CN114755310A - 一种裂缝性储层岩石力学层演变规律预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气田勘探开发领域，尤其是一种裂缝性储层岩石力学层演变规律预测方法。通过岩心实验、测井计算与地震反演，建立完整岩石力学参数三维非均质模型；通过野外观测，建立三维裂缝离散网络地质力学模型；通过数值模拟分析裂缝参数对裂缝性岩体力学参数大小及其各向异性的影响；结合储层裂缝参数与岩石力学参数、应力场之间的关系，逐次循环模拟不同时期的古应力场、不同时期裂缝的密度与产状，解译构造因素控制下岩石力学层的迁移规律。本发明专利从物理模拟与数值模拟的角度提出了一种裂缝性储层岩石力学层演变规律预测方法，对裂缝性储层岩石力学性质演变规律预测、裂缝成因机制分析等方面有一定的参考意义。

Description

一种裂缝性储层岩石力学层演变规律预测方法

技术领域

本发明涉及油气田勘探开发领域，尤其是一种裂缝性储层岩石力学层演变规律预测方法。

背景技术

伴随着越来越多裂缝性油气藏发现，现今地应力与天然裂缝三维分布逐渐引起研究者的关注，这两个因素是控制裂缝性油藏勘探开发的关键因素。目前，储层地质力学方法是地应力建模、构造裂缝预测的主流方法，并且在致密砂岩储层、页岩储层及低渗透砂岩储层中得到有效应用，而岩石力学层准确表征是储层地质力学建模有效应用的关键，它决定了储层裂缝预测与地应力建模的精度。岩石力学层是指一套岩石力学性质一致或岩石力学行为相近的岩层，但是，岩石力学层不一定是岩性均一层，与岩性地层并不完全对应。在过去很长一段时间，裂缝地层也被用作岩石力学层的同义词，然而，裂缝地层反映岩石破裂时期的古岩石力学层，受成岩与构造作用双重影响，岩石性质会随时间发生变化，控制裂缝发育的岩石力学层及适用于预测天然裂缝的岩石力学层可能不再存在。

岩石力学层控制天然裂缝发育程度与成因机制，同样，裂缝发育也会影响岩石力学参数的大小与各向异性。受成岩与构造作用的双重影响，岩石力学层会发生迁移，因此，岩石力学层与岩性地层、裂缝地层不需要而且通常不重合，控制裂缝发育的岩石力学层及适用于预测天然裂缝分布的岩石力学层可能不再存在，岩石力学层的演化规律研究是下一代储层裂缝研究的新起点。本发明专利采用储层地质力学方法，提出了构造因素控制下的裂缝性储层岩石力学层演变规律预测方法。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种裂缝性储层岩石力学层演变规律预测方法，它实现了构造因素控制下裂缝性储层岩石力学层演变规律的定量预测。

本发明的技术方案为：一种裂缝性储层岩石力学层演变规律预测方法，具体步骤如下(图1)：

第一步 采用地质分析与流体地球化学方法确定构造裂缝形成时期；所述的地质分析与流体地球化学方法确定构造裂缝形成时期是指在不同尺度裂缝识别与表征研究的基础上，基于裂缝多期次充填特征，开展储层裂缝活动的流体地球化学证据的实验研究，对储层裂缝充填矿物中的流体包裹体进行观察照相、显微测温、激光拉曼光谱测试，确定流体包裹体的类型、形态、相态、丰度、盐度、成分以及均一化温度、Fe₂O₃、MgO、MgO₂、微量元素、碳氧同位素、地层水成分及矿化度，计算流体包裹体的捕获压力和密度，对比分析不同类型充填物的古流体性质的差异，结合岩石不同组系裂缝的交切关系，综合确定储层裂缝活动的期次，设定储层裂缝活动的期次为N；

第二步 选取裂缝不发育的岩样开展岩石声发射实验，确定构造裂缝形成时期的古今应力大小；用声发射仪测出岩石受载过程中岩石内部发出的声波信号，根据凯塞尔效应原理，当岩石所受应力达到它历史上所受的最大应力时，岩石产生的声波信号将突然变大，据此确定岩石在地下所受的地应力值。

第三步 在单轴压缩实验、三轴压缩实验及测井资料计算的基础上，通过岩石力学参数的单轴-三轴和动态-静态校正，确定裂缝不发育的完整岩石的力学参数，从而为应力场数值模拟及储层裂缝预测提供数据基础。

目前岩石力学参数的测算方法主要有两种：一是在实验室进行岩样的岩石力学实验，包括单轴压缩实验与三轴压缩实验，所得结果通常称为静态参数；二是利用地球物理数据，结合相应的计算模型进行计算，所得结果称为动态参数；此外利用水力压裂资料可以获得岩石力学参数。在实际工程应用中，通常采用静态岩石力学参数。在静态参数中，由于三轴压缩实验相比于单轴压缩实验更接近地下岩石的实际环境，准确度更高，因而是地应力及储层裂缝数值模拟时所用岩石力学参数的主要依据。

岩石单轴及三轴压缩实验直接利用地下岩心，属直接资料，理论上具有较高的准确度和可信度。但由于样品点少，所得结果直接用于数值模拟缺乏充足的理论依据，而且实验费用较高，经济上不合算。测井资料则在一定程度上弥补了岩石力学实验的不足，具有连续性好、成本低廉等优点。

利用测井资料解释岩石力学参数主要依据声波时差、岩石密度、泥质百分含量及岩石孔隙度等数据，相关计算公式如下：

S_c＝E_d[0.008V_sh+0.0045(1-V_sh)] (4)

公式(1)-(5)中：E_d为动态杨氏弹性模量，MPa；μ_d为动态泊松比，无量纲；C为内聚力，MPa；S_c为抗压强度，MPa；V_sh为泥质百分含量，无量纲；ρ_b为岩石密度，kg/m³；Δt_p和Δt_s分别为纵波时差和横波时差，μs/ft；

为内摩擦角，(°)；Φ为测井孔隙度，％。

以测井资料解释的岩石力学参数为约束，采用井震结合方法或者相属性建模的方法反演确定裂缝不发育的完整岩石的力学参数三维非均质性，建立完整岩石力学参数三维非均质模型。

第四步 通过野外裂缝观测建立三维裂缝离散网络模型，结合完整岩石力学参数大小，通过裂缝面力学实验，建立裂缝面法向刚度系数、剪切刚度系数与法向应力间的数学模型，通过计算机编程将数学模型编入三维裂缝离散网络数值模拟程序中，设置软件在每次模拟中多次调整不同正应力条件下对应的裂缝面法向和剪切刚度数值，实现了在裂缝性岩体数值模拟中，采用自定义的裂缝面变形本构模型，描述裂缝面的变形特征，最终建立包含裂缝力学特征的三维裂缝离散网络地质力学模型。

第五步 通过离散元数值模拟，建立裂缝参数与岩体等效力学参数数学模型，所述的裂缝参数包括裂缝密度、裂缝方位、裂缝夹角；所述的等效力学参数是指能够产生与裂缝性岩体相同变形效果与破裂过程的岩石力学参数大小；通过等效力学参数，将离散裂缝网络模型转换为适用于宏观应力场模拟的连续有限元模型。

第六步 基于岩石力学参数的单轴-三轴和动态-静态校正与完整岩石力学参数三维非均质模型，建立裂缝不发育情况下，岩石力学层三维模型，采用该岩石力学层三维模型预测第1期古应力场与构造裂缝三维分布。

第七步 在岩石力学层建模的基础上，建立适用于宏观应力场模拟的有限元模型，以构造裂缝形成时期的古应力大小为约束，得到适用于预测第1期裂缝的古构造应力场。

第八步 利用构造裂缝与岩石力学参数之间的数学模型，结合适用于预测第1期裂缝的古构造应力场，预测第1期裂缝的密度、方位；在三维应力场中，依据裂缝产状与岩石力学参数、应力场之间的计算模型预测裂缝的产状，所述的裂缝产状与岩石力学参数、应力场之间的计算模型如下：

在应力场数值模拟中，设裂缝形成时所在平面的单位法向矢量为n′，倾角为η′，倾向为γ′。依据岩石破裂准则，得到应力场坐标系(σ₁、σ₂、σ₃方向分别代表3个坐标轴方向)中裂缝的产状，主应力方向与大地坐标系中X–Y–Z轴的夹角分别表示为：

①.σ₁与X–Y–Z轴的夹角分别表示为：α₁₁、α₁₂、α₁₃；

②.σ₂与X–Y–Z轴的夹角分别表示为：α₂₁、α₂₂、α₂₃；

③.σ₃与X–Y–Z轴的夹角分别表示为：α₃₁、α₃₂、α₃₃。

以岩石剪切破裂为例，在应力场坐标系中产生的两组裂缝面的单位法向矢量坐标n″_x、n″_y、n″_z表示为：

矢量n′在大地坐标系中3个分量n′_x、n′_y、n′_z表示为：

依据上述公式，计算裂缝形成时的倾角η′、倾向γ′：

得到裂缝形成时的倾角η′：

裂缝形成时的倾向γ′需分象限进行讨论：

①n′_x≥0且n′_y>0，裂缝形成时的倾向为北东向，此时：

②n′_x≤0且n′_y>0，裂缝形成时的倾向为东南向，此时：

③n′_x<0且n′_y≤0，裂缝形成时的倾向为西南向，此时：

④n′_x≥0且n′_y<0，裂缝形成时的倾向为北西向，此时：

三维应力场中，依据裂缝密度与岩石力学参数、应力场之间的计算模型确定裂缝的密度分布。所述的裂缝密度与岩石力学参数、应力场之间的计算模型如下：

在模拟的应力场中，若(σ₁+3σ₃)>0，则有：

θ＝arccos[(σ₁-σ₃)/2(σ₁+σ₃)]/2 (14)

若(σ₁+3σ₃)≤0，则有θ＝0，裂缝体密度和裂缝线密度相等。

公式中，ω_f为新增裂缝表面积所需的应变能密度，J/m³；ω为岩石总应变能密度，J/m³；ω_e为产生裂缝必须克服的弹性应变能密度，J/m³；E为杨氏弹性模量，MPa；σ₁、σ₂、σ₃分别为最大、中间和最小有效主应力，MPa；σ_p为岩石破裂应力，MPa；μ为岩石泊松比；E₀为与岩性有关的比例系数，无量纲；D_vf为裂缝体密度，m²/m³；J为产生单位面积裂缝所需能量，J/m²；D_lf为裂缝线密度，条/m；L₁、L₃分别为沿σ₁、σ₃方向的表征单元体长度，m；θ为岩石的破裂角，(°)。相关力学参数通过岩石三轴力学实验测定。

第九步 依据构造裂缝与岩石力学参数之间的数学模型，结合第1期裂缝密度、方位，建立适用于预测下一期裂缝参数预测的岩石力学层模型，循环第七步、第八步，实现N期次古应力场与相应期次的裂缝参数定量预测，依据构造裂缝与岩石力学参数之间的数学模型，实现裂缝性储层岩石力学层演变规律预测。

本发明的有益效果是：通过岩心实验、测井计算与地震反演，建立研究区完整岩石力学参数三维非均质模型。通过野外观测，建立裂缝三维离散网络模型，采用计算机编程将数学模型编入三维裂缝离散网络数值模拟程序中，设置软件在每次模拟中多次调整不同正应力条件下对应的裂缝面法向和剪切刚度数值，建立包含裂缝力学特征的三维裂缝离散网络地质力学模型。通过数值模拟分析裂缝参数对裂缝性岩体力学参数大小及其各向异性的影响。结合储层裂缝参数与岩石力学参数、应力场之间的关系，逐次循环模拟不同时期的古应力场、不同时期裂缝的密度与产状，最后，解译构造因素控制下岩石力学层的迁移规律。本发明专利从物理模拟与数值模拟的角度提出了一种裂缝性储层岩石力学层演变规律预测方法，对裂缝性储层岩石力学性质演变预测、裂缝成因机制分析、古应力场精细模拟等方面具有较高的实用价值，并且预测成本低廉、可操作性强，能大量减少人力、财力的支出。

附图说明

图1为一种裂缝性储层岩石力学层演变规律预测方法的流程图。

图2(A)研究区构造位置(据Darby and Ritts,2002修改)；(B)鄂尔多斯盆地东西向剖面；(C)元284井长6油层组岩性综合柱状图。

图3为鄂尔多斯盆地姬源地区裂缝走向与主应力方位关系(据高帅等，2015)。

图4(A)油藏地应力测试装置；(B)岩石声发射实验取样示意图。

图5(A)元284先导试验区长6油层组岩石动静态杨氏模量关系；(B)元284先导试验区长6油层组岩石动静态泊松比关系。

图6为鄂尔多斯盆地西缘石沟驿剖面延长组野外露头裂缝观测照片(在图1中查看野外剖面的位置)。

图7为(A)鄂尔多斯盆地西缘三维裂缝网络模型；(B)三维裂缝离散元模型。

图8为不同尺度、不同位置的模拟单元内不同方位的岩石杨氏模量、泊松比，E为岩石杨氏模量，μ为岩石泊松比；(不同颜色的数据点代表不同位置的岩石力学参数模拟结果)。

图9为裂缝间夹角对岩石力学参数的影响。

图10为完整岩石杨氏模量与裂缝面密度对裂缝性岩体水平方向力学参数的影响；(A)水平最大杨氏模量，(B)水平最小泊松比，(C)水平平均杨氏模量，(D)水平平均泊松比，(E)水平最小杨氏模量，(F)水平最大泊松比。

图11(A)燕山期地质力学模型；(B)喜马拉雅期储层地质力学模型。

图12为裂缝性储层岩石力学层演变规律预测结果。燕山期(A1-A3，B1-B3)；喜马拉雅期(A4-A6，B4-B6)；现今(A7和B7)；岩体杨氏模量分布(A1、A4以及A7)，泊松比在岩石中的分布(B1，B4以及B7)；水平最小主应力分布(A2，A5)，水平最大主应力分布(B2，B5)；裂缝密度分布(A3，A6)，裂缝走向分布(B3，B6)。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

本发明专利以鄂尔多斯盆地陕北斜坡西部中段元284区块为例，说明本发明具体实施过程。鄂尔多斯盆地是叠加在华北古生代克拉通台地之上的中生代大型陆内盆地，是我国形成时间最早、演化时间最长的沉积盆地(图2A)，盆地油气资源丰富，发育中生界侏罗系、三叠系两套含油层系，上古生界二叠系、石炭系以及下古生界奥陶系等多套天然气层系。此外，在中生界延长组及古生界山西组、本溪组富集页岩气。鄂尔多斯盆地储层中褶皱和断层相对不发育(图2B)，但在区域构造应力作用下，盆地内储层中广泛发育不同尺度的构造裂缝。勘探开发实践表明，无论是致密砂岩储层、页岩储层还是低渗透砂岩储层，天然裂缝均在油气资源勘探开发中起到至关重要的作用，并且裂缝具有显著的层控特征，产状十分稳定，与裂缝形成时期的古构造应力场密切相关；燕山期裂缝走向以EW、SEE向为主，喜马拉雅期裂缝走向主要以NS、NEE、NE向为主。受地表黄土地貌影响，盆地地震资料品质差，基于地震方法预测裂缝的难度大，储层地质力学方法是构造裂缝预测的有效方法，并且伴随储层天然裂缝分布预测方法不断地发展，建立地下储层天然裂缝分布预测方法所依据的理论模型也越来越受到重视，即地质力学模型的精度直接决定了后期应力场模拟、裂缝预测的精度。研究区华庆地区元284先导试验区，构造上位于鄂尔多斯盆地的中南部(图2A)；研究目的层位三叠系延长组地层厚度1000～1300m，并与下伏纸坊组、上覆下侏罗统富县组呈平行不整合接触。经多年油气勘探、开发实践，依据岩性、湖盆演化史以及测井小层对比等资料将延长组进一步分为五个岩性段、10个油层组。从典型井小层划分结果可看出，长6₁层、长6₂层以及长6₃ ¹层上部整体处于一个水进的沉积环境；长6₃ ³层、长6₃ ²层整体处于一个水退的沉积环境(图2C)。鄂尔多斯盆地陕北斜坡西部中段元284区块裂缝性储层岩石力学层演变规律预测步骤如下：

第一步 采用地质分析与流体地球化学方法确定构造裂缝形成时期，由于研究区岩心裂缝多为未充填裂缝，因此，裂缝形成时期主要参考与研究区毗邻的马岭地区的研究结果，并结合区域应力场演化综合确定。依据研究区埋藏-热演化史，燕山运动Ⅳ幕，延长组地温介于85～116℃，喜马拉雅运动I幕期间，延长组地温介于70～85℃。测量的岩石样品中石英颗粒次生盐水包裹体均一温度范围为72～150℃，因此，推测温度范围为80～116℃、72～85℃的包裹体分别形成于燕山运动Ⅳ幕、喜马拉雅运动I幕，说明燕山运动Ⅳ幕-喜马拉雅运动I幕是延长组构造裂缝的主要形成时期，其中，介于85～116℃温度区间的包裹体数量占多数，推测裂缝主要发育期为燕山运动Ⅳ幕，受构造活动强度的影响，燕山期裂缝的密度大于喜马拉雅期；研究区北东东向裂缝主要为喜马拉雅期形成，近东西向裂缝为燕山期形成(图3)，确定研究区裂缝形成期次为2期，即N＝2。

第二步 选取裂缝不发育的岩样开展岩石声发射实验，确定构造裂缝形成时期的古应力大小；用声发射仪测出岩石受载过程中岩石内部发出的声波信号，根据凯塞尔效应原理，当岩石所受应力达到它历史上所受的最大应力时，岩石产生的声波信号将突然变大，据此确定岩石在地下所受的应力，即地应力值。

声发射实验由中国石油勘探开发研究院的油气藏地应力测试***完成(图4A)，该测试***生产于美国GCTS公司，轴向可加载1500KN；加载框架刚度为10MN；压力室承压140MPa、温度150℃；围压可增至140MPa。如图4B所示，在全直径的岩心上钻取一块垂直方向Φ25×50mm的圆柱小岩样(Z轴)，在垂直岩心轴线的平面内相隔45°各钻取相同大小的圆柱小岩样，共钻取四块。

岩石声发射实验测试结果如表1所示，测量得到岩样的水平最大、水平最小以及垂向主应力的大小、梯度；其中，水平最大主应力的梯度约为0.020MPa/m，水平最小主应力的梯度约为0.016MPa/m，垂向主应力的梯度约为0.025MPa/m，水平主应力梯度与鄂尔多斯盆地南部煤储层水平主应力梯度基本一致，研究区及其附近地应力随深度的增加均呈线性增大的规律。岩石声发射确定的现今水平最大主应力分布范围介于41.3～45.3MPa，水平最小主应力分布范围介于33.3～36.7MPa；垂向主应力的变化主要与岩石的密度有关。结合声发射振铃数分布规律，确定燕山期水平最小主应力大小为41.29MPa，水平最大主应力大小为160.58MPa；确定喜马拉雅期水平最小主应力大小为33.18MPa，水平最大主应力大小为108.54MPa，。

表1岩石声发射实验确定的现今主应力大小

第三步 在单轴压缩实验、三轴压缩实验及测井资料计算的基础上，通过岩石力学参数的单轴-三轴和动态-静态校正，确定裂缝不发育的完整岩石的力学参数，从而为古应力场数值模拟及储层裂缝预测提供数据基础。

岩石力学参数(主要包括岩石泊松比、岩石强度参数、各种弹性模量、内摩擦角以及内聚力等)是进行古应力场模拟、现今地应力模拟、裂缝动静态参数预测以及储层注水压力等研究的重要基础数据。选取具有代表性的岩心，利用钻机、切片机等设备将岩心加工成端面平整、直径2.5cm、长度5.0cm的岩样。三轴抗压强度实验仪器采用中石油勘探开发研究院的MTS286岩石测试***，依据《工程岩体试验方法标准(GB/T50266-99)》测试完成。通过建立的岩石动静态力学参数转换数学模型，为测井资料计算静态岩石力学参数奠定基础。在三轴抗压实验过程中，将岩样放入高压室中，在四周施加不同的围压(0MPa、10MPa、20MPa、30MPa)，逐渐增加岩石的垂向应力，分别记录岩样在轴向、径向应变数值，得到对应的岩石应力-应变曲线。本次研究选取9块代表性岩样进行三轴压缩实验，部分测试结果如表2所示。

表2元284先导试验区长6油层组岩石三轴力学实验数据表

通过岩石力学实验与测井解释的动态力学参数结果的标定，建立岩石动态-静态力学参数转换模型，求得静态岩石力学参数(图5)。由图5中的公式得到的静态力学参数实际上没有充分考虑或几乎没有考虑天然裂缝对力学参数的影响，即得到的力学参数可以看作天然裂缝未发育时的力学参数分布，因此需要进一步分析裂缝对岩体宏观力学参数的影响及其尺寸效应，才能确定现今岩石力学参数分布，并将其在后期应力场模拟以及现今应力场数值模拟中进一步得到应用。

第四步 通过野外裂缝观测建立三维裂缝离散网络模型，结合岩石三轴力学实验确定的完整岩石力学参数大小。通过裂缝面力学实验，建立裂缝面法向刚度系数、剪切刚度系数与法向应力间的数学模型，通过计算机编程将数学模型编入三维裂缝离散网络数值模拟程序中，设置软件在每次模拟中多次调整不同正应力条件下对应的裂缝面法向和剪切刚度数值，实现了在裂缝性岩体数值模拟中，采用自定义的裂缝面变形本构模型，描述裂缝面的变形特征，最终建立包含裂缝力学特征的三维裂缝离散网络地质力学模型。

利用岩石力学实验，得到裂缝面法向应力-法向位移关系曲线，建立的裂缝面应力-法向位移间的数学模型，采用幂函数模型反映裂缝面闭合变形的法向应力-法向位移关系，法向应力(σ_n)与法向位移(S_v)关系表示为：

σ_n＝1066.7S_v ^1.4548 (17)

裂缝面法向刚度系数(K_n)与法向应力(σ_n)间的关系表示为：

K_n＝120.47σ_n ^0.3126 (18)

测试结果表明，裂缝面法向刚度系数随法向应力的增大而增大，两者同样为幂律关系。通过测量不同法向应力对应的裂缝面剪切变形量，得到裂缝面的剪切刚度系数(K_s)与法向应力(σ_n)的关系为：

K_s＝104.25σ_n ^0.4812 (19)

利用裂缝面法向刚度系数、剪切刚度系数与法向应力间的数学函数，采用Fish语言将数学模型编入计算机模拟程序中，设置软件在每次模拟中分100步调整不同正应力条件下对应的裂缝面力学参数(法向和剪切刚度数值)，实现了在裂缝性岩体数值模拟中，采用自定义的裂缝面变形本构模型，描述裂缝面的变形特征。

通过鄂尔多斯西缘延长组野外裂缝观测(图6)，建立三维裂缝离散网络模型(图7A)，在ANSYS软件中建立非贯穿裂缝网络模型(图7B)，导入3DEC软件中，基于三维离散元方法开展复杂裂缝性储层力学参数尺寸效应研究。结合岩石三轴力学实验确定低渗透砂岩储层力学参数大小，在数值模拟中设定岩石初始杨氏模量为27GPa，泊松比为0.25，密度为2.5g/cm³。

第五步 通过离散元数值模拟，建立裂缝参数与岩体等效力学参数数学模型，所述的裂缝参数包括裂缝密度、裂缝方位、裂缝夹角。所述的等效力学参数是指能够产生与裂缝性岩体相同变形效果与破裂过程的岩石力学参数大小；通过等效力学参数，将离散裂缝网络模型转换为适用于宏观应力场模拟的连续有限元模型。

受裂缝的影响，在模拟单元不同方向上，储层力学参数不同。通过三循环法模拟计算得到不同方向、不同尺度的力学参数变化规律(图7)；当模拟单元边长较小时，很难准确地反映模拟单元力学参数的各向异性(图7A～D)。随着模拟单元边长的进一步增大(图7E和F，r＝1600cm)，模拟单元力学参数的各向异性逐渐明晰，在NE40°～50°方向以及SEE115°方向，岩石杨氏模量为相对低值；在NS方向、EW方向上，岩石杨氏模量为高值；岩石泊松比的变化规律与杨氏模量相反；但在同一方位，岩石杨氏模量、泊松比的变化区间范围很大，即该尺度不同位置模拟单元的力学参数与实际力学参数有显著的差异。当模拟单元边长进一步增大(图7G和H，r＝2400cm)，模拟单元力学参数的各向异性进一步明晰，并且不同位置模拟单元的力学参数在不同方向上逐渐趋于一致，即模拟的力学参数均进一步逼近真实数值；模拟结果表明，过小的网格单元，可能无法反映岩石力学参数的各向异性。

鄂尔多斯盆地西缘延长组裂缝主要发育两组构造裂缝，其产状稳定，因此主要模拟裂缝间夹角、裂缝密度以及完整岩石力学参数(完整岩石的力学参数)对裂缝性岩体等效力学参数的影响。为了***分析岩石力学参数的影响因素与演化规律，定义杨氏模量变化率与泊松比变化率来描述岩石力学参数在不同方向上的相对变化，即裂缝岩体的等效杨氏模量(泊松比)与完整岩石杨氏模量(泊松比)之比。

岩石力学的各向异性取决于裂缝间夹角，通过建立两组交角的裂缝模型，探讨裂缝间夹角对岩石力学参数各向异性的影响。如图9A所示，水平最小杨氏模量在数值模拟过程中随裂缝间夹角增大没有显著的变化，变化率约为0.975，水平最大杨氏模量随着裂缝间夹角增大而减小，垂向杨氏模量随裂缝间夹角增大而减小。当裂缝间夹角＝90°时，水平最小杨氏模量、水平最大杨氏模量与垂向杨氏模量的差最小。如图9B所示，水平最小泊松比随裂缝间夹角的变化率约为1.025，在垂向上，泊松比随裂缝间夹角的增大而增大，与杨氏模量变化规律一致。同样，当裂缝间夹角＝90°时，水平最小泊松比、水平最大泊松比与垂向泊松比的差最小。

通过改变模拟单元裂缝面密度和完整岩石杨氏模量和泊松比，模拟完整岩石力学参数和裂缝面密度对岩体等效力学参数的影响，如图10A和10B所示，裂缝面密度对水平最大杨氏模量和水平最小泊松比的影响最小。随着裂缝面密度的增大，水平最大杨氏模量数值略有减小，随着裂缝面密度的增加(>1m/m²)，裂缝面密度对水平最大杨氏模量的影响逐渐降低；伴随裂缝面密度的增大，水平最小泊松比逐渐增大；当裂缝面密度大于1.5m/m²时，裂缝面密度对水平最小泊松比几乎没有影响。如图10C和10D所示，裂缝面密度对平均杨氏模量和平均泊松比的影响大于水平最大杨氏模量和水平最小泊松比。裂缝面密度与平均杨氏模量呈线性负相关关系，与平均泊松比呈线性正相关关系。如图10E和10F所示，裂缝面密度对水平最小杨氏模量和水平最大泊松比的影响最大，裂缝面密度与最小杨氏模量呈线性负相关，与最大泊松比呈线性正相关。模拟结果表明，完整岩石的泊松比对模拟单元等效力学参数的影响较小，而完整岩石的杨氏模量对模拟单元的等效力学参数影响更为显著，且完整岩石的杨氏模量越大，对裂缝性岩体等效力学参数影响越大，即完整岩石的杨氏模量越大，模拟岩体等效杨氏模量下降幅度(百分比)越大，泊松比增加幅度越大。

第六步 基于岩石力学参数的单轴-三轴和动态-静态校正与完整岩石力学参数三维非均质模型，建立裂缝不发育情况下，岩石力学层三维模型，采用岩石力学层三维模型预测第1期裂缝。

第七步 在岩石力学层建模的基础上，建立适用于宏观应力场模拟的有限元模型，燕山期地质地质力学模型总厚度为4500m，目的层长6₃砂体埋深为1990m，水平最小主应力为41.29MPa，水平最大主应力为160.58MPa，以构造裂缝形成时期的古应力大小为约束，预测适用于预测第1期裂缝的古构造应力场。

第八步 通过对研究区燕山期和喜马拉雅期应力场模拟结果分析，应力场垂向分层现象特别明显，这可能是现今构造裂缝的垂向分层的主要原因，且水平最小主应力和水平最大主应力的分布与砂体分布密切相关。利用建立的三维燕山期完整岩石力学参数分布模型(图12A1和12B1)，建立了对应的储层地质力学非均质模型，模拟得到燕山期应力场分布(图12A2和12B2)；利用构造裂缝与岩石力学参数、应力场之间的数学模型，预测第1期裂缝的密度、方位(图12A3和12B3)；

第九步 依据构造裂缝与岩石力学参数之间的数学模型，结合第1期裂缝密度、方位，建立适用于预测下一期裂缝参数的岩石力学层模型，喜马拉雅期地质力学模型总厚度为4500m时，水平最小主应力为33.18MPa，水平最大主应力为108.54MPa。通过对储层埋藏史的分析，长63砂体埋深2150m(图11B)。循环第七步、第八步，实现不同期次古应力场、裂缝参数定量预测，实现裂缝性储层岩石力学层演变规律预测。

利用岩石等效力学参数与裂缝参数间的数学模型，得到燕山期裂缝发育后的岩体等效力学参数，并建立喜马拉雅期储层地质力学非均质模型(图12A4和12B4)，模拟得到喜马拉雅期应力场(图12A5和12B5)，进而确定喜马拉雅期裂缝面密度与产状(图12A6和12B6)。综合燕山期和喜马拉雅期的裂缝参数(产状、密度以及组合方式)，得到现今裂缝性储层岩石力学参数分布(图12A7和12B7)，建立储层地质力学非均质模型，模拟得到现今地应力场。

对比不同时期岩体力学参数分布(图12A1、12A4、12A7、12B1、12B4以及12B7)可得，从燕山期到喜马拉雅期再至现今，岩体等效杨氏模量总体呈减小趋势，相反，等效泊松比则普遍增大。元284先导试验区岩体的等效杨氏模量和泊松比的差异性总体呈减小趋势，即在燕山期杨氏模量较大的位置，在喜马拉雅期与现今杨氏模量下降的幅度大；反之，在燕山期杨氏模量较小的井区，在喜马拉雅期与现今的杨氏模量下降幅度小，甚至没有变化(裂缝不发育)(图12A1、12A4以及12A7)。同理，在燕山期泊松比较小的井区，在喜马拉雅期与现今的泊松比增加的幅度大，反之在泊松比较大的位置，在喜马拉雅期与现今的泊松比增加的幅度小，甚至没有变化(裂缝不发育)(图12B1、12B4以及12B7)。

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种裂缝性储层岩石力学层演变规律预测方法，实现的步骤如下：

第一步 采用地质分析与流体地球化学方法确定构造裂缝形成时期，设定储层裂缝活动的期次为N；

第二步 选取裂缝不发育的岩样开展岩石声发射实验，确定构造裂缝形成时期的古今应力大小；用声发射仪测出岩石受载过程中岩石内部发出的声波信号，根据凯塞尔效应原理，当岩石所受应力达到它历史上所受的最大应力时，岩石产生的声波信号将突然变大，据此确定岩石在地下所受的地应力值；

第三步 在单轴压缩实验、三轴压缩实验及测井资料计算的基础上，通过岩石力学参数的单轴-三轴和动态-静态校正，确定裂缝不发育的完整岩石的力学参数；以测井资料解释的岩石力学参数为约束，采用井震结合方法或者相属性建模的方法反演确定裂缝不发育的完整岩石力学参数的三维非均质性，建立完整岩石力学参数三维非均质模型；

第四步 通过野外裂缝观测建立三维裂缝离散网络模型，结合完整岩石力学参数大小，通过裂缝面力学实验，建立裂缝面法向刚度系数、剪切刚度系数与法向应力间的数学模型；通过计算机编程将数学模型编入三维裂缝离散网络数值模拟程序中，设置软件在每次模拟中多次调整不同正应力条件下对应的裂缝面法向和剪切刚度数值，实现了在裂缝性岩体数值模拟中，采用自定义的裂缝面变形本构模型，描述裂缝面的变形特征，建立包含裂缝力学特征的三维裂缝离散网络地质力学模型；

第五步 通过离散元数值模拟，建立裂缝参数与岩体等效力学参数数学模型，所述的裂缝参数包括裂缝密度、裂缝方位、裂缝夹角；所述的岩体等效力学参数是指能够产生与裂缝性岩体相同变形效果与破裂过程的岩石力学参数大小；通过等效力学参数，将离散裂缝网络模型转换为适用于宏观应力场模拟的连续有限元模型；

第六步 基于岩石力学参数的单轴-三轴和动态-静态校正与完整岩石力学参数三维非均质模型，建立裂缝不发育情况下，岩石力学层三维模型，采用该岩石力学层三维模型预测第1期古应力场与构造裂缝三维分布；

第七步 在岩石力学层建模的基础上，建立适用于宏观应力场模拟的有限元模型，以构造裂缝形成时期的古应力大小为约束，得到适用于预测第1期裂缝的古构造应力场；

第八步 利用构造裂缝与岩石力学参数之间的数学模型，结合适用于预测第1期裂缝的古构造应力场，预测第1期裂缝的密度、方位；在三维应力场中，依据裂缝产状与岩石力学参数、应力场之间的计算模型预测裂缝的产状；依据裂缝密度与岩石力学参数、应力场之间的计算模型，预测裂缝密度三维分布；

第九步 依据构造裂缝与岩石力学参数之间的数学模型，结合第1期裂缝密度、方位，建立适用于预测下一期裂缝参数预测的岩石力学层模型，循环第七步、第八步，实现N期次古应力场与相应期次的裂缝参数定量预测，依据构造裂缝与岩石力学参数之间的数学模型，实现裂缝性储层岩石力学层演变规律预测。

2.根据权利要求1所述的一种裂缝性储层岩石力学层演变规律预测方法，其特征在于：

所述的地质分析与流体地球化学方法确定构造裂缝形成时期是指在不同尺度裂缝识别与表征研究的基础上，基于裂缝多期次充填特征，开展储层裂缝活动的流体地球化学证据的实验研究，对储层裂缝充填矿物中的流体包裹体进行观察照相、显微测温、激光拉曼光谱测试，确定流体包裹体的类型、形态、相态、丰度、盐度、成分以及均一化温度、Fe₂O₃、MgO、MgO₂、微量元素、碳氧同位素、地层水成分及矿化度，计算流体包裹体的捕获压力和密度，对比分析不同类型充填物的古流体性质的差异，结合岩石不同组系裂缝的交切关系，综合确定储层裂缝活动的期次。

3.根据权利要求1所述的一种裂缝性储层岩石力学层演变规律预测方法，其特征在于：

所述的裂缝产状与岩石力学参数、应力场之间的计算模型如下：

在应力场数值模拟中，设裂缝形成时所在平面的单位法向矢量为n′，倾角为η′，倾向为γ′；依据岩石破裂准则，得到应力场坐标系中裂缝的产状，主应力方向与大地坐标系中X–Y–Z轴的夹角分别表示为：

①.σ₁与X–Y–Z轴的夹角分别表示为：α₁₁、α₁₂、α₁₃；

②.σ₂与X–Y–Z轴的夹角分别表示为：α₂₁、α₂₂、α₂₃；

③.σ₃与X–Y–Z轴的夹角分别表示为：α₃₁、α₃₂、α₃₃；

以岩石剪切破裂为例，在应力场坐标系中产生的两组裂缝面的单位法向矢量坐标n″_x、n″_y、n″_z表示为：

矢量n′在大地坐标系中3个分量n′_x、n′_y、n′_z表示为：

依据上述公式，计算裂缝形成时的倾角η′、倾向γ′：

得到裂缝形成时的倾角η′：

裂缝形成时的倾向γ′需分象限进行讨论：

①n′_x≥0且n′_y>0，裂缝形成时的倾向为北东向，此时：

②n′_x≤0且n′_y>0，裂缝形成时的倾向为东南向，此时：

③n′_x<0且n′_y≤0，裂缝形成时的倾向为西南向，此时：

④n′_x≥0且n′_y<0，裂缝形成时的倾向为北西向，此时：

4.根据权利要求1所述的一种裂缝性储层岩石力学层演变规律预测方法，其特征在于：

所述的裂缝密度与岩石力学参数、应力场之间的计算模型如下；

在模拟的应力场中，若(σ₁+3σ₃)>0，则有：

θ＝arccos[(σ₁-σ₃)/2(σ₁+σ₃)]/2 (14)

若(σ₁+3σ₃)≤0，则有θ＝0，裂缝体密度和裂缝线密度相等；

公式中，ω_f为新增裂缝表面积所需的应变能密度，J/m³；ω为岩石总应变能密度，J/m³；ω_e为产生裂缝必须克服的弹性应变能密度，J/m³；E为杨氏弹性模量，MPa；σ₁、σ₂、σ₃分别为最大、中间和最小有效主应力，MPa；σ_p为岩石破裂应力，MPa；μ为岩石泊松比；E₀为与岩性有关的比例系数，无量纲；D_vf为裂缝体密度，m²/m³；J为产生单位面积裂缝所需能量，J/m²；D_lf为裂缝线密度，条/m；L₁、L₃分别为沿σ₁、σ₃方向的表征单元体长度，m；θ为岩石的破裂角，°；相关力学参数通过岩石三轴力学实验测定。

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