[发明专利]岩石力学层约束下的低渗透储层不同尺度裂缝定量预测方法

权利要求书

1.一种岩石力学层约束下的低渗储层不同尺度裂缝定量预测方法，步骤如下：

步骤1：建立单井裂缝发育地质模式

步骤2：依据砂层组建立连井地层对比格架，由单井裂缝统计结果绘制连井裂缝发育地质模式；并根据裂缝规模及其控制界面划分三级裂缝尺度

步骤3：进行岩石力学实验、力学参数测井解释及动－静态校正

步骤4：参考裂缝尺度划分表征，制定岩石力学层三级结构划分标准，确定单元界面类型，完成岩石力学层模型、断层模型、储层地质模型及三维地质力学模型构建

步骤5：关键造缝期确定及三维古应力场模拟：基于步骤4建立的三维地质力学模型和关键造缝期古应力测试结果，进行弹塑性有限元三维应力场模拟

步骤6：建立软硬互层岩石多级破裂准则；步骤6具体方法如下：

(1)、根据岩石力学理论，层状复合岩石的破坏是一个逐次进行的过程，当处于三向应力状态下时，将互层岩石的变形和破坏方式分为界面滑移型、夹层破坏型、基质破坏型和整体破坏型四种类型；

(2)、岩体处于三向应力状态下，有σ₁≥σ₂≥σ₃，其中σ₁、σ₂、σ₃分别为最大主应力、中间主应力和最小主应力，如果最小主应力σ₃0时，即σ_y方向为拉张应力状态，首先，判别不同倾角下岩石力学层界面的破裂方式，此种应力环境下，当σ₃或σ_y方向与地层的夹角为45°-90°时，复合或互层岩体位于层面拉张破裂、拉-剪破裂或剪切破裂可能范围内，采用拉张-剪切复合破裂准则，即先用拉伸破裂准则判断岩石是否发生拉张破裂，如果不能达到岩石的拉张破裂条件，再用莫尔-库仑准则判断是否会发生剪切破裂：

式中：F^t为岩石发生拉张破裂应力条件，MPa；F^s为岩石无法发生拉张破裂后发生剪切破裂的应力条件，MPa；为内摩擦角，°；σ_t为层面的抗张强度，MPa；岩石的抗张强度随着围压σ₁或σ₂的增加而增大，符合以下线性关系：σ_tc＝σ_t0+2μP，其中σ_tc为围压下的抗张强度，MPa；σ_t0为围压为零时的抗张强度，MPa；μ为岩石的泊松比，无量纲，P为围压，MPa，即σ₁或σ₂；

(3)、如果岩体处于三向挤压应力状态下，即σ₁≥σ₂≥σ₃＞0，当σ₁或σ_x方向与地层的夹角为45°-75°时，复合或互层岩体位于层面剪切破裂可能范围内，此时采用莫尔－库仑准则判别层面是否发生滑移破坏：

式中：C_j，分别为层面的内聚力和内摩擦角，GPa，°；φ为层面倾角或水平挤压力σ₁与地层的夹角，°；

(4)、其次，判断基质的破裂状态，岩体处于三向应力状态下，最小主应力σ₃0，且当σ₃或σ_y方向与地层的夹角为0°-45°时，基质位于拉张破裂、拉-剪破裂可能范围内，对于脆性砂岩采用格里菲斯破裂准则：

当(σ₁+3σ₃)＞0时，破裂准则为：

当(σ₁+3σ₃)≤0时，破裂准则为：

τ＝0，σ₃＝-σ_T

式中：σ_T为岩石的抗拉强度，MPa；τ为张性破裂角，°；对于发生脆性破坏的软弱岩体，泥岩“临界工作应力值”应控制在麦克林托克和瓦尔斯修正的格里菲斯脆性破坏条件内：

式中：σ_III为岩石的三轴抗压强度，MPa；f为岩石强度参数，有K为三轴压缩下的岩性软弱系数，其中砂岩类K在1-4.5之间，泥岩类在4.5-7之间；

(5)、再次，岩体处于三向挤压应力状态下，即σ₁≥σ₂≥σ₃＞0，当水平挤压力σ₁或σ_x方向与地层的夹角为0°-45°和75°-90°时，基质位于剪切破裂可能范围内，对于脆性砂岩采用两段式莫尔-库仑破裂准则：

根据试验结果绘出莫尔应力圆，提取包络线形态，得到两段式莫尔-库仑曲线，对于脆性砂岩σ₀＝5MPa，σ₀为分界围压值，围压小于该值时，内摩擦角较大，破裂角减小，张性破裂为主，围压大于该值时，内摩擦角变小，破裂角增大，由张性破裂逐渐变为张剪性至压剪性破裂；

(6)、而三向挤压应力状态下，对于泥岩则采用德鲁克-普拉格弹塑性屈服准则和塑性硬化准则判别岩石的屈服临界状态和破裂状态，德鲁克-普拉格弹塑性屈服准则认为当材料的最大形状变形能达到某一常数时，材料就屈服并进入塑性状态：

其中I₁＝σ₁+σ₂+σ₃为应力第一不变量，

为应力第二不变量，其中σ_x、σ_y、σ_z分别为x轴方向、y轴方向、z轴方向上的应力分量，τ_xy、τ_yz、τ_zx分别为xy平面、yz平面、zx平面上的剪应力分量；α，K_a为仅与岩石内摩擦角和内聚力有关的实验常数，

(7)、根据步骤(6)，当泥岩发生屈服后，仍然有可能发生破裂，分两种情况进行判断，当泥岩变形的应力-应变曲线符合理想弹塑性本构材料关系时，进入初始无限塑性状态即预示岩石很难发生规模性破坏，主要以发生持续塑性变形为主，而当泥岩变形的应力-应变曲线符合硬化弹塑性本构材料关系时，破坏面是硬化面和软化面的分界面，大致相当远峰值屈服面，或者说破坏是塑性变形过程发展的最终结果，这样，首先根据岩石峰值应力p-q塑性屈服曲线，确定出适合泥岩的屈服破坏准则：

式中，α_p为硬化函数，即塑性变形破坏过程中屈服面将随着硬化函数演变，C₀和A分别是岩石的内聚力和内摩擦系数，通过力学实验获得，其中为内摩擦角，°，这里为保证参数A无量纲，设置P₀＝1MPa，又σ_1p为不同围压σ₃下的泥岩峰值应力，与砂岩的σ_c相当，σ_ij为加载过程中的应力偏量，MPa；δ_ij为克罗内克符号，对于硬化函数α_p表达如下：

式中，α_p⁰为硬化函数初始值，可由初始屈服点予以确定，当α_p＝1表示岩石达到了宏观破坏时的硬化状态，故其取值范围为b为硬化参数，表示岩石的塑性硬化率，可基于硬化函数α_p和塑性应变量γ_p的关系来确定，b值越小，α_p变化越快，且逐渐趋近于1，为塑性应变增量偏张量，为塑性总应变量，ε^p为塑性体积塑性应变量，γ_p为等效剪切塑性应变量，tr(ε^p)表示矩阵ε^p的迹；

(8)、由于实际岩石力学实验表明，地下真实岩石极少表现为理想弹塑性材料，绝大多数属于硬化弹塑性材料，当实际岩样缺少导致实验数据较少时，可以采用另一种王洪才修正的莫尔-库仑准则来判断弹塑性泥岩的破坏与否：

式中，为岩石随内变量k_b变化的内摩擦角，c(k_b)为岩石随内变量k_b变化的内聚力，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分别为三个主应力轴上的弹性主应变，可在Ansys应力场模拟结果中直接提取；

(9)、最终，判断基质中裂缝的扩展或延伸情况，不管在砂岩还是泥岩中产生的破裂都有产状，基于多级复合破裂准则，获得裂缝的走向和倾角产状数据，在三维空间中，裂缝的倾角和走向要采取投影计算的方法来确定，Ansys坐标系的X轴与大地坐标的X轴重合，Z轴与大地坐标的Y轴负方向重合，Y轴和大地坐标的Z轴重合，因此若裂缝面法线方向向量在整体坐标系下的方向余弦已经确定为其中l、m、n分别为在x轴方向、y轴方向、z轴方向上的分向量，将投影到xoz平面，其投影线与z轴负方向的夹角为α_z，则有α_z＝arctan(-l/n)，走向角α_d可确定：

若0≤α_z＜90°，α_d＝90°-α_z

若-90°＜α_z＜0，α_d＝(-90°-α_z)+360°

从地质角度看，裂缝倾角应是裂缝破裂面与xoz平面的夹角，也就是平面lx+my+nz＝0与平面y＝0之间的夹角，范围为0°≤α_dip＜90°，其计算式为：

在Ansys三维坐标系中，裂缝倾角是裂缝表面与XY平面的夹角，也就是平面lx+my+nz＝0与平面y＝0之间的夹角α_dip，其计算式为：

(10)、由步骤(9)计算出裂缝走向和倾角α_dip，当α_dip＞15°时，则认为裂缝并非是水平缝，因此就有可能向上、下两侧延伸并穿透层面进入基质中，根据断裂力学理论，裂缝在外力的作用下扩展形式可分为三种：张开型(I)、滑开型(II)和撕开型(III)，大量岩心观察证明，地下互层地层中扩展形成的裂缝主要表现为张开型、滑开型或张开-滑开复合型，又由于互层型岩石内裂缝的扩展不仅要考虑岩性之间的差异，还涉及到岩性界面的塑性变形，为避免这一复杂力学变形造成的影响，对形状改变比能密度准则进行修正后，在柱面坐标系或极坐标系中，来有效判断裂缝尖端的扩展或穿透情况，用S_d表示裂缝尖端形状改变比能密度场的强度：

S_d＝C₁₁K_I²+2C₁₂K_IK_II+C₂₂K_II²

其中，

式中，K_I、K_II为应力强度因子，其值越大，裂缝失稳的趋势越大；θ为裂缝尖端极坐标角度，rad；β为已有裂缝与主应力的夹角；G为剪切弹性模量，GPa；μ为泊松比；S_dmin为裂缝抵抗扩展的断裂韧性参数S_dc的最小值；裂缝沿着形状改变比能密度场的强度S_d最小的地方开裂，θ＝θ₀，当该处S_dmin达到临界值S_dc时，裂缝就开始扩展，判据为：

由Ansys软件计算得到，S_dc为裂缝抵抗扩展的断裂韧性参数，通过断裂韧度K_IC计算得到，θ₀为裂缝开始扩展的破裂角，°；

(11)、在步骤(10)判别垂向上裂缝是否扩展并穿透层面和应力场模拟的基础上，将计算模型编写成APDL语言程序，植入Ansys有限元模拟软件中，首先选取靠近岩性界面附近的节点N₁，采用复合岩石多级破裂准则判断这些点是否破裂，如果已经破裂，则确定破裂性质和倾角α_dip，同时搜索附近相邻的节点N₂、N₃、N₄、N₅、N₆，也判断破裂性质和倾角，如果与节点N₁情况相近认为属于同一条裂缝，将裂缝长度简化设置为此两个节点之间的距离a_d，其次，读出Ansys应力场中极坐标下节点N₁的应力分量，计算裂缝尖端应力强度因子K_I、K_II和形状改变比能密度场的强度S_d，并确定该点的扩展破裂角θ₀，在裂缝偏转方向的岩性界面或另一侧岩石中找到下一个节点N₇，再次提取应力分量并判断是否开裂，从而用节点应力外推法求解并确定出同一条裂缝的连续节点，直到节点不再开裂为止；

步骤7：在Ansys三维应力场模拟的基础上，结合步骤6中复合岩石多级破裂准则推导低渗砂岩及层面的裂缝体密度力学模型

步骤8：基于破裂准则、屈服准则、裂缝密度和开度力学模型，计算得到裂缝的体密度、线密度和开度值，从而完成低渗储层不同尺度裂缝的三维定量预测。