本发明涉及储层增产改造领域，具体而言，涉及一种非常规储层三维压裂缝网扩展数值模拟方法。
背景技术：
1、水力压裂通过液压致裂的方式在储层中形成人工裂缝，提高储层中流体的流动能力以满足工业化开采的需求，是实现致密油气、非常规油气、干热岩等非常规储层资源开采的有效手段。压裂裂缝轨迹预测是水力压裂施工设计与优化的关键，通过分析储层中压裂裂缝扩展规律，准确预测不同压裂参数下裂缝轨迹特征，优化压裂施工参数实现储层压裂改造“降本”与“增效”的目标。
2、水力裂缝扩展是一个复杂的三维流固耦合问题，涉及岩石变形、压裂液滤失与裂缝扩展等物理过程。现有的二维与拟三维压裂裂缝扩展模型难以准确描述裂缝缝高变化以及缝间应力干扰作用，而多数三维裂缝扩展模型存在计算量大与求解效率低等问题。边界元方法虽能极大缩减三维模型的计算量，但其系数矩阵为非对称稠密矩阵，元素计算与矩阵组装耗时较长，影响了整体模型的求解效率。现有多数模型中采用常规的carter滤失模型，难以准确描述裂缝中压裂液动态滤失过程，且无法描述压裂过程中储层孔隙压力演化，会影响裂缝内流体压力分布以及裂缝缝宽大小，造成压裂裂缝轨迹预测结果存在较大误差。当储层中发育有天然裂缝时，需构建三维空间中水力裂缝天然裂缝交互准则，并描述压裂液向天然裂缝中发生滤失，以实现准确刻画裂缝性储层中三维压裂缝网形态。
3、因此，亟需建立一种非常规储层三维压裂缝网扩展数值模拟方法，针对边界元方法中系数矩阵特点优化元素计算与矩阵组装流程，通过引入嵌入式离散裂缝模型刻画压裂过程中压裂液滤失并描述储层中孔隙压力演化特征，并构建三维空间中水力裂缝与天然裂缝相交准则，结合等效介质模型与嵌入式离散裂缝模型刻画天然裂缝影响下的压裂液流动，为准确预测非常规储层中压裂裂缝裂缝形态并合理设计与优化压裂施工参数提供借鉴与指导。
技术实现思路
1、为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种非常规储层三维压裂缝网扩展数值模拟方法，解决现有技术中三维裂缝扩展计算效率低下、压裂液滤失模型简单以及水力裂缝天然裂缝空间相交描述困难等问题，从而实现准确预测天然裂缝欠发育或发育储层中三维压裂缝网轨迹，优化压裂施工设计参数以提升储层改造效果，促进非常规储层资源的高效开发。
2、本发明提供一种非常规储层三维压裂缝网扩展数值模拟方法，技术方案如下：
3、s1、获取储层压裂过程中的地质、完井与施工参数；
4、s2、构建裂缝变形与流体流动的流固耦合模型；
5、s3、建立天然裂缝影响下压裂裂缝三维延伸准则；
6、s4、结合步骤s2中模型求解结果与步骤s3中扩展准则判断压裂裂缝是否扩展，循环此过程模拟三维压裂缝网扩展；
7、s5、基于模拟结果开展压裂效果评价，优化压裂施工设计。
8、进一步地，所述步骤s1获取储层压裂过程中的地质、完井与施工参数，具体包括：
9、(1)获取地质参数，包括水平最大主应力、水平最小主应力、垂向应力、储层应力梯度、储层厚度、隔层应力差、杨氏模量、泊松比、岩石断裂韧性、岩石抗拉强度、孔隙度、渗透率、孔隙压力以及天然裂缝参数；
10、(2)获取完井参数，包括井筒内径、射孔孔径、射孔孔数、射孔簇数以及簇间距；
11、(3)获取施工参数，包括泵注液量、施工排量、压裂液粘度以及压裂液密度；
12、(4)建立储层几何模型，并基于统计学原理构建储层中天然裂缝分布模型。
13、进一步地，所述步骤s2构建裂缝变形与流体流动的流固耦合模型，具体包括：
14、(1)建立压裂裂缝缝宽与缝内流体压力的关系式，根据边界元理论可知，三维空间中某一点处的应力与求解域中裂缝单元的位移的关系式为：
15、
16、上式中a为影响系数矩阵，表征裂缝单元位移所产生的应力影响；d为裂缝单元的位移矩阵；σ为作用于裂缝单元的应力矩阵；上标-1为对矩阵求逆；下标l为沿走向方向；下标h为沿倾向方向；下标n为沿法向方向；
17、引入储层原地应力与压裂裂缝内流体压力，将上式变形转换得到压裂裂缝缝宽与缝内流体压力的关系式：
18、amw+σm＝pf
19、上式中w为裂缝单元缝宽矩阵；pf为裂缝单元内流体压力矩阵；aw为缝宽系数矩阵；σm为作用于裂缝单元的复合法向应力矩阵；
20、(2)优化非对称稠密系数矩阵a的系数求解与矩阵组装流程，提升裂缝变形方程计算效率，具体步骤包括：
21、①对裂缝进行网格剖分，并给每个裂缝单元指定唯一索引；
22、②根据影响系数矩阵a的定义计算矩阵元素，组装矩阵并存储；
23、③判断裂缝是否发生扩展，若裂缝未发生扩展则直接使用存储的影响系数矩阵a而无需重复计算，若裂缝发生扩展则仅需计算新增裂缝单元附加的影响系数矩阵元素，并影响系数矩阵a的基础上增大矩阵维度，组装形成裂缝扩展后的全局影响系数矩阵；
24、(3)建立耦合压裂裂缝与储层基质耦合的压裂液流动方程组，其中裂缝内压裂液流动控制方程为：
25、
26、储层基质中压裂液流动控制方程为：
27、
28、上式中δt为时间步长；tmf为裂缝单元与基质单元间的传导系数；μ为压裂液粘度；amf为裂缝单元与基质单元接触面积；φ为储层基质孔隙度；cf为流体压缩系数；cfp为裂缝内流体压力系数矩阵；cmp为储层基质孔隙压力系数矩阵；pm为储层基质单元孔隙压力矩阵；qf为裂缝源项；qm为储层基质源项；
29、考虑储层中存在大量天然裂缝，当天然裂缝被水力裂缝激活后，通过嵌入式离散裂缝模型将天然裂缝处理成压裂裂缝系统的一部分，若天然裂缝未被水力裂缝激活，则通过等效介质模型对嵌入天然裂缝的基质单元渗透率进行处理：
30、k＝km+knf
31、上式中k为等效渗透率张量；km为储层基质渗透率张量；knf为天然裂缝在所嵌入的基质单元内产生的附加渗透率张量；
32、(4)结合步骤s21与步骤s22，构建裂缝变形与流体流动的流固耦合模型，求解获得压裂裂缝缝宽、缝内流体压力和储层基质孔隙压力：
33、
34、上式中i为单位矩阵；tfm与tmf为裂缝基质之间的传导系数矩阵；
35、(5)动态计算水平井分段多簇压裂时进入各射孔簇施工排量，根据井筒、射孔与裂缝系统内压力平衡假设，水平井筒跟部的流体压力等于水平井筒摩阻、射孔孔眼摩阻与裂缝入口处流体压力之和：
36、phell＝δpw+δpp+pp,in
37、上式中phell为水平井筒跟部流体压力；δpw为水平井筒摩阻；δpp为射孔孔眼摩阻；pp,in为裂缝入口处流体压力；
38、水平井筒摩阻与射孔摩阻的计算公式为：
39、
40、水平井筒内压裂液流量等于各射孔簇的压裂液流量之和：
41、
42、结合上式构建非线性方程组，通过newton-raphson迭代求解得到进入各射孔簇的压裂液流量，上式中μ为压裂液粘度；l为水平井筒的长度；dw为水平井筒的内径；qw为水平井筒内的压裂液流量；ρ为压裂液密度；qf为流经射孔簇的流量；m为射孔簇数目；dp为射孔孔眼直径；np为射孔孔眼数目；cp为孔眼流量系数。
43、进一步地，所述步骤s3建立天然裂缝影响下压裂裂缝三维延伸准则，具体包括：
44、(1)建立三维压裂裂缝在储层基质延伸的扩展判据，采用考虑拉张破坏与剪切破坏的复合断裂判据作为裂缝扩展准则：
45、
46、仅考虑压裂裂缝在水平面内的偏转，通过最大周向应力准则计算裂缝扩展方向：
47、
48、上式中ke为裂缝尖端等效应力因子；kic为储层岩石断裂韧性；α为局部坐标系下裂缝扩展角度；ki为拉张型应力强度因子；kii为剪切型应力强度因子；
49、(2)建立三维空间中压裂裂缝与天然裂缝相交准则，考虑裂缝产生的诱导应力对储层应力场的影响，通过空间坐标转换得到储层中天然裂缝所在平面内远场应力分布：
50、[σfar]＝[r][σloc+σind][r]t
51、
52、根据应力叠加原理，计算远场应力与局部应力共同作用下水力裂缝与天然裂缝相交区域内的应力场：
53、σmix＝σfar+σtip
54、上式中σmix为相交区域内复合应力场；σtip为水力裂缝尖端产生的扰动应力场；σfar为远场应力场；σloc为原地应力场；σind为诱导应力场；r为空间坐标转换矩阵；ω为与水力裂缝和天然裂缝同时正交的平面；αω与为平面ω的倾角；βω为平面ω的走向角；
55、通过比较相交区域内复合应力、裂缝尖端流体压力以及岩石抗拉强度，并判断天然裂缝破坏状态，预测压裂裂缝与天然裂缝相交结果，具体包括：
56、①压裂裂缝被天然裂缝捕获：作用于天然裂缝的剪切应力大于或等于天然裂缝的摩擦力与内聚力之和时，天然裂缝因剪切滑移而被激活，表达式为：
57、τrγ|≥τ0+knf(σγ-pnf),γ＝-θorπ-θ
58、上式中τrγ为作用于天然裂缝面的切向应力；τ0为天然裂缝抗剪强度；knf为天然裂缝壁面摩擦系数；σγ为作用于天然裂缝面的法向应力；pnf表示天然裂缝内流体压力；γ为裂缝尖端局部极坐标系极角；θ为逼近角；
59、②压裂裂缝沿天然裂缝扩展：压裂裂缝被天然裂缝捕获后，裂缝尖端等效应力强度因子满足沿天然裂缝扩展条件；
60、
61、上式中kic,nf为压裂裂缝在天然裂缝中扩展时的临界断裂韧性；
62、③压裂裂缝穿过天然裂缝：压裂裂缝的尖端应力的拉应力超过天然裂缝另一侧的岩石抗张强度，同时天然裂缝两翼并未发生剪切滑移和拉张破坏；压裂裂缝被天然裂缝捕获后停止扩展，相交点处的缝内流体压力克服天然裂缝另一侧储层岩石的抗拉强度与法向应力的综合作用；
63、情况1：
64、情况2：pfi≥t+σn
65、上式中t为储层岩石抗拉强度；pfi为水力裂缝与天然裂缝相交处流体压力；σn为原地法向应力。
66、进一步地，所述步骤s4结合步骤s2中模型求解结果与步骤s3中扩展准则判断压裂裂缝是否扩展，循环此过程模拟三维压裂缝网扩展，具体包括：
67、①通过地质参数构建储层模型与天然裂缝模型，采用结构化网格划分储层基质单元与天然裂缝单元，根据完井参数预设初始压裂裂缝单元
68、②通过等效介质模型计算嵌入天然裂缝的储层基质单元的等效渗透率，并预设初始时刻的压裂裂缝缝宽、缝内流体压力与储层孔隙压力；
69、③将地质参数、完井参数与施工参数代入裂缝变形与流体流动的流固耦合模型，求解得到当前时刻的压裂裂缝缝宽、缝内流体压力与基质孔隙压力；
70、④结合完井参数、施工参数与缝内流体压力结果，计算水平井筒摩阻与射孔孔眼摩阻，求解水平井射孔簇流量分配非线性方程组得到进入各射孔簇的流量；
71、⑤将计算得到各射孔簇流量分配结果重新带入流固耦合模型再次求解，重复步骤③与步骤④直至结果收敛；
72、⑥判断水力裂缝是否逼近天然裂缝，通过计算得到压裂裂缝缝宽与缝内流体压力，并结合地质参数与扩展准则，判断压裂裂缝是否扩展；
73、⑦若压裂裂缝扩展，则在满足扩展条件的裂缝尖端新增裂缝单元并更新压裂裂缝单元网格信息，若压裂裂缝未能发生扩展，则无需新增裂缝单元，压裂裂缝网格信息不变；
74、⑧判断模拟是否结束，若结束则输出并保存计算结果，若未结束则将当前时间步计算结果作为下一时间步的初值，并循环步骤③～步骤⑦直至模拟结束。
75、进一步地，所述步骤s5基于模拟结果开展压裂效果评价，优化压裂施工设计，具体包括：
76、(1)根据三维压裂缝网扩展模拟结果，输出压裂裂缝缝长、压裂裂缝面积与储层改造体积作为压裂改造效果评价指标；
77、(2)绘制压裂参数与压裂改造效果的关系模板，确定最优压裂改造效果下的压裂参数方案，为现场非常规储层压裂施工设计优化提供指导。
78、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
79、(1)本发明能优化边界元方法中系数矩阵元素计算与矩阵组装流程，降低模型求解中间过程计算量，提升三维裂缝扩展模型计算效率；
80、(2)本发明引入嵌入式离散裂缝模型与等效介质模型，可较准确描述压裂过程中压裂液向储层基质与天然裂缝中的滤失，并描述储层孔隙压力演化过程；
81、(3)本发明通过准确描述储层中三维压裂缝网延伸轨迹，综合评价不同压裂施工参数下缝网几何参数与储层改造效果，实现现场压裂设计参数优化。
1.一种非常规储层三维压裂缝网扩展数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种非常规储层三维压裂缝网扩展数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s1的详细步骤为：
3.根据权利要求1所述的一种非常规储层三维压裂缝网扩展数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s2的详细步骤为：
4.根据权利要求1所述的一种非常规储层三维压裂缝网扩展数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s3的详细步骤为：
5.根据权利要求1所述的一种非常规储层三维压裂缝网扩展数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s4的详细步骤为：
6.根据权利要求1所述的一种非常规储层三维压裂缝网扩展数值模拟方法，其特征在于，所述步骤s5的详细步骤为：
