第120期：CMG 软件地质力学模块从基础设置到深度应用

         CMG软件的地质力学（Geomechanics）模块，是揭示地下地层 “看不见的运动” 的核心工具 —— 它能将注采过程中地层的应力变化、岩层变形、孔隙演化等微观过程转化为可量化、可视化的结果，为油藏开发方案优化、地质灾害预防提供关键支撑。本讲义从模型选择、网格配置、参数设置到结果分析，全方位覆盖实操细节，同时用通俗语言拆解专业概念，让不同基础的读者都能掌握。 

        刚接触 CMG 地质力学功能的小伙伴，不用怕复杂！这份指南用最通俗的话把每个核心环节拆明白 —— 从 “为啥要用” 到 “每步怎么操作”，再到 “新手常踩的坑”，帮你稳扎稳打入门，避免走弯路。

 一、先搞懂：地质力学到底能解决啥问题？

       简单说，地下地层看不见摸不着，但注水采油时，它会 “偷偷变形”—— 可能被压得孔隙变小（影响出油），也可能应力太大裂了（导致出砂）。地质力学功能就是帮你 “算清楚” 这些看不见的变化：比如某口井采油 100 天后，井眼周围地层会收缩多少？会不会因为应力太大开裂出砂？这些结果能直接指导你调整开发方案（比如要不要控压采油、要不要下套管）。

       核心逻辑：它不是 “单打独斗”，要和 CMG 的流体模拟器（算油、水、气怎么流动）配合，要么 “流体算完压力传给力学”，要么 “两者互相反馈”，具体看你要的精度。 

二、核心本构模型：两种 “计算套路”，别选错！

        地质力学功能就靠两个核心模型干活，相当于 “两套不同的计算器”，适配不同场景，新手第一步要先搞懂 “什么时候用哪个”。

（一）塑性与非线性弹性变形模型（通用款，90% 场景用它）

        这是 “万能模型”，能模拟地层从 “轻轻变形能回弹” 到 “变形太大开裂” 的全过程，就像观察一块橡皮泥：捏一下回弹（弹性）、捏重了留痕迹（塑性）、再使劲捏裂（失效），它都能算。

• 两大计算模式，按需选：

1.       弹塑性模式（算开裂、出砂必用）

既能算弹性变形（比如注水时地层轻微膨胀，停注后回弹），也能算塑性变形（比如采油时地层收缩，再也弹不回去），甚至能算 “开裂失效”。

o   关键设置 1：选 “屈服准则”—— 就是定义 “地层到多大应力会开始变形失效”。常用两种：

o   Mohr-Coulomb （莫尔-库伦）准则：适合砂层、灰岩这类常见岩石，要填 “内聚力”（相当于岩石 “粘合力”，越大越不容易裂）和 “内摩擦角”（相当于岩石颗粒间的 “摩擦力”，越大越抗剪）；

o   Drucker-Prager （德鲁克-普拉格）准则：适合页岩、泥岩这类软岩，参数和上面类似，但更贴合软岩的受力特点。

o   关键设置 2：加 “防护功能”——

o   应变硬化（关键字*HARDEN）：让地层变形越多越结实（比如反复注水的地层，会慢慢 “变硬”）；

o   帽模型（关键字*GCAPMODEL）：防止地层被无限压缩（比如高压采油时，不会把地层压成 “纸片”）。

o   特殊能力：能模拟 “注采循环”—— 注水时地层加载（应力升高、积累变形），采油时卸载（应力下降、弹性变形回弹），还能算 “剪切扩容”（变形时体积变大）。

2.       非线性弹性模式（只算变形，不算失效，算得快）

       只能算地层 “没开裂前” 的弹性变形，速度比弹塑性快，但没法预测出砂、开裂。又分两种细分类型，别搞混：

o   亚弹性（关键字*NLINEAR+ 做功判断）：泊松比不变，但体积模量、剪切模量会随应力变化；用 “做功多少（dW）” 判断状态 ——dW 正就是加载，负就是卸载，零就是不加载不卸载；

o   超弹性（关键字*NLINEAR+ 剪应力判断）：泊松比和杨氏模量都随应力变化；用 “当前剪应力和参考剪应力对比” 判断 —— 当前大就是加载，小就是卸载。

• 支持的网格类型（“计算的舞台”）：

1. 2D/3D 笛卡尔网格、角点网格、轴对称径向网格（以井眼为中心的圆环）都能用；
2. 3D 径向网格会自动转成角点网格，而且每个网格块的角度不能超过 160 度（不然体积会趋近于零，算不了）；
3. 还能选 “平面应变（伪 3D）” 模式：比如模拟薄地层时，只算 y-z 或 x-z 平面的变形，忽略垂直平面方向的应变，省计算量。

• 关键规则（别搞反正负！）：

        压应力算正（比如地层被上覆岩层压着的力），拉应力算负（比如地层被拉着的力）；剪应力方向和坐标方向一致时算正（比如 x 方向的剪应力，方向沿 x 轴就是正）。

 （二）单井边界卸载模型（单井专用，只算井周问题）

       这是 “单井专属计算器”，只能用在 “以井眼为中心的径向网格” 里（比如模拟一口油井的井周情况），专门解决 “砂粒被采到井眼后，井周应力释放” 的问题 —— 比如裸眼井采油时，砂粒被带到井里，井眼周围地层的压力会下降，可能导致射孔附近开裂，这个模型就能算。

• 启用条件（缺一不可）：

1.       必须先启用上面的 “塑性与非线性弹性变形模型”（相当于 “基础计算器”）；

2.       加两个专属关键字：

• 2. • *UNLOADSTR：开启 “边界卸载” 功能（告诉软件 “要算井周应力释放”）；

• 2. • *WRADIUS：填井眼半径（比如 0.1 米，告诉软件 “从这个半径开始卸载”）。

• 新手必记的 “限制”：

1.       破坏网格不删除：就算井周网格单元开裂、没强度了，也不会从模型里去掉，还会留在里面参与计算；

2.       不算砂粒移除影响：只算 “应力释放”，但不算 “砂粒被带走后地层孔隙的变化”，所以失效单元旁边的计算结果可能有点偏差，需要结合实际数据修正。

三、网格设置：搭建 “计算舞台”，这些坑别踩！

     同油藏模拟网格一样，地质力学网格就是把地下分成一个个 “小方块 /小圆环”，计算每个小块的受力变形。有两种网格模式，还有很多 “禁用规则”，新手很容易在这里出错，一定要记牢。

（一）两种网格模式（选一种就行）

1. 共用网格（简单，但限制多，适合新手练手）
   
   • 启用条件：不用加*GEOGRID关键字，地质力学网格会和油藏流体模拟的网格 “完全重叠”—— 比如流体网格是 50×30×10 的方块，地质力学网格也一样，单元边角都对齐。
   • 特点：模拟时网格能移动（比如地层收缩时，网格会跟着变小），但网格之间的 “一一对应关系” 不变；
   • 致命限制（绝对不能碰！）：

• • • 不能用静态局部加密网格（禁用 “油藏描述” 里的*REFINE关键字）；

• • • 不能用动态网格（关键字*DYNAGRID，模拟中不能改网格大小）；

• • • 不能用含断层的网格（断层处受力复杂）；

• • • 不能用 “相邻块角点对不上” 的网格：比如某些角点网格（映射软件生成的）、变厚度 / 变深度的*VARI网格（笛卡尔网格里的 “不规则块”）。

2. 独立网格（灵活，限制少，适合复杂场景）
   
   • 启用条件：必须加*GEOGRID关键字，再配合*GDI（I 方向网格数）、*GDJ（J方向）、*GDK（K 方向）定义网格参数；
   • 特点：和流体网格不重叠，靠 “映射算法” 传递数据（比如流体网格的压力，会 “对应” 到独立网格的对应位置），对流体网格的限制少（比如流体网格局部加密也能用）；
   • 唯一限制：模拟中也不能改网格（不能用*DYNAGRID）。

（二）新手必避的网格 “坑”

1. *VARI网格（变厚度 / 变深度）：

油藏流体模拟网格用不了，会报错 —— 未启用*GEOM3D（3D 模式）时，初始化直接报 “致命错误”；启用*GEOM3D时，要先通过 Builder 工具检查（不然算到一半会崩）；

解决办法：加关键字*CONVERT-TO-CORNER-POINT，把*VARI网格自动转成角点网格（转换后每个角点的位置是原来的平均值，网格体积、传导率会有小变化，但总孔隙体积基本不变）。

2. 径向网格的 “套管处理”（单井模拟必看，别搞反！）

径向网格分 2D 和 3D，默认的 “套管 / 裸眼” 设置完全相反，新手很容易搞混：

2D 径向网格（nj=1，没有角度方向的划分）：

井眼边界在最内层网格（I=1）的下表面；用关键字*PRESCBC控制约束 —— 默认是套管井”（锁死 I=1 的径向位移，井眼不能动）；想算裸眼井，必须取消默认（比如*PRESCBC 1 1 1 1 X，X 方向不填数值，就是允许移动），这时井眼流体压力会提供径向支撑（比如快速采油时，井眼压力下降，地层会向井眼收缩）。

3D 圆柱网格（nj>1，有角度方向的划分）：

最内层网格（I=1）没有角度分辨率，地质力学网格从 I=2 开始，所以井眼边界对应 I=2；用关键字*PRESCBC3D控制约束 —— 默认是 “裸眼井”（不锁 I=2 的径向位移，井眼能动）；想算套管井，必须手动锁（比如*PRESCBC3D 2 2 1 Jmax 1 Kmax X 0，X 方向填 0，就是固定不动）；而且输入参数时，I=1 的数据会被忽略，井眼相关参数要填在 I=2。

四、关键字：启用功能的 “钥匙”，必选的别漏！

CMG 所有功能都靠 “关键字” 触发，相当于 “给软件发指令”。地质力学的关键字分 “必选”（少一个都跑不了）和 “可选”（按需求加），新手先记牢必选的，再慢慢学可选的。

（一）必选关键字（核心指令，记死！）

 （二）常用可选关键字（按需求加，别贪多）

• 屈服准则：*MOHRCOUL（Mohr-Coulomb 准则）、*DRUCKER（Drucker-Prager 准则），弹塑性模式必加；
• 多岩性：*GEOROCK+*GEOTYPE（开启多岩性，比如砂岩和泥岩分开算），没加这两个就是默认全地层一种岩性；加了之后，*ELASTMOD、*COHESION等参数要按岩性分别填；
• 边界条件：*PRESCBC/*PRESCBC3D（约束位移，比如锁死外边界）、*DLOADBC/*DLOADBC3D（施加荷载，比如上覆岩层压力）；
• 输出控制：*OUTSRF *GRID（输出网格级结果，比如应力、应变）、*PRINTGEO（输出.geo日志文件，存输入数据和计算过程）；
• 后处理：*GEOPOSTPRO（用旧的流体模拟结果批量算力学，不用重复跑流体，省时间）。

五、耦合方式：和流体模拟 “配合”，选对精度和速度

地质力学不能单独算，要和流体模拟（算油、水、气怎么流动）“配合”，有两种配合方式，精度和速度不一样，新手按需求选：

（一）单向耦合（快，精度一般，常规油藏用）

• 逻辑：流体模拟先算压力、温度，然后把这些数据传给地质力学模块，地质力学算完变形后，不把结果反馈给流体（相当于 “流体说啥，力学就信啥”）；
• 优点：计算快，适合地层变形小的常规油藏（比如普通砂岩油藏）；
• 启用：不用额外关键字，默认就是单向耦合。

（二）双向耦合（准，慢，易变形油藏用）

• 逻辑：流体传压力给力学，力学算完变形后，把 “孔隙变化”“传导率变化” 反馈给流体，流体再根据这些变化重新算流动 —— 来回循环，更贴合实际；
• 优点：精度高，适合页岩、稠油、煤层气等易变形油藏（比如页岩气压裂后，裂缝变形会影响产气）；
• 启用：必须加关键字*GCOUPLING，还能加*NITERGEO设置 “耦合频率”（比如每 10 个流体时间步耦合一次，平衡精度和速度）。

 （三）后处理计算（新手省时间神器）

如果想测试 “不同地质力学参数的影响”（比如试不同杨氏模量对变形的影响），不用每次都跑一遍流体模拟 —— 加关键字*GEOPOSTPRO，让软件读取之前流体模拟的结果文件（比如.out）或重启文件（比如.rst），提取每个时间步的压力、温度，批量算地质力学结果；

• 注意：后处理只支持单向耦合，而且过程中不跑流体计算，完全依赖旧数据。

六、结果查看：读懂 “地层反馈”，别瞎看

模拟跑完后，要会看结果才有用。所有结果都用 CMG 的 “Results” 图形工具查看，文件输出也有讲究：

（一）核心结果看什么？（新手先看这 3 类）

1. 力学参数（判断地层稳不稳）
   
   • 应力：看 “最大主应力”“最小主应力”“应力差（最大 – 最小）”—— 应力差太大，说明地层容易裂；
   • 应变：看 “弹性应变”（能回弹的）、“塑性应变”（永久的）—— 塑性应变太大，说明地层变形不可逆；
   • 位移：看 “径向位移”“垂向位移”——
     比如采油时井眼周围径向位移负（向井眼收缩），垂向位移负（地层下沉），都是正常的，但太大就有风险。
2. 孔隙度（判断耦合质量好不好）

有三种孔隙度，别搞混：

2. • 真实孔隙度（关键字*VPOROSGEO）：当前孔隙体积 ÷ 当前总体积（地层变形会影响）；
   • 地质校正孔隙度（关键字*PORDIFF）：当前孔隙体积 ÷ 初始总体积（用初始体积当参考）；
   • 孔隙度差值（关键字*PORDIFF）：地质校正孔隙度 – 流体模拟用的孔隙度 —— 差值越小，说明力学和流体模拟 “配合得越好”（一般小于 5% 算合格）；
   • 注意：地质力学里的孔隙体积都是 “有效孔隙体积”（能装流体的空间），不是 “流体实际占据的体积”。
3. 网格变形（直观看地层怎么动）

加关键字*WSRF *GRIDDEFORM，在 Results 里能看 “网格随时间变形的动画”—— 比如采油时网格向井眼收缩，注水时向外膨胀，直观判断变形是否合理。

 （二）输出文件怎么看？

• .geo文件：地质力学专属日志，存输入的关键字、网格构建过程、方程求解情况（比如有没有算错），要加*PRINTGEO才会生成；
• .out文件：流体模拟的文本文件，没有地质力学结果（别在这儿找应力、应变）；
• SR23文件：二进制结果文件，存*OUTSRF输出的所有参数，必须用 Results 打开。

七、新手必记的 5 个 “避坑指南”

1. 3D 模拟别贪多网格：*GEOM3D开启后，存储占用会很大（应力应变方程要在网格块边角求解，每个块的方程数量是流体的 3-5 倍），新手先从少网格（比如 I=20、J=10、K=5）练手；
2. 报错先查必选关键字：如果提示 “Missing mandatory keyword”（缺必选关键字），先检查*GEOMECH、*ELASTMOD、*STRESS/*STRESS3D这几个有没有漏，有没有输错；
3. 网格无限扩张？加边界约束：如果模拟中网格往外面无限扩张，肯定是外边界没锁 —— 用*PRESCBC（2D）或*PRESCBC3D（3D）把外边界的位移固定（比如*PRESCBC 50 50 1 10 X 0，锁死 I=50 的 X 方向位移）；
4. 径向网格套管别搞反：2D 默认套管井，3D 默认裸眼井，算之前一定要确认关键字*PRESCBC/*PRESCBC3D的设置，别把 “裸眼井” 按 “套管井” 算，结果会完全错；
5. 多岩性别漏关键字：想算多种岩性，必须同时加*GEOROCK和*GEOTYPE，少一个都默认单岩性，而且每种岩性的参数要单独填，别填混。

八、新手实操流程（按这个步骤，准没错）

1. 新建项目：CMG Launcher 里选 “New Project”，勾上 “Geomechanics” 模块；
2. 建网格：用 Builder 画简单的 2D 径向网格（练手），或导入流体网格（注意*VARI网格要转换）；
3. 加必选关键字：先加*GEOMECH，再填*ELASTMOD、*POISSRATIO、*STRESS；
4. 选模型：练手选 “塑性模式 + Mohr-Coulomb 准则”，加*MOHRCOUL、*COHESION、*FRICANGLE；
5. 设边界：加*PRESCBC锁死外边界，按需求设套管 / 裸眼；
6. 跑模拟：选 “Run”，看 Job Status 变成 “Completed”（没报错）；
7. 看结果：用 Results 看应力、位移、孔隙度，判断是否合理。

按这个流程练 1-2 个简单模型，再慢慢加复杂功能（比如 3D、双向耦合、多岩性），很快就能上手！如果某一步报错，先查.geo文件的日志，大部分问题都是关键字漏填或网格不兼容～