浅谈离散裂缝网络(DFN)模型与裂缝随机建模方法

致密砂岩储层天然裂缝建模方法林承焰; 李辉; 马存飞; 任丽华; 陈仕臻; 李师涛; 梁书义【期刊名称】《《中国石油大学学报（自然科学版）》》【年(卷),期】2019(043)005【总页数】13页(P21-33)【关键词】构造裂缝; 致密砂岩; 应力场模拟; 离散裂缝网络; 密度体; 岩石力学【作者】林承焰; 李辉; 马存飞; 任丽华; 陈仕臻; 李师涛; 梁书义【作者单位】中国石油大学(华东)地球科学与技术学院山东青岛266580; 山东省油藏地质重点实验室山东青岛266580; 中国石油大学(华东)深层油气重点实验室山东青岛266580; 胜利油田东胜精攻石油开发集团股份有限公司山东东营257000【正文语种】中文【中图分类】TE122.2天然裂缝的成因受多种因素的综合影响,其发育状态具有很强的不确定性,分布规律具有很强的随机性[1-4]。

如何更加准确地刻画储层中裂缝的空间展布,仅从构造或者岩相单一手段分析裂缝的发育程度存在明显缺陷[5-6]。

从裂缝发育的岩石来看,不同部位岩石脆性组分的含量、岩石结构、岩石粒度等的差异导致对裂缝控制作用的不同,即沉积相控制下的岩性为主要影响因素[7-8];从裂缝形成机制来看,采用有限元数值模拟构造应力场分析方法,认为应力分布情况是主要影响因素[9-14];从裂缝与周围构造体间关系来看[15-16],裂缝发育位置距断层远近为主要影响因素;从地震资料入手,利用蚂蚁追踪、相干体属性等分析方法对识别裂缝具有很好的效果[17]。

从建模手段来看,逐渐从连续裂缝模型发展到离散裂缝网络模型[18-21]。

针对致密砂岩储层,笔者采用基于示性点过程的离散裂缝网络建模方法,在裂缝发育地质模式的控制下,综合裂缝成因力学机制,利用裂缝密度体建立天然裂缝模型。

1 裂缝建模研究思路传统裂缝建模方法对成像测井、岩心的依赖程度较大,存在成本高,井间误差大等问题。

裂缝密度体的提出可以有效解决缺乏特殊测井和取心井,以及井少、井距大的情况下裂缝预测与建模的问题。

对于裂缝性储层建模方法来说 ， 由于影 响裂缝
空 间分布 的 因素很 多 ， 只从 某 一 侧 面 研 究 裂缝 都 具 有 局 限性 ． 本文 主要 从裂 缝 几何形 态 的描述 、 裂缝 的 识 别 方法 、 裂缝 相关 参数 的获取等 基础 研究 人手 ， 提 出适 合 裂缝 建模 的思 路 和方 法．
基金项 目：国家重 点基 础研究发展计划 （７ ９ ３计划 ） 编号 ：０ １ Ｂ ０ ３ ２— １ （ ２１Ｃ ７７０ ０ ） 作者简 介 ： 彭仕宓 （ ９４ ） 女 ， １４ 一 ， 教授 ， 士生导师 ， 博 主要从 事油气 田开发地质研究 ． － ａｌｐｎｓ Ｅｍ ｉ ｅ ｇｍ＠ｖｐ ｓ ａｔｍ ： ｉ．ｉ ．ｏ ｎ
识． 因此 需要 综合 应用 地质 、 测井 、 震等 各种 资料 ， 地
缝洞检测的新方法 ； 张文军和胡伟光则从叠前地
震 属性 随 方位 角 和入 射 角 的变 化 关 系 分 析 人 手 ， 表 征 和 描述 裂 缝 的 分 布 特 征 ４ ； 惠 珍 根 据 构 造 裂 。宋
通过对岩心裂缝统计分析 、 成像测井及常规测井裂
关 键词 ： 缝性 储层 ； 层建 模 ； 裂 储 裂缝 密度 ； 缝尺 度 裂
中图分 类 号 ： Ｅ ９ Ｔ ｌ 文 献标识 码 ： Ａ ．
裂缝 是 影 响储 层 性 质 的 一个 重 要 因素 ， 其 是 尤
进行 了估计 ； 邓攀用三维有限元数值模拟技术进
行构 造裂 缝 的定 量 预测 ； 李毓 和 陈莹 探 讨 了用 各 种测 井手 段预 测裂 缝 的方 法 Ｊ ．
摘要： 由于裂缝性储层裂缝分布具有很强的非均质性 ， 且在空间呈现块状 分布 ， 常规地质建模方法

页岩裂缝网络的几何特征二维表征及连通性分析第一章：绪论1.1 研究背景和意义1.2 国内外研究现状和进展1.3 研究内容和目标第二章：页岩裂缝网络二维表征方法2.1 裂缝网络特征参数2.2 图像处理方法与算法2.3 页岩裂缝网络二维表征模型第三章：页岩裂缝网络的几何特征分析3.1 裂缝长度分布规律分析3.2 裂缝面积分布规律分析3.3 裂缝角度分布规律分析3.4 裂缝密度与分形维数分析第四章：页岩裂缝网络连通性分析4.1 连通性参数的定义4.2 网络连通性的数学模型4.3 连通性分析实例及结果解释第五章：总结与展望5.1 涵盖的问题及创新点5.2 研究成果与展望5.3 存在的问题与改进方向附录：1. 图像处理算法介绍及源代码2. 统计分析软件介绍及用法第一章：绪论1.1 研究背景和意义近年来，页岩气作为一种新型的能源资源备受重视。

而在页岩气的开采中，掌握页岩储层的特征和裂缝网络是关键的技术之一。

页岩气储层的生产能力与裂缝网络的数量和规模密切相关，因此对页岩裂缝网络的研究成为了页岩气领域的研究热点。

页岩是一种含油气的泥岩，其孔隙度极低，储层不易形成，因此页岩储层的裂缝网络对气体流动和储集具有不可替代的作用。

裂缝网络的结构特征和空间分布决定了气体的流动路径和有效地渗透面积，在页岩储层的开采过程中，不仅会形成不同性质的裂缝网络，而且裂缝之间还有很强的复杂交互作用。

因此，合理地掌握裂缝网络的几何特征、规律和连通性对于评估页岩储层的开发潜力，并指导页岩气开采的灵活性和效率具有重要的意义。

1.2 国内外研究现状和进展页岩裂缝网络的研究主要集中在其几何特征和流体特性方面。

国内外学者尝试从不同角度深入研究页岩裂缝网络，形成了丰富的研究成果。

其中，基于三维数字化数据的几何表征方法和样品分析技术是研究页岩裂缝网络的重要手段。

例如，基于Ct扫描的3D数字模拟，能够真实、忠实地反映出页岩储层的内部结构和裂缝网络，为几何特征和流体特性方面的研究提供了途径。

202019 年 第 6 期采用分离裂缝模型模拟混凝土裂缝扩展时，有限元网格需要不断地调整和再生成，这将导致新的节点拓扑的产生。

为此，本文探讨了基于虚拟裂缝模型的混凝土裂缝扩展模拟方法，通过非线性弹簧模拟虚拟裂缝的黏聚力，旨在避免裂缝扩展过程中有限元网格的不断剖分，提高计算效率和精度。

三点弯曲梁算例结果表明，本文所探讨的方法是合理和有效的。

自20世纪60年代以来，国内外学者在计算机模拟裂缝扩展方面做了很多工作，采用了[1]很多新方法。

有限元法作为强大的分析工具已经得到学术界的广泛认同。

断裂力学中的虚拟裂缝模型对裂缝扩展模拟采用分离网格节点来实现，在裂缝扩展过程中需对单元网格进行不断剖分，这将导致新的节点拓扑的产生，在计算效率和计算精度上都存在一定的缺陷。

本文在分析混凝土断裂过程区材料的软化特性基础上，运用非线性断裂力学模型描述其本构关系，探讨基于虚拟裂缝模型的裂缝自动扩展模拟方法，旨在避免裂缝扩展过程中有限元网格的不断剖分，提高计算效率和精度。

1 虚拟裂缝模型在混凝土宏观裂缝前端存在一个微裂缝区，随着荷载的增加在自由裂缝和微裂缝之间存在裂缝的亚临界扩展。

裂缝的亚临界扩展和微裂缝区合称为断裂过程区。

断裂过程区的存在减小了材料刚度，削弱了材料本身应力传递能力，这种现象就是混凝土的软化特性。

虚拟裂缝模型把裂缝分解为两部分：真实物理裂缝和虚拟裂缝。

前者表征宏观自由裂缝，裂缝面上不传递任何应力，而后者将带状裂缝区简化为一条分离裂缝，即虚拟裂缝。

虚拟裂缝面上可以传递应力，其上某点应力的大小与该点裂缝面的张开位移 之间存在确定的关系。

虚拟裂缝模型通过非线性断裂过程区在混凝土类准脆性材料的断裂分析中引入了基于应变软化机理的非线性本构模型，合理有效地对裂缝由微裂纹向宏观裂缝发展进行了描述，并且虚拟裂缝还表征了由于裂缝张开而出现的非线性连续位移。

裂缝张开位移与拉应力的软化关系是虚拟裂缝的核心内容。

为了数值计算的方便，一般将软化曲线简化成图1示的单直线模型或双直线[2]模型。

如何运用UDEC创建裂隙岩体水力学模型-水力学论文-水利工程论文-水利论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——1、引言库岸边坡常因库水位变动而失稳，尤其是岩石里面的节理裂隙，由于水在裂隙中流动，影响岩石的各种特性，控制着岩体的变性破坏特征。

本文简单论述一下如何运用UDEC建立斜坡离散裂隙网络数值模拟计算模型，可以更加正确的反映岩石内部的结构和构造。

从而可以帮助我们揭示一些裂隙岩体边坡在各种水的作用下的下变形机制，为一些岩质边坡的防治提供科学的理论依据。

2、离散单元法的基本原理离散单元法是1970年由Cundall首次提出的，于1986年由王永嘉引入我国，是专门针对不连续介质问题提出的数值模拟解决方法，它对于边坡稳定性的研究是将所研究的边坡岩土体划分为一个个小块，通过每一个小块间的相互作用，以及力与位移的相互作用建立方程。

通过一次次的迭代，配合所建立的平衡方程，使每一个小块都达到平衡状态。

由于离散单元法是通过计算块体之间的作用得到的结果，所以这种方法可以分析实际岩块间大位移的情况，而且可以详细的解析出岩体内部应力与应变的分布情况。

它还有一个重要特点，既其求解平衡方程是利用时间差分法。

因此该方法在实际工程中可以弥补有限元法的缺点，进而求解非均质和不连续体的大位移和大变形的问题。

2.1离散元程序UDECUDEC（Universal Distinct Element Code）是一款由ITASCA公司基于离散单元法原理开发并推广应用的二维的大型商用数值模拟软件。

UDEC对模拟节理化岩体材料介质在准静态及准动态荷载条件下的反应过程特别合适，它不但能够实现接触的模拟，而且可以自动侦测并识别新的接触产生，并模拟其力学行为。

UDEC数值分析程序是为一系列工程问题开发的专业求解工具，例如：它可以应用于地下结构、地震、矿山、核废料处理、能源等问题的研究。

2.2裂隙岩体离散裂隙网络介质模型研究岩石中有很多断层、节理、裂隙，统称为结构面，在岩石水力学中都称之为裂隙。

裂缝三维地质建模的难点与对策聂永生;田景春;魏生祥;孙利【摘要】裂缝三维地质建模通常包括裂缝强度建模、离散裂缝网络建模和裂缝属性建模3个主要步骤,在这3个步骤中面临着如何将裂缝信息和成果归一化以及如何三维量化描述裂缝开度和渗透率属性参数等诸多难点.对上述问题进行了初步探讨,并总结出具体的解决方法.首先,利用成像测井或常规测井裂缝解释的数据作为基本数据点,以动态分析及地震检测等资料为约束条件,选用合适的地质统计学方法建立裂缝强度模型；其次,综合利用岩心、测井及动态监测等研究成果,建立离散裂缝网络模型；最后,运用岩心裂缝分析和经验公式相结合的方式获得初步的裂缝属性模型,并根据试井分析等方法获得的裂缝渗透率等参数进行调整,得到最终的裂缝属性模型.运用上述方法结合国际主流的裂缝研究与建模软件,可定量描述裂缝的三维分布,为油藏数值模拟及油藏研究提供更好的支持.%Three-dimensional quantitative analysis of fracture is not only the comprehensive embodiment of fracture research results, but also the objective need of fractural reservoirs study and numerical reservoir simulation. With the advance of logging recognition, seismic detecting, dynamic monitoring, physical modeling and numerical simulation methods, we can get more valuable materials than before which bring even higher challenges in fracture three-dimensional modeling. Three main steps included in the fracture three-dimensional quantitative analysis, i.e., fracture intensity modeling, DFN modeling and fracture network properties modeling. It is the most important and the most difficult thing that how to unify the fracture information and research results, how to calculate fractureattributes such as aperture and permeability. This paper has proposed the related solutions and discussions, introduced a method which uses imaging or conventional logging data, dynamic analysis results, seismic detecting data and other data to build fracture intensity model, and uses core fracture data in combination with empirical formulas to build fracture properties models. Combining this method with international fracture modeling software, we can quantitatively describe the three-dimensional distribution of fracture and provide solid support for reservoir study and numerical simulation.【期刊名称】《油气地质与采收率》【年(卷),期】2013(020)002【总页数】3页(P39-41)【关键词】裂缝;蚂蚁体;裂缝强度模型;离散裂缝网络模型;裂缝属性模型【作者】聂永生;田景春;魏生祥;孙利【作者单位】成都理工大学沉积地质研究院,四川成都610059;成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610059【正文语种】中文【中图分类】TE112.3随着中国的裂缝性油藏和受裂缝影响的油藏在已发现油气藏中所占比例逐渐增大，其储量和产量所占比例也逐渐上升，针对储层裂缝的研究日益受到重视［1-2］。

基于Monte-Carlo方法的三维裂隙网络模拟摘要:目前,人们研究裂隙岩体中流动和溶质运移时越来越多的采用离散介质方法,因此需建立离散裂隙网络。

由于裂隙的分布具有不确定性和交叉性,目前无法用确定性的研究方法进行研究。

文章用概率论与统计学的方法分析裂隙的分布及组合特征,利用Monte-Carlo方法进行三维裂隙网络随机模拟,建立了三维裂隙网络的随机模拟模型。

该研究可为进一步分析裂隙网络的连通性和渗透张量分布提供依据。

关键词:离散裂隙网络;概率统计;Monte-Carlo;三维裂隙网络目前裂隙岩体中流动和运移模拟方法可分为三类:①把岩体看作等效连续介质体,建立等效连续介质渗流数学模型;②不考虑岩块中的渗流,而把裂隙作为非连续网络处理,建立裂隙网络非连续介质渗流数学模型,即离散裂隙网络方法;③考虑岩体内裂隙导水,岩块储水而建立的岩体双重介质渗流数学模型。

其中,连续介质模型运用最为成熟,但这种方法因把裂隙空间平均到渗流单元体上,不能很好地刻画裂隙的特殊导水作用,在实际工程中,当岩体的裂隙分布比较稀疏,且岩体中的渗流主要取决于大的裂隙时,运用连续介质方法处理岩体渗流问题则容易引起大的误差。

离散裂隙网络模型最能反映裂隙发育的规律及裂隙水渗流的规律,但是受目前测量手段和计算量的限制,不可能把大范围的研究区内的每一条裂隙都测出来,目前大多只应用于小范围研究。

现阶段,我国主要用的是广义双重介质模型,即对主干裂隙采用离散裂隙网络模型,对于次要裂隙采用连续介质模型。

双重介质模型,结合了上述两种模型的优点。

国外更多的是研究非饱和带裂隙中水的流动和溶质运移,主要与废物处置、油气运移有关,且研究尺度小,研究精度高,一般采用离散裂隙网络模型或双重介质模型。

但是无论是离散裂隙网络模型还是双重介质模型,离散裂隙网络的构建是其基础。

1离散裂隙网络的构建离散裂隙网络方法的前提假设为:提供流体流动的路径的裂隙网络的几何参数(包括位置,形状,方位,尺度和每条裂隙的水力传导系数等)能够用数学描述。

2012年6月7号裂缝综合预测方法及应用研究目前国内外裂缝预测技术大致有4类[1]:①性分析和生产经验总结的裂缝预测方法;②利用测井手段和地震信息识别和预测裂缝;③非线性理论方法检测和识别裂缝,主要应用分形理论和神经网络等技术方法;④通过构造应力来分析预测裂缝；应用Petrel进行构造建模的研究由于Petrel软件不能自动识别断层的接触关系,所以必须对断层的接触关系进行处理。

在处理断层接触关系时应遵循如下原则:1裂系统发育史要明确,早期断层不能切割晚期断层。

2主、从断层要分清,主断层不允许被剪切。

3断层间的接触关系一定要清晰,断面可以相交但不能互相切割。

基于离散裂缝网络模型裂缝储层的随机模拟在裂缝预测研究方面已有学者做过大量的工作，例如，Ｍｕｒｒａｙ［３］提出了曲率法，通过构造主曲率来预测裂缝储层的孔隙度与渗透率；曾锦光等［４］提出了利用屈曲薄板挠曲理论来模拟地层古应力，对裂缝的分布进行预测：模拟得到的最大（或最小）主应力正值区为拉张区（涉及到强度因子），最易产生拉张破裂缝，因而模拟所得主应力越大，理论上的破裂就越发育；王仁［５］从构造应力方面考虑，结合岩石破裂准则对裂缝分布规律进行了数值模拟；丁中一等［６］提出了“二元法”，即破裂法和能量法的结合运用，破裂值代表发育裂缝的可能性，能量法代表裂缝发育能力的大小，应用于裂缝分布预测；宋慧珍等［７］将构造应力场和地质研究紧密结合，运用有限元数值模拟方法，研究裂缝空间状态；刘卫丽等［８］运用地震资料正反演结合对裂缝进行了预测。

上述学者在研究裂缝储层时，都是通过构造应力分析，结合岩心、露头的观测、各种测井曲线分析、地震资料的利用、生产动态资料和相似区块的开发经验，定性半定量确定裂缝的表征参数，根据这些参数从整体概略预测某个区域的储层裂缝发育程度。

由于Ｐｅｔｒｅｌ建立裂缝模型有局限性，而Ｆｒｅｄ能较好地建立裂缝模型，因此，在本次模拟中采用３步建模：①运用Ｐｅｔｒｅｌ建立基质的物性模型；②利用Ｆｒｅｄ建立裂缝物性的空间分布特征；③将区块的基质模型和裂缝模型利用网格数据叠加方法建立整个裂缝渗流区的地质模型。

Ｘｕ ｅ Ｙａ ｎｍｅ ｉ ｌ Ｘｉ ａ Ｄｏ ｎ ｇ ｌ ｉ ｎｇ ，Ｓ ｕ Ｚｏ ｎｇ ｆ ｕ ， Ｗｕ Ｘｉ ｎ ｇ ｗｅ ｉ ， Ｊ ｉ Ｓ ｈｅ ｎｇ ｚ ｈｅ ｎ
，
１ ． Ｅ ｘ ｐ ｌ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ＆ Ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ， Ｓ Ｉ Ｎ ＯＰ Ｅ Ｃ， Ｈａ ｉ ｄ ｉ ａ ｎ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ８ ３ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ
２ ． Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ Ｅ＆ Ｐ Ｃ ｏ ｒ ｐ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｓ Ｉ ＮＯ Ｐ Ｅ Ｃ， Ｃ ｈ ａ ｏ ｙ ａ ｎ ｇ ， Ｂ ｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ２ ９ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ
文献标志码 ： Ａ
多信息 融合 分级裂缝建模 ： ｌ ：
薛艳梅－ ， 夏东领 ・ ， 苏宗富 ， 邬兴威 ， 汲生珍
１ ． 中 国石化 石油 勘探 开发 研究 院 ， 北 京 海淀 １ ０ ０ ０ ８ ３
２ ． 中 国石化 国际 石油 勘探 开发 有 限公 司 ， 北京 朝阳 １ ０ ０ ０ ２ ９
数场等效 ， 得到各个级别缝 的 离散 裂缝 网络模 型和裂缝属性模型 ， 探 索了一套针对 复杂裂缝 型储层 的 多信 息融合的分
级裂缝建模方法。
关键词 ：碳酸盐岩 ； 裂缝型储层 ； 裂缝分级 ； 裂缝建模 ； 离散 裂缝 网络
Ｆｒ ａ ｃ ｔ ｕｒ ｅ Ｍｏ ｄｅ ｌ ｉ ｎｇ ａ ｔ Ｄｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎｔ Ｓｃ ａ ｌ ｅ ｓ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ０ ｎ Ｃｏ ｎｖ ｅ ｒ ｇ ｅ ｎ ｔ Ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ． Ｓ ｏ ｕｒ ｃ ｅ Ｉ ｎｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ

裂缝性油藏数值模拟方法姚军（中国石油大学山东东营 257061）摘要：目前对天然裂缝性油藏的数值模拟可以大致分为连续性模型和离散性模型两大类；连续性模型又可以分为双重介质模型和单介质模型，双重介质模型主要是以Barrenblatt 和Warren-Root在20世纪60年代提出的双重孔隙/双重渗透模型为基础，在这类模型中认为油藏中每一点都存在有基岩和裂缝两种介质，基岩被相互平行排列的裂缝分割称为单个的岩块，每种介质存在独立的水动力场，通过两种介质间的窜流的将其联系起来；而对于单介质模型，则是通过一定的方法将裂缝的渗透率和基岩的渗透率进行综合的考虑，得出整个油田的有效渗透率，该有效渗透率考虑了裂缝的密度、方位等的影响，然后将该有效渗透率输入到普通的单一介质模拟器中来对裂缝性油藏进行模拟；由于双重介质模型不能够对不连续且控制着流体流动的大裂缝进行准确的模拟等原因，离散性模型在近段时间逐渐发展起来，而其又可以分为离散裂缝网络模型和离散管网模型；在离散裂缝网络模型中，对地质上描述出来的每个裂缝都进行了离散的显式的表示，同时根据局部裂缝的形状决定基岩的几何形状，由于地质上描述的裂缝数目一般较多，相应的在数值模拟中需要的离散点数目也就十分巨大，对模拟造成了一定的困难，所以目前很多的专家和学者又对该方法进行了进一步的改进，有许多简化的方法存在；离散管网模型则是先对所要模拟的区域进行了网格的划分，进而采用管子连接两个网格块，相应的两个网格块之间的传导率也采用管子的传导率来代替，这种方法的特点是数学上比较简单，灵活性较强，同时由于管子只对其连接的两个网格有影响，所以改变管子的传导率只会影响一个方向的传导性，而不会像常规的模拟器那样要同时影响两边的传导性，但是该方法目前研究较少。

0 前言随着世界碳酸盐岩油气田的大规模开发，系统深入研究这类油气田的渗流模式及其在开发中的应用已成为重要课题。

地质学家通过岩芯分析，确认碳酸盐岩(灰岩、白云岩)具有明显可见的裂缝、孔洞，含有密集的树枝状构造的粗裂缝以及连接的孔洞和孔隙。

Petrel是Schlumberger公司研发的以三维地质模型为中心的一体化油藏工作平台。

Petrel 一体化油藏工作平台实现了以地质模型为中心的，从地震综合解释到油藏数值模拟的工作流程。

面对当今日益复杂的油气藏的勘探开发技术挑战，Petrel创造了一个允许地质、地震、测井、油藏、钻井、数据管理多专业共享知识和成果的开放环境，Petrel也成为国际油公司解决油气藏勘探开发技术难题的首选。

Petrel平台使用了国际石油勘探开发领域的先进技术，包括断裂系统自动提取、复杂构造建模、多点相建模、裂缝系统分析、全三维可视化显示和解释、不确定性分析、模型自动更新工作流等功能。

Petrel以其友好的界面、强大的显示功能、无缝的数据整合为研究人员提供了多用户、多学科协同工作环境。

使各学科研究人员更好地共享知识和经验、提高工作效率和成果的准确性。

Petrel作为受到业界广泛应用和认可的软件平台，其一体化的工作理念、开放的研发环境和先进的技术功能已经引领软件发展的潮流。

Petrel平台分地学核心系统、地球物理系统、地质建模系统、油藏工程系统等共20多个功能模块，在地学核心系统和高级核心系统的支持下，系统中的每个模块均可独立运行，用户可以根据工作需求合理组合所需功能模块。

2.1核心模块Geoscience Core地学核心系统，是运行Petrel和其它模块的最基本的必要条件包括基本系统和三维网格建立。

应用它进行三维断层建模、生成层面图以及加载井数据和井的分层数据。

它能用于生成/编辑多边形，同时还可以作为一种方便宜的查询工具。

例如，浏览管理、质量检查以及查询PETREL TM工区等，所有信息的在线帮助系统也是这个模块功能的一部分。

2.2地球物理(1) SEISMIC INTERPRETATION地震解释Seismic Interpretation模块提供了主要的地震解释功能。

包括地震数据体二、三维显示和浏览，使解释人员快速浏览地震数据体，优选研究目标区；断层手工解释和自动解释(Automatic Fault Picking功能)；层位的二、三维手工解释和自动解释追踪功能；构造模型与地震数据体的同时显示，提高对地下地层和构造的了解。

2002年5月水 利 学 报SHUILI XUEBAO 第5期收稿日期:2001-12-28基金项目:国家自然科学基金资助项目(59479010;40172084)作者简介:王恩志(1958-),男,辽宁人,博士,副教授,主要从事裂隙岩体渗流与地质工程的教学和研究工作.文章编号:0559-9350(2002)05-0037-04三维离散裂隙网络渗流模型与实验模拟王恩志1,孙 役2,黄远智1,王慧明1(1 清华大学水利水电工程系,北京,100084;2 湖北清江水电开发责任有限公司,湖北宜昌,443002)摘 要:本文根据天然裂隙系统发育规律及其渗透机制,将复杂的裂隙系统划分成带状断层、面状裂缝和管状孔洞三大类型,在忽略岩块渗透性的前提下,建立了由管状线单元、缝状面单元和带状体单元组合而成的三维裂隙网络渗流数值模型,为检验模型的合理性,在室内利用混凝土试块制成的离散体来模拟三维裂隙网络结构,设定不同的边界水位和降雨入渗对裂隙中渗流进行了实验,利用数值模型对实验结果进行了模拟,初步验证模型是合理而可靠的.关键词:裂隙网络;渗流;实验;数值模拟中图分类号:P641 135文献标识码:A自Wittke 提出线素模型[1、2]以来,二维裂隙网络渗流模型有所发展[3、4],进入20世纪80年代后,Long 提出了圆盘裂隙网络三维渗流模型[5],Dershowitz 、万力等提出了多边形裂隙网络模型[6,7],这些模型可描述面状裂缝相互切割所构成的裂隙网络渗流.然而,实际岩体中的裂隙系统并非都是由单一的面状裂缝所构成,为此,作者根据天然裂隙系统发育规律及其渗透机制,将复杂的裂隙系统划分成三大类型,在忽略岩块渗透性的前提下,建立了由管状线单元、缝状面单元、带状体单元组合而成的三维裂隙网络渗流数值模型[8].为检验模型的合理性,在室内利用混凝土试块制成的离散体来模拟三维裂隙网络结构,设定不同的边界水位和降雨入渗对裂缝中渗流进行了实验.本文就三维裂隙网络渗流实验结果和理论模型的数值模拟对比进行了分析,其结果初步表明理论模型是合理可行的.1 三维裂隙网络渗流数值模型复杂岩体中的裂隙网络可定义为由不同成因、不同力学属性、不同规模的管状、面状和带状结构体相互交错切割所构成的网络状系统[8],由管状结构的一维流、面状结构的二维流和带状结构的三维流在空间上组合,形成了岩体中复杂的三维裂隙网络渗流.因此,可按三种类型结构单元来建立三维图1 裂隙单元示意裂隙网络渗流数值模型.1 1 管状结构一维渗流方程 管状结构被其它裂隙切割后为一条线段,以该线段作为线单元,则一条管状结构可划分成数条线单元的组合.沿裂隙段方向建立局部的一维坐标系(图1(a)).设裂隙段中的水流为层流,线单元的渗流连续方程为:x K x H x +Q = d H d t (1) 371 2 面状裂隙二维渗流方程 面状裂缝类结构为典型的裂隙单元,被其它裂隙切割后,成为数个多边形裂缝(图1(b)),每个多边形裂缝在空间上表现为多边形面单元,按该单元所在的平面建立局部坐标系x o y ,并取局部坐标轴方向与裂缝的渗透主轴方向一致,设裂隙中水流为层流时,则局部坐标系下的二维渗流连续方程为:x K x H x + y K y H y +Q = d H d t (2)1 3 带状结构三维渗流方程 带状断层类结构可分为构造岩带和影响带,被其它裂隙切割后,每个带就成为空间中的数个扁多面体(图1(c)),其内结构为碎裂岩块的集合体(挤压面属面状结构),从渗透介质的特征上属于多孔介质.则根据带状断层的结构特点,对每一个扁多面体可用连续介质方法来描述其中的渗流.因此,当选取的局部坐标系与带状断层的3个渗透主轴一致时,其渗流连续性方程为:x K x H x + y K y H y + z K z H z +Q = d H d t (3)式中:x 、y 、z 为局部三维坐标系;K x 、K y 、K z 为3个主渗方向上的渗透系数;H 为水头函数; 为单位贮水率;Q 为源汇项;t 为时间变量.1 4 裂隙网络三维渗流数值方程 将上述3种类型结构单元体进行离散化,对断层单元的任一扁多面体划分成数个四面体、五面体或六面体的组合,对裂缝单元的任一多边形划分成数个三角形或四边形的组合,对管状单元又可划分为数条线单元的组合.这样根据线单元、面单元、体单元在空间的组构关系,对各类单元统一编号,由于各种单元相交存在公共节点,则节点也实行统一编号,由上面的一维、二维和三维渗流方程,分别求得各类单元上的传导矩阵,然后,按单元的相互关系,对各节点上的单元传导矩阵进行迭加组合,形成总体传导矩阵,得到由多种裂隙单元构成的三维裂隙网络渗流数值模型:{T }{H }+{Q }={E }d Hd t (4)式中:{H }为节点水头列向量;{T }为总体传导矩阵;{E }为裂隙贮水矩阵;{Q }为补给和排泄列向量.图2 三维裂隙网络渗流实验装置式(4)反映的介质结构为线单元、面单元和体单元的组合,其渗流是由一维流、二维流和三维流在空间上的组合,是由局部的连续介质渗流组合成的整体上的非连续介质渗流.断层类结构按其性质将有不同的划分,张性断层、劈理带、岩脉等可划分成一个条带,压性断层可划分数个条带,中部挤压面则作为面状单元嵌入在体单元中.同样对于面状裂缝单元,当有管道流存在时,可将管道线单元嵌入在裂缝面单元中.阻水裂隙(如压性断层的挤压面及闭合裂隙)的存在往往会造成两侧水位相差悬殊的现象,如果仅将此类单元的渗透性置零是无法描述这种水位差现象的,而采用双重单元法则可解决这一问题,其方法是将阻水裂隙分为两个侧面单元,其两侧的节点不相连,使两侧无水力联系,但在局部透水部位将两侧节点合二为一,形成水力联系.2 三维裂隙网络渗流实验装置三维正交裂隙网络渗流实验装置如图2所示,实验模型放置在扁长实验槽内,实验槽两侧为5mm 厚的玻璃板,可用来对渗流浸润线进行观测.用混凝土试块模拟裂隙岩块,试块尺寸为7 07cm 7 07cm 7 07c m,考虑到实际工程中地表裂隙较为发育的特点,在顶部叠放两层7 07cm7 07cm 3 535cm 的混凝土块.混凝土试块之间的裂隙互相连通,构成了三维正交裂隙网络. 38混凝土试块的堆砌沿实验槽横向布置4列、沿纵向布置12排、沿高度方向布置11层.这样,有水平缝(与Z 坐标方向垂直),纵向缝(与Y 坐标方向垂直),横向缝(与X 坐标方向垂直),共有裂隙单元1672个.在堆砌混凝土试块过程中,用塞尺直接量出裂隙的机械隙宽.在实验模型内预埋了12支压力传感器,用以量测渗流水头值.在实验装置顶部设置了人工降雨器,用于模拟降雨入渗.实验中设计了不同的实验工况,上下游侧设置为定水位边界,其水位可根据实验要求而调整.3 实验结果与数值模型模拟分析本次实验中的裂隙均为面状裂缝单元所组成,因此在三维裂隙网络渗流模型(4)中仅含有面状裂缝的多边形单元,每个多边形均为四边形.为能详细模拟渗流,将每个四边形单元再进一步划分成4个四边形单元,这样计算单元总数为6688个.边界条件:沿纵向(X )上下游为定水头边界;两侧面(Y 向)也是一条裂缝,则垂直侧面方向上的边界流量为零;底面仍为一条裂缝,也是零通量边界;顶部为降雨入渗边界.表1 压力传感器实测水头值与数值模型计算值对比传感器编号实测水头值 cm 模拟水头值 cm 17 077 07215 1715 43321 2119.88428 2827 46531 5632 16633 0433 06737 0636 84838 5037 17941 0042 291043 0042 361147 4847 571218 3048 30实验中,调整上、下游水位和降雨量,由压力传感器观测的内部节点水头值的变化,从实验槽两侧玻璃板可直接量测出浸润线高度.表1列出了上、下游水位分别为48 30c m 和7 0cm 、无降雨情况下的水位值.改变边界水位和降雨条件,可得到相应的节点水头和浸润线(见图3).从渗流场的分布看,等水头线疏密不均,浸润线的坡降也变化较大,水头变化较大的部位都发生在X =20cm 和X =70cm 附近,说明这些部位的裂隙水力开度较小,造成了等水头线相对密集、水力梯度加大的现象,这也恰好反映了裂隙介质的非均匀性.在三维裂隙网络渗流数值模拟中,需确定出每条裂隙的水力开度,确定的依据是制作实验模型时所测定的每条裂缝的机械隙宽,以这些机械隙宽为初值,对数值模型中的水力开度值进行校正.从各裂隙机械隙宽的分布看,位于X =20cm 、X=70cm 附近各裂隙的机械隙宽普遍小于其它部位,校正后的水力开度也应如此,这样才能反映等水头线的疏密分布,也就是要保持机械隙宽与水力开度在分布上具有相似性.因此,对机械隙宽为初值的水力开度先进行等比例的分步缩小,使计算流量与实验测定流量接近、流场分布相似,再运用优化调参方法,以水头拟合误差最小为目标函数,对数值模型中的各裂隙水力开度值进行微量校正调整,以进一步提高渗流场的吻合程度,最后获得数值模拟的渗流场.图4为有降雨入渗工况的渗流场实验和模拟结果,仍具有等水头线疏密分布的特征.( 上=48 3cm, 下=7 0cm)图3无降雨时渗流水头等值线剖面( 上=58 8cm, 下=17 9c m)图4 有降雨时渗流水头等值线剖面 39通过对比,实测渗流浸润线与数值模拟的浸润线吻合程度较好.对于不同渗流工况,三维裂隙网络渗流数值模型(4)都能够模拟出较为满意的结果,说明该数值模型是合理的,能较为详细描述裂隙系统中每一裂隙的渗流状况.当然,以上的结果是在实验条件下获得的,实际应用中理论计算的精度不可避免地要受到天然裂隙系统的高度复杂性、裂隙水力参数以及边界条件的难以准确界定等因素的影响,但实验结果无疑可以初步验证三维裂隙网络渗流数值模型的合理性.4 结论利用混凝土砌块来构筑裂隙网络,通过压力传感器测量水头及直接观测浸润线,来获得不同工况的渗流场分布状况,把实验渗流场与数值模拟渗流场进行比较,使理论模型与实验模型相统一.经过设定不同的上下游水位、有无降雨等渗流工况,对比实验和计算渗流场的结果,可以说明三维裂隙网络渗流数值模型是合理的,其计算精度令人满意.参 考 文 献:[1] 切尔内绍夫.水在裂隙网络中的运动[M].北京:地质出版社,1987.[2] Louis C,Wittke W.Experimental study of water flow in jointed rock massif[J].Tachien Project Formosa.Geotechnique,1971,21(1):29-35.[3] Wilson C R,Witherspoon P A.Steady state flow in rigid networks of fractures[J].Water Resources Research,1974,10(2):328-339.[4] Wang Enzhi.A study on the models of the ground water movement in fractured net works[C].Modeling in GroundwaterResources,Proceedings of the International Conference on Modeling Ground water Flow and Pollution,Nanjing Uni versityPress,Chi na,1991:414-421.[5] Long C S,Gilmour P,Witherspoon P A.A model for steady fluid flow in random three-dimensional networks of disc-shaped fractures[J].Water Resour.Res.,1985,21(8):1105-11153.[6] Dershowitz W S,et al.A new three dimensional model for flow i n fractured rock.Mem[J].Int.Assoc.Hydrogeol,1985,17(7):441-448.[7] 万力,李定方,李吉庆.三维裂隙网络的多边形单元渗流模型[J].水利水运科学研究,1993,(4):347-353.[8] 王恩志,王洪涛,孙役.三维裂隙网络渗流数值模型研究[J].工程力学,1997,14(增):520-525.3-D seepage flow model for discrete fracture network and verification experimentWANG En-zhi1,SUN Yi2,HUANG Yuan-zhi1,WANG Hu-i ming1(1 Tsinghua U nive rsity,Bei jing 100084,China;2 Hube i Qingjiang Hydroe lectric Powe r De velopme nt Co.,Ltd.,Y ic hang 443002,China)Abstract:The complicated fracture networks are divided into bel-t shaped fault,plane-shaped fracture and pipe-shaped structure,and a3-D seepage flow model c onsist of three types of fracture element is es-tablished.Experimental study is carried out in lab.to verify the reasonability of the model.The discrete rock blocks are modeled using concrete blocks.The seepage flow field obtained is in good agreement with the numerical simulation.Key words:fracture network;seepage flow;e xperiment;numerical simulation40。