裂缝性碳酸盐岩基质与裂缝耦合作用表征方法与流程

本发明涉及油田开发技术领域，特别是涉及到一种裂缝性碳酸盐岩基质与裂缝耦合作用表征方法。

背景技术：

随着我国勘探开发程度的不断加深，近年来新探明的油藏类型越来越复杂，特别是裂缝性油藏的探明储量不断增加。裂缝性碳酸盐岩油藏由于天然裂缝的存在，构成了双重介质储层，在勘探开发中裂缝性碳酸盐岩储层渗透性参数对整个油藏的评价及解释具有重要的意义。

裂缝性碳酸盐岩储层的孔隙空间由原生粒间孔隙和次生裂缝构成，裂缝性碳酸盐岩储层渗透率定义与单孔隙介质渗透率定义一致，但可以进一步细化为基质渗透率和裂缝渗透率。基质渗透率与单孔隙介质渗透率相同，裂缝渗透率受多种因素影响，主要包括裂缝孔隙度、裂缝张开度、裂缝密度、裂缝倾角和裂缝长度等。由于实际裂缝储集层中裂缝的分布极为复杂，要建立双重介质的渗透率模型，国内外常将裂缝系统进行简化，建立简化模型。裂缝储集层的简化模型主要有平行板模型，Kazemi模型和Warren-Root模型。

平行板模型将实际模型简化为由水平基质层和裂缝相互交替组成，但不考虑基质渗透率；Kazemi模型将实际模型简化为由水平基质层和裂缝相互交替组成，其总渗透率为基质渗透率和裂缝渗透率之和；Warren-Root模型将双重孔隙介质油藏简化为正交裂缝切割基质岩块呈六面体的地质模型，裂缝方向与主渗透率方向一致，并假设裂缝宽度为一个常数，其总渗透率没有考虑基质渗透率。

简化情况下推导得到的渗透率模型不能反映真实情况下的渗透率，只是一种理论性模型，有的学者提出了更一般化的渗透率模型。Parsons(1966)提出了考虑了裂缝的数量和裂缝与流体渗流方向间夹角的双重介质渗透率模型；美国学者Snow(1969)导出了具有可变方向的N条裂缝组成岩石的渗透率张量形式的模型；Oda(1985)引入裂缝张量的概念，导出了球形域的渗透率张量公式；Doolin和Mauldon(1996)建立了含有正交裂缝网络二维岩层的渗透率模型。

但无论是渗透率简化模型还是一般化模型，国内外都把研究裂缝性碳酸盐岩储层渗透率模型的重点放到不同裂缝参数下的裂缝渗透率公式的推导，并没有考虑裂缝与岩石基质之间的耦合作用。而通过实验发现，当裂缝开度为10um时，如果不考虑裂缝与岩石基质之间的耦合作用，计算得到的渗透率结果相对于实际渗透率误差高达25.1％。将这些理论模型应用到测井解释中，由于没有考虑裂缝与基质之间耦合作用，会导致储层评价准确度降低。为了得到更符合实际的裂缝性碳酸盐岩储层渗透率模型，提高渗透率测井解释的精度，必须要考虑耦合作用。为此我们发明了一种新的裂缝性碳酸盐岩基质与裂缝耦合作用表征方法，解决了以上技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种通过研究不同基质孔隙结构参数，不同裂缝-孔隙组合下耦合作用的变化，构建裂缝性碳酸盐岩储层基质与裂缝耦合作用表征方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：裂缝性碳酸盐岩基质与裂缝耦合作用表征方法，该裂缝性碳酸盐岩基质与裂缝耦合作用表征方法包括：步骤1，构建不同裂缝开度的平板裂缝模型；步骤2，将不同裂缝开度的平板裂缝模型施加到CT扫描碳酸盐岩基质数字岩心中构建裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心；步骤3，利用格子玻尔兹曼方法模拟三维数字岩心渗流场分布，并计算三维数字岩心模型的渗透率；步骤4，引入渗透率耦合系数，分析渗透率结果并确定渗透率耦合系数表达式。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

在步骤1中，构建完全为骨架的三维数据体，该三维数据体的体素个数及分辨率与建立的岩心基质三位数字岩心的参数一致；采用控制变量方法，只改变裂缝开度，固定其它裂缝参数，基于数字岩心叠加方法，构建不同裂缝开度的光滑平板裂缝模型。

在步骤2中，基于数字岩心叠加方法，分别将构建的不同裂缝开度平板裂缝模型施加到CT扫描的不同孔隙结构的碳酸盐岩基质三维数字岩心中，构建裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心。

在步骤3中，采用格子玻尔兹曼方法中的D₃Q₁₉模型模拟岩石的渗流特性，D₃Q₁₉模型粒子分布函数的演化方程：

等式中i的范围是[0,18]，表示19个不同的方向，左边为传播步，右边为碰撞步，f_i(x,t)是t时刻在x位置第i个方向上流体粒子的传播函数，f_i(x+e_iΔt,t+Δt)是t+Δt时刻在x位置第i个方向上流体粒子的传播函数；在D₃Q₁₉模型中，τ是弛豫时间常量，f_i^eq(x,t)是t时刻相同位置处流体粒子的平衡态分布函数，表达式为：

式中，ρ是流体密度，c＝Δx/Δt.ω_i是权重因子，ω₀＝1/3,ω_i＝1,2…6＝1/18,ω_i＝7,8…18＝1/36,e_i是速度失量，i表示每个不同的方向，u是根据动量守恒定律和质量守恒得到的流体线性宏观速度，单位是lu/ts，u可以写成：

给系统施加一定的宏观压力梯度▽P使其开始演化，碰撞步和传播步重复执行直到粒子分布函数达到稳定态，局部流量可以通过下式计算得到：

由达西定律得：

式中，<q>表示沿着x方向通过岩心的流量，单位是cm³/s；dP/dx表示x方向压力梯度，单位是MPa/cm；A表示垂直于x方向岩心的横截面积，单位是cm²；η表示流体的动力粘度系数，单位是MPa；K表示在x方向岩心渗透率，单位是um²；通过计算每个格点处的宏观流速，得到三维空间渗流场分布，通过求解达西定律各个参数，进而得到某个三维数字岩心的渗透率。

在步骤3中，利用格子玻尔兹曼方法，对构建的三维数字岩心进行渗流特性模拟，分别对构建的三维数字岩心施加相同的宏观压力梯度开始进行渗流模拟，直到粒子分布函数达到稳定态，得到渗流稳定态的三维空间渗流场分布，并根据出口端流量计算每个数字岩心的渗透率。

在步骤4中，裂缝与基质之间的渗流耦合作用受裂缝开度的影响最大，而且与岩石基质物性相关，渗流耦合系数k_x模型的形式为：

k_x＝pH_f^-q

式中，H_f为裂缝开度，单位μm；参数p，q反映岩心基质物性，通过数字岩心方法进行拟合求取。

本发明中的裂缝性碳酸盐岩基质与裂缝耦合作用表征方法，研究裂缝性碳酸盐岩储层基质与裂缝耦合作用，填补目前裂缝性碳酸盐岩储层基质与裂缝耦合作用的空白，提出裂缝性碳酸盐岩基质与裂缝耦合作用表征方法。以往的裂缝性碳酸盐岩储层渗流研究都只单纯针对基质或者裂缝，很少考虑渗流在基质与裂缝同时存在时耦合作用，而基质与裂缝之间的耦合作用的存在一定程度上影响了流体通过基质、裂缝时的流速，改变了储层渗透率大小，通过耦合作用定量表征可以更真实的反映碳酸盐岩裂缝性储层流体流动能力。该方法能够定量表征裂缝性碳酸盐岩基质与裂缝渗流耦合作用，填补目前碳酸盐岩裂缝性储层基质与裂缝渗流耦合作用的空白，解决裂缝性碳酸盐岩渗流耦合作用对总渗透率造成的影响，更真实的反映碳酸盐岩裂缝性储层流体流动能力，为测井评价储层以及油田开发提供帮助。

附图说明

图1为本发明的裂缝性碳酸盐岩基质与裂缝耦合作用表征方法的一具体实施例的流程图；

图2为本发明的一具体实施例中数字岩心基质渗流场分布图；

图3为本发明的一具体实施例中10μm裂缝开度的平板裂缝模型渗流场分布图；

图4为本发明的一具体实施例中10μm裂缝开度下裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心渗流场分布图；

图5为本发明的一具体实施例中数字岩心施加裂缝开度与耦合渗透率系数之间的关系图；

图6为本发明的一具体实施例中不同裂缝开度与渗透率耦合系数拟合关系式图；

图7为本发明的一具体实施例中渗透率耦合系数公式中参数p，q拟合关系式图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出 较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本发明的裂缝性碳酸盐岩基质与裂缝耦合作用表征方法的流程图。首先构建不同裂缝开度的平板裂缝模型，将其施加到CT扫描碳酸盐岩基质数字岩心中构建裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心，然后利用格子玻尔兹曼方法模拟以上构建的数字岩心的渗流场分布并计算渗透率，最后引入渗透率耦合系数，分析渗透率结果并确定渗透率耦合系数表达式。具体步骤如下：

在步骤101，构建不同裂缝开度的平板裂缝模型。

构建完全为骨架的三维数据体，该三维数据体的体素个数及分辨率与建立的岩心基质三位数字岩心的参数一致；再采用控制变量方法，只改变裂缝开度，固定其它裂缝参数，基于数字岩心叠加方法，构建不同裂缝开度的光滑平板裂缝模型。

在步骤102，建立裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心。

基于数字岩心叠加方法，分别将构建的不同裂缝开度平板裂缝模型施加到CT扫描的不同孔隙结构的碳酸盐岩基质三维数字岩心中，构建裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心。

在步骤103，利用格子玻尔兹曼方法模拟三维数字岩心渗流场分布，并计算三维数字岩心模型的渗透率。

考虑到计算精度与计算速度的问题，本发明采用格子玻尔兹曼方法中的D₃Q₁₉模型模拟岩石的渗流特性。D₃Q₁₉模型粒子分布函数的演化方程：

这个演化方程可以分为两部分，等式左边为传播步，右边为碰撞步。等式中i的范围是[0,18]，表示19个不同的方向，左边为传播步，右边为碰撞步，f_i(x,t)是t时刻在x位置第i个方向上流体粒子的传播函数，f_i(x+e_iΔt,t+Δt)是t+Δt时刻在x位置第i个方向上流体粒子的传播函数；在D₃Q₁₉模型中，τ是弛豫时间常量，f_i^eq(x,t)是t时刻相同位置处流体粒子的平衡态分布函数,可以表达为：

式中，ρ是流体密度，c＝Δx/Δt.ω_i是权重因子，ω₀＝1/3,ω_i＝1,2…6 ＝1/18,ω_i＝7,8…18＝1/36,e_i是速度失量，i表示每个不同的方向，u是根据动量守恒定律和质量守恒得到的流体线性宏观速度，单位是lu/ts，u可以写成

给系统施加一定的宏观压力梯度(▽P)使其开始演化，碰撞步和传播步重复执行直到粒子分布函数达到稳定态，局部流量可以通过下式计算得到

由达西定律得：

式中，<q>表示沿着x方向通过岩心的流量，单位是cm³/s；dP/dx表示x方向压力梯度，单位是MPa/cm；A表示垂直于x方向岩心的横截面积，单位是cm²；η表示流体的动力粘度系数，单位是MPa；K表示在x方向岩心渗透率，单位是um²。通过计算每个格点处的宏观流速，得到三维空间渗流场分布。通过求解达西定律各个参数，进而得到某个三维数字岩心的渗透率。

利用以上格子玻尔兹曼方法，对构建的三维数字岩心进行渗流特性模拟。分别对步骤a、步骤b中构建的三维数字岩心施加相同的宏观压力梯度开始进行渗流模拟，直到粒子分布函数达到稳定态，得到渗流稳定态的三维空间渗流场分布，并根据出口端流量计算每个数字岩心的渗透率。

在步骤104，引入渗透率耦合系数，分析渗透率结果并确定渗流耦合系数表达式。

根据大量模型计算模拟，裂缝与基质之间的渗流耦合作用受裂缝开度的影响最大，而且与岩石基质物性相关，渗流耦合系数k_x模型的形式为

k_x＝pH_f^-q

式中，H_f为裂缝开度，单位um；参数p，q反映岩心基质物性，可以通过数字岩心方法进行拟合求取。

在应用本发明的一具体实施例中，包括了以下步骤：

第一步，构建不同裂缝开度的平板裂缝模型。

构建完全为骨架的三维数据体，分辨率为2μm，实际物理尺寸为600μm ×600μm×600μm。采用控制变量方法，只改变裂缝开度，使构建裂缝的实际物理尺寸分别为4μm，10μm，16μm，20μm，30μm，40μm，60μm，80μm，100μm，保持裂缝其它参数不变，裂缝倾角0°，裂缝长度600μm。基于数字岩心叠加方法，构建不同裂缝开度的光滑平板裂缝模型。

第二步，建立裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心。

利用X射线CT扫描法对靶区选取的10块碳酸盐岩岩心进行扫描，采用的分辨率为2μm。分别对扫描的图像进行滤波处理、图像分割及代表元体积分析，得到岩石基质的三维数字岩心，它们具有不同的孔隙结构。考虑到后续渗流模拟的计算精度与计算速度，构建的数字岩心实际物理尺寸为600μm×600μm×600μm。分别将第一步构建的不同裂缝开度的平板裂缝模型施加到十块X射线CT扫描经过处理后的碳酸盐岩数字岩心上，共得到90块裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心。

第三步，利用格子玻尔兹曼方法模拟三维数字岩心渗流场分布，并计算三维数字岩心模型的渗透率。

利用格子玻尔兹曼方法，施加压力梯度使渗流过程开始模拟，若系统迭代绝对渗透率变化率小于10^-6时，认为系统达到稳定状态。利用该方法对第三步得到的九十块裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心进行渗流模拟，输出稳定状态时渗流场分布。图2所示为碳酸盐岩基质渗流场分布情况，图3所示为10μm裂缝开度的平板裂缝模型渗流场分布情况，图4所示为10μm裂缝开度下裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心渗流场分布情况。由图中可以明显看出在裂缝与孔隙交叉处流速发生改变，显示出渗流的耦合作用。渗流场分布颜色的深浅代表每个格点位置处渗流速度的大小，单位为lu/ts。由于每个数字岩心渗流情况不同，数字岩心中最大流速也不同。

第四步，引入渗透率耦合系数，分析渗透率结果并确定渗流耦合系数表达式。

分析第三步得到的平板裂缝模型渗透率，发现其满足理论推导的平板裂缝经典水动力学公式，也证明了格子玻尔兹曼方法对于裂缝性介质渗流模拟的适用性和准确性。

K_f＝0.833H_f²φ_f

式中，K_f为裂缝渗透率，单位um²；H_f为裂缝开度，单位um；φ_f为裂缝孔隙度，单位为％。

裂缝与孔隙之间渗流耦合作用对裂缝性碳酸盐岩总渗透率的影响采用渗透率耦合系数k_x进行表征，

K_m为岩石基质数字岩心的渗透，K_f为平板裂缝模型渗透率，K为裂缝性碳酸盐岩的总渗透率。如果裂缝与孔隙间没有渗流耦合作用，那么渗透率耦合系数k_x＝0，但实际渗透率耦合系数并不为零，而是随着裂缝开度变化的函数。如图5所示，对于10块扫描的碳酸盐岩数字岩心，随着施加的平板裂缝模型的开度不同，计算得到的渗透率耦合系数不同。

对于每块碳酸盐岩数字岩心，研究施加不同裂缝开度的裂缝后计算得到的渗透率结果，对不同裂缝开度与渗透率耦合系数进行拟合，如图6所示。发现渗透率耦合系数与裂缝开度满足以下关系式

k_x＝pH_f^-q

经过90块裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心结果分析，发现参数p，q反映岩心基质物性，是基质孔隙度的函数，如图7所示，最终拟合得到渗透率耦合系数公式为

利用本发明裂缝性碳酸盐岩基质与裂缝耦合作用的表征，填补目前裂缝性碳酸盐岩储层基质与裂缝耦合作用的空白，可以解决裂缝性碳酸盐岩耦合作用对总渗透率造成的影响，更真实的反映碳酸盐岩裂缝性储层流体流动能力，为测井评价储层以及油田开发提供帮助。