一种从微观到宏观的页岩储层岩石弹性力学性质求解方法

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1.一种从微观到宏观跨尺度的求解页岩储层岩石弹性力学参数的方法，包括以下步骤：1)基于页岩储层岩心的X射线衍射实验，页岩主要矿物成分为石英、方解石和黏土矿物；2)根据步骤1)中主要矿物成分的原子坐标，采用Material Studio软件建立主要矿物单胞模型，并导出car文件，采用msilmp程序将car文件中的晶格参数和原子坐标转换为lammps开源程序可识别的data文件格式，通过Nose Hoover法控制体系的温度，选择real格式的计量单位，截断半径为边界条件为三维周期性边界，计算精度设为1×10，时间步长为1fs。-43)石英矿物和伊利石矿物原子间的相互作用均使用Clayff力场描述，用力场描述方解石原子间相互作用；用共轭梯度对模型进行能量最小化，从而对模型初始构型进行调整；4)使模型先后在NVT、NPT下充分驰豫，驰豫时间为50ps，设置温度为348.73K，压力为45.82MPa；对比驰豫前后各矿物的晶格常数及矿物结构稳定性，若驰豫前后晶格尺寸变化小于5％，说明所选力场能够较好的模拟矿物模型；5)对矿物单胞模型扩胞，石英扩胞为16a×6b×6c的超胞模型；伊利石扩胞为16a×5b×5c的超胞模型；方解石扩胞为21a×6b×2c的超胞模型，参照步骤2)，转换为data格式文件，定义形变量为施加应变方向的晶格长度×10；-66)以能量最小化的方式松弛原子位置以确保模型结构稳定，使用delta方式分别对模型X、Y、Z、XY、XZ、YZ六个方向施加拉伸载荷和压缩载荷，即共12次施加载荷方向的应变；7)将拉伸过程得到的弹性常数与压缩过程得到的弹性常数分别平均处理，求解矿物的体积模量、剪切模量、杨氏模量和泊松比；8)某页岩储层发育有湖坡风暴滩和半深湖泥2种微相，岩性主要为灰色介壳灰岩与灰黑色泥页岩不等厚互层和厚层黑色页岩夹薄层介壳灰岩，建立不同矿物含量的长方体细观几何模型，黏土矿物作为基底相，硅质矿物和碳酸盐矿物作为夹杂相，夹杂颗粒看作球形，矿物颗粒的尺寸按照实际矿物粒径设置；9)采用python脚本按照计算的矿物颗粒数量将其随机投放到长方体细观几何模型的任意位置，建立夹杂的颗粒模型，再将夹杂的颗粒模型与长方体模型进行合并，并保留内部边界；10)各矿物弹性常数作为各矿物颗粒的属性参数，颗粒间的层间属性为黏土矿物的弹性常数；11)利用四面体网格对长方体模型进行网格划分，并定义全局网格尺寸为0.002，指定矿物网格属性为C3D4；然后在基底相和杂质相间插入cohesive单元，指定其单元类型为COH3D8；由于模型内部夹杂的颗粒较多，选择批量插入cohesive单元，并在相互作用中为内聚力单元建立接触属性，由于颗粒间并不相互接触，内聚力单元表面不连续，因此选用自接触的方式对内聚力单元和矿物间的接触行为进行定义；12)细观模型可看作宏观页岩中的一部分，通过添加周期性边界条件，将细观模型进行对称以及空间无限延拓来重现真实页岩，用python脚本实现周期性边界条件的添加；13)将宏观模型一端固定，即将其端面的X方向自由度设为0，且分别将三个角点XYZ方向、XY方向、XZ方向的自由度也设置为0，对另一个端进行压缩，即将其端面沿X方向添加0.25mm的位移量，且分别将三个角点是YZ方向、Y方向、Z方向的自由度也设置为0；14)采用静力通用模式，对宏观模型进行压缩；15)首先对拉伸面上所有集合点受到的反力进行加和，绘制出整个代表体积单元的应力应变曲线，再根据模型在X方向与Y方向(或Z方向)的位移形变量，获得介壳灰岩和黑色页岩的弹性力学参数、应力云图及应力应变曲线；16)相比于模型外部，模型内部的应力分布情况更加复杂，原因在于夹杂相颗粒存在于模型内部，且随机分布，夹杂相颗粒外部界面层力学性质较弱，模型在压载荷作用下，应力值较大处主要集中在夹杂相颗粒周围，即力学性能比较薄弱的区域；介壳灰岩的等效应力比页岩更大，介壳灰岩碳酸盐岩矿物含量高，在微观结构中，碳酸盐岩中的颗粒排列和结构影响应力分布，使得应力集中，导致等效应力较高。