一种用于复杂裂缝系统波场正演模拟的跨尺度数值方法

1.发明涉属于含油气裂缝储层地震波传播及各向异性分析技术领域，具体的说，涉及一种复杂裂缝系统波场正演模拟的跨尺度数值方法。


背景技术：

2.裂缝型储层中多构造期次发育天然裂缝与后期诱发新生裂缝等构成多成因、多尺度复杂裂缝系统。以页岩气储层为代表的典型复杂裂缝系统，主要包含纳米-微米级粒间孔隙、微米级-毫米级天然裂缝以及更大尺度的水力压裂缝，尺度横跨纳米到千米等多个量级。然而，实际测量只能针对各自所在的样本尺度，如何综合不同样本尺度的测量结果以得到更全面的复杂裂缝系统波场信息，是业界亟待解决的关键基础科学问题。因此，如果能够从孔隙尺度展开研究，建立跨微观到宏观多个样本尺度的桥梁，提出一种跨尺度研究方法，则具有重要的理论意义与广泛的实际应用价值。
3.但相关传统研究存在如下局限性：(1)裂缝仿真多基于vti(垂直横向各向同性)、hti(水平横向各向同性)与tti(倾斜横向各向同性)等效裂缝介质或理想规则形态裂隙结构，过度简化了实际裂缝系统的复杂非均质性与多尺度性；(2)忽略了不同样本尺度裂缝系统波场特征的关联机制与叠合效应，缺乏一种理想的跨尺度数值方法。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种跨尺度数值方法，深入探索不同样本尺度裂缝系统波场特征的关联机制与叠合效应，发展相关前沿理论并为实际工程应用提供必要理论基础与技术支持。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种复杂裂缝系统波场正演模拟的跨尺度数值方法，包括以下步骤：
6.1)生成并获取代表体积单元(rve)晶格节点输入参数：选取毫米级的圆柱页岩样本开展微米ct原位单轴压缩-拉伸实验，获取毫米级的圆柱页岩样本的内部微结构快照与力学特征响应曲线，将毫米级的圆柱页岩样本离散为微米级rve，根据内部微结构快照提取微结构信息，建立对应的修正晶格弹簧(lsm)-离散裂缝网络(dfn)数值模型，模拟单轴压缩-拉伸实验，基于最小二乘法构造数值模拟数据与微米ct原位单轴压缩-拉伸实验数据的目标函数从而获取rve晶格节点输入参数；
7.2)获取rve弹性模量并量化rve尺度特征参数：建立每个微米级代表体积单元尺度(rve)的修正晶格弹簧-离散裂缝网络模型，开展三轴压缩和双轴压缩数值模拟分步识别量化rve弹性模量与尺度特征参数；
8.3)模拟复杂裂缝系统波场：选取厘米级的圆柱页岩试样作为开展超声实验的研究对象，提取裂缝结构生成dfn，据此建立该岩样的修正晶格弹簧-离散裂缝网络模型(lsm-dfn模型)，反解出rve等效晶格单胞中晶格节点，即步骤1中的跨尺度模型中晶格节点的输入参数，以雷克子波作为震源函数模拟超声信号，通过求解晶格节点的局部广义力与广义
位移，进而得到整个研究区域的波场信息，模拟复杂裂缝系统波场；
9.4)对照超声实验探索尺度效应关联机制：取厘米级的圆柱页岩试样开展不同频率的超声实验，对照数值模拟数据，综合波场记录，基于机械工程学科中的信号处理分析方法深入探索裂缝诱发波场异常特征的尺度效应与关联机制。
10.其中，所述步骤1)的具体过程如下：
11.11)选取毫米级的圆柱页岩样本开展微米ct原位单轴压缩-拉伸实验，获取毫米级样本的内部微结构快照与力学特征响应曲线；
12.12)将毫米级的圆柱页岩样本离散为微米级代表体积单元，根据内部微结构快照提取微结构信息，建立微米级代表体积单元尺度的修正晶格弹簧-离散裂缝网络(lsm-dfn)数值模型；
13.13)建立对应毫米级的圆柱页岩的修正晶格弹簧-离散裂缝网络(lsm-dfn)数值模型，模拟单轴压缩-拉伸实验，基于最小二乘法构造数值模拟数据与微米ct原位单轴压缩-拉伸实验数据的目标函数如下式所示，
[0014][0015]
式中，x是待校准晶格节点的输入参数集，n是用于校准的已有实验数据数量，di是第i个数据点，wi是对应第i个数据点的权重因子，si(x)是对应第i个数据点的数据集x作为输入参数得到的模拟结果，ri是对应第i个数据点的模拟结果与实验数据的残差；
[0016]
14)采用nl2sol算法最小化目标函数，经过多次迭代校准得到最优输入参数数据集x。
[0017]
其中，所述步骤2)的具体过程如下：
[0018]
21)建立每个rve的修正lsm-dfn模型；
[0019]
22)开展三轴压缩数值模拟，通过以下公式得到每个rve的λ、μ、等传统弹性参数，
[0020][0021][0022]
式中，σ是应力张量，是应变张量的对称部分，i是单位矩阵，是临界体积应变，是rve加载过程中晶格节点体积最大占比，是初始rve的晶格节点体积占比，εv是体积应变；
[0023]
23)开展双轴压缩数值模拟，通过以下公式识别材料尺度特征参数，
[0024][0025]
式中，下标i表示第i个数据点，n
σ
表示加载数据数目，σ0是参考应力值，用于无量纲化目标函数，σ
11i
(s)和分别为第i个数据点的轴向应力的模拟值和实验数据值；nh表示
出现剪切带数据值数目，h0是剪切带厚度，hi(s)和分别为第i个数据点的剪切带厚度的模拟值和实验数据值。
[0026]
其中，所述步骤3)的具体过程如下：
[0027]
31)选取厘米级的圆柱页岩试样作为开展超声实验的研究对象，基于裂缝结构生成dfn，据此建立该岩样的修正lsm-dfn模型，其中lsm的晶键长度与rve尺寸需满足一定比例关系以保证晶格单胞与rve体积相等；
[0028]
32)基于能量守恒原理与包含材料尺度特征参数的广义连续介质力学偶应力理论，建立修正lsm晶格节点的输入参数与对应等效晶格单胞材料尺度特征参数间的量化关系，具体公式如下所示，
[0029]ucell
＝u
continuum
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0030][0031][0032][0033]
m＝2l2μχ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0034][0035][0036]
式中，u
cell
、u
continuum
分别是修正晶格模型(lsm)的等效单胞和对应的广义连续介质力学偶应力理论的弹性能；σ和ε分别为cauchy应力张量、应变张量；m和χ分别是偶应力张量中的斜偏部分和曲率张量的对称部分；kn和ks分别是修正晶格弹簧模型(lsm)的拉压、剪切弹簧刚度；和是如图2-c)所示的修正晶格弹簧模型(lsm)晶格单胞中6个晶格节点中的第i个晶格节点的法向、切向位移，λ和μ是经典连续介质力学中的弹性常数，l是材料尺度特征参数；
[0037]
33)反解出厘米级rve等效晶格单胞中晶格节点，即跨尺度模型中晶格节点的输入参数；
[0038]
34)以雷克子波作为震源函数模拟超声信号，通过求解晶格节点的局部广义力与广义位移，进而得到整个研究区域的波场信息。
[0039]
其中，所述步骤33)和步骤32)中的输入参数包括弹簧刚度、质点密度、晶键长度和微转动惯量。
[0040]
其中，所述步骤4)的具体过程如下：
[0041]
41)取厘米级的圆柱页岩试样开展不同频率的超声实验；
[0042]
42)对照数值模拟数据，综合波场记录，基于机械工程学科中的信号处理分析方法深入探索裂缝诱发波场异常特征的尺度效应与关联机制。
[0043]
其中，所述步骤42)中的信号包括时域、频域、小波和vmd。
[0044]
1)其中，所述岩石样品为毫米级的圆柱页岩试样。
[0045]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：采用多学科交叉(地球物理、力学、计算科学与机械工程等)，数值模拟、理论推导、实验测量相结合的研究方法，从简单模型到实际复杂裂缝系统循序渐进的整体研究思路，从孔隙尺度展开研究，引入代表体积单元(rve)，综合运用广义连续介质力学、计算动力学、复合材料力学等基础理论，量化表征rve尺度特征参数作为关联因子，并借此建立不同样本尺度间的桥梁，发展一种能够计及更小样本尺度微观裂缝诱发波场异常特征的跨尺度数值方法，对阐明不同样本尺度裂缝系统波场特征的关联机制与叠合效应具有重要的理论意义，对推动非常规油气藏的勘探与开发具有广泛的实际应用价值。
附图说明
[0046]
图1为获取代表体积单元(rve)晶格节点输入参数流程图；
[0047]
图2为晶格弹簧模型(lsm)单元与对应晶格单胞：(a)三角晶格；(b)正方形晶格；(c)六边形晶格；
[0048]
图3为跨样本尺度复杂裂缝系统的修正晶格弹簧-离散裂缝网络(lsm-dfn)建模流程图。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
[0050]
本发明提出的复杂裂缝系统波场正演模拟的跨尺度数值方法，包括以下步骤：
[0051]
1)生成rve并获取rve晶格节点输入参数，具体过程如下：
[0052]
11)选取毫米级的圆柱页岩样本开展微米ct原位单轴压缩-拉伸实验，获取毫米级样本的内部微结构快照与力学特征响应曲线；
[0053]
12)将毫米级的圆柱页岩样本离散为微米级代表体积单元(rve)，根据内部微结构快照提取微结构信息，建立毫米级圆柱页岩样本的修正晶格弹簧-离散裂缝网络模型(下文中晶格弹簧-离散裂缝网络模型简称lsm-dfn数值模型)
[0054]
13)基于毫米级的圆柱页岩的修正lsm-dfn数值模型，模拟单轴压缩-拉伸实验，基于最小二乘法构造数值模拟数据与微米ct原位单轴压缩-拉伸实验数据的目标函数如下式所示，
[0055][0056]
式中，x是待校准晶格节点的输入参数集(如弹簧刚度、质点密度、晶键长度、微转动惯量等)，n是用于校准的已有实验数据数量，di是第i个数据点，wi是对应第i个数据点的权重因子，si(x)是对应第i个数据点的数据集x作为输入参数得到的模拟结果，ri是对应第i个数据点的模拟结果与实验数据的残差；
[0057]
14)采用nl2sol算法最小化目标函数，根据如图1所示校准流程，先给定输入参数数据集x的初始值，基于修正lsm程序得到模拟结果，根据公式(1)计算残差，判断是否满足校准标准(残差的平方趋近于0)，如果不满足，调整输入参数数据集x，经过多次迭代校准得
到最优输入参数数据集x(所述最优输入参数数据集x是毫米级的圆柱页岩的修正lsm-dfn模型和微米级代表体积单元(rve)尺度rve的修正lsm-dfn模型的最优输入参数数据集x)。
[0058]
2)获取rve弹性模量并量化rve尺度特征参数，具体过程如下：
[0059]
21)基于步骤12)中的微米级代表体积单元(rve)，建立每个微米级代表
[0060]
体积单元(rve)尺度的修正lsm-dfn模型；
[0061]
22)开展三轴静水压缩数值模拟，通过以下公式(2)(3)得到每个微米级代表体积单元(rve)的λ、μ、等传统弹性参数，
[0062][0063][0064]
式中，σ是应力张量，是应变张量的对称部分，i是单位矩阵，是临界体积应变，是rve加载过程中晶格节点体积最大占比，是初始rve的晶格节点体积占比，εv是体积应变；
[0065]
23)开展双轴压缩数值模拟，通过以下公式(4)识别材料尺度特征参数，
[0066][0067]
式中，下标i表示第i个数据点，n
σ
表示加载数据数目，σ0是参考应力值，用于无量纲化目标函数，σ
11i
(s)和分别为第i个数据点的轴向应力的模拟值和实验数据值；nh表示出现剪切带数据值数目，h0是剪切带厚度，hi(s)和分别为第i个数据点的剪切带厚度的模拟值和实验数据值。
[0068]
3)模拟复杂裂缝系统波场，具体过程如下：
[0069]
31)选取厘米级的圆柱页岩试样作为开展超声实验的研究对象，基于裂缝结构生成dfn，据此建立该厘米级岩样尺度的修正lsm-dfn模型，其中厘米级岩样尺度的修正晶格模型(lsm)的晶键长度d与rve尺寸需满足一定比例关系，以二维问题图2-c)为例，rve边长为l的正方形，则有以保证晶格单胞与rve面积相等，三维问题则需满足体积相等；
[0070]
32)基于能量守恒原理与包含材料尺度特征参数的广义连续介质力学偶应力理论，建立修正lsm晶格节点的输入参数(如弹簧刚度、质点密度、晶键长度、微转动惯量等)与如图2所示的对应等效晶格单胞材料尺度特征参数(即跨尺度表征参数)间的量化关系，以图2-c)为例，具体公式如下所示，
[0071]ucell
＝u
continuum
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0072]
[0073][0074][0075]
m＝2l2μχ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0076][0077][0078]
式中，u
cell
、u
continuum
分别是修正晶格模型(lsm)的等效单胞和对应的广义连续介质力学偶应力理论的弹性能；σ和ε分别为cauchy应力张量、应变张量；m和χ分别是偶应力张量中的斜偏部分和曲率张量的对称部分；kn和ks分别是修正晶格弹簧模型(lsm)的拉压、剪切弹簧刚度；和是如图2-c)所示的修正晶格弹簧模型(lsm)晶格单胞中6个晶格节点中的第i个晶格节点的法向、切向位移；λ和μ是经典连续介质力学中的弹性常数，l是材料尺度特征参数；
[0079]
33)反解出厘米级rve的等效晶格单胞中晶格节点，即跨(升)尺度模型中晶格节点的输入参数(如弹簧刚度、质点密度、晶键长度、微转动惯量等)；
[0080]
34)以雷克子波作为震源函数模拟超声信号，通过求解晶格节点的局部广义力与广义位移，进而得到整个研究区域的波场信息。
[0081]
4)对照超声实验进一步验证该跨样本尺度复杂裂缝系统的波场正演模拟方法的有效性并深入探索复杂裂缝系统弹性波传播的尺度效应，具体过程如下：
[0082]
41)取厘米级的圆柱页岩试样开展不同频率的超声实验；
[0083]
42)对照数值模拟数据，综合波场记录，进一步验证该跨样本尺度复杂裂缝系统的波场正演模拟方法的有效性，并基于机械工程学科中的时域、频域、小波、vmd等信号处理分析方法深入探索裂缝诱发波场异常特征的尺度效应与关联机制。
[0084]
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

技术特征：
1.一种复杂裂缝系统波场正演模拟的跨尺度数值方法，其特征在于，包括以下步骤：1)生成并获取rve晶格节点输入参数：选取毫米级的圆柱页岩样本，获取毫米级的圆柱页岩样本的内部微结构快照与力学特征响应曲线，将毫米级的圆柱页岩样本离散为微米级代表体积单元(rve)，根据内部微结构快照提取微结构信息，建立毫米级的修正晶格弹簧-离散裂缝网络数值模型，从而获取rve晶格节点输入参数；2)获取rve弹性模量并量化rve尺度特征参数：基于步骤1)中的微米级代表体积单元，建立每个微米级代表体积单元尺度的修正晶格弹簧-离散裂缝网络模型，开展三轴压缩和双轴压缩数值模拟分步识别量化rve弹性模量与尺度特征参数；3)模拟复杂裂缝系统波场：选取厘米级的圆柱页岩试样作为开展超声实验的研究对象，据此建立厘米级的修正晶格弹簧-离散裂缝网络模型，反解出rve等效晶格单胞中晶格节点，所述rve等效晶格单胞中晶格节点与的跨尺度模型中晶格节点的输入参数相一致，以雷克子波作为震源函数模拟超声信号，通过求解晶格节点的局部广义力与广义位移，进而得到整个研究区域的波场信息，模拟复杂裂缝系统波场；4)对照超声实验探索尺度效应关联机制：取厘米级的圆柱页岩试样开展不同频率的超声实验，对照数值模拟数据，综合波场记录，基于机械工程学科中的信号处理分析方法深入探索裂缝诱发波场异常特征的尺度效应与关联机制。2.根据权利要求1所述的复杂裂缝系统波场正演模拟的跨尺度数值方法，其特征在于，所述步骤1)的具体过程如下：11)选取毫米级的圆柱页岩样本开展微米ct原位单轴压缩-拉伸实验，获取毫米级样本的内部微结构快照与力学特征响应曲线；12)将毫米级的圆柱页岩样本离散为微米级代表体积单元，根据内部微结构快照提取微结构信息，建立微米级代表体积单元尺度的修正晶格弹簧-离散裂缝数值模型；13)建立对应毫米级的圆柱页岩的修正晶格弹簧-离散裂缝网络数值模型，模拟单轴压缩-拉伸实验，基于最小二乘法构造数值模拟数据与微米ct原位单轴压缩-拉伸实验数据的目标函数如下式所示，式中，x是待校准晶格节点的输入参数集，n是用于校准的已有实验数据数量，d
i
是第i个数据点，w
i
是对应第i个数据点的权重因子，s
i
(x)是对应第i个数据点的数据集x作为输入参数得到的模拟结果，r
i
是对应第i个数据点的模拟结果与实验数据的残差；14)采用nl2sol算法最小化目标函数，经过多次迭代校准得到最优输入参数数据集x。3.根据权利要求1所述的复杂裂缝系统波场正演模拟的跨尺度数值方法，其特征在于，所述步骤2)的具体过程如下：21)建立每个rve的修正lsm-dfn模型；22)开展三轴压缩数值模拟，通过以下公式得到每个rve的λ、μ、等传统弹性参数，
式中，σ是应力张量，是应变张量的对称部分，i是单位矩阵，是临界体积应变，是rve加载过程中晶格节点体积最大占比，是初始rve的晶格节点体积占比，εv是体积应变；23)开展双轴压缩数值模拟，通过以下公式识别材料尺度特征参数，式中，下标i表示第i个数据点，n
σ
表示加载数据数目，σ0是参考应力值，用于无量纲化目标函数，σ
11i
(s)和分别为第i个数据点的轴向应力的模拟值和实验数据值；n
h
表示出现剪切带数据值数目，h0是剪切带厚度，h
i
(s)和分别为第i个数据点的剪切带厚度的模拟值和实验数据值。4.根据权利要求1所述的复杂裂缝系统波场正演模拟的跨尺度数值方法，其特征在于，所述步骤3)的具体过程如下：31)选取厘米级的圆柱页岩试样作为开展超声实验的研究对象，基于裂缝结构生成dfn，据此建立该岩样的修正lsm-dfn模型，其中lsm的晶键长度与rve尺寸需满足一定比例关系以保证晶格单胞与rve体积相等；32)基于能量守恒原理与包含材料尺度特征参数的广义连续介质力学偶应力理论，建立修正lsm晶格节点的输入参数与对应等效晶格单胞材料尺度特征参数间的量化关系，具体公式如下所示，u
cell
＝u
continuum
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)(5)(5)m＝2l2μχ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)(9)式中，u
cell
、u
continuum
分别是修正晶格模型(lsm)的等效单胞和对应的广义连续介质力学偶应力理论的弹性能；σ和ε分别为cauchy应力张量、应变张量；m和χ分别是偶应力张量中的斜偏部分和曲率张量的对称部分；k
n
和k
s
分别是修正晶格弹簧模型(lsm)的拉压、剪切弹簧刚度；和是如图2-c)所示的修正晶格弹簧模型(lsm)晶格单胞中6个晶格节点中的第i个晶格节点的法向、切向位移，λ和μ是经典连续介质力学中的弹性常数，l是材料尺度特征
参数；33)反解出厘米级rve等效晶格单胞中晶格节点，即跨尺度模型中晶格节点的输入参数；34)以雷克子波作为震源函数模拟超声信号，通过求解晶格节点的局部广义力与广义位移，进而得到整个研究区域的波场信息。5.根据权利要求4所述的复杂裂缝系统波场正演模拟的跨尺度数值方法，其特征在于，所述步骤33)和步骤32)中的输入参数包括弹簧刚度、质点密度、晶键长度和微转动惯量。6.根据权利要求1所述的复杂裂缝系统波场正演模拟的跨尺度数值方法，其特征在于，所述步骤4)的具体过程如下：41)取厘米级的圆柱页岩试样开展不同频率的超声实验；42)对照数值模拟数据，综合波场记录，基于机械工程学科中的信号处理分析方法深入探索裂缝诱发波场异常特征的尺度效应与关联机制。7.根据权利要求6所述的复杂裂缝系统波场正演模拟的跨尺度数值方法，其特征在于，所述步骤42)中的信号包括时域、频域、小波和vmd。8.根据权利要求1-7任一所述的复杂裂缝系统波场正演模拟的跨尺度数值方法，其特征在于，所述岩石样品为毫米级的圆柱页岩试样。

技术总结
本发明涉及一种复杂裂缝系统波场正演模拟的跨尺度数值方法，包括以下步骤：1)生成并获取RVE晶格节点输入参数；2)获取RVE弹性模量并量化RVE尺度特征参数；3)模拟复杂裂缝系统波场；4)对照超声实验探索尺度效应关联机制。本发明可以实现一种能够计及更小样本尺度微观裂缝诱发波场异常特征的跨尺度数值方法，对阐明不同样本尺度裂缝系统波场特征的关联机制与叠合效应具有重要的理论意义，对推动非常规油气藏的勘探与开发具有广泛的实际应用价值。值。值。


技术研发人员：刘宁 李吴霜
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：2021.08.17
技术公布日：2022/3/8