一种构造应力场数值模拟边界条件厘定的方法

技术领域

本发明涉及地质学储层地质力学领域，具体涉及一种构造应力场数值模拟边界条件厘定的方法及系统。

背景技术

基于有限元方法的应力场模拟在古应力场和地应力场的数值模拟以及储层裂缝和低阶断层预测中得到了广泛而有效的应用（Liu, J. S., Ding, W. L., Yang, H. M.,Liu, Y., 2021. Quantitative Multiparameter Prediction of Fractured TightSandstone Reservoirs: A Case Study of the Yanchang Formation of the OrdosBasin, Central China. Spe Journal. 26 (5), 3342-3373. https://doi.org/10.2118/205495-pa）。目前基于有限元方法的应力场模拟的开展均需按照以下步骤进行：建立地质模型、建立力学模型、建立数学模型、利用数值模拟软件例如ANSYS软件进行应力场数值模拟。在建立力学模型时，岩石力学参数的确定可依据沉积相带和构造单元给出经验数值（丁文龙,曾维特,王濡岳等，页岩储层构造应力场模拟与裂缝分布预测方法及应用[J].地学前缘,2016,23(02):63-74.DOI:10.13745/j.esf.2016.02.008），近期还有学者采用地震反演等手段获取非均质岩石力学参数（Liu, J. S., Zhang, G. J., Bai, J. P.,Ding, W. L., Yang, H. M., Liu, Y., 2022. Quantitative prediction of thedrilling azimuth of horizontal wells in fractured tight sandstone based onreservoir geomechanics in the Ordos Basin, central China. Marine andPetroleum Geology. 136, 22. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2021.105439）。而目前在构建力学模型时，边界条件的确定的定量化研究较少，大多以开展数值模拟的地质历史时期的区域构造应力方向来定性得出施加外力的方向，并根据样品声发射实验获取力学模型施加的主应力，至于降低数值模拟结果与单井实测数据的误差，目前只能通过人为调试给模型施加的水平应力大小与方向来降低，工作量较大，操作较为繁琐，使得数值模拟效率的提升遇到瓶颈。前人虽然已经使用ANSYS参数化的程序语言APDL实现了自适应程序的编制，但仅限于比较单井应力大小模拟值和实测值（郑若思. 渤南油田义176块现今地应力研究[D].中国石油大学(华东),2018.DOI:10.27644/d.cnki.gsydu.2018.000463），并未对单井地应力方向用自适应程序进行约束。故总体而言，基于数值模拟软件的用于获取最佳力学边界条件的自适应算法研究基础薄弱，使得数值模拟效率和精确度的提升难度较大。

发明内容

基于此，本申请实施例提供了一种构造应力场数值模拟边界条件厘定的方法及系统，用以解决现有技术中存在的应力场数值模拟的模型最佳边界条件难以高效且精准厘定的技术问题。

第一方面，提供了一种构造应力场数值模拟边界条件厘定的方法，该方法包括：

S1、根据单井实测地应力大小与方向明确非均质地质力学模型的外力施加方向与大小的测试范围；

S2、在测试范围内等间距选取若干个测试点开展数值模拟并获取每一种边界条件下单井模拟结果与实测数据的误差；

S3、判定获取的模拟结果的最小误差是否满足研究需要并决定是否需要调整施力方向；

S4、用最佳边界条件开展数值模拟并获取构造应力场的相关参数。

可选地，步骤S1包括：

S11、将所有单井实测水平最大主应力的方位角取平均值作为地质力学模型的水平最大主应力施力方向，与水平最大主应力施力方向垂直为方向为水平最小主应力施力方向；

S12、从所有单井实测水平最大主应力大小σ

S13、根据单井实测水平最大主应力的最大值和最小值，以及实测水平最小主应力的最大值和最小值，确定地质力学模型的水平主应力施力大小测试范围；

S14、当Bound

其中，Bound

可选地，步骤S13中，根据步骤S12中获取的参数σ

将地质力学模型在水平最大主应力方向的施力大小测试范围的下限Bound

σ

可选地，步骤S2包括：

S21、在施加的水平最大主应力的测试范围Bound

S22、在施加的水平最小主应力的测试范围Bound

S23、水平最大主应力的m个测试数值和水平最小主应力的m个测试数值的组合共可形成m

可选地，步骤S21中，将水平最大主应力测试范围Bound

其中i为从1到m的整数。

可选地，步骤S22中，水平最小主应力测试范围Bound

其中j为从1到m的整数。

可选地，步骤S23中，每一次的数值模拟均可得到水平最大主应力和水平最小主应力，进而可获取单井的水平最大主应力和水平最小主应力的模拟值；

假定钻井的总数为n，第k口钻井的水平最大主应力的实测值和模拟值分别为σ

其中，Error

若实测的水平最大主应力的方位角为α

使用α

最大主应力方位角模拟值与实测值的误差的正切值E

|α

将上述tanα

综合水平最大主应力方位角模拟值与实测值的误差率Error``

其中，Error

可选地，步骤S3包括：

S31、获取Error

S32、如果Error

S33、各井位处水平最大主应力方位角模拟值的平均值与实测值的平均值的差△α(σ

将目前在步骤S11中采用的给模型施加水平最大主应力的方位角

S34、与步骤S32中所属四种情况相对应采取以下一个措施：Bound

可选地，步骤S4中，用最佳边界条件(σ

第二方面，提供了一种构造应力场数值模拟边界条件厘定的系统，该系统包括：

确定模块，用于根据单井实测地应力大小与方向明确非均质地质力学模型的外力施加方向与大小的测试范围；

获取模块，用于在测试范围内等间距选取若干个测试点开展数值模拟并获取每一种边界条件下单井模拟结果与实测数据的误差；

判定模块，用于判定获取的模拟结果的最小误差是否满足研究需要并决定是否需要调整施力方向；

模拟模块，用最佳边界条件开展数值模拟并获取构造应力场的相关参数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明建立在应力场数值模拟中地质模型和岩石力学参数已确定的基础上，以ANSYS软件的程序语言APDL为手段，通过单井地应力方向与大小的实测数据确定边界条件的测试范围并等间隔选取测试点开展数值模拟，获取不同边界条件下模拟值与实测值的误差，将符合研究需要的最小误差对应的边界条件定为地质模型的最佳边界条件。该方法可广泛应用于应力场数值模拟的边界条件的确定，且通过程序语言APDL的编写实现自动运行，提升了数值模拟的效率与精确度，具有较高的可操作性与应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

图1是根据本发明实施例的一种构造应力场数值模拟边界条件厘定的方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的杨氏模量和泊松比的平面分布图；

图3是根据本发明实施例的地质力学模型和边界条件设置的平面图；

图4是本发明实施例的模型水平最大主应力和水平最小主应力的测试范围的设置原理图；

图5是根据本发明实施例的测试模型1的水平主应力误差平均值、水平最大主应力方位角误差正切值的平均值、方位角误差平均值和综合误差平均值分布图（分布图横轴与纵轴的含义参见附图4）；

图6是根据本发明实施例的测试模型2的水平主应力误差平均值、水平最大主应力方位角误差正切值的平均值、方位角误差平均值和综合误差平均值分布图（分布图横轴与纵轴的含义参见附图4）；

图7是根据本发明实施例的测试模型3的水平主应力误差平均值、水平最大主应力方位角误差正切值的平均值、方位角误差平均值和综合误差平均值分布图（分布图横轴与纵轴的含义参见附图4）；

图8是根据本发明实施例的测试模型4的水平主应力误差平均值、水平最大主应力方位角误差正切值的平均值、方位角误差平均值和综合误差平均值分布图（分布图横轴与纵轴的含义参见附图4）；

图9是根据本发明实施例的测试模型5的水平主应力误差平均值、水平最大主应力方位角误差正切值的平均值、方位角误差平均值和综合误差平均值分布图（分布图横轴与纵轴的含义参见附图4）；

图10是根据本发明实施例的在最佳边界条件下开展地应力数值模拟获取的模型水平最大主应力、水平最小主应力和水平最大主应力方位角；

图11是本发明实施例的一种构造应力场数值模拟边界条件厘定的系统框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

附图1显示了根据本发明实施例提出的一种基于自适应算法的构造应力场数值模拟边界条件厘定的方法，包括以下步骤：

S1、根据单井实测地应力大小与方向明确非均质地质力学模型的外力施加方向与大小的测试范围；

S2、在测试范围内等间距选取若干个测试点开展数值模拟并获取每一种边界条件下单井模拟结果与实测数据的误差；

S3、判定获取的模拟结果的最小误差是否满足研究需要并决定是否需要调整施力方向；

S4、用最佳边界条件开展数值模拟并获取构造应力场的相关参数。

本发明以基于ANSYS软件的地应力数值模拟中地质力学模型的确定为基础，基于ANSYS软件中程序语言APDL的编写，通过设置水平最大主应力施加方向、水平最大主应力大小和水平最小主应力大小的测试范围，使得ANSYS软件自行开展多次模拟并计算每一个测试条件下单井水平应力大小和水平最大主应力方向模拟值与实测值的误差，根据研究精度标准获取误差最小的地应力模拟边界条件。该方法可广泛用于地应力数值模拟的最佳边界条件确定。而现有的地应力数值模拟的最佳边界条件确定方法主要基于人工调试为模型边界施加的应力大小以及方向，工作效率较低且很难满足高精度的研究需要。

在一个实施例中，采用非均质岩石力学参数构建了地质力学模型。构建地质力学模型所需的杨氏模量参数和泊松比参数的平面分布分别如图2a和图2b所示。

在一个实施例中，步骤S1包括：

S11、将所有单井实测水平最大主应力的方位角取平均值作为地质力学模型的水平最大主应力施力方向，与水平最大主应力施力方向垂直为方向为水平最小主应力施力方向；

S12、从所有单井实测水平最大主应力大小σ

S13、根据单井实测水平最大主应力的最大值和最小值，以及实测水平最小主应力的最大值和最小值，确定地质力学模型的水平主应力施力大小测试范围；

S14、由于同一区域的不同井的应力大小虽然有差别，但性质相同，所以通常σ

在一个实施例中，步骤S11中，研究区共有6口钻井Well 1至6，其位置如附图2所示，这6口钻井的水平最大主应力、水平最小主应力和水平最大主应力方位角的实测数据如表1所示。从钻井的水平最大主应力方位角实测值中可知平均值为NE 50.17°，故可将地质力学模型的水平最大主应力施力方向定为NE 50°和SW 230°，水平最小主应力施力方向定为SE 140°和NW 320°（附图3a）。利用ANSYS软件将地质力学模型网格化后对断层附近加密，使得断层附近的网格数量更多，计算更加精确，如附图3b所示。

表1 一个实施例中的钻井实测水平主应力和水平最大主应力方向

在一个实施例中，步骤S12中，从表1中即所有单井实测水平最大主应力大小σ

在一个实施例中，步骤S13中，根据步骤S12中获取的参数σ

在一个实施例中，步骤S2包括：

S21、在施加的水平最大主应力的测试范围Bound

S22、在施加的水平最小主应力的测试范围Bound

S23、水平最大主应力的m个测试数值和水平最小主应力的m个测试数值的组合共可形成m

在一个实施例中，步骤S21中，将水平最大主应力测试范围Bound

其中i为从1到10的整数。将在步骤S13中获取的Bound

在一个实施例中，步骤S22中，水平最小主应力测试范围Bound

其中j为从1到10的整数。将在步骤S13中获取的Bound

在一个实施例中，步骤S23中，水平最大主应力共有10个测试点，水平最小主应力也有10个测试点，所以共可进行10×10即100次模拟，如附图4所示。每一次的数值模拟均可得到水平最大主应力和水平最小主应力，进而可获取单井的水平最大主应力和水平最小主应力的模拟值。钻井的总数为6，第k口钻井的水平最大主应力的实测值和模拟值分别为σ

根据数值模拟结果，利用上述公式进行应力大小的误差计算，可得模型1在不同的边界条件(σ

其中，Error

若实测的水平最大主应力的方位角为α

在ANSYS的程序语言APDL中并不容易通过α

当|α

模型1的水平最大主应力方位角模拟值与实测值的误差的正切值的分布如附图5b所示，可知当i等于10，j等于1时该误差最小，仅为0.1701，而当i等于1，j等于10时该误差最大，达到0.3351。

|α

将上述tanα

模型1的水平最大主应力方位角模拟值与实测值的误差率分布如附图5c所示，可知当i等于10，j等于1时该误差最小，为9.6556°，而当i等于1，j等于10时该误差最大，达到18.5244°。

综合水平最大主应力方位角模拟值与实测值的误差率Error``

其中，Error

模型1的综合误差分布如附图5d所示，可知当i等于10，j等于1时该误差最小，为0.1501，而当i等于1，j等于10时该误差最大，达到0.2272。

在一个实施例中，步骤S3包括：

S31、获取Error

S32、如果Error

S33、各井位处水平最大主应力方位角模拟值的平均值与实测值的平均值的差△α(σ

将目前在步骤S11中采用的给模型施加水平最大主应力的方位角

S34、与步骤S32中所属四种情况相对应采取以下一个措施：（1）用Bound

在一个实施例中，步骤S31中，Error

在一个实施例中，步骤S32中，综合误差的最小值0.1501超过了研究允许的上限0.1，故需要调整边界条件以降低误差。可知模型1的最优边界条件(126.75 MPa, 70.5MPa)中，给模型施加的水平最大主应力已等于测试范围的上限Bound

在一个实施例中，步骤S34中，(126.75 MPa, 70.5 MPa)既满足情况(2)和(3)，既可先采取情况(2)的应对措施也可先采取情况(3)的应对措施。首先采取情况(3)的应对措施，即用Bound

模型2的误差分析结果如附图6所示，可知水平主应力大小误差的平均值的最小值为0.0855，对应的i和j分别为7和10（附图6a）；水平主应力大小误差的平均值的最大值为0.1928，对应的i和j分别为1和1（附图6a）；水平最大主应力方位角模拟值和实测值的差值的正弦值误差平均值的最小值为0.1030，对应的i和j分别为10和1，最大值为0.1949，对应的i和j分别为1和10（附图6b）；水平最大主应力方位角模拟值和实测值的差值的平均值的最小值为5.8784°，对应的i和j分别为10和1，最大值为11.0285°，对应的i和j分别为1和10（附图6c）；综合误差的最小值为0.1492，对应的i和j分别为10和7，最大值为0.1729，对应的i和j分别为1和10（附图6d）。

可知对于模型2，与综合误差最小值对应的最优边界条件为(126.75 MPa, 65.5MPa)，其中126.75 MPa等于测试范围的上限Bound

模型2的误差分析结果如附图7所示，可知水平主应力大小误差的平均值的最小值为0.0857，对应的i和j分别为1和10（附图7a）；水平主应力大小误差的平均值的最大值为0.2043，对应的i和j分别为10和1（附图6a）；水平最大主应力方位角模拟值和实测值的差值的正弦值误差平均值的最小值为0.0930，对应的i和j分别为10和1，最大值为0.1701，对应的i和j分别为1和10（附图7b）；水平最大主应力方位角模拟值和实测值的差值的平均值的最小值为5.3120°，对应的i和j分别为10和1，最大值为9.6556°，对应的i和j分别为1和10（附图7c）；综合误差的最小值为0.1488，对应的i和j分别为2和8，最大值为0.1612，对应的i和j分别为10和1（附图7d）。

可知对于模型3，与综合误差最小值对应的最优边界条件为(127.5278 MPa,67.1667 MPa)，127.5278 MPa不等于模型3在水平最大主应力方向的施力大小测试范围的下限或上限，67.1667 MPa不等于模型3在水平最小主应力方向的施力大小测试范围的下限或上限，但此时的综合误差0.1488仍然不满足0.1的上限，故需转至步骤S33；在模型3中，在100个边界条件的测试下得到的△α(σ

将60°作为给模型施加水平最大主应力的方位角，且以119.75 MPa作为Bound

可知对于模型4，与综合误差最小值对应的最优边界条件为(121.3055 MPa, 85.5MPa)，其中85.5 MPa等于测试范围的上限Bound

模型5的误差分析结果如附图9所示，水平主应力大小误差的平均值的最小值为0.0304，对应的i和j分别为7和1（附图9a）；水平主应力大小误差的平均值的最大值为0.1131，对应的i和j分别为1和10（附图9a）；水平最大主应力方位角模拟值和实测值的差值的正弦值误差平均值的最小值为0.0223，对应的i和j分别为2和1，最大值为0.2840，对应的i和j分别为1和10（附图9b）；水平最大主应力方位角模拟值和实测值的差值的平均值的最小值为1.2799°，对应的i和j分别为2和1，最大值为15.8556°，对应的i和j分别为1和10（附图9c）；综合误差的最小值为0.0320，对应的i和j分别为5和2，最大值为0.2327，对应的i和j分别为1和10（附图9d）。

可知对于模型5，与综合误差最小值对应的最优边界条件为(122.8611 MPa,87.1667 MPa)，其中122.8611 MPa和87.1667 MPa均不等于水平主应力测试范围的上限和下限，且最低综合误差0.0320也小于允许的最大误差0.1，故给模型施加的水平主应力为(122.8611 MPa, 87.1667 MPa)且将60°作为给模型施加水平最大主应力的方位角时，模拟结果与实测结果的误差最低，上述作为最佳边界条件。

在一个实施例中，步骤S4中，用最佳边界条件(122.8611 MPa, 87.1667 MPa)开展应力场数值模拟，可得到最佳的数值模拟结果，并可进行应力大小和方向等内容的研究。获取的水平最大主应力、水平最小主应力以及水平最大主应力方位角分别如附图10a、10b和10c所示。模拟结果中，钻井Well 1至6的水平最大主应力、水平最小主应力以及水平最大主应力方位角的模拟值如表2所示，模拟值与实测值的误差如表3所示，可知水平应力大小的误差除个别大于10%外，其余均小于10%，而水平最大主应力方位角的误差普遍小于3°，这说明了数值模拟结果的可靠性很高。

表2 钻井Well 1至6的水平最大主应力、水平最小主应力

以及水平最大主应力方位角的模拟结果

表3 钻井Well 1至6的水平最大主应力、水平最小主应力

以及水平最大主应力方位角的模拟结果与实测结果的误差

如图11，本申请实施例还提供的一种构造应力场数值模拟边界条件厘定的系统。系统包括：

确定模块，用于根据单井实测地应力大小与方向明确非均质地质力学模型的外力施加方向与大小的测试范围；

获取模块，用于在测试范围内等间距选取若干个测试点开展数值模拟并获取每一种边界条件下单井模拟结果与实测数据的误差；

判定模块，用于判定获取的模拟结果的最小误差是否满足研究需要并决定是否需要调整施力方向；

模拟模块，用最佳边界条件开展数值模拟并获取构造应力场的相关参数。

本申请实施例提供的构造应力场数值模拟边界条件厘定的系统用于实现上述构造应力场数值模拟边界条件厘定的方法，关于构造应力场数值模拟边界条件厘定的系统的具体限定可以参见上文中对于构造应力场数值模拟边界条件厘定的方法的限定，在此不再赘述。上述构造应力场数值模拟边界条件厘定的系统中的各个部分可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。