[发明专利]一种页岩储层粘土矿物水化膨胀致裂数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种页岩储层粘土矿物水化膨胀致裂数值模拟方法，包括以下步骤：S1：获取目标储层的宏观力学参数以及目标储层粘土矿物的基本资料，所述基本资料包括粘土矿物的分布特征、几何形状、几何参数、微观力学参数、最大膨胀率；S2：根据步骤S1获取的参数，建立含有粘土矿物的有限元物理模型；S3：建立粘土矿物膨胀裂缝起裂与扩展数学模型；S4：根据步骤S2和步骤S3获取的模型，开展粘土矿物水化膨胀致裂数值模拟，分析不同膨胀率条件下的裂缝扩展形态。本发明能够利用数值模拟方法，更直观准确的获取不同膨胀率下的裂缝扩展形态，为油气田增产改造提供技术支持。

技术领域

本发明涉及油气田增产改造技术领域，特别涉及一种页岩储层粘土矿物水化膨胀致裂数值模拟方法。

背景技术

随着页岩气勘探开发技术的进步，我国页岩气产量有了大幅度的提升，页岩气在国家能源结构中的比重逐年增加，2021年页岩气年产量已经突破230亿立方米。近年来中国南方海相页岩气勘探开发不断取得突破，四川盆地及其周缘地区的五峰组—龙马溪组深层页岩气具有巨大的资源潜力，是页岩气勘探开发的重要接替层系。

但孔隙度和渗透率极低的页岩储层无法自然形成工业产能，需要借助水力压裂等增产改造措施在地层中形成复杂缝网，并通过焖井措施提高页岩气井产量，如川南深层页岩井气压后通常焖井2～35d。大量实验表明，焖井期间页岩储层中的粘土矿物与压裂液接触时会发生水化现象，粘土矿物吸水膨胀时诱导产生大量微裂缝，改善储层渗透能力。目前，国内外对粘土矿物水化膨胀诱导裂缝的研究主要集中在CT和扫描电镜等实验观测方向，实验手段具有成本较高、实验结果易受实验方法影响、不可重复等不足。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种页岩储层粘土矿物水化膨胀致裂数值模拟方法。

本发明的技术方案如下：

一种页岩储层粘土矿物水化膨胀致裂数值模拟方法，包括以下步骤：

S1：获取目标储层的宏观力学参数以及目标储层粘土矿物的基本资料，所述基本资料包括粘土矿物的分布特征、几何形状、几何参数、微观力学参数、最大膨胀率；

S2：根据步骤S1获取的参数，建立含有粘土矿物的有限元物理模型；

S3：建立粘土矿物膨胀裂缝起裂与扩展数学模型；

S4：根据步骤S2和步骤S3获取的模型，开展粘土矿物水化膨胀致裂数值模拟，分析不同膨胀率条件下的裂缝扩展形态。

作为优选，步骤S1中，目标储层的宏观力学参数包括杨氏模量、泊松比以及抗拉强度。

作为优选，步骤S1中，目标储层的宏观力学参数通过三轴岩石力学实验获取。

作为优选，步骤S1中，粘土矿物的微观力学参数包括杨氏模量和泊松比。

作为优选，步骤S1中，粘土矿物的分布特征通过偏光显微镜观测实验获取，粘土矿物的几何形状和几何参数通过扫描电镜观测实验获取，粘土矿物的杨氏模量通过纳米压痕实验获取，粘土矿物的泊松比取经验值，粘土矿物的最大膨胀率通过粘土矿物膨胀率实验获取。

作为优选，步骤S3中，所述粘土矿物膨胀裂缝起裂与扩展数学模型包括：

(1)考虑水化膨胀效应的页岩应力场模型：

式中：σ_x、σ_y分别为微元在x、y方向的应力；E为杨氏模量；μ为泊松比；ε_x、ε_y分别为微元在x、y方向的应变；Δω为含水量变化；α_x、α_y分别为粘土矿物在x、y方向的吸水膨胀系数；

(2)裂缝起裂准则

σ≤[σ] (2)