双重介质碳酸盐岩孔隙-裂缝双重网络模型构建方法与流程

本发明涉及油气开发技术领域，具体涉及双重介质碳酸盐岩孔隙-裂缝双重网络模型构建方法。

背景技术：

随着我国勘探开发的力度不断增强，目前所遇到的油气藏类型越来越复杂，特别是孔隙-裂缝型碳酸盐岩气藏的探明储量不断增加。孔隙-裂缝型碳酸盐岩气藏不同于常规砂岩气藏，其内部由于有大量天然裂缝的存在，形成了裂缝与孔隙双重介质系统，从而使得其渗流特征和流体交换关系更加复杂，制定开发方案的难度更大。

对于裂缝和孔隙同时发育的碳酸盐岩的渗流特征的研究，通常做法是构建裂缝和具有一般孔隙介质的岩块系统，利用有限元法耦合流体在孔隙和裂缝不同介质中的流动特征进行求解计算。由于这类方法的运算过程较为复杂且对于非均质性强的岩心样品需要构建足够大的模型，大大增加了研究周期，使得该方法不能被大规模推广使用。

孔隙网络模型自20世纪50年代引入岩心分析领域以来，已逐渐成为对岩心微观孔隙结构表征以及微观渗流特征预测的重要工具。以往的孔隙网络模型构建方法主要用于多孔介质，而由于裂缝空间的连续性及三维拓展的宽泛性，常规的建模方法会丢失部分信息从而不能精准捕捉裂缝的真实三维拓扑结构。另外对于同时发育有孔隙和裂缝的双重介质碳酸盐岩而言，孔隙和裂缝间存在流体交换，用一套网络模型同时对两者进行表征显然存在一定误差，对后期的研究分析造成影响。

综上所属，在双重介质碳酸盐岩网络模型构建时，需要同时解决两个问题：一是实现裂缝网络模型的准确构建问题；二是需要在对孔隙裂缝两种介质分别构建网络模型后，融合成一套孔隙-裂缝双重网络模型。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明提供了双重介质碳酸盐岩孔隙-裂缝双重网络模型构建方法，其应用时，可以在构建双重介质碳酸盐岩网络模型时，准确构建孔隙网络模型和裂缝网络模型，同时将孔隙网络模型和裂缝网络模型融合成孔隙-裂缝双重网络模型。

本发明所采用的技术方案为：

双重介质碳酸盐岩孔隙-裂缝双重网络模型构建方法，包括以下步骤：

步骤一：采集双重介质碳酸盐岩样品，对双重介质碳酸盐岩样品进行扫描，获取无损的三维图像；

步骤二：对三维图像进行图像分割处理，从三维图像中提取出包含孔隙空间和裂缝空间的待识别空间；

步骤三：对待识别空间进行形态分析，并根据形态分析结果完成孔隙空间和裂缝空间的分离；

步骤四：采用球体填充方法分别对分离出的孔隙空间和裂缝空间进行网络模型构建，获得孔隙网络模型和裂缝网络模型；

步骤五：在孔隙网络模型和裂缝网络模型之间添加连通喉道，完成孔隙-裂缝双重网络模型构建。

作为上述技术方案的优选，在步骤一中，采用ct扫描仪对双重介质碳酸盐岩样品进行ct扫描，获取无损的三维图像。

作为上述技术方案的优选，获取双重介质碳酸盐岩样品三维图像的具体过程包括：首先，利用ct扫描仪对双重介质碳酸盐岩样品进行扫描，获得投影数据；然后，利用图像重建方法将投影数据重建成岩心灰度图像；最后，对灰度图像进行预处理，获得双重介质碳酸盐岩样品的三维图像。

作为上述技术方案的优选，在步骤三中，对孔隙空间和裂缝空间进行形态分析的过程包括：

s31、测量获得孔隙空间和裂缝空间的三维长度和三维最小宽度数据；

s32、计算得到三维长度与三维最小宽度的比值；

s33、设定阈值，将计算得到的比值与阈值进行比较，根据比较结果判定裂缝空间或孔隙空间。

作为上述技术方案的优选，在步骤四中，所述球体填充方法为：采用中心线提取方法描绘三维空间展布及拓扑结构，然后以中心线体素为球心，以空间边界点为切点建立内切球，最后建立棍体将各连续内切球对心连接，以相互连接的内切球表征空间的开度，以连接的棍体表征空间的连通性及渗流通道信息。

作为上述技术方案的优选，对裂缝空间进行网络模型构建的具体步骤为：

s41、中心线提取：提取出连续的体素链，所述体素链为裂缝空间的裂缝中心线；

s42、以中心线上的每一个体素为基本点，采用扩张算法确定可扩张空间，找到距离每个体素最近的双重介质碳酸盐岩骨架体素范围后，再采用收缩算法识别该基本点所对应的内切球，最后计算得到内切球半径的上限和下限值；

s43、在一系列以中心线体素为球心的内切球被提取出来后，对提取的内切球进行优化，获得剩余内切球体集合；

s43、将剩余内切球体集合通过棍体进行顺序对心连接，构成裂缝空间进行网络模型。

作为上述技术方案的优选，在步骤s43中，对提取的内切球进行优化的过程包括：首先根据每个体素对应内切球半径的平方大小，以链表的形式将各体素表示出来；然后从链表中搜索存在包含关系的体素所对应内切球，将存在包含关系的被包含内切球删除，最后留下没被包含的剩余内切球体集合。

作为上述技术方案的优选，在步骤五中，构建孔隙-裂缝双重网络模型的具体步骤包括：

s51、对孔隙空间和裂缝空间的接触面进行标记，找到接触面对应的孔隙网络模型和裂缝网络模型中各自的最大内切球，并对最大内切球进行编号；

s52、根据接触面数量、面积以及对应的最大内切球的编号，获得孔隙网络模型和裂缝网络模型之间连通的喉道半径及配位数分布关系；

s53、根据喉道半径及配位数分布关系，将接触面对应的孔隙网络模型和裂缝网络模型中各自的最大内切球通过喉道连接，构成孔隙-裂缝双重网络模型。

本发明的有益效果为：

1、本发明可以在构建双重介质碳酸盐岩网络模型时，准确构建孔隙网络模型和裂缝网络模型，同时将孔隙网络模型和裂缝网络模型融合成一套孔隙-裂缝双重网络模型。

2、本发明利用中心线提取结合最大内切球的方法，建立精细表征岩石内部真实裂缝空间拓扑结构的裂缝网络模型，该模型可直接用于裂缝空间的参数表征及渗流特征模拟。

3、本发明构建的孔隙-裂缝双重网络模型可以认为是拟静态模型，该模型中的流体流动受毛管压力大小控制，可以忽略流体物性变化时在裂缝中流动带来的奇异点问题。利用侵入-逾渗理论，可实现双重介质碳酸盐岩中渗流模拟以及油田开发时多相流体同时流动时每相流体的相对渗透率预测。

4、本发明构建的孔隙-裂缝双重网络模型可以认为是拟静态模型，计算速度较以往利用有限元法耦合流体在孔隙和裂缝不同介质中的流动特征进行求解计算的方法大幅度提高，可以直接应用于油气田开发生产，为油气田开发方案设计提供机理认识和数据支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的步骤流程示意图；

图2为双重介质碳酸盐岩的微米ct扫描图像；

图3为双重介质碳酸盐岩的孔隙网络模型、裂缝网络模型和构成的孔隙-裂缝双重网络模型图；

图4为从ct图像中提取孔隙空间和裂缝空间的示意图；

图5为实施例2中三维长度搜索角度的示意图；

图6为分离出的孔隙空间和裂缝空间示意图；

图7为实施例3中的中心线抽提示意图；

图8为实施例3中表征裂缝空间的最大内切球和渗流通道划分示意图；

图9为实施例3中裂缝网络模型表征方法示意图；

图10为实施例4中孔隙与裂缝接触面标记示意图；

图11为实施例4中孔隙与裂缝间连通喉道前的示意图；

图12为实施例4中孔隙与裂缝间连通喉道后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，术语第一、第二等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。尽管本文可以使用术语第一、第二等等来描述各种单元，这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。

应当理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a，单独存在a和b两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

应当理解，在本发明的描述中，术语“上”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系，是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

应当理解，当将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，当将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，不存在中间单元。应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实施例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例1：

本实施例提供了双重介质碳酸盐岩孔隙-裂缝双重网络模型构建方法，如图1所示：

包括以下步骤：

步骤一：利用微米ct对双重介质碳酸盐岩样品进行ct扫描，获取无损的真实样品三维图像。

步骤二：利用图像分割技术对步骤一中获取的三维图像进行孔隙和裂缝空间的提取。由于此时的孔隙和裂缝做为同一相被提取出来，需要进一步对两者进行分离，实现分别构建网络模型的目的。

步骤三：对步骤二中提取出的孔隙和裂缝空间进行形态分析，计算每个孔隙/裂缝的三维长度和三维最小宽度信息，通过两者比值将孔隙和裂缝进行划分。

步骤四：对步骤三中分离出的裂缝空间首先利用中心线抽提方法，真实描绘出裂缝的三维空间展布及拓扑结构，然后以每个中心线体素为球心，不断膨胀搜索的方法，探明裂缝边界，以相互连接的球体表征裂缝的真实开度，以连接球体之间的棍形构建，表征裂缝的连通性及渗流通道信息；同时利用该球体填充的方法对步骤三中分离出的孔隙空间进行网络模型构建，获得孔隙网络模型。

步骤五：依据步骤四和步骤五分别获得孔隙网络模型和裂缝网络模型后，通过在表征孔隙和裂缝的最大球之间添加连通喉道，实现孔隙-裂缝双重网络模型构建。

如图2所示，为原始的双重介质碳酸盐岩微米ct扫描图像，如图3所示，为利用本方法终获得的孔隙网络模型、裂缝网络模型和最终的孔隙-裂缝双重网络模型。

利用微米ct扫描获得的灰度图像建立数字岩心主要包括以下三步：1、利用ct设备对处理后的岩样进行扫描，获得其投影数据；2、对获取的投影数据，利用图像重建方法，将投影数据重建成岩心灰度图像，如图4中a部分所示；3、对灰度图像进行预处理后，利用图像分割方法将灰度图像中的孔隙和裂缝空间与岩石骨架进行分离，如图4中b部分所示。

实施例2：

作为对上述实施例的优化，区分孔隙空间和裂缝空间可通过计算孔隙和裂缝的三维长度和三维最小宽度比值，选取合适的阈值，进行有效的分离。三维长度测量是将每个孔隙/裂缝置于如图5所示坐标系中，分别沿θ和φ方向以18度为一个步长，从0度搜索至162度，记录每一步首尾端点的距离，其中最大的距离即为三维长度。在三维长度方向做的两个平行且与孔隙/裂缝边缘接触的平面，以三维长度方向为轴旋转，两平面间的最小距离即为三维最小宽度。由于裂缝为扁平形态，其三维长度和最小宽度的比值远大于孔隙，从而可以通过比值的大小对裂缝和孔隙加以区分。如图6所示为利用三维长度和最小宽度比值对图4中孔隙和裂缝加以区分的结果。

实施例3：

作为对上述实施例的优化，对步骤三中分离出的裂缝空间进行网络模型构建时，依次采用下述操作，获得裂缝网络模型：

1、中心线的抽提：首先对裂缝数字岩心模型的每一个体素给定一个值，该值为该体素到最近岩石骨架的距离；然后根据距离图对裂缝的数字岩心模型进行不断细化，直到剩下一条连续的体素链，如图7所示，该体素链即为提取出的裂缝中心线。

2、以中心线上的每一个中心线体素为基本点，首先采用扩张算法确定可能的搜索空间。在找到距离每个体素最近的骨架体素范围后，再采用收缩算法，识别该中心体素所对应的内切球；最后计算得到该内切球半径的上限和下限值。

3、在一系列以中心线体素为球心的内切球被提取出来后，由于一部分球是其他球的子集，需要对提取的内切球进行优化。优化的方法根据每个体素对应的内切球半径的平方大小，以链表的形式将这些体素表示出来。当循环计算至r2＝0时，停止运算。对一个球心在p0＝(x0,y0,z0)，半径为r0的内切球，在生成的链表中搜索符合dist2(p,p0)<r02条件的体素p所对应的内切球，判断是否和指定的球存在包含关系。将找到的存在包含关系的内切球从链表中删除，最后在链表中留下的就是没有被其他球所包含的最大内切球体集合。

4、进一步的，最大内切球集合被转换成相互连接的簇，如图8所示，而每一个簇中的主球则定义了该簇所在区域裂缝空间的大小，不同簇之间相连的节点定义了裂缝空间的渗流通道的大小，当找到一个渗流通道之后，即可以得到该通道分别通往两个主球的链路，而链路则是由渗流通道与通往的主球之间所有内切球所组成。如图9所示，这些链路实际上也构成了整个裂缝网络模型的骨架。

实施例4：

作为对上述实施例的优化，在分别构建了裂缝网络模型和孔隙网络模型后，依次采用下述操作流程，在表征孔隙和裂缝的最大内切球之间添加连通喉道，从而实现孔隙-裂缝双重网络模型构建：

1、获得孔隙空间与裂缝空间后，如图10所示，对两者相互接触的接触面进行标记，并找到该接触面对应的孔隙网络模型和裂缝网络模型中的最大内切球编号。

2、根据每个接触面的数量n、面积s以及对应的最大内切球的编号i，建立孔隙与裂缝之间连通的喉道半径及配位数分布关系。

3、如图11至图12所示，根据喉道半径及配位数分布关系，对接触面对应的孔隙和裂缝的最大球，选取合适半径和数量的喉道将两者连接，从而构建出孔隙-裂缝双重网络模型。

本方法通过中心线抽提加最大内切球的方法，准确刻画了裂缝的三维空间拓扑结构，精细表征了裂缝的空间展布，开度大小及连通性等信息，解决了在双重介质碳酸盐岩网络模型构建时所遇到的裂缝网络模型的准确构建问题；另外，本方法基于孔隙与裂缝的真实连通面和连通关系，搭建了孔隙与裂缝之间的连通喉道，解决在对孔隙裂缝两种介质分别构建网络模型后，融合成一套孔隙-裂缝双重网络模型的问题。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。