一種裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心的構(gòu)建方法
【專利摘要】一種裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心的構(gòu)建方法，先利用X射線CT構(gòu)建只含基質(zhì)孔隙的碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心；再確定裂縫形成機制；再構(gòu)建粗糙裂縫表面，采用分數(shù)布朗運動模型生成具有自仿射分形特征的裂縫；然后根據(jù)裂縫形成受力機制確定裂縫類型，合成一定寬度的裂縫，通過旋轉(zhuǎn)變換也可得到不同傾角的裂縫；最后將構(gòu)建的裂縫與利用X射線CT方法構(gòu)建的具有基質(zhì)孔隙的數(shù)字巖心同分辨率相疊加即可得到“基質(zhì)孔隙+裂縫孔隙”的裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心，本發(fā)明為裂縫性碳酸鹽巖儲層的巖石物理屬性模擬研究提供了媒介，在研究裂縫性碳酸鹽巖巖石物理性質(zhì)方面具有較高的應(yīng)用價值。
【專利說明】
一種裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及數(shù)字巖心和計算巖石物理領(lǐng)域，特別涉及利用X射線CT掃描技術(shù)和分數(shù)布朗運動模型相結(jié)合構(gòu)建裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在世界油氣田分布中碳酸鹽巖儲集層占有十分重要的地位，碳酸鹽巖儲集層構(gòu)成的油氣田常常產(chǎn)量大、產(chǎn)量高，容易形成大型油氣田，世界許多大型油氣田都發(fā)育在碳酸鹽巖儲層中，根據(jù)前人的統(tǒng)計，在碳酸鹽巖儲層中發(fā)現(xiàn)的油氣儲量己接近全球總儲量的一半，油氣產(chǎn)量則占全球總產(chǎn)量的60%以上。與常規(guī)的碎肩巖儲層進行比較，碳酸鹽巖儲層最主要的特點之一就是裂縫較發(fā)育，裂縫是碳酸鹽巖儲集層中的重要滲流通道和儲集空間。弄清裂縫性碳酸鹽的巖石物理性質(zhì)對裂縫性碳酸鹽巖儲層描述以及勘探開發(fā)具有重要意義。巖石物理實驗作為研究巖石物理特性的一種主要手段顯得尤為重要。然而利用常規(guī)巖石物理實驗研究復(fù)雜儲層巖心物理特性存在兩個問題:一是在裂縫發(fā)育段，獲取巖心比較困難，取心率比較低，成本較高；二是利用裂縫性巖心開展巖石物理實驗困難，在巖心處理過程中，很容易對巖心造成傷害，產(chǎn)生新的次生孔隙空間。數(shù)字巖心技術(shù)是通過物理實驗方法或數(shù)值模擬算法構(gòu)建能反映儲層特征的三維數(shù)字巖心模型，并分析孔隙結(jié)構(gòu)、計算物性、電學性質(zhì)和傳輸性質(zhì)，以達到模擬孔隙尺度上的油氣水流動、揭示微觀導(dǎo)電機理、滲流機理等目標技術(shù)。目前，國內(nèi)通常采用平行板模型、便士模型、裂縫網(wǎng)絡(luò)模型等方法來研究裂縫性儲層的巖石物理特征。這些模型在一定程度上揭示了流體在巖石孔隙空間中的傳導(dǎo)規(guī)律，但是這些模型將裂縫過于簡化，將裂縫視為表面光滑的平板、圓盤及其相互交叉形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)，而沒有考慮裂縫表面本身的粗糙情況。巖石物理實驗及數(shù)值模擬實驗表明將裂縫視為表面光滑的平板不能完全刻畫流體在裂縫性巖心中的傳導(dǎo)及分布規(guī)律。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服裂縫性碳酸鹽巖取心困難、開展巖石物理實驗困難及現(xiàn)有裂縫模型的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心的構(gòu)建方法，結(jié)合裂縫性碳酸鹽巖儲層的雙孔隙特征構(gòu)建包含基質(zhì)孔隙和裂縫孔隙的碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心，從而為裂縫性碳酸鹽巖儲層巖石物理屬性模擬提供媒介。
[0004]為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0005]—種裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心的構(gòu)建方法，包括以下步驟:
[0006]步驟一、構(gòu)建只含基質(zhì)孔隙的碳酸鹽巖數(shù)字巖心:對目標碳酸鹽巖儲層段進行取心，并對巖心進行X射線CT掃描，然后對CT掃描圖像進行中值濾波、圖像分割后得到只含基質(zhì)孔隙的碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心；
[0007]步驟二、確定裂縫形成機制:按照裂縫形成時所受力的性質(zhì)和裂縫形成時兩側(cè)巖塊相對微小位移的趨勢，將裂縫分為張力裂縫和剪切裂縫;張力裂縫是由張應(yīng)力作用而產(chǎn)生的裂縫，其方位垂直于主張應(yīng)力，或平行于主壓應(yīng)力，兩側(cè)巖塊在垂直于裂縫面的方向上有微量相背離的位移;剪切裂縫是由于剪應(yīng)力作用而形成的裂縫，其兩側(cè)巖塊沿裂縫面有微小剪切位移，或有剪切位移的趨勢，剪切裂縫是由共扼剪切面發(fā)展而形成的；
[0008]步驟三、構(gòu)建粗糙裂縫表面:無論是天然裂縫還是人造裂縫，其裂縫表面具有高度的空間相關(guān)性，并且具有自仿射分形特征，自仿射分形特征可以通過分數(shù)布朗運動模型來描述，在笛卡爾坐標系中裂縫下表面用函數(shù)z(x，y)表示，裂縫表面的自仿射特性表明對裂縫進行尺度變換時在空間上具有尺度無關(guān)性，即當χ—λχχ，y^Ayy，z—Ahz時，假設(shè)在x，y方向上的變換因子相同Xx=Ay = λ，z方向變換因子滿足λζ = λΗ，貝Ij滿足如下關(guān)系:
[0009]z(x,y) =λ_Ηζ(λχ,λγ)
[0010]其中λ是尺度變換因子;H是裂縫粗糙度指數(shù)，也叫Hurst指數(shù)；
[0011]步驟四、裂縫合成:按照裂縫形成時所受力的性質(zhì)和裂縫形成時兩側(cè)巖塊相對微小位移的趨勢合成裂縫，包括兩種模式:張力裂縫和剪切裂縫;在笛卡爾坐標系中，張力裂縫上表面可以表示為:zu(X，y)=z(X，y)+d，d是垂直于裂縫平面方向上的位移;剪切裂縫上表面可以表示為:211(^7)=2(計1，7)+(1，1是剪切力造成的兩側(cè)巖塊沿裂縫表面的微小位移，將上下表面在笛卡爾坐標系中疊合構(gòu)成一定寬度且表面粗糙的裂縫，通過旋轉(zhuǎn)變換也可以得到不同傾角的裂縫；
[0012]步驟五、構(gòu)建裂縫性碳酸鹽巖數(shù)字巖心:將步驟四中構(gòu)建的自仿射分形裂縫與步驟一中利用X射線CT方法構(gòu)建的具有基質(zhì)孔隙的碳酸鹽巖數(shù)字巖心同分辨率相疊加即可得到“基質(zhì)孔隙+裂縫孔隙”的裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心。
[0013]利用本發(fā)明可以建立裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心，構(gòu)建的巖心裂縫具有天然裂縫的自仿射分形特征，能夠克服裂縫性碳酸鹽巖儲層難以獲取代表性巖心的困難及現(xiàn)有裂縫模型的缺點，同時也為裂縫性碳酸鹽巖儲層的巖石物理屬性模擬研究提供了媒介，在研究裂縫性碳酸鹽巖巖石物理性質(zhì)方面具有較高的應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明構(gòu)建裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心流程圖。
[0015]圖2為本發(fā)明中構(gòu)建的只含基質(zhì)孔隙的碳酸鹽巖數(shù)字巖心。
[0016]圖3(a)為張力裂縫形成受力機制示意圖。
[0017]圖3(b)為剪切裂縫形成受力機制示意圖。
[0018]圖4為本發(fā)明中構(gòu)建的具有自仿射分形特征的粗糙裂縫表面。
[0019]圖5為本發(fā)明中構(gòu)建的張力裂縫。
[0020]圖6為本發(fā)明中構(gòu)建的裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做詳細敘述。
[0022]參照圖1，一種裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心的構(gòu)建方法，包括以下步驟:
[0023]步驟一、構(gòu)建只含基質(zhì)孔隙的碳酸鹽巖數(shù)字巖心:對目標碳酸鹽巖儲層段進行取心，并對巖心進行X射線CT掃描，然后對CT掃描圖像進行中值濾波、圖像分割后得到只含基質(zhì)孔隙的碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心，如圖2所示，圖中灰色部分為碳酸鹽巖骨架，孔隙設(shè)為透明；
[0024]步驟二、確定裂縫形成機制:圖3表示裂縫形成受力機制示意圖，箭頭表示受力方向；圖3(a)是張力裂縫形成受力機制，它是由張應(yīng)力作用而產(chǎn)生的裂縫其方位垂直于主張應(yīng)力，或平行于主壓應(yīng)力，兩側(cè)巖塊在垂直于裂縫面的方向上有微量相背離的位移；圖3(b)是剪切裂縫形成受力機制，剪切裂縫是由于剪應(yīng)力作用而形成的裂縫其兩側(cè)巖塊沿裂縫面有微小剪切位移，或有剪切位移的趨勢，剪切裂縫是由共扼剪切面發(fā)展而形成的；
[0025]步驟三、構(gòu)建粗糙裂縫表面:無論是天然裂縫還是人造裂縫，其裂縫表面具有高度的空間相關(guān)性，并且具有自仿射分形特征，自仿射分形特征可以通過分數(shù)布朗運動模型來描述，在笛卡爾坐標系中裂縫下表面用函數(shù)z(x，y)表示，裂縫表面的自仿射特性表明對裂縫進行尺度變換時在空間上具有尺度無關(guān)性，即當χ—λχχ，y^Ayy，z—Ahz時，假設(shè)在x，y方向上的變換因子相同Xx=Ay = λ，z方向變換因子滿足λζ = λΗ，貝Ij滿足如下關(guān)系:
[0026]z(x，y) =λ-Ηζ(λχ，λγ)
[0027]其中λ是尺度變換因子;H是裂縫粗糙度指數(shù)，也叫Hurst指數(shù)，大量研究表明人造裂縫和自然裂縫粗糙度指數(shù)都約為0.8，而與儲層巖性或者裂縫模式無關(guān)，
[0028]自仿射分形最常用的模型是分數(shù)布朗運動(fract1nalBrownian mot1n，簡寫為fBm)模型，分數(shù)布朗運動GH(r)是一種無相關(guān)性的隨機行走，滿足以下特征:
[0029]E[ (GH(X+h)-GH(X) )2] = I h 12V, (0<H<1)
[0030]其中E□表示數(shù)學期望;H為Hurst指數(shù);h為偏移距離，滿足高斯分布;σ為標準差，圖4為采用本發(fā)明構(gòu)建的具有自仿射分形特征的粗糙裂縫表面；
[0031]步驟四、裂縫合成:按照裂縫形成時所受力的性質(zhì)和裂縫形成時兩側(cè)巖塊相對微小位移的趨勢合成張力裂縫或剪切裂縫，包括兩種模式:張力裂縫和剪切裂縫，在笛卡爾坐標系中，張力裂縫上表面可以表示為:zu(X，y)=z(X，y)+d，d是垂直于裂縫平面方向上的位移;剪切裂縫上表面可以表示為:?(1，7)=2(計1，7)+(1，1是剪切力造成的兩側(cè)巖塊沿裂縫表面的微小位移，將上下表面在笛卡爾坐標系中疊合構(gòu)成一定寬度且表面粗糙的裂縫，圖5為構(gòu)建的裂縫寬度為20微米的張力裂縫；
[0032]步驟五、構(gòu)建裂縫性碳酸鹽巖數(shù)字巖心:將步驟四中構(gòu)建的自仿射分形裂縫與步驟一種利用X射線CT方法構(gòu)建的具有基質(zhì)孔隙的碳酸鹽巖數(shù)字巖心同分辨率相疊加即可得到“基質(zhì)孔隙+裂縫孔隙”的裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心，由于數(shù)字巖心的數(shù)據(jù)體是通過孔隙空間和骨架空間來表征的，設(shè)Ae (孔隙空間)，B e (骨架空間)，則構(gòu)建裂縫性碳酸鹽巖數(shù)字巖心的疊加規(guī)則如下:
[0033]A+A=A
[0034]A+B=A
[0035]B+A=A
[0036]B+B = B
[0037]圖6按照本發(fā)明構(gòu)建的張力形成的裂縫性碳酸鹽巖數(shù)字巖心，構(gòu)建的剪切力形成的裂縫性碳酸鹽巖數(shù)字巖心，構(gòu)建的巖心裂縫具有天然裂縫的自仿射分形特征，能夠克服裂縫性碳酸鹽巖儲層難以獲取代表性巖心的困難及現(xiàn)有裂縫模型的缺點，同時也為裂縫性碳酸鹽巖儲層的巖石物理屬性模擬研究提供了媒介，在研究裂縫性碳酸鹽巖巖石物理性質(zhì)方面具有較高的應(yīng)用價值。
[0038]上面所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的構(gòu)思和范圍進行限定。在不脫離本發(fā)明設(shè)計構(gòu)思的前提下，本領(lǐng)域普通人員對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變型和改進，均應(yīng)落入到本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明請求保護的技術(shù)內(nèi)容，已經(jīng)全部記載在權(quán)利要求書中。
【主權(quán)項】
1.一種裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心的構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟一、構(gòu)建只含基質(zhì)孔隙的碳酸鹽巖數(shù)字巖心:對目標碳酸鹽巖儲層段進行取心，并對巖心進行X射線CT掃描，然后對CT掃描圖像進行中值濾波、圖像分割后得到只含基質(zhì)孔隙的碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心； 步驟二、確定裂縫形成機制:按照裂縫形成時所受力的性質(zhì)和裂縫形成時兩側(cè)巖塊相對微小位移的趨勢，將裂縫分為張力裂縫和剪切裂縫;張力裂縫是由張應(yīng)力作用而產(chǎn)生的裂縫其方位垂直于主張應(yīng)力，或平行于主壓應(yīng)力，兩側(cè)巖塊在垂直于裂縫面的方向上有微量相背離的位移;剪切裂縫是由于剪應(yīng)力作用而形成的裂縫其兩側(cè)巖塊沿裂縫面有微小剪切位移，或有剪切位移的趨勢，剪切裂縫是由共扼剪切面發(fā)展而形成的； 步驟三、構(gòu)建粗糙裂縫表面:無論是天然裂縫還是人造裂縫，其裂縫表面具有高度的空間相關(guān)性，并且具有自仿射分形特征，自仿射分形特征可以通過分數(shù)布朗運動模型來描述，在笛卡爾坐標系中裂縫下表面用函數(shù)z(x，y)表示，裂縫表面的自仿射特性表明對裂縫進行尺度變換時在空間上具有尺度無關(guān)性，即當χ—λχχ，y^Ayy，Z^AhZ時，假設(shè)在x，y方向上的變換因子相同Xx=Ay = λ，z方向變換因子滿足λζ = λΗ，貝Ij滿足如下關(guān)系: ζ(χ,γ)=λΑ(λχ,λγ) 其中λ是尺度變換因子;H是裂縫粗糙度指數(shù)，也叫Hurst指數(shù)； 步驟四、裂縫合成:按照裂縫形成時所受力的性質(zhì)和裂縫形成時兩側(cè)巖塊相對微小位移的趨勢合成裂縫，包括兩種模式:張力裂縫和剪切裂縫;在笛卡爾坐標系中，張力裂縫上表面可以表示為:zu(X，y)=z(X，y)+d，d是垂直于裂縫平面方向上的位移;剪切裂縫上表面可以表示為:?(1，7)=2(計1，7)+(1，1是剪切力造成的兩側(cè)巖塊沿裂縫表面的微小位移，將上下表面在笛卡爾坐標系中疊合構(gòu)成一定寬度且表面粗糙的裂縫，通過旋轉(zhuǎn)變換也可以得到不同傾角的裂縫； 步驟五、構(gòu)建裂縫性碳酸鹽巖數(shù)字巖心:將步驟四中構(gòu)建的自仿射分形裂縫與步驟一中利用X射線CT方法構(gòu)建的具有基質(zhì)孔隙的碳酸鹽巖數(shù)字巖心同分辨率相疊加即可得到“基質(zhì)孔隙+裂縫孔隙”的裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心的構(gòu)建方法，其特征在于， 步驟五構(gòu)建裂縫性碳酸鹽巖數(shù)字巖心的疊加規(guī)則如下:數(shù)字巖心的數(shù)據(jù)體是通過孔隙空間和骨架空間來表征的，設(shè)A e (孔隙空間)，B e (骨架空間): A+A=A A+B=A B+A=A B+B = Bo
【文檔編號】G01N23/04GK105928957SQ201610250592
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】趙建鵬, 趙珺, 郭睿
【申請人】西安石油大學