岩石力学模型图4。
步骤四，对建立的非均质岩石力学模型进行有限元数值模拟，获取应力场模型图5。首先进行网格划分，单元类型选择Soild187，对断层破碎带和破碎带与原状地层交界处进行小步长的精细划分，对其他区域选择较大步长的划分，以缩短整体运算时间；之后进行边界条件的施加，分为两部分，分别为载荷施加和位移约束；为模拟主要造缝期所受力状态，载荷施加上，对模型左上和右下边界施加32MPa力，左下和右上边界施加68MPa力；同时为了模拟所受到的右旋剪切应力，对模型的左上角和右下角施加一组垂直于最大主应力方向的剪切力9MPa；同时施加自身重力，重力加速度取9.8m/s2；位移约束上，为防止模型施加载荷后发生刚***移，对模型的底面施加Z方向的位移约束，并对模型的左角与右角施加X，Y方向的位移约束。
步骤五，建立应力场与裂缝密度间关系，计算获取裂缝密度模型图6。有限元数值模拟后可以获得整个模型的应力、应变和能量的空间分布。利用岩石在破裂前在体内会积聚能量，破裂时会释放应变能用于抵消新增裂缝表面积之间的关系，进而进行裂缝密度的计算。其计算过程主要分为两步，首先计算积聚在岩石内部的应变能密度：
式中，
为应变能密度，J/m3；
μ为泊松比，无量纲；
σ1,σ2,σ3分别为最大、中间和最小主应力，MPa；
岩石发生脆性破裂的时候会释放应变能，用于抵消新增裂缝表面能和弹性波能的逸散，忽略微小的弹性波能，运用能量守恒定律，裂缝密度为：
式中，Dvf为裂缝体密度，m2/m3；
J为单位面积裂缝产生所需要能量，即裂缝表面能，J/m2；
Sf为新形成裂缝表面积，m2；
a,b为相关系数。
步骤六，进行离散裂缝网络建模图7。将计算获取的裂缝密度模型作为输入参数，裂缝形态设置为边数为4，延伸率2的长方形面片状，其中裂缝长度服从Power law；裂缝产状设置，方位服从应力场模拟水平最大主应力方向，倾角服从于Kent模型，基于岩心统计，均值倾角设为78°，集中度设为40；基于岩心和薄片裂缝开度数据，设置裂缝开度服从Powerlaw，裂缝渗透率设置与开度相关；裂缝空间分布服从裂缝密度模型；随机种子点设置17861，建立离散裂缝网络模型。
本发明所建立的天然裂缝模型，能够更为准确的表征强非均质储层中天然裂缝的空间分布。并且，从裂缝力学形成机理角度入手，很好体现了沉积与构造的耦合作用对天然裂缝空间分布的影响。从而为后期水力压裂，井位部署，提供准确的天然裂缝模型。
说明书中所述内容及具体事例，相关领域人员可以对本发明进行任何改动与变型，并不用限定本发明的限定范围。未脱离本发明精神和范围，进行的修改、变型等，则本发明也包含这些修改与变型在内。
Claims (5)
1.一种致密砂岩储层天然裂缝建模方法，其特征在于还包括按照下述方法步骤进行：
(1)识别单井裂缝与断层破碎带内部结构；
(2)在沉积相控和断裂解释基础上，采用确定性与随机性相结合的建模方法，建立沉积-构造耦合下基质地质模型；
(3)在沉积-构造耦合下基质地质模型的约束下，采用序贯指示模拟结合垂向概率体的趋势建模方法，建立三维非均质岩石力学模型；将沉积-构造耦合基质地质模型分不同的相带进行约束，作为对单井岩石力学进行空间分布的边界控制，将对平面模拟具有优势的序贯高斯模拟算法，和对垂向模拟具有优势的概率体建模方法，通过趋势建模的线性拟合方法进行综合运用，建立三维非均质岩石力学模型；
(4)对三维非均质岩石力学模型进行有限元数值模拟，获取三维空间应力场模型；
(5)通过建立应力场与裂缝参数间关系，采用离散裂缝网络建模方法建立裂缝模型。
2.根据权利要求1所述的致密砂岩储层天然裂缝建模方法，其特征在于所述的步骤(1)中，识别单井裂缝与断层破碎带内部结构，通过岩心与测井资料，基于白云岩化程度的强弱，裂缝密度与开度的统计数值，对裂缝与断层破碎带内部结构进行定量识别与划分。
3.根据权利要求1所述的致密砂岩储层天然裂缝建模方法，其特征在于所述的步骤(2)中，沉积模型与构造模型的耦合，将沉积模型的空间分带性特征与断层破碎带内部结构的分带性特征进行耦合；确定性与随机性建模方法相结合，建立沉积和构造耦合下的基质地质模型。
4.根据权利要求1所述的致密砂岩储层天然裂缝建模方法，其特征在于所述的步骤(4)中，对三维非均匀岩石力学模型进行网格划分、载荷施加和位移约束，进而进行有限元求解，获取非均质岩石力学模型的三向主应力场空间分布。
5.根据权利要求4所述的致密砂岩储层天然裂缝建模方法，其特征在于所述的步骤(5)中，基于岩石应变能与表面能理论，将应力-应变与裂缝密度参数建立关系，在所述三向主应力场空间分布基础上计算获取裂缝密度空间分布模型；基于所述裂缝密度空间分布模型，采用离散裂缝网络建模技术建立裂缝模型。
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