一种黑色页岩多尺度水力裂缝精细扫描及定量表征方法

本发明属于非常规页岩油气开发领域，特别涉及一种黑色页岩多尺度水力裂缝精细扫描及定量表征技术。

背景技术：

1、我国页岩油气资源丰富，具有巨大的开发前景，但页岩油气储层初始的孔隙率与渗透率较低，为实现页岩油气商业化开采，需要借助大规模水力压裂进行开发。目前室内水压物理模拟实验是揭示页岩水力裂缝扩展的有效手段，但是对压后裂缝面的扫描提取以及裂缝复杂度的表征，目前主要采用ct和形貌扫描以及常规裂缝复杂度表征方法，但他们存在以下缺点：1、页岩通常为黑色，黑色页岩对光线不敏感，会吸收部分光线导致扫描不上，扫描设备精度较低会忽略裂缝表面细微特征；2、不能扫描大尺寸页岩试样，标准页岩水力压裂试样通常为300×300×300mm立方体，尺寸较大，ct扫描大尺寸试样时精度低，会过滤掉裂缝表面细微特征；3、不能直观展现裂缝的扩展形态，扫描速度慢，操作复杂，扫描后的裂缝面要通过手动拼接成完整裂缝面，拼接存在一定的误差性，且重构的裂缝面生硬，与真实裂缝面的形态有很大差异；4、目前大多数裂缝复杂度表征方法只做到了定性，没有做到定量描述裂缝复杂度，缺乏一套应对不同复杂程度裂缝复杂度的表征方法。

2、基于上述原因，亟需一种黑色页岩多尺度水力裂缝精细扫描及定量表征方法，提高对黑色页岩裂缝面扫描的精确性，多尺度定性描述压后页岩裂缝复杂度。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出一种黑色页岩多尺度水力裂缝精细扫描及定量表征方法，可避免黑色页岩吸收光线导致裂缝面扫描不上和扫描精度低的缺点，同时更加直观的观察试验后页岩裂缝扩展形态，并通过多尺度裂缝复杂度表征方法来确定裂缝复杂度。

2、本发明采用的技术方案为：一种黑色页岩多尺度水力裂缝精细扫描及定量表征方法，包括：

3、s1、实验前准备；

4、采用线切割将黑色页岩露头样品加工成标准立方体试样，然后在标准立方体试样中部钻取一盲孔作为模拟井眼，将井眼的井筒放入模拟井眼，且放入后的井筒轴向与页岩层理面相平行，然后采用黑胶对井筒外壁与井眼之间的空隙进行填充；

5、根据现场施工参数配置压裂液黏度，并在压裂液中混入染色剂；

6、根据相似准则，对现场施工参数进行缩放，从而确定试验过程中三向主应力大小和注液速度；

7、s2、进行压裂实验；

8、将井筒与压裂管连接，采用步骤s1配置的压裂液对标准立方体试样表面施加步骤s1确定的三向主应力，等待标准立方体试样稳定后，对标准立方体试样按照步骤s1确定的注液速度进行压裂，当压裂应力峰值快速降为0时页岩试样产生压裂裂缝，停止实验；

9、s3、页岩试样破碎及拼接；

10、观察实验后的标准立方体试样表面，查找标准立方体试样表面有染色剂溢出的主裂缝与层理裂缝；用改锥沿着主裂缝与层理裂缝进行破碎，再将破碎后的页岩试样碎块拼接成破碎前的标准立方体试样形状；

11、s4、建立框架点；

12、在拼接好后的标准立方体试样上的每块页岩碎块外表面靠近中部位的置粘贴至少3个识别片，这些识别片不在同一直线上，同一页岩碎块的同一个外表面上一个识别片与其周围其他识别片之间的距离为1-3cm；

13、当两个相邻页岩碎块外表面在拼接好后的标准立方体试样上处于同一平面时，分别位于这两个外表面上的识别片两两之间的最小距离满足小于或等于8cm；若不满足，则认为这两个外表面上的识别片距离过远，继续在这两个外表面相接位置粘贴至少3个识别片；

14、用手持式三维激光扫描仪依次扫描各页岩碎块外表面上的识别片；

15、当两个页岩碎块外表面为垂直关系时，在这两个外面表上靠近棱角1-2cm处各粘贴至少3个识别片；用手持式三维激光扫描仪扫描这两个外面表上靠近棱角1-2cm处的识别片；

16、将扫描后的各页岩碎块外表面上的识别片、各页岩碎块外面表上靠近棱角1-2cm处的识别片作为框架点保存至geomagic图像后处理软件中；

17、s5、裂缝面扫描；

18、建立好框架点后，挑选出可以拼接出完整主裂缝面的页岩碎块，在含有染色剂的主裂缝面凹凸处粘贴识别片；用手持式三维激光扫描仪先对拼接出完整主裂缝面的页岩碎块外表面上的识别片进行扫描，确定主裂缝面在拼接好后的标准立方体试样上的空间位置；然后对含有染色剂的主裂缝面上的识别片进行扫描，将扫描好后的主裂缝面数据导入geomagic图像后处理软件中，根据染色剂浸湿的位置裁剪出水力压裂过程产生的真实主裂缝面的形状，用geomagic图像后处理软件计算出主裂缝面的面积；

19、挑选出可以拼接出完整层理裂缝面的页岩碎块，在含有染色剂的层理裂缝面凹凸处粘贴识别片；用手持式三维激光扫描仪先对拼接出完整层理裂缝面的页岩碎块外表面上的识别片进行扫描，确定层理裂缝面在拼接好后的标准立方体试样上的空间位置；然后对含有染色剂的层理裂缝面上的识别片进行扫描，将扫描好后的层理裂缝面数据导入geomagic图像后处理软件中，根据染色剂浸湿的位置裁剪出水力压裂过程产生的真实层理裂缝面的形状，用geomagic图像后处理软件计算出层理裂缝面的面积；

20、geomagic图像后处理软件根据框架点将主裂缝面和层理裂缝面自动拼接保存；

21、s6、裂缝面重构；

22、将在geomagic图像后处理软件中获取的完整主裂缝面和层理裂缝面导入3dsmax软件中，在3dsmax软件中建立与步骤s1标准立方体试样尺寸相同的半透明标准立方体，根据主裂缝面和层理裂缝面在拼接好后的标准立方体试样上的位置与来调整主裂缝面和层理裂缝面与半透明标准立方体上的位置，最后渲染出最终裂缝面模型；

23、s7、裂缝面复杂度定量表征；

24、利用步骤s5获得的主裂缝面的面积a1、层理裂缝的面积a2和裂缝总面积a，将页岩裂缝面转化成点云数据，获得点的个数n和每个点的高程xi，分别计算压后页岩裂缝面复杂度、压后页岩体密度、压后页岩裂缝面点云数据高程的标准方差；从而得到裂缝面复杂度定量表征结果。

25、步骤s1中所述染色剂具体为红色或者绿色染色剂。

26、步骤s3中所述主裂缝具体为与层理面垂直的水力裂缝面。

27、步骤s3中所述层理裂缝具体为平行于层理面的水力裂缝面。

28、步骤s4中当用手持式三维激光扫描仪扫描页岩碎块外面表上靠近棱角1-2cm处的识别片时，保持扫描仪中心点对准棱角，扫描仪距离棱角30-40cm且扫描角度与水平面呈45°。

29、步骤s7中压后页岩裂缝面复杂度计算式为：

30、

31、式中β为层理裂缝面积与主裂分面积之比；a1为压后页岩主裂缝面的面积，mm2；a2为压后页岩层理裂缝的面积，mm2。

32、步骤s7中压后页岩体密度计算式为：

33、

34、式中ε为压后页岩体密度，mm2/mm3；a为压后页岩裂缝面总面积，mm2；v为页岩试样体积，mm3。

35、步骤s7中压后页岩裂缝面点云数据高程的标准方差计算式为：

36、

37、式中s压后页岩裂缝面点云数据高程的标准方差；n为点的个数；xi为每个点的高程；x为压后页岩裂缝面点云的平均高程。

38、本发明的有益效果：本发明通过对压裂后的页岩碎块外表面以及可拼出完整裂缝面表面凹凸处粘贴识别片，解决了激光扫描对黑色页岩难以扫描以及压后裂缝面细微特征捕捉到的难题；采用本发明的方法提高了黑色页岩裂缝面扫描的精确性，并且本发明的方法还适用于扫描尺寸较大的页岩试样，可直观展现压后页岩裂缝扩展；并能多尺度定性描述压后页岩裂缝复杂度。