【技術實現步驟摘要】
在本專利技術涉及油田巖石力學性質的研究領域，具體涉及一種基于細觀和宏觀有限元模擬相結合的跨尺度層理頁巖彈性力學性質計算方法。
技術介紹
1、隨著油氣資源勘探開發的深入，僅依靠常規油氣資源已無法滿足我國不斷增長的能源需求。我國頁巖油氣資源儲量豐富，開發潛力巨大，有效開發頁巖油氣藏將為緩解我國能源短缺現狀提供重要途徑。頁巖是一種層狀沉積巖，具有顯著的非均質性、特低孔隙度和低滲透率等特點。水平井分段多簇壓裂技術是開發頁巖油氣的有效手段，該技術成功的關鍵在于水力壓裂后能否在頁巖儲層中形成有效擴展的裂縫。然而，水力裂縫在巖石中的實際擴展受地層條件和儲層巖石力學性質的影響，具有很高的復雜性。因此，深入研究頁巖力學性質對于頁巖油氣開發具有重要意義。
2、頁巖可看作一種典型的非均質天然材料，由多種礦物組成，并展現出顯著的各向異性和多尺度特征，而層理是頁巖中一種普遍存在的結構特征，層理結構可以影響壓裂效果。水力裂縫難以縱向穿透層理，阻礙了相鄰頁巖油儲層的溝通，導致水平井水力壓裂改造存在困難。目前，常用的巖石力學參數，如抗拉強度、楊氏模量和泊松比，主要通過室內實驗和測井資料獲取。例如，三軸應力試驗和巴西劈裂試驗可以測得應力-應變曲線，進而推算出彈性模量、泊松比和抗壓強度等力學參數。該方法獲得的結果具有較高的可靠性和精度。然而，在獲取頁巖力學參數的過程中，存在以下困難：一是頁巖取樣難度較大，室內實驗難以完全模擬地層條件；二是頁巖的高脆性導致其在測試過程中易碎裂，增加了室內實驗的復雜性。因此，利用室內實驗獲取頁巖力學參數存在一定的局限性。而
3、頁巖中不同礦物的組分、布局方式以及層理的位置、力學性質等因素，直接影響頁巖的宏觀力學性質，若能以細觀尺度用于求解層理頁巖彈性力學性質并對其驗證，在宏觀尺度通過力學等效理論以及施加周期性邊界條件，實現彈性力學性質細觀-宏觀跨尺度求解，這將從多角度全面表征層理頁巖的力學性能，并有利于實現單因素對巖石力學性質的影響研究。
技術實現思路
1、針對以上問題和研究現狀，本專利技術先在細觀尺度上用泰森多邊形的方法建立幾何模型，其中含有多種礦物和層理面，再施加拉伸和壓縮載荷來求解力學特征，并與室內實驗結果進行對比驗證；之后在宏觀尺度上，通過周期性邊界條件和力學等效理論實現對層理頁巖力學性質的預測，實現跨尺度求解，基于有限元方法，對層理頁巖進行單軸壓縮試驗數值模擬，獲得層理頁巖的宏觀彈性力學參數。
2、本專利技術提供的技術方案是；一種跨尺度的層理頁巖彈性力學性質計算方法，包括以下步驟：
3、1）泰森多邊形模型的建立：三維泰森多邊形voronoi的胞元形狀與礦物顆粒形狀呈現出良好的相似性，因此采用voronoi圖的多胞元表示巖石內部顆粒的結構，泰森多邊形是一組由連接兩鄰點線段的垂直平分線組成的連續多邊形，一個泰森多邊形內的任一點到構成該多邊形的距離小于到其他多邊形控制點的距離，根據泰森多邊形坐標，在abaqus軟件中采用python腳本生成泰森多邊形模型；
4、2）根據層理頁巖的礦物比例為多邊形模型分配不同礦物顆粒體積，計算各泰森多邊形顆粒體積；
5、3）采用python腳本按照計算的礦物顆粒體積將其隨機投放到多邊形模型的任意位置，并對含混合礦物顆粒的多邊形模型賦予不同的屬性；
6、4）對多邊形模型劃分四面體網格作為驗證模型，全局網格尺寸為3、網格屬性為c3d4，通過添加參考點并施加應力面耦合為巖石施加載荷即拉/壓，創建固定邊界條件，將模型一端固定，即將其端面的x方向自由度設為0，且分別將三個角點xyz方向、xy方向、xz方向的自由度也設置為0，對另一個端進行壓縮，即將其端面沿x方向添加1mm的位移量，且分別將三個角點yz方向、y方向、z方向的自由度也設置為0；
7、5）選擇靜力通用模式，對細觀尺度上的多邊形模型進行壓縮，壓縮總時長設為1s；
8、6）新建一個和多邊形模型相同大小即50×50×100的幾何模型，分別設置（0,0,20）、（50,0,20）、（0,05,80）、（50,50,80）這四個參考點，對此模型進行三點剖分，并在剖分面上插入cohesive單元作為層理面，指定其單元類型為coh3d8；層理面與幾何模型形成一個傾角，該傾角可根據實際頁巖的層理角度而定；
9、7）對幾何模型根據在特定區域或方向創建重復的網格模式?模擬周期性行為；首先對幾何模型進行四面體網格劃分，再對幾何模型進行網格面偏移、復制，使得相對面的網格相同，之后劃分網格體，實現幾何模型網格的周期性，并定義全局網格尺寸為3，指定模型網格屬性為c3d4；
10、8）將幾何模型中劃分好的周期性網格映射到多邊形模型中，根據單元的中心坐標是否在相應的幾何區域內，利用坐標對比來進行映射網格，映射后的模型整體為代表體積元rve模型，rve能夠提供足夠的精度來表示材料的較大尺度；
11、9）為了消除因模擬體系的規模限制而引起的邊界效應，使邊界處應力連續和位移連續，對幾何模型進行周期性邊界條件的創建；利用python腳本實現周期性邊界條件的添加：首先，為多邊形模型建立并讀取六個邊界面集合，保存六個面上的節點數據；第二步，讀取每個面上的節點編號、坐標；第三步，計算相對面上各對最近點，并保存節點對編號；第四步，將八個對角點編號，分成前后兩組，左下、右下、左上、右上四個部分；第五步，對左右面、上下面及前后面的節點對建立equation約束，約束x、y、z三個方向的自由度；最后，對八個對角點建立equation約束；
12、10）對細觀尺度上的多邊形模型進行壓縮拉伸實驗求解應力應變曲線、抗壓強度、彈性模量和泊松比等彈性力學性質：
13、11）在宏觀尺度上，可以分別建立層理頁巖中的層理傾角為0°、30°、60°的幾何模型，再根據步驟6）-步驟10）中的建立模型和計算過程進行求解預測。
14、上述步驟2）中：利用泰森多邊形面積和高程差計算體積，首先使用gis軟件來計算每個泰森多邊形的面積，然后計算每個泰森多邊形內最高點和最低點之間的高程差，如公式1-公式7來計算每個泰森多邊形的體積；
15、；
16、式中：l、w、h分別為模型的長、寬、高；v和v石英、v方解石、v伊利石分別為多邊形模型總體積和模型中石英、方解石、伊利石礦物顆粒的體積；w石英為石英的體積分數；v為多邊形模型任一顆粒的體積；s為多邊形模型任一顆粒的面積；δh為多邊形模型任一顆粒內最高點和最低點之間的高程差。
17、上述步驟9）中：
18、面節點約束方程：
19、垂直于x軸的相對面上：
20、；
21、垂直于y軸的相對面上：
22、；
23、垂直于z軸的相對面上：
24、；...
【技術保護點】
1.一種跨尺度的層理頁巖彈性力學性質計算方法，包括以下步驟：
2.根據權利要1所述的跨尺度的層理頁巖彈性力學性質計算方法，其特征在于：步驟2）中：利用泰森多邊形面積和高程差計算體積，首先使用GIS軟件來計算每個泰森多邊形的面積，然后計算每個泰森多邊形內最高點和最低點之間的高程差，如公式1-公式7來計算每個泰森多邊形的體積；
3.根據權利要1所述的跨尺度的層理頁巖彈性力學性質計算方法，其特征在于：步驟9）中：
4.根據權利要1所述的跨尺度的層理頁巖彈性力學性質計算方法，其特征在于：步驟10）中：首先利用公式（17）對拉伸面上所有集合點受到的反力進行加和，由公式（18）和（19）繪制出整個代表體積元的應力應變曲線，再根據模型在X方向與Y方向或Z方向的位移形變量，由公式（20-23）獲得層理頁巖的力學參數，與室內巖石壓縮實驗結果對比驗證、層理頁巖和黑色頁巖壓縮云圖及應力應變曲線；
【技術特征摘要】
1.一種跨尺度的層理頁巖彈性力學性質計算方法，包括以下步驟：
2.根據權利要1所述的跨尺度的層理頁巖彈性力學性質計算方法，其特征在于：步驟2）中：利用泰森多邊形面積和高程差計算體積，首先使用gis軟件來計算每個泰森多邊形的面積，然后計算每個泰森多邊形內最高點和最低點之間的高程差，如公式1-公式7來計算每個泰森多邊形的體積；
3.根據權利要1所述的跨尺度的層理頁巖彈性力學性質計算方法，...
【專利技術屬性】
技術研發人員：梁爽，溫婕，楊公臣，孫碩，李熙順，李良堯，
申請(專利權)人：東北石油大學三亞海洋油氣研究院，
類型：發明
國別省市：
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