CN109117580A - 一种油气藏裂缝开度数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油气田勘探开发领域，尤其是一种油气藏裂缝开度数值模拟方法。通过获取裂缝面的三维表面形貌，求取裂缝面粗糙度系数以及吻合系数；利用三维分形插值算法，在裂缝面粗糙度系数约束下，恢复单侧裂缝壁的三维形貌；在裂缝开度频率分布图以及吻合系数约束下，构建双侧裂缝壁的有限元几何模型；通过确定油气藏的三维有效应力以及岩石力学参数，建立有限元地质力学模型，进行应力场数值模拟，求取裂缝的残余开度、闭合率。本发明专利从有限元建模的角度提出了一种分析油气藏裂缝开度数值模拟方法，预测结果对优选油气、矿产勘探重点区域以及天然裂缝性储层双孔双渗建模等多个方面有一定的参考意义。

Description

一种油气藏裂缝开度数值模拟方法

技术领域

本发明涉及油气田勘探开发领域，尤其是一种油气藏裂缝开度数值模拟方法。

背景技术

储层裂缝发育程度表征参数的选择，目前国内外表征、预测裂缝参数侧重目的层位裂缝的密度(强度)上，而忽略裂缝地下真实开度的表征和预测。裂缝的密度是裂缝表征中最为直观的参数，因此它常用来表征裂缝的发育程度。而实际上，相对于裂缝的密度，开度对孔隙度和渗透率的贡献更为显著，并且是天然裂缝性储层建模中不确定性的来源。这种不确定性是由于准确量化地下开度的困难以及对控制开度的机械和成岩过程的有限的理解造成的。在没有胶结以及高孔隙压力的情况下，地下裂缝通常被认为是闭合的。实验分析、露头观察以及地下数据表明，一些裂缝仍然是开启的，但是，大多数裂缝流动模型均将裂缝的开度视为单一的开度(Bisdom et al.,2016b；Van et al.,2018)。目前，地下裂缝开度无法直接测量，裂缝开度研究方法主要包括实验模拟、数值模拟以及测井计算三种。Ponziani等(2015)通过建立实验室装置模拟分析确定裂缝开度的合理性，误差在40-110μm，尽管测量的相对误差较小，但当地下裂缝的开度集中在几十个微米时，该装置的可靠性需要进一步检验。Van等(2018)在研究斯瓦尔巴德群岛De Geerdalen组非常规的硅质碎屑储集层，依靠微CT成像，研究了不同围压条件下裂缝开度的变化，但该实验测量装置实际仅能实现二维应力加载，无法进行真三维条件、多因素影响下的裂缝开度模拟。从发表的文献来看，通过不同方法计算的不同类型储层的裂缝开度差异很大(表1)。

表1不同文献中地下裂缝开度预测结果

裂缝的粗糙度会影响裂缝的应力、应变的分布；裂缝(节理)粗糙度系数(JRC)是定量描述裂缝表面几何形态的关键参数，目前在岩土力学中得到了广泛的应用和关注。裂缝面粗糙度是影响岩体的物理、力学以及水力学性质的关键因素，也是客观地预测裂缝的抗剪强度以及水力传导特征的重要参数(Kulatilake et al.,2008；葛云峰等,2012；Bisdomet al.,2016a)，并可能影响断层、裂缝的走滑(Power et al.,1987)。Barton and Choubey(1977)根据大量模型测试以及现场观测结果，提出了一套标准粗糙度的等级剖面曲线。该曲线将JRC值分为10个区间，范围为0≤JRC≤20。在应用中，将实际裂缝面的剖面形态曲线与标准粗糙度的等级剖面曲线进行相似性对比，可以确定JRC值。目前，裂缝三维表面形貌常用CT三维扫描、激光三维扫描仪、表面光度仪或位移传感器等手段直接测量。

节理吻合系数JMC是描述两个节理面吻合程度的独立几何参数，其值与节理粗糙系数JRC无关。节理吻合系数可根据相接触的节理面面积占总节理面面积的百分比获得，其取值范围可从0至1。当节理吻合系数为1时，表示两个节理面完全(10000)吻合。反之，如果当吻合系数为0(渐近最小值)时，说明完全不吻合的节理拥有最小的接触面积。有两种极端情况可导致节理吻合系数为1。当节理面平坦光滑时，或当节理的粗糙面完全吻合时，节理吻合系数可为1。然而，对岩体中的天然粗糙节理，节理吻合系数会由于吻合程度的不同而变化。JMC值通常是通过估计节理岩墙间的接触面积百分比来确定。在实验室或现场测试节理的吻合系数，可以采用机械或光学轮廓探测器的方法，也可以采用其他可行的直接或间接方法描述节理面的两个轮廓，从而确定节理的吻合系数和粗糙系数。

数值模拟是分析构造应力场的一种有效方法，有限元模拟是其中较为常用的方法。有限单元法是一种近似求解一般连续介质问题的数值求解法，其基本思路是将所研究的连续体简化为由有限个单元组成的离散化模型，再应用计算机求出数值解答。将一个地质体离散成有限个连续的单元，单元之间以节点相连，每个单元内赋予其实际的岩石力学参数。把求解研究区域内的连续场函数转化为求解有限个离散点处的场函数值，基本变量是位移、应变和应力。根据边界受力条件和节点的平衡条件，建立并求解以节点位移为未知量，以总体刚度矩阵为系数的方程组，用插值函数求得每个节点上的位移，进而计算每个单元内应力和应变值。然后将这些单元综合起来再计算整个地质体的构造应力场。随着单元数量增多，模型越接近于实际地质体，则求解越真实，精度越高。

本发明专利通过获取裂缝面的三维表面形貌，求取裂缝面粗糙度系数以及吻合系数，通过岩心观测、薄片统计、测井解释、CT三维扫描、激光三维扫描仪、表面光度仪或位移传感器统计得到裂缝开度的频率分布图，提取裂缝三维表面形貌特征点；利用三维分形插值算法，在裂缝面粗糙度系数约束下，恢复单侧裂缝壁的三维形貌；在裂缝开度频率分布图以及吻合系数的约束下，构建双侧裂缝壁的有限元几何模型；通过岩石声发射实验、阵列声波测井以及微地震监测确定现今水平主应力的大小；通过油气藏动态资料监测，确定孔隙压力，进而确定油气藏的三维有效应力；通过岩石力学实验，确定裂缝面的动静态摩擦系数、刚度系数，岩石的杨氏模量、泊松比、内摩擦角以及密度；在建立有限元模型的基础上，进行应力场数值模拟，求取裂缝的残余开度、闭合率。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种油气藏裂缝开度数值模拟方法，它实现了一个油气藏地下裂缝真实开度的定量预测。

本发明的技术方案为：一种油气藏裂缝开度数值模拟方法，具体步骤如下：

第一步 获取裂缝的三维表面形貌；通过CT三维扫描、激光三维扫描仪、表面光度仪或位移传感器获取裂缝的三维表面形貌；

第二步 裂缝面粗糙度系数JCR以及吻合系数JMC求取；利用裂缝的三维表面形貌，计算研究区裂缝面粗糙度系数JCR以及吻合系数JMC的数值；

第三步 不同尺度的裂缝开度统计；通过岩心观测、薄片统计、测井解释、CT三维扫描、激光三维扫描仪、表面光度仪或位移传感器统计得到裂缝开度的频率分布图；

第四步 裂缝三维表面形貌特征点提取；利用获取的裂缝的三维表面形貌，等间距获取能够反映裂缝三维表面形貌特征的矩阵点集；

第五步 裂缝面粗糙度系数约束下单侧裂缝壁三维分形插值；利用三维分形插值理论，在裂缝面粗糙度系数约束下，获取裂缝三维表面形貌特征的精细矩阵点集；

第六步 裂缝开度频率分布图以及吻合系数约束下的双侧裂缝壁有限元几何模型构建；以统计的不同尺度的裂缝开度频率分布图为约束，通过调整每条测线对应的裂缝面双壁吻合系数，建立另一侧裂缝的三维形貌，进而建立双侧裂缝壁的有限元几何模型构建；

第七步 三维有效应力的计算；通过岩石声发射实验、阵列声波测井以及微地震监测确定现今水平主应力的大小；通过油气藏动态资料监测，确定孔隙压力，进而确定油气藏的三维有效应力；

第八步 裂缝面与岩石的力学参数测试；通过岩石力学实验，确定裂缝面的动静态摩擦系数、刚度系数，岩石的杨氏模量、泊松比、内摩擦角以及密度；

第九步 应力场数值模拟与裂缝残余开度、闭合率的求取；利用裂缝三维表面形貌特征的精细矩阵点集，裂缝面与岩石的力学参数以及三维有效应力，建立有限元模型，进行应力场数值模拟，利用模拟得到的节点的位移数据，求取裂缝残余开度、闭合率。

本发明的有益效果是：通过获取裂缝面的三维表面形貌，求取裂缝面粗糙度系数以及吻合系数，通过岩心观测、薄片统计、测井解释、CT三维扫描、激光三维扫描仪、表面光度仪或位移传感器统计得到裂缝开度的频率分布图，提取裂缝三维表面形貌特征点；利用三维分形插值算法，在裂缝面粗糙度系数约束下，恢复单侧裂缝壁的三维形貌；在裂缝开度频率分布图以及吻合系数约束下，构建双侧裂缝壁的有限元几何模型；通过岩石声发射实验、阵列声波测井以及微地震监测确定现今水平主应力的大小，通过油气藏动态资料监测，确定孔隙压力，进而确定油气藏的三维有效应力；通过岩石力学实验，确定裂缝面的动静态摩擦系数、刚度系数，岩石的杨氏模量、泊松比、内摩擦角以及密度；在建立有限元模型的基础上，进行应力场数值模拟，求取裂缝的残余开度、闭合率。本发明专利从有限元建模的角度提出了一种分析油气藏裂缝开度数值模拟方法，具有较高的实用价值，并且预测成本低廉、可操作性强，能大量减少人力、财力的支出，预测结果对优选油气、矿产勘探重点区域以及天然裂缝性储层双孔双渗建模等多个方面有一定的参考意义。

附图说明

图1为一种油气藏裂缝开度数值模拟方法的流程图。

图2中，A为裂缝面的形貌图，B为裂缝的开度分布图，C为裂缝开度频率统计结果，D为有限元模拟中的裂缝开度结果。

图3中，A为裂缝有限元建模示意图，B为裂缝双侧壁形貌。

图4为有限元模型。

图5中，A为裂缝面最小主应力分布，B为裂缝面中间主应力分布，C为裂缝面最大主应力分布，D为裂缝面最小主应变分布，E为裂缝面中间主应变分布，F为裂缝面最大主应变分布。

图6为模拟的裂缝开度以及开度随岩石泊松比的变化。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

本发明专利以鄂尔多斯盆地陕北斜坡西部中段定边地区为例，说明本发明具体实施过程。研究区位于陕西省榆林市定边县境内，距定边县城约35km，构造上处于鄂尔多斯盆地陕北斜坡西部中段定边台地之上，是韩渠—张天渠油田向北的延伸。东仁沟油区含油面积7.47km²，探明石油地质储量407.28×10⁴t，发育延9、延10、长1、长2、长7等含油层系。

研究工区面积约38km²，该区域共有油水井283口；主力开发层系为：延9、长4+5、长7等层，主力研究层位长7层，研究层系划分到小层级别。岩心以垂直缝和高角度缝为主，岩性以粉砂岩、细砂岩为主，未充填居多。裂缝延伸长度1m～0.05m，缝宽0.01m～0.03m，倾角以85°～90°居多。研究区铸体薄片共送样分析58块，薄片中微裂缝以顺层理分布居多，部***缝切割岩石颗粒延伸，裂缝开度不一。微裂缝几乎都没有被充填，而樊学研究区重点的裂缝多被黑色物质充填，似油气或者有机质，说明这些微裂缝可以作为重要的油气运移通道和储集空间。

第一步 通过激光三维扫描仪获取岩心裂缝的三维表面形貌(图2A)。

第二步 利用裂缝的三维表面形貌，计算研究区裂缝面粗糙度系数JCR以及吻合系数JMC的数值。

第三步 通过岩心观测、薄片统计得到裂缝开度的频率分布图(图2C)。

第四步 利用获取的裂缝的三维表面形貌，等间距获取能够反映裂缝三维表面形貌特征的矩阵点集。

第五步 利用三维分形插值理论，在裂缝面粗糙度系数约束下，获取裂缝三维表面形貌特征的精细矩阵点集。

第六步 以统计的不同尺度的裂缝开度频率分布图为约束(图2B，D)，通过调整每条测线对应的裂缝面双壁吻合系数，建立另一侧裂缝的三维形貌，进而建立双侧裂缝壁的有限元几何模型构建(图3)。

第七步 通过岩石声发射实验、阵列声波测井以及微地震监测确定现今水平主应力的大小；通过油气藏动态资料监测，确定孔隙压力，进而确定油气藏的三维有效应力。

第八步 通过岩石力学实验，确定裂缝面的动静态摩擦系数、刚度系数，岩石的杨氏模量、泊松比、内摩擦角以及密度。

第九步利用裂缝三维表面形貌特征的精细矩阵点集，裂缝面与岩石的力学参数以及三维有效应力，建立有限元模型(图4)，进行应力场数值模拟(图5)，利用模拟得到的节点的位移数据，求取裂缝残余开度、闭合率(图6)。

上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种油气藏裂缝开度数值模拟方法，实现的步骤如下：

第一步获取裂缝的三维表面形貌；通过CT三维扫描、激光三维扫描仪、表面光度仪或位移传感器获取裂缝的三维表面形貌；

第二步裂缝面粗糙度系数以及吻合系数求取；利用裂缝的三维表面形貌，计算研究区裂缝面粗糙度系数以及吻合系数的数值；

第三步不同尺度的裂缝开度统计；通过岩心观测、薄片统计、测井解释、CT三维扫描、激光三维扫描仪、表面光度仪或位移传感器统计得到裂缝开度的频率分布图；

第四步裂缝三维表面形貌特征点提取；利用获取的裂缝的三维表面形貌，等间距获取能够反映裂缝三维表面形貌特征的矩阵点集；

第五步裂缝面粗糙度系数约束下单侧裂缝壁三维分形插值；利用三维分形插值理论，在裂缝面粗糙度系数约束下，获取裂缝三维表面形貌特征的精细矩阵点集；

第六步裂缝开度频率分布图以及吻合系数约束下的双侧裂缝壁有限元几何模型构建；以统计的不同尺度的裂缝开度频率分布图为约束，通过调整每条测线对应的裂缝面双壁吻合系数，建立另一侧裂缝的三维形貌，进而建立双侧裂缝壁的有限元几何模型构建；

第七步三维有效应力的计算；通过岩石声发射实验、阵列声波测井以及微地震监测确定现今水平主应力的大小；通过油气藏动态资料监测，确定孔隙压力，进而确定油气藏的三维有效应力；

第八步裂缝面与岩石的力学参数测试；通过岩石力学实验，确定裂缝面的动静态摩擦系数、刚度系数，岩石的杨氏模量、泊松比、内摩擦角以及密度；

第九步应力场数值模拟与裂缝残余开度、闭合率的求取；利用裂缝三维表面形貌特征的精细矩阵点集，裂缝面与岩石的力学参数以及三维有效应力，建立有限元模型，进行应力场数值模拟，利用模拟得到的节点的位移数据，求取裂缝残余开度、闭合率。