本發(fā)明涉及地質(zhì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非均質(zhì)地層應(yīng)力場數(shù)值模擬方法。

背景技術(shù)：

目前為止，對于地層應(yīng)力場數(shù)值模擬主要包括二維數(shù)值模擬和三維數(shù)值模擬。二維數(shù)值模擬往往以砂厚圖作為建模的約束條件，進行建模和巖石力學(xué)參數(shù)的賦值，不可避免的忽略了研究地層在垂向上的巖性變化和構(gòu)造形態(tài)的變化；而三維空間的數(shù)值模擬大多數(shù)是在二維數(shù)值模擬方法的基礎(chǔ)上，增加垂向厚度，雖然得到了三維模型，但對于巖石力學(xué)參數(shù)的賦值依然采用二維建模的方法，不能真實反映研究區(qū)域在三維空間中的構(gòu)造形態(tài)變化和巖石非均質(zhì)性。

在油氣勘探、開發(fā)過程中，地應(yīng)力展布對井網(wǎng)部署、工程設(shè)計、鉆井施工安全及增產(chǎn)改造參數(shù)的選取等至關(guān)重要。然而，由于地層往往構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜，巖石非均質(zhì)性顯著，對研究區(qū)地層進行精確的地應(yīng)力數(shù)值模擬存在困難。在數(shù)值模擬的建模過程中，這些困難具體表現(xiàn)為以下3點：第一，地層在垂向上起伏變化明顯且規(guī)律復(fù)雜，難以在有限元分析軟件建模過程中直接建立這種構(gòu)造形態(tài)；第二，受沉積作用的控制，地層的巖性分布在水平方向和垂向上具有顯著的非均質(zhì)性。因此，地層的巖石力學(xué)屬性在三維空間上變化復(fù)雜，難以對地質(zhì)模型進行準(zhǔn)確而精細(xì)的力學(xué)參數(shù)賦值；第三，沉積地層具有平面分布廣，垂向厚度薄(相對于平面規(guī)模)的特點。因此，地質(zhì)模型的垂向精度應(yīng)當(dāng)遠高于水平精度，而在有限元軟件中直接建立符合這一地質(zhì)認(rèn)識的模型存在困難。

在實際地層應(yīng)力場數(shù)值模擬過程中，模擬對象(即所要模擬的實際地質(zhì)體)具有構(gòu)造形態(tài)復(fù)雜、巖石非均質(zhì)性顯著的特征。因此，如何在有限元模擬軟件中針對模擬對象，建立能夠精細(xì)反映實際地層構(gòu)造形態(tài)及其巖石非均質(zhì)性的有限元數(shù)學(xué)模型是準(zhǔn)確實現(xiàn)應(yīng)力場數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。由于目前所廣泛使用的有限元分析軟件建模功能較差，難以直接在有限元分析軟件中建立符合地質(zhì)認(rèn)識的模型。

本發(fā)明的目的在于解決上述困難，在保證適用性強、建模效率高的前提下，準(zhǔn)確地實現(xiàn)非均質(zhì)條件下的三維地層應(yīng)力數(shù)值模擬。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的問題是提供一種適用性強、模擬結(jié)果精細(xì)和準(zhǔn)確的非均質(zhì)地層應(yīng)力場數(shù)值模擬方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：所提供的一種非均質(zhì)地層應(yīng)力場數(shù)值模擬方法，包括以下步驟：

(1)依據(jù)所掌握的關(guān)于地質(zhì)方面的原始資料，利用地質(zhì)模型建模軟件構(gòu)建研究地層的三維地質(zhì)模型；

(2)在步驟(1)中獲得的三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，讀入上述三維地質(zhì)模型，對組成三維地質(zhì)模型的象元集群的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行分析，匹配構(gòu)造形態(tài)信息和巖性分布信息，得到包含研究地層構(gòu)造形態(tài)與巖性分布信息的三維空間數(shù)據(jù)體；

(3)以上述三維空間數(shù)據(jù)體為基礎(chǔ)，引入類似地質(zhì)模型中象元的概念，稱之為幾何單元，通過這些幾何單元的三維空間疊置，在ANSYS中反映地層的構(gòu)造形態(tài)，通過對這些幾何單元進行差異化的巖石力學(xué)參數(shù)賦值，在ANSYS中反映地層的巖石非均質(zhì)性，并生成命令流文件；

(4)得到命令流文件后，在ANSYS中導(dǎo)入該命令流文件，完成研究區(qū)域的建模、外圍巖石的建模、巖石力學(xué)參數(shù)的賦值、各個部分的剖分，并根據(jù)已知的研究區(qū)域背景地應(yīng)力，施加邊界條件和載荷，進行有限元計算。

作為進一步改進，以地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，通過自編譯程序生成包含構(gòu)造形態(tài)信息與巖性分布信息的三維空間數(shù)據(jù)體，并生成ANSYS命令流文件，以完成ANSYS中的建模、賦值、剖分等工作。

作為進一步改進，采用“化整為零”的建模思路，引入幾何單元。以大量“幾何單元”的空間堆砌描述地層的構(gòu)造形態(tài)；通過對“幾何單元”進行差異化的巖石力學(xué)參數(shù)賦值，在有限元分析軟件中反映地層的非均質(zhì)性；通過控制“幾何單元”的幾何形態(tài)，體現(xiàn)地質(zhì)模型在水平方向、垂向上的分辨率差異。

采用本發(fā)明的技術(shù)方案，相對于傳統(tǒng)的二維和三維模擬方法，具有如下優(yōu)勢：

(1)讀取專業(yè)地質(zhì)建模軟件生成的三維地質(zhì)模型，分析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并進行匹配，得到包含研究地層構(gòu)造形態(tài)與巖性分布信息的三維空間數(shù)據(jù)體。通過分析三維空間數(shù)據(jù)體，直接生成符合建模要求的命令流文件，在ANSYS中快速地完成復(fù)雜地質(zhì)模型的建模、賦值、剖分工作。

(2)通過大量“幾何單元”的空間堆砌能夠精細(xì)描述實際地質(zhì)體的復(fù)雜構(gòu)造形態(tài)。

(3)通過對“幾何單元”的巖石力學(xué)參數(shù)進行差異化賦值，精細(xì)描述實際地質(zhì)體的巖石非均質(zhì)性。

(4)“幾何單元”的形態(tài)可控，采用薄層狀的幾何單元，符合沉積地層的地質(zhì)認(rèn)識。

(5)“幾何單元”的尺寸可控，模型分辨率以三維地質(zhì)模型為準(zhǔn)，建模精度為水平方向(18-22)m×(18-22)m，垂向為0.4-0.6m。

(6)適用性強，模擬結(jié)果更為準(zhǔn)確，和實際計算值相差很小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的技術(shù)流程圖。

圖2為本發(fā)明中Layer1水平最小主應(yīng)力模擬結(jié)果圖。

圖3為本發(fā)明中Layer2水平最小主應(yīng)力模擬結(jié)果圖。

圖4為本發(fā)明中Layer3水平最小主應(yīng)力模擬結(jié)果圖。

圖5為本發(fā)明中Layer4水平最小主應(yīng)力模擬結(jié)果圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實施方式，進一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，一種非均質(zhì)地層應(yīng)力場數(shù)值模擬方法，包括以下步驟：

(1)首先根據(jù)研究地層的地質(zhì)認(rèn)識，在專業(yè)地質(zhì)建模軟件中建立地質(zhì)模型。在這一過程中，需要根據(jù)所掌握原始資料的實際情況，如測井資料、三維地震資料、巖心資料，選擇合理的建模方法，構(gòu)建研究地層的三維構(gòu)造模型以及三維巖性分布模型。地質(zhì)模型應(yīng)當(dāng)合理運用地震資料或者層位坐標(biāo)數(shù)據(jù)，全面和準(zhǔn)確的反映地層在空間上的起伏變化；充分考慮模擬地層的沉積環(huán)境，建立符合地質(zhì)認(rèn)識的、非均質(zhì)的巖性分布三維模型；充分利用測井?dāng)?shù)據(jù)在垂向上分辨率高(0.125m左右)的特點，設(shè)置地質(zhì)模型中象元的幾何尺寸，一般情況下，水平方向約為20m×20m，垂向約為0.5m，以保證地質(zhì)模型具有足夠的垂向分辨率?？傊?，專業(yè)地質(zhì)建模工作的最終目的是建立一個能夠精細(xì)而準(zhǔn)確地描述實際地層構(gòu)造形態(tài)以及巖性非均質(zhì)分布的地質(zhì)模型。這樣的地質(zhì)模型是得到可信數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)；

(2)地質(zhì)模型建模軟件所生成的地質(zhì)模型是以大量的六面體單元構(gòu)成，這種六面體單元在地質(zhì)建模理論中被稱為“象元”。象元在水平面的投影為固定尺寸的正方形，正方形的尺寸決定了地質(zhì)模型的平面分辨率。象元垂向棱的尺寸由地層的剖分參數(shù)確定，決定了地質(zhì)模型的垂向分辨率?？梢钥闯?，地質(zhì)模型具有明顯的柵格化特征，便于生成三維空間數(shù)據(jù)體。本質(zhì)上，地質(zhì)模型的構(gòu)造形態(tài)與巖性非均質(zhì)分布是由不同巖性參數(shù)的象元在空間上的堆砌關(guān)系所體現(xiàn)的。通過模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，讀入三維地質(zhì)模型，對象元集群的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行分析，匹配構(gòu)造形態(tài)信息與巖性分布信息，得到包含研究地層構(gòu)造形態(tài)與巖性分布信息的三維空間數(shù)據(jù)體。這一空間數(shù)據(jù)體是進行ANSYS建模的直接數(shù)據(jù)來源；

(3)步驟(2)中得到的空間數(shù)據(jù)體包含了研究地層的完整地質(zhì)信息，在接下來的工作中，將圍繞空間數(shù)據(jù)體進行ANSYS的建模工作。本發(fā)明采用“化整為零”的思路，依據(jù)空間數(shù)據(jù)體生成命令流文件，在ANSYS中進行建模、賦值、剖分等工作。所謂“整”是指研究地層的整套地質(zhì)信息(包括構(gòu)造形態(tài)信息與巖性分布信息)。為了在ANSYS中精細(xì)、準(zhǔn)確的反映地層的整套地質(zhì)信息，本發(fā)明引入了類似地質(zhì)模型中“象元”的概念，稱之為“幾何單元”，這種“幾何單元”數(shù)量龐大，結(jié)構(gòu)簡單，也就是所謂的“零”。通過這些“幾何單元”的三維空間疊置，在ANSYS中反映地層的構(gòu)造形態(tài)；通過對這些“幾何單元”進行差異化的巖石力學(xué)參數(shù)賦值，在ANSYS中反映地層的巖石非均質(zhì)性?！皫缀螁卧钡膸缀涡螒B(tài)和尺寸由“象元”控制，可以有效反映地質(zhì)模型在水平方向、垂向上的分辨率差異。這些“幾何單元”數(shù)量龐大，需要進行復(fù)雜的操作，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，利用空間數(shù)據(jù)體生成命令流文件，進行ANSYS建模。在以往的ANSYS建模中，由于有限元軟件建模能力的限制，往往需要針對研究地層的特征進行不同程度和不同方法的簡化。這一過程不可避免的導(dǎo)致地質(zhì)模型的失真，造成了發(fā)明目的中所述的三個問題?；趥€人認(rèn)識的簡化過程，加之各個研究區(qū)域的地質(zhì)特殊性，導(dǎo)致簡化建模的方法不具有普遍適用性(不同的研究區(qū)域，不同的研究人員，采用不同的方法進行簡化)。采用“化整為零”的思路，直接、有效的解決了以上問題。

(4)得到命令流文件后，在ANSYS中導(dǎo)入該命令流文件，完成研究區(qū)域的建模、外圍巖石的建模、巖石力學(xué)參數(shù)的賦值、各個部分的剖分。根據(jù)已知的研究區(qū)域背景地應(yīng)力，施加邊界條件和載荷，進行有限元計算。

為了便于直觀地展示分析結(jié)果，以ANSYS中的計算節(jié)點為單位，提取有限元分析結(jié)果，利用數(shù)據(jù)讀取模塊讀入ANSYS的輸出結(jié)果(TXT文件)，生成用于描述研究區(qū)域地應(yīng)力展布的三維數(shù)據(jù)體(第一主應(yīng)力的大小和方向、第二主應(yīng)力的大小和方向、第三主應(yīng)力的大小和方向)。

使用本發(fā)明所提技術(shù)，我們對國內(nèi)某油田A油藏進行了現(xiàn)今應(yīng)力場模擬。該油層地質(zhì)模型在縱向上厚度為45米左右，在地質(zhì)模型建模中，平面分辨率采用25×25m、縱向分辨率為0.5m，在縱向上將整個模型劃分為90個layer。隨后利用本發(fā)明方法對該模型進行了三維應(yīng)力場模擬。由圖2至圖5可以看出，本方法所得應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果在平面上對于應(yīng)力的差異分布刻畫精細(xì)。在縱向上，各layer之間應(yīng)力展布差異明顯，很好地體現(xiàn)了地層縱向非均質(zhì)性所造成的應(yīng)力場縱向差異展布。在得到應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果后，將油田實測水平最小主應(yīng)力與模擬結(jié)果進行對比，具體見表1，可以看出模擬結(jié)果與實測結(jié)果相對誤差很小，結(jié)果可信。

表1應(yīng)力實測結(jié)果與模擬結(jié)果對比表

顯然本發(fā)明具體實現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進行的各種非實質(zhì)性的改進，或未經(jīng)改進將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。