(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210646770.8 (22)申请日 2022.06.09 (71)申请人 中海石油 （中国） 有限公司 地址 100010 北京市东城区朝阳门北 大街 25号 申请人 中海石油 （中国） 有限公司北京研究 中心 (72)发明人 李中　黄辉　文敏　侯泽宁　邱浩　 马楠　潘豪　闫新江　陈欢　 周生田　杨蕾　 (74)专利代理 机构 北京纪凯知识产权代理有限 公司 11245 专利代理师 张月娟 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01)G06F 30/28(2020.01) G06F 17/11(2006.01) G06F 17/16(2006.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 深水高温高压地层压裂裂缝三维扩展模型 构建方法及装置 (57)摘要 本发明涉及一种深水高温高压地层压裂裂 缝三维扩展模型构建方法， 包括如下步骤： 建立 内聚区的裂缝扩展模型； 建立高温高压压裂液的 三维流动模 型； 在裂缝扩展模型和三维流动模型 基础上， 基于有限元对扩展后的三维裂缝进行计 算， 得到三维裂缝的尺寸数据、 沿三维裂缝的压 力分布数据和流量分布数据， 以实现三维裂缝规 模的控制和压力、 流量的预测， 所述尺寸数据包 括三维裂缝的长、 宽和高。 本发明能够对三维裂 缝的扩展形态进行模拟计算， 指导压 裂施工。 权利要求书4页 说明书11页 附图2页 CN 115017769 A 2022.09.06 CN 115017769 A 1.一种深水高温高压地层压裂裂缝三维扩展模型构建方法， 其特征在于， 包括如下步 骤： 建立内聚 区的裂缝扩展模型； 建立高温高压 压裂液的三维流动模型； 在裂缝扩展模型和三维流动模型基础上， 基于有限元对扩展后的三维裂缝进行计算， 得到三维裂缝 的尺寸数据、 沿三维裂缝 的压力分布数据和 流量分布数据， 以实现三维裂缝 规模的控制和压力、 流 量的预测， 所述尺寸数据包括 三维裂缝的长、 宽和高。 2.根据权利要求1所述的深水高温高压地层压裂裂缝三维扩展模型构建方法， 其特征 在于， 所述建立内聚 区的裂缝扩展模型包括如下步骤： 基于Mohr‑Coulomb屈服准则建立岩石弹 塑性模型， 具体为： Mohr‑Coulomb屈服准则为： 其中， f为弹性屈服应力； c为内聚力； φ为内摩擦角； σ1， σ3均为地层应力分量； Nφ为中间 变量； 塑性势函数为： g＝σ1‑σ3Nψ 其中， ψ为 膨胀角； Nψ为中间变量； g为塑性势函数； 根据增量塑性理论， 建立弹 塑性本构关系， 岩石综合屈服条件表示 为： F＝F(f,g)＝F( σ,Ks) 其中， Ks为硬化函数； F为弹 塑性屈服应力； f为弹性屈服应力； σ 为 地层应力； 基于总应变速率dε分解为弹性应变速率dεe和塑性应变速率dεp两个分量假设的弹塑性 公式为： dε＝dεe+dεp 利用Hook定律将地层应力速率dσ 和弹性应变速率dεe联系起来， 得到岩石弹塑性模型如 下： dσ ＝Dedεe＝De(dε‑dεp)＝(De‑Dp)dε 其中， De为弹性矩阵； Dp为塑性切线刚度矩阵； dσ 为应力速率； dε为总应变速率； dεe为弹 性应变速率； dεp为塑性应 变速率； 其中， 弹性应 变量由胡克定律得到， 塑性应 变量采用相关联的流动法则求取： 其中， dλ为塑性因子； 利用内聚 区理论优化弹 塑性模型， 具体为：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115017769 A 2针对塑性地层利用内聚区理论对尖端塑性的非线性进行处理， 张力 ‑位移关系采用 双 线性模型， 随着张开量的增大， 内聚力线性增加， 在张开量的临界点达到最大抗拉强度， 此 时微裂缝开始产生， 之后内聚力随着张开量的增大而减小直到消失， 界面完全分离， 裂缝开 始扩展； 张力 ‑位移曲线所围成的面积等于断裂能； 其中， 断裂能GIC与岩石断裂韧度KIC的关 系为下式： 其中， KIC为岩石断裂韧度； GIC为断裂能； E为弹性模量； v为泊松比； T为内聚力； Tmax为最 大抗拉强度； Δ为裂缝张开 量； Δel为张开量临界点； ΔIC为界面完全分离张开 量。 3.根据权利要求1所述的深水高温高压地层压裂裂缝三维扩展模型构建方法， 其特征 在于， 所述建立高温高压 压裂液的三维流动模型包括以下步骤： 计算压裂液 滤失， 具体为： 其中， q1为滤失速度； p为压力； η为界面位置参数， 其中滤失速度q1与压裂液流变性、 压 力p、 油藏流体的压缩系数和界面位置参数η相关； k为地层 渗透率； μa为流体视粘度； φ为地 层孔隙度； c为总压缩系数； x为沿裂缝长度位置； t为时间； α1为水力扩散系数； 计算压裂液流变性质， 具体为： 当压裂液为幂律 流体时， 流体的视粘度为： 其中， μa为流体视粘度； n为流变指数； K为稠度系数， 与温度、 压力相关； q为流量； H为裂 缝高度； W 为裂缝宽度； Ka为流动时的稠度系数； 计算热应力， 具体为： 由于高温高压产生的热应力冲击会造成裂缝宽度的增 加， 热应力计算如下： σT＝f(Tw,Tr,Bf,Br)＝a(Br‑Bf)f(Tr,Tw) 其中， σT为热应力； a为热应力系数， Br为岩石热膨胀系数， Bf为压裂液热膨胀系数， Tr,Tw 分别为岩石和压裂液井底温度； 考虑压裂液 滤失、 压裂液流变性质和热应力建立 三维流动模型， 具体为： 压裂液三维流动模型 方程组为：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115017769 A 3