一种基于有限断层网络的地应力检测方法及检测系统

技术领域

本发明涉及地应力检测技术领域，具体而言，涉及一种基于有限断层网络的地应力检测方法及检测系统。

背景技术

近年来，页岩气已成为我国天然气勘探开发的重要领域，通过对页岩气的勘探研究表明，页岩储层具有自生自储、低孔隙度、超低渗透率、天然裂缝发育等特征，一般无自然产能，需要进行水力压裂后才能获得经济开发。无论是分析水力裂缝扩展规律，还是进行压裂及射孔方案决策与设计，都是需要用到地应力这个重要参数，地应力状态测量的准确性以及地应力预测模型的真实程度直接影响水力压裂的最终效果，因而对地应力的研究在页岩气勘探开发过程中的重要性不言而喻。

在现有技术中，数值模拟软件具有操作简单、计算快、工作量小等优点，因此地应力的测量通常都是通过数值模拟法进行的，利用计算机进行数值模拟可以为地应力评价提供一个最佳位置，从而减少测试时间和成本，但是在采用这些方法对地应力进行测量的时候，采用的这些模型尺度小，断层多为贯穿大断层，难以反映非连续不贯穿断层群附近的地应力场分布。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术无法反应出非连续不贯穿断层群附近的地应力长分布，目的在于提供一种基于有限断层网络的地应力检测方法及检测系统，能够直接反应非连续不贯穿断层全附近的地应力场。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明提供了一种基于有限断层网络的地应力检测方法，检测方法步骤包括：

获取第一模型，所述第一模型为待检测区域的拟合地层模型；

获取第一数据，所述第一数据为待检测区域发生断层面的数据；

根据所述第一数据，在所述第一模型中构建断层平面，获得第二模型；

采用三角形网格网络对所述第二模型处理，并基于所述第一数据，在处理后的模型中，建立断层接触面，并对所述断层接触面建立接触摩擦，获得地应力模型；

在所述地应力模型的约束下，并基于所述第一数据进行计算，获得所述待检测区域的地应力。

传统在地应力的测量过程中，通常都是通过数值模拟法进行测量的，并在计算机内进行地应力的模拟，能够检测到最佳地应力的位置，减少了测试时间和成本，但是在采用这种方法对地应力地应力测量的时候，所简历的模型小，且断层多为贯穿大断层，难以反映非连续不贯穿断层群附近的地应力场分布；本发明提供了一种基于有限断层网络的地应力检测方法，通过三角形网格网络对模型进行处理，并在网格模型中构建断层接触面的方法，能够反应非连续不贯穿断层面附近的地应力场分布的同时，实现了对地应力的精准检测。

优选地，所述第一模型的构建方法包括：

获取所述待检测地应力区域的第二数据，所述第二数据为待检测地应力区域的断层岩石力学参数；

基于所述第二数据，按照等比例缩放方法，构建所述待检测地应力区域对应的几何模型，获得第一模型。

优选地，所述第二数据包括待检测地应力区域的地形地貌、尺寸大小、弹性模量数据、泊松比数据、底层密度数据以及重力加速度数据。

优选地，所述第一数据包括断层的构造部位、断层层位、断层长度、断层倾向以及断层倾角。

优选地，所述地应力模型获得的具体子步骤包括：

采用三角形网格网络将所述第二模型划分为网格模型；

基于所述第一数据，在所述网格模型中，生成断层接触面，获得断层网格模型；

在所述断层接触面设置切向接触，并在所述切向接触上设置相应的摩擦系数，获得地应力模型。

优选地，在通过三角形网格网络对所述第二模型处理时，建立的网格为三角形网格，且网格之间的网格密度范围为10～200。

定义为网格密度，即每条边界线上网格节点的数量(也叫布种子)，一般范围为50-200)优选地，所述地应力模型的约束具体为：对地应力模型的各个边界进行位移约束.

优选地，所述地应力的具体计算表达是为：

σ＝DBδ

D为弹性矩阵；B为几何矩阵，σ为地应力，δ为节点位移。

优选地，所述节点位移的具体表达式为：

Kδ＝F

K为单元刚度矩阵；Fg为自重应力的总体荷载列阵；Fu为构造应力的荷载列阵。

本发明还提供了一种基于有限断层网络的地应力检测系统，检测系统包括模型获取模块、数据获取模块、第一模型构建模块、第二模型构建模块以及地应力计算模块；

所述模型获取模块，用于获取第一模型，所述第一模型为待检测区域的拟合地层模型；

所述数据获取模块，用于获取第一数据，所述第一数据为待检测区域发生断层面的数据；

所述第一模型构建模块，用于根据所述第一数据，在所述第一模型中构建断层平面，获得第二模型；

所述第二模型构建模块，用于采用三角形网格网络对所述第二模型处理，并基于所述第一数据，在处理后的模型中，建立断层接触面，并对所述断层接触面建立接触摩擦，获得地应力模型；

所述地应力计算模块，用于在所述地应力模型的约束下，并基于所述第一数据进行计算，获得所述待检测区域的地应力。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明实施例提供的一种基于有限断层网络的地应力检测方法及检测系统，通过三角形网格网络对模型进行处理，并在网格模型中构建断层接触面的方法，能够反应非连续不贯穿断层面附近的地应力场分布的同时，实现了对地应力的精准检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1为检测方法示意图

图2为检测系统示意图

图3为第一模型示意图

图4为网格模型示意图

图5为断层网格模型示意图

图6为地应力模型示意图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例一

本实施例公开了一种基于有限断层网络的地应力检测方法，本实施例中，通过三角形网格网络方法对构建的几何模型进行处理，并在网格模型中构建断层接触面方式，将非连续不贯穿断层面在模型中进行展示，且能够计算相对应的地应力长分布，具体方法过程如图1所示，检测方法步骤包括：

S1：获取第一模型，所述第一模型为待检测区域的拟合地层模型；

在步骤S1中，所建立的第一模型是根据待检测区域范围的大小，以及地质层的状态，构建的地层的几何模型，地层模型是对地层实体的组成、结构、时空存在状况的简化表达和综合解释；因此，建立的第一模型能够直观的反映出待检测区域的地层情况，本实施例中简历的第一模型为六面体实体模型，如图3所示；

所述第一模型的构建方法包括：

获取所述待检测地应力区域的第二数据，所述第二数据为待检测地应力区域的断层岩石力学参数；

基于所述第二数据，按照等比例缩放方法，构建所述待检测地应力区域对应的几何模型，获得第一模型。

所述第二数据包括待检测地应力区域的地形地貌、尺寸大小、弹性模量数据、泊松比数据、底层密度数据以及重力加速度数据。

在此步骤中，通过切割方式在地质体内部切除一个公用的不贯穿面，用以模拟断层面。并赋予地层和断层岩石力学性质等参数：弹性模量的取值在30-45GPa之间，并且随着深度的增加线性增加；泊松比取值为0.23。地层密度设定为2500～2700kg/m

S2：获取第一数据，所述第一数据为待检测区域发生断层面的数据；

所述第一数据包括断层的构造部位、断层层位、断层长度、断层倾向以及断层倾角。

在步骤2中，第一数据按照阳深11号阳高寺构造东翼为例，断层层位为五峰底，断层长度为20.36km，断层倾向为向西，断层倾角为75-80°。

S3：根据所述第一数据，在所述第一模型中构建断层平面，获得第二模型；

在步骤S3中，主要是根据步骤S2获得的数据，按照等比例缩放的原则，并且通过构建相对应的坐标系，获取断层面的具体对应比例的坐标位置，并根据坐标位置的点位，在第一模型中构建相对应的断层平面。

S4：采用三角形网格网络对所述第二模型处理，并基于所述第一数据，在处理后的模型中，建立断层接触面，并对所述断层接触面建立接触摩擦，获得地应力模型；

在步骤S4中，将第二模型划分为网格块模型，如图4所示，将几何模型划分为由三维十节点四面体单元构成的有限元模型；将所需的断层几何模型构建为接缝，为后续设置断层接触摩擦做准备。

所述地应力模型获得的具体子步骤包括：

采用三角形网格网络将所述第二模型划分为网格模型，在本实施例中，构建的网格模型中，划分的网格越多，则最后计算出来的地应力越精确，就需要对网格之间的间距做相应的调整，因此，在通过三角形网格网络对所述第二模型处理时，建立的网格为三角形网格，且网格之间的间距范围为：定义为网格密度，即每条边界线上网格节点的数量(也叫布种子)，一般范围为10-200)

基于所述第一数据，在所述网格模型中，生成断层接触面，获得断层网格模型；

生成的断层网格模型具体如图5所示，是根据实际待检测区域中发生的断层面的区域，获取断层面端点处对应在网格模型中的坐标点位，并在网格模型中，标记出相应的点位，在将点位与点位之间进行连接，连接之后可以直接得到一个断层面，就是构建的断层接触面，在断层网格模型中，能够直观的反映出发生断层位置的具体位置，能够将非连续不贯穿断层面进行显示。

将众多非连续不贯穿断层视为无厚度的三维非连续矩形平面，以单一断层为例，根据现场测定的断层资料确定其在地层中的位置；先在模型中建立参考面，然后根据断层在地层中的相对大小规定断层的几何面积，由此确定断层矩形面的四个端点坐标。通过矩阵四个空间顶点的坐标来唯一确定断层及断层群的位置，所得到的几何模型在后续有限元分析中，计算速度更快，建模效率高。

在所述断层接触面设置切向接触，并在所述切向接触上设置相应的摩擦系数，获得地应力模型，如图6所示。

具体设施方式：

将断层网格模型以固定格式文件导出，并再次导入有限元软件中；然后在interaction模块中利用crack功能生成断层接触面。

其原理是通过生成两个包含不同单元数量的集合，来模拟断层的接触摩擦，具体步骤为：

首先选择出断层面的全部element集合set-1，命名为Surf-a。减选set-1中的element，命Surf-b。将两个surf设置为摩擦接触，采用penalty罚刚度算法，此算法允许弹性滑移变形，摩擦系数设置为0.6。

S5：在所述地应力模型的约束下，并基于所述第一数据进行计算，获得所述待检测区域的地应力。

所述地应力模型的约束具体为：对地应力模型的各个边界进行位移约束。

规定模型的六个边界面分别为X1，X2，Y1，Y2，Z1，Z2，为模型右边界X1面、前边界Y1面设置Step-2的位移值(按需求设置具体数值)，X2，Y2，Z1，Z2边界面约束法向位移＝0，Z1面(上边界面)不设置位移约束条件。

边界作用荷载的作用方式及大小的是地应力场反演分析的关键，数值模拟分析过程中，垂直方向上重力场的设置可以可通过地层的容重来实现，水平方向上构造应力场的叠加通过设置合理的边界条件和计算模型进行模拟。其中，远场边界构造作用可认为是以下两种基本构造状态的叠加结果：沿X方向与Y方向的水平挤压或水平拉伸构造作用；水平面内的均匀剪切构造变形作用。

试算边界条件的过程为：施加一组挤压力和剪切力，对模型进行求解，提取已知井点位置的三个主应力大小以及水平最大主应力方向，将其与由水力压裂资料和声发射测试得到的结果进行比对，如果比对结果在误差允许范围内，则认为该边界条件为真实地层边界条件，否则修改边界条件再次计算，直到达到误差要求。

所述地应力的具体计算表达是为：

σ＝DBδ

D为弹性矩阵；B为几何矩阵，σ为地应力，δ为节点位移。

所述节点位移的具体表达式为：

Kδ＝F

K为单元刚度矩阵；Fg为自重应力的总体荷载列阵；Fu为构造应力的荷载列阵。

计算的地应力，可以通过几个点位之间的实测值进行优化，具体优化的方法为：

设在模型域范围内有N个点的实测应力值σ1(j)、σ2(j)、σ3(j)按实测数量及可信度，分别赋予相应的权系数ω1(j)、ω2(j)、ω3(j)；用某一构造应力参数T(确定的F)正问题解决，得到应力值为σ′1(j)、σ′2(j)、σ′3(j)，将T看作m维空间的一个变动点，即：T＝T(T

将E(k)的大小作为衡量T是否符合实际的一个标准，即求T使得满足最优化条件为：

其约束条件取为：

0≤T

通过求解上述力学方程得到应力及应力方向。

本实施例公开的一种基于有限断层网络的地应力检测系统，通过三角形网格网络对模型进行处理，并在网格模型中构建断层接触面的方法，能够反应非连续不贯穿断层面附近的地应力场分布的同时，实现了对地应力的精准检测。

实施例二

本实施例公开了一种基于有限断层网络的地应力检测系统，本实施例是为了实现如实施例一中的检测方法，如图2所示，检测系统包括模型获取模块、数据获取模块、第一模型构建模块、第二模型构建模块以及地应力计算模块；

所述模型获取模块，用于获取第一模型，所述第一模型为待检测区域的拟合地层模型；

所述数据获取模块，用于获取第一数据，所述第一数据为待检测区域发生断层面的数据；

所述第一模型构建模块，用于根据所述第一数据，在所述第一模型中构建断层平面，获得第二模型；

所述第二模型构建模块，用于采用三角形网格网络对所述第二模型处理，并基于所述第一数据，在处理后的模型中，建立断层接触面，并对所述断层接触面建立接触摩擦，获得地应力模型；

所述地应力计算模块，用于在所述地应力模型的约束下，并基于所述第一数据进行计算，获得所述待检测区域的地应力。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。