[发明专利]用于页岩气水力压裂的三维离散元建模和模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及页岩气水力压裂模拟技术领域，具体而言涉及一种用于页岩气水力压裂的三维离散元建模和模拟方法。

背景技术

水力压裂工艺是获取页岩气的主要方式。确定不同岩性、应力、裂隙发育等条件下，水压裂隙的形成和发展规律，具有重大实际意义。然而，水力压裂过程的野外实测和室内试验，均存在成本高、探测难等问题。通过计算机数值模拟等技术来研究水力压裂过程，具有成本低，高效率，可重复等优点。目前的水力压裂模拟方法基于连续力学方法（如有限元法），需要额外施加水力压力，人为定义一定应力条件下裂隙的产生和发展规律，在模拟水压力传播和裂隙产生过程上存在着局限性，影响着水力压裂模拟的适用性和水力压裂效果预测的准确性。离散元工程数值法是进行大变形和破裂过程模拟的有效手段。但是，水力压裂模拟涉及岩石各向异性、应力条件、原生裂隙和水岩相互作用等复杂因素制约和多场耦合共同作用，离散元模型建立存在着理论和实现的复杂性，目前的模型尚无法解决这些问题，影响着复杂条件下水力压裂过程的模拟和预测。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于页岩气水力压裂的三维离散元建模和模拟方法，可避免传统基于连续力学方法的人为影响，在离散元基本原理基础上，建立具有特定力学性质的各向异性大型页岩水力压裂模型，能较真实地模拟水压力传播和水力压裂过程,实现页岩气水力压裂的预测。

为达成上述目的，本发明提出一种用于页岩气水力压裂的三维离散元建模和模拟方法，包括以下步骤：

（1）建立随机模型：输入页岩的力学性质以及模型几何参数，根据模型和颗粒大小建立三维六方最紧密堆积的方形模型，并应用转换公式设定颗粒的力学参数；通过颗粒直径正态分布调节和随机堆积，也即通过调整颗粒的直径和无规则堆积，构建微观上随机、且宏观上各向同性的模型，也即整体各向同性随机的模型；

（2）建立特定围压各向异性模型：基于步骤（1）所建立的整体各向同性随机的模型，根据围岩平均应力调整颗粒直径，根据岩石力学性质调整颗粒力学参数，使模型与页岩平均力学性质相近；根据给定的围压调整颗粒的直径，设定颗粒各向异性椭球参数，以模拟页岩的各向异性特征；通过移动边界调整，调节围压至给定值；最后连接颗粒，固结模型，得到具有特定围压和力学性质的各向异性页岩模型；

（3）建立和模拟水力压裂模型：基于步骤（2）所建立的具有特定围压和力学性质的各向异性页岩模型，根据需求建立水压孔穴模型和水压边界模型，设定水颗粒区域，通过膨胀中心水颗粒或移动边界，产生水压和应力波，通过离散元法迭代运算完成水力压裂模拟。

由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于：应用转换公式可以快速建立具有特定弹性性质和破坏性质的三维紧密堆积模型；在颗粒上定义各向异性椭球，可以构建出和页岩有类似的各向异性的模型；并且移动边界设定围岩，创建的页岩模型具有特定的各向异性和围岩压力。本发明避免了常规的模型需要人为定义水压、以及裂隙的产生和发展规律，采用离散颗粒来构建模型，模型具有和真实岩体类似的颗粒结构，并通过水颗粒相互挤压来产生水压力，可以动态模拟应力波的传播和压裂过程，能较真实地模拟岩石的破坏，并且模型中可以任意增加裂隙，实现复杂条件下水力压裂的模拟和预测。

附图说明

图1为用于页岩气水力压裂的三维离散元建模和模拟方法的实现流程图。

图2为初始各向同性岩石随机模型的构建流程图。

图3为特定围压的各向异性页岩模型构建流程图。

图4为两种页岩水力压裂模型建立和模拟流程图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

如图1-4所示，根据本发明的较优实施例，用于页岩气水力压裂的三维离散元建模和模拟方法，包括以下步骤：

（1）建立随机模型：输入页岩的力学性质以及模型几何参数，根据模型和颗粒大小建立三维六方最紧密堆积的方形模型，并应用转换公式设定颗粒的力学参数；通过颗粒直径正态分布调节和随机堆积，也即通过调整颗粒的直径和无规则堆积，构建微观上随机、且宏观上各向同性的模型，也即整体各向同性随机的模型；

（2）建立特定围压各向异性模型：基于步骤（1）所建立的整体各向同性随机的模型，根据围岩平均应力调整颗粒直径，根据岩石力学性质调整颗粒力学参数，使模型与页岩平均力学性质相近；根据给定的围压调整颗粒的直径，设定颗粒各向异性椭球参数，以模拟页岩的各向异性特征；通过移动边界调整，调节围压至给定值；最后连接颗粒，固结模型，得到具有特定围压和力学性质的各向异性页岩模型；