一种模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展的方法

摘要

本申请公开了一种模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展的方法，包括：建立包含天然裂缝的裂缝性页岩储层模型；在Mesh模块中，以网格的方式划分整个目的区域；在已网格化的所述目的区域选中所需嵌入的集合区域，在选中的所述集合区域嵌入零厚度内聚力单元，形成具有孔压节点零厚度内聚力单元的裂缝性页岩储层模型网格集合；在Property模块中建立材料属性，并将其赋予不同的裂缝性页岩储层模型网格集合；在Assembly模块中将所有所述裂缝性页岩储层模型网格集合装配成裂缝性页岩储层模型；在Step模块中设置分析步；添加初始条件，模拟储层中水力裂缝随机扩展过程并进行该过程的有限元分析。

说明书

技术领域

本申请涉及模拟裂缝性页岩储层中水力压裂过程的有限元技术领域，尤其涉及一种模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展的方法。

背景技术

当前，内聚力单元已被广泛应用于石油行业的水力压裂过程，特别是水力裂缝与天然裂缝相交扩展过程。内聚力模型不仅避免了线弹性断裂力学中的裂缝尖端应力奇异性，还可以有效模拟水力裂缝与天然相交扩展过程，使其在模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝扩展过程中得到广泛应用。

目前，基于内聚力模型的内聚力单元已经被内置到ABAQUS平台中，且增加了直接嵌入具有孔压节点的零厚度内聚力单元（Cohesive element with pore pressure of thezero-thickness，CEPPZ）的功能，这种嵌入方式可以有效模拟水力裂缝与天然裂缝相交扩展行为，但是由于涉及到嵌入循环等问题，所以在ABAQUS平台中，需要预先设置CEPPZ充当水力裂缝潜在扩展路径，这意味着水力裂缝只能沿着“预设”路径扩展，并不能在岩石内随机扩展，这极大地制约了CEPPZ在非常规页岩储层中的应用。对于裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展过程，现有的商业ABAQUS平台尚无法做到。因此，本发明提供的方法就显得尤为重要。

发明内容

本申请提供了一种模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展的方法，以解决现有技术中ABAQUS平台内置的内聚力单元无法有效模拟水力裂缝随机扩展过程的问题。

本申请采用的技术方案如下：

一种模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展的方法，包括：

通过在ABAQUS平台的Part模块中建立包含天然裂缝的裂缝性页岩储层模型；

在ABAQUS平台的Mesh模块中，以网格的方式划分整个目的区域；

在已网格化的所述目的区域选中所需嵌入的集合区域，在选中的所述集合区域嵌入零厚度内聚力单元，形成具有孔压节点零厚度内聚力单元的裂缝性页岩储层模型网格集合；

在ABAQUS平台的Property模块中建立材料属性，并将其赋予不同的裂缝性页岩储层模型网格集合；

在ABAQUS平台的Assembly模块中将所有所述裂缝性页岩储层模型网格集合装配成裂缝性页岩储层模型；

通过在ABAQUS平台的Step模块中设置分析步，进行水力压裂施工过程模拟并得到模拟结果；

通过在ABAQUS平台的Load模块中添加所述天然裂缝的裂缝性页岩储层模型的初始条件，模拟储层中水力裂缝随机扩展过程并进行该过程的有限元分析。

优选地，所述在ABAQUS平台的Mesh模块中，以网格的方式划分整个目的区域，包括：

在ABAQUS平台的Mesh模块中，利用非结构化的进阶算法，在目的区域边界生成四边形网格；

以所述四边形网格的方式，逐渐向内划分整个目的区域；

使用网格映射方法，并为所述裂缝性页岩储层模型设置一个集合名称。

优选地，所述在已网格化的所述目的区域选中所需嵌入的集合区域，在选中的所述集合区域嵌入零厚度内聚力单元，形成具有孔压节点零厚度内聚力单元的裂缝性页岩储层模型网格集合，包括：

在已网格化的所述目的区域选中所需嵌入的集合区域，根据有限元网格数据拓扑结构，利用Python语言在选中的所述集合区域嵌入零厚度内聚力单元，形成具有孔压节点零厚度内聚力单元的裂缝性页岩储层模型网格集合。

优选地，所述利用Python语言在选中的所述集合区域嵌入零厚度内聚力单元，包括：

重复分裂所述目的区域全局有限元网格母节点，生成若干子节点；

按照有限元网格母节点的拓扑关系，更新子节点编号，使得子节点之间相互独立，即进行全局网格离散处理；

在相邻接口界面的中间子节点间，额外添加孔压节点，并按照ABAQUS有限元平台中单元节点编号原则，将接口界面处的节点与所述孔压节点依次连接，同时将所述接口界面处节点沿所述孔压节点方向相互压缩成虚拟双节点线单元，完成嵌入零厚度内聚力单元。

优选地，所述完成嵌入零厚度内聚力单元之后，还包括：

在不同方向零厚度内聚力单元相交处，通过共享节点方式融合相交节点，保证整个区域内流体场的连续性。

优选地，所述重复分裂所述目的区域全局有限元网格母节点的次数确定方法如下：

在所述目的区域内或者所述目的区域边界上，根据所述母节点编号在所述目的区域中的出现次数N，确定所述母节点重复分裂次数为（N-1）。

优选地，所述按照有限元网格母节点的拓扑关系，更新子节点编号，使得子节点之间相互独立，即进行全局网格离散处理，包括：

按照有限元网格节点的拓扑关系，当所述母节点分裂成所述子节点后，在所述母节点编号前扩充至少一位，保存母节点重复分裂次数，由此形成由所述重复分裂次数和母节点编号组成的子节点编号，并按照逆时针顺序赋予子节点；

在所述目的区域，保持所述母节点编号不变，将所述母节点与所述子节点编号重新构成所述目的区域单元，但其单元类型不变；

对于非目的区域，则保持其单元内节点编号、单元类型不变；

当网格离散时，创建新的数据表，并将所述子节点编号存储于新的数据表中，最终使所述子节点之间相互独立。

优选地，所述在相邻接口界面的中间子节点间，额外添加孔压节点，并按照ABAQUS有限元平台中单元节点编号原则，将接口界面处的节点与所述孔压节点依次连接，同时将所述接口界面处节点沿所述孔压节点方向相互压缩成虚拟双节点线单元，完成嵌入零厚度内聚力单元，包括：

在每个相邻单元接口界面中间，分别插入1个只具有孔压自由度的节点，这些孔压节点编号是在所有子节点编号的基础上，继续向前扩充至少一位，编号最高位从1开始，相应母节点编号则从反方向开始填充编号末位，其余位置由0填充；

按照ABAQUS有限元平台中单元节点编号原则即逆时针排序，将接口界面处的节点与所述孔压节点依次连接起来，并将接口界面处节点沿着孔压节点方向相互压缩成虚拟双节点线单元；

所述虚拟双节点线单元编号是在所述孔压节点编号基础上向前扩充两位，其中编号最高位和末位均从1开始，其余位置由0填充，编号的前两位必须由接口界面节点编号占据，完成嵌入零厚度内聚力单元。

优选地，所述通过在ABAQUS平台的Step模块中设置分析步，进行水力压裂施工过程模拟并得到模拟结果，包括：

通过在ABAQUS平台的Step模块中设置地应力平衡分析步和压裂液注入分析步，模拟初始地应力平衡和压裂施工过程，得到地应力加载和压裂施工过程的模拟结果。

优选地，所述初始条件包括：所述天然裂缝的裂缝性页岩储层模型四周的初始地应力、固定位移边界和固定孔隙压力边界。

采用本申请的技术方案的有益效果如下：

本申请基于ABAQUS平台，利用Python语言编写脚本文件，可以直接在ABAQUS平台中基于有限元网格嵌入具有孔压节点的零厚度内聚力单元，该方法不仅操作简便，易于实现，还弥补了ABAQUS平台内置的内聚力单元无法有效模拟水力裂缝随机扩展过程的不足。此外，通过该方法模拟了水力裂缝与天然裂缝相交扩展过程，其数值模拟结果与Blanton实验结果吻合，从而验证了该方法可以弥补ABAQUS平台无法有效模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展过程的不足。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展的方法流程图；

图2为本申请实施例中裂缝性页岩储层模型的零厚度内聚力单元的示意图；

图3为本申请实施例中利用具有孔压节点的零厚度内聚力单元模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展过程中注入压力随时间变化曲线；

图4为本申请实施例中验证可行性的数值模拟结果与实验的对比图。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

参见图1，为本申请一种模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展的方法流程图。

本申请提供的一种模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展的方法，包括：

通过在ABAQUS平台的Part模块中建立包含天然裂缝的裂缝性页岩储层模型；

在ABAQUS平台的Mesh模块中，以网格的方式划分整个目的区域；

在已网格化的所述目的区域选中所需嵌入的集合区域，在选中的所述集合区域嵌入零厚度内聚力单元，形成具有孔压节点零厚度内聚力单元的裂缝性页岩储层模型网格集合；

在ABAQUS平台的Property模块中建立材料属性，并将其赋予不同的裂缝性页岩储层模型网格集合；

在ABAQUS平台的Assembly模块中将所有所述裂缝性页岩储层模型网格集合装配成裂缝性页岩储层模型；

通过在ABAQUS平台的Step模块中设置分析步，进行水力压裂施工过程模拟并得到模拟结果；

通过在ABAQUS平台的Load模块中添加所述天然裂缝的裂缝性页岩储层模型的初始条件，模拟储层中水力裂缝随机扩展过程并进行该过程的有限元分析。

如图2中（a）所示，所述在ABAQUS平台的Mesh模块中，以网格的方式划分整个目的区域，包括：

在ABAQUS平台的Mesh模块中，利用非结构化的进阶算法，在目的区域边界生成四边形网格；

以所述四边形网格的方式，逐渐向内划分整个目的区域；

使用网格映射方法，提高网格质量，并为所述裂缝性页岩储层模型设置一个集合名称。

如图2中（b）所示，所述在已网格化的所述目的区域选中所需嵌入的集合区域，在选中的所述集合区域嵌入零厚度内聚力单元，形成具有孔压节点零厚度内聚力单元的裂缝性页岩储层模型网格集合，包括：

在已网格化的所述目的区域选中所需嵌入的集合区域，根据有限元网格数据拓扑结构，利用Python语言在选中的所述集合区域嵌入零厚度内聚力单元，形成具有孔压节点零厚度内聚力单元的裂缝性页岩储层模型网格集合。

所述利用Python语言在选中的所述集合区域嵌入零厚度内聚力单元，包括：

重复分裂所述目的区域全局有限元网格母节点，生成若干子节点；

按照有限元网格母节点的拓扑关系，更新子节点编号，使得子节点之间相互独立，即进行全局网格离散处理；

在相邻接口界面的中间子节点间，额外添加孔压节点，并按照ABAQUS有限元平台中单元节点编号原则，将接口界面处的节点与所述孔压节点依次连接，同时将所述接口界面处节点沿所述孔压节点方向相互压缩成虚拟双节点线单元，完成嵌入零厚度内聚力单元。

所述完成嵌入零厚度内聚力单元之后，还包括：

如图2中（d）所示，在不同方向零厚度内聚力单元相交处，通过共享节点方式融合相交节点，保证整个区域内流体场的连续性，此过程即为融合（Merge）相交节点阶段。为解决相交节点处流体存在流动问题，将相同坐标处的孔隙压力节点融合为一个公共孔隙压力节点，以共享孔隙压力的方式保证在局部应力状态下，流体从相交点处的一个CEPPZ流向另一个CEPPZ，从而解决4个CEPPZ内流体连续性问题。

所述重复分裂所述目的区域全局有限元网格母节点的次数确定方法如下：

在所述目的区域内或者所述目的区域边界上，根据所述母节点编号在所述目的区域中的出现次数N，确定所述母节点重复分裂次数为（N-1）。

所述按照有限元网格母节点的拓扑关系，更新子节点编号，使得子节点之间相互独立，即进行全局网格离散处理，包括：

按照有限元网格节点的拓扑关系，当所述母节点分裂成所述子节点后，在所述母节点编号前扩充至少一位，保存母节点重复分裂次数，由此形成由所述重复分裂次数和母节点编号组成的子节点编号，并按照逆时针顺序赋予子节点；

在所述目的区域，保持所述母节点编号不变，将所述母节点与所述子节点编号重新构成所述目的区域单元，但其单元类型不变；

对于非目的区域，则保持其单元内节点编号、单元类型不变；

当网格离散时，创建新的数据表，并将所述子节点编号存储于新的数据表中，最终使所述子节点之间相互独立。

所述在相邻接口界面的中间子节点间，额外添加孔压节点，并按照ABAQUS有限元平台中单元节点编号原则，将接口界面处的节点与所述孔压节点依次连接，同时将所述接口界面处节点沿所述孔压节点方向相互压缩成虚拟双节点线单元，完成嵌入零厚度内聚力单元，包括：

如图2中（c）所示，在每个相邻单元接口界面中间，分别插入1个只具有孔压自由度的节点，这些孔压节点编号是在所有子节点编号的基础上，继续向前扩充至少一位，编号最高位从1开始，相应母节点编号则从反方向开始填充编号末位，其余位置由0填充；

按照ABAQUS有限元平台中单元节点编号原则即逆时针排序，将接口界面处的节点与所述孔压节点依次连接起来，并将接口界面处节点沿着孔压节点方向相互压缩成虚拟双节点线单元；

所述虚拟双节点线单元编号是在所述孔压节点编号基础上向前扩充两位，其中编号最高位和末位均从1开始，其余位置由0填充，需要特别注意，由于孔压节点没有位移自由度，所以编号的前两位必须由接口界面节点编号占据，完成嵌入零厚度内聚力单元。

所述通过在ABAQUS平台的Step模块中设置分析步，进行水力压裂施工过程模拟并得到模拟结果，包括：

通过在ABAQUS平台的Step模块中设置地应力平衡分析步和压裂液注入分析步，模拟初始地应力平衡和压裂施工过程，得到地应力加载和压裂施工过程的模拟结果。

所述初始条件包括：所述天然裂缝的裂缝性页岩储层模型四周的初始地应力、固定位移边界和固定孔隙压力边界，添加孔隙压力边界是在模拟页岩储层周围的孔隙压力场。

本申请基于ABAQUS平台，利用Python语言编写脚本文件，可以直接在ABAQUS平台中基于有限元网格嵌入具有孔压节点的零厚度内聚力单元，该方法不仅操作简便，易于实现，还弥补了ABAQUS平台内置的内聚力单元无法有效模拟水力裂缝随机扩展过程的不足。此外，如图3所示，通过该方法模拟了水力裂缝与天然裂缝相交扩展过程，如图4所示，其数值模拟结果与Blanton实验结果吻合，从而验证了该方法可以弥补ABAQUS平台无法有效模拟裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展过程的不足。

本申请与现有技术相比，其显著优点为：（1）基于ABAQUS平台，利用Python语言编写了脚本文件，可以直接在ABAQUS平台实现裂缝性页岩储层中水力裂缝随机扩展过程；（2）利用该方法不仅操作简便，易于实现，还弥补了ABAQUS平台内置的内聚力单元无法有效模拟水力裂缝随机扩展过程的不足。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。