CN103114848A - 一种基于岩心测量的地层裂缝空间重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于岩心测量的地层裂缝空间重构方法，它包括以下步骤：S1、选取裂缝岩心；S2、使用非接触式测量系统对裂缝岩样进行扫描及处理，得到曲面图；S3、采用三维点云数据逆向工程软件，获得形态数据；S4、导出数据，并生成点云文件；S5、将点云文件使用MATLAB生成裂缝空间网格图；S6、绘制等高线；S7、处理生成空间高度图；S8、对图形作必要的旋转和移动，得到重构裂缝空间模型。本发明的有益效果是：经重构获得的裂缝空间模型与实际裂缝形态高度一致，极大的提升了精度，具有可行性和实用性，能够较好的满足细观力学的数字模拟研究，为进一步研究储层网络裂缝面、产量预测、压力敏感性测试提供了必要的参考。

Description

一种基于岩心测量的地层裂缝空间重构方法

技术领域

本发明涉及油气开发领域的地层裂缝分析、描述方法，特别是一种基于岩心测量的地层裂缝空间重构方法。

背景技术

随着油气勘探开发工作的逐步深入，裂缝性油藏和受裂缝影响的油气藏在已发现油气储量中所占比例日益增大，探明储量和产量所占比例也逐渐上升，储层裂缝研究日益受到重视。裂缝是油气储集层的普遍特征，钻井与开发过程中，大部分储集层都受到了裂缝的影响。但由于裂缝性储层普遍埋藏深，钻井过程中安全密度窗口窄、井筒压力波动大，经常面临溢漏同存、井控风险大等问题。基于岩心测量与重构裂缝空间是前述问题和进一步开展相关工程技术研究的基础。

在过去几十年里，石油工业在利用多学科判别裂缝方面积累了不少经验，如：地震剖面的异常和模糊、井间压力干扰试井、钻井时泥浆漏失、岩心收获率低、钻速高和许多测井响应等等，都与裂缝的存在有关。储层裂缝的研究已经从单纯的地质分析方法，向与数值模拟方法相结合的方向发展，目前主要通过露头、岩心、测井、地震、试井、试油试采、钻井、录井等资料，借助于地质学定性分析法、岩心室内测定法、试井分析法、裂缝数理统计法和测井资料法等综合分析，寻找裂缝的控制因素，在地质规律上得出定性和半定量的认识，较有效的研究方法还有下述的计算机层析技术、灰色综合评判法、人工智能技术等。

目前地层裂缝重构方法总体来讲可分为间接重构法和直接测量重构法。间接重构法主要是根据已获取的二维裂缝岩心统计资料在实验室内进行人工模拟来重构裂缝空间，常用的是二维铸体薄片研究法和扫描电镜分析法。前者将染色树脂注入到被洗净和抽空的岩心裂缝内，待树脂凝固后，再将岩心裂缝切片放在显微镜下观察，以获取其裂缝各个参数的统计资料。该方法适合均质性发育的裂缝，对于非均质性发育的裂缝，该方法使用效果较差。后者通过电镜扫描可直接观察二维裂缝表面形态，再结合统计规律及分形学实现对裂缝空间的重构，但该方法试验精度不高，构造出来的裂缝与实际裂缝空间存在一定误差。

直接测量重构法主要是通过实验分析直接获取裂缝岩心的裂缝形态，该方法主要包括工业CT测试法和光电三维面形测试法。工业CT测试法通过扫描裂缝得到裂缝投影值，由图像重建算法重建出裂缝图像，直接获取真实的裂缝空间结构，测试过程节约时间，对样品无破坏，但重建过程数学计算量大，并且由于CT测试法分辨率的影响，该方法只能反映尺寸较大的裂缝，无法获取小尺寸的裂缝空间特征。光电三维面形测试法通过研制光电三维面形仪获取裂缝两表面形态的拓扑特性，经一系列数学处理得到微凸体参数，重构岩体裂缝空间。虽然面形测试达微米精度，在这一方法中仍然存在跨尺度问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种通过非接触式测量系统结合计算机、数学等一系列手段最终实现地层裂缝空间重构的基于岩心测量的地层裂缝空间重构方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于岩心测量的地层裂缝空间重构方法，它包括以下步骤：

S1、选取实验地层圆柱体裂缝岩心；

S2、使用非接触式测量系统对裂缝岩样进行扫描及处理，将选取的裂缝岩心的两块剖面先后放在相同的参考平面上进行测量，得到裂缝表面整体形态曲面图；

S3、采用三维点云数据逆向工程软件进行点数据处理，获得扫描裂缝表面整体形态数据；

S4、导出步骤S3中测量仪器扫描完成后的数据，进行去除噪点处理，并生成点云文件；

S5、将点云文件使用MATLAB中的以下函数生成裂缝空间网格图：

[ＸI,ＹI]＝meshgrid(x,y);

ZI＝griddata(x,y,z,XI,YI);

mesh(XI，YI，ZI)；

S6、在步骤S5的基础上，应用MATLAB中的contour（）函数绘制等高线并标注高程，得到数字化处理后粗糙裂缝剖面的等高线图；

S7、将上述步骤中获得的岩心剖面微凸体高度的图像数据信息导入MATLAB，将高度数据数值化，岩心部分设置为1，其余部分设置为0，处理生成测试岩石裂缝面微凸体空间高度图；

S8、根据裂缝合成表面生成原理对上述步骤中获取的裂缝的一对粗糙表面上微凸体的图形参数信息作必要的旋转和移动，在MATLAB中重构裂缝空间模型。

所述的步骤S2中，岩石裂缝扫描定位的具体操作为：将选取的圆柱体裂缝样品两块剖面先后放在相同的参考平面上进行测量，移动激光头调节光束与被测裂缝表面的距离保持在45～55mm，并为裂缝两粗糙表面做明显细致标记，将被测裂缝表面放置于测量仪的被测物体处，利用digitrek软件按顺时针的顺序选择裂缝表面的扫描区域，扫描精度在100微米～10微米范围内，依次按照定基准点、选择虚拟平面、调节精度、扫描范围、模式、高度计算这样的操作步骤进行测量，获取x，y方向裂缝面上的所有数据点，得到点云数据。

所述的步骤S4还包括：将点云文件用TXT格式打开，扫描数据为离散点形式，以（X，Y，Z）格式存入。

所述的步骤S6中应用MATLAB中的contour（）函数的格式为：[C，h]＝contour(XI，YI，ZI)，从而获取裂缝面上微凸体的高度分布、每个微凸体的坐标值。

在MATLAB中使用textread函数读取txt文件，即[x,y,z]＝textread(filename,format);其中filename为文件名，format为文件格式。

在步骤S5中，通过改变步长的大小，调节网格图的精度。

所述的步骤S8中，裂缝合成表面生成原理是：假设粗糙裂缝面相对各自的基准面的高度值分别为h₁＝z₁（x，y），h₂＝z₂（x，y），那么合成表面的高度值为：

h＝h₁+h₂＝z₁（x，y）+z₂（x，y）。

所述的裂缝的宽度h（x，y），可由下式计算：

h_max＝max{h₁(x,y)+h₂(x,y)}，

h(x,y)＝h_max-h(x,y)，

x，y分别为测试测试微凸体的横向，纵向坐标值；

根据合成表面高度计算原理，采用非接触式测量仪器，得到岩心裂缝两粗糙面高度各微凸体高度参数：

h₁＝h₀+d₀(x,y)-z₁(x,y)+△x₁，

h₂＝h₀-d₀(x,y)-z₂(x,y)+△x₂，

h₁，h₂分别为测量所获得的两裂缝微凸体高度，h₀为测量裂缝放置点的高度面，d₀（x，y）为裂缝面上各微凸体相对与h₀面的高度，z₁（x，y）与z₂（x，y）之和反映的是岩心裂缝宽度，Δx₁，Δx₂在测量裂缝面高度数据时的高度放置误差。两式相加：

h＝2h₀-z₁(x,y)-z₂(x,y)+△x₁+△x₂，

只要消除掉（Δx₁+Δx₂）就可以计算出各点岩心裂缝的内部宽度；

为了降低与消除摆放过程中人为的角度和横向放置误差，相当于让两块岩芯剖面放在相同的方位角和横向位置进行测量，对裂缝面高度数据在MATLAB中进行微调处理，所述的微调处理包括三个方向的旋转以及两个方向的横向移动，然后作相关运算，相关系数表达式：

$R=\frac{\mathrm{sum}\left[\mathrm{sum}(A*B)\right]}{\mathrm{sqrt}\left\{\mathrm{sum}\right[\mathrm{sum}(A*A)]*\mathrm{sum}[\mathrm{sum}(B*B)\left]\right\}},$

其中A，B为求相关系数的两个矩阵，在MATLAB中做逼近处理，使得R的值尽量接近于1，计算使岩心裂缝端面两副图像的相关系数R的值接近于1，然后在MATLAB中重构裂缝空间模型。

所述的非接触式测量系统的原理是：将规则几何形状的激光投影到被测粗糙裂缝表面上，形成的漫反射光点或光带的像被安置于某一空间位置的图像传感器接收，根据光点或光带在粗糙裂缝表面上成像的偏移，通过被测物体基准平面、像点、像距等之间的关系，按三角几何原理即可测量出粗糙裂缝表面的空间坐标。

本发明具有以下优点：本发明由于测量过程是非接触式的，可以最大限度地减小人为误差；可根据实际需要调节步长，满足不同精度的要求；本发明获得的裂缝面特征与实际裂缝表面特征高度一致，精度较高，具有可行性和实用性，能够较好的满足细观力学的数字模拟研究，为研究储层网络裂缝面、产量预测、压力敏感性测试提供了必要的参考。

附图说明

图1为本发明的流程图

图2为本发明实施例选取的裂缝岩心

图3为本发明经过非接触式系统扫描后的裂缝表面整体形态曲面图

图4为本发明经过MATLAB函数处理生成的精度为0.01mm裂缝表面微凸体空间网格图

图5为本发明数字化处理后的粗糙裂缝的等高线图

图6为本发明岩心裂缝剖面的微凸体空间高度图

图7为裂缝合成表面生成原理中表面1与表面2的结构图

图8为裂缝合成表面生成原理中合成表面的结构图

图9为本发明最终重构的裂缝空间模型。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

实施例：

如图1所示，一种基于岩心测量的地层裂缝空间重构方法，它包括以下步骤：

S1、选取实验地层圆柱体裂缝岩心，如图2所示；

S2、使用非接触式测量系统对裂缝岩样进行扫描及处理，对非接触式测量仪器进行校准后，将选取的裂缝岩心的两块剖面先后放在相同的参考平面上进行测量，得到裂缝表面整体形态曲面图，如图3所示；

S3、采用三维点云数据逆向工程软件进行点数据处理，获得扫描裂缝表面整体形态数据；

S4、导出步骤S3中测量仪器扫描完成后的数据，进行去除噪点处理，并生成点云文件，将点云文件用TXT格式打开，扫描数据为离散点形式，以（X，Y，Z）格式存入；

S5、将点云文件使用MATLAB中的以下函数生成裂缝空间网格图，如图4所示：

[ＸI,ＹI]＝meshgrid(x,y);

ZI＝griddata(x,y,z,XI,YI);

mesh(XI，YI，ZI)；

S6、在步骤S5的基础上，应用MATLAB中的contour（）函数绘制等高线并标注高程，格式为：[C，h]＝contour(XI，YI，ZI)，获取裂缝面上微凸体的高度分布、每个微凸体的坐标值，得到数字化处理后粗糙裂缝剖面的等高线图，如图5所示；

S7、将上述步骤中获得的岩心剖面微凸体高度的图像数据信息导入MATLAB，将高度数据数值化，岩心部分设置为1，其余部分设置为0，处理生成测试岩石裂缝面微凸体空间高度图，如图6所示；

S8、根据Brown提出的裂缝合成表面生成原理对上述步骤中获取的裂缝一对粗糙表面上微凸体的图形参数信息作必要的旋转和移动，裂缝的宽度h（x，y），可由下式计算：

h_max＝max{h₁(x,y)+h₂(x,y)}，

h(x,y)＝h_max-h(x,y)，

x，y分别为测试测试微凸体的横向，纵向坐标值；

根据合成表面高度计算原理，采用非接触式测量仪器，得到岩心裂缝两粗糙面高度各微凸体高度参数：

h₁＝h₀+d₀(x,y)-z₁(x,y)+△x₁，

h₂＝h₀-d₀(x,y)-z₂(x,y)+△x₂，

h₁，h₂分别为测量所获得的两裂缝微凸体高度，h₀为测量裂缝放置点的高度面，d₀（x，y）为裂缝面上各微凸体相对与h₀面的高度，z₁（x，y）与z₂（x，y）之和反映的是岩心裂缝宽度，Δx₁，Δx₂在测量裂缝面高度数据时的高度放置误差。两式相加：

h＝2h₀-z₁(x,y)-z₂(x,y)+△x₁+△x₂，

只要消除掉（Δx₁+Δx₂）就可以计算出各点岩心裂缝的内部宽度；

为了降低与消除摆放过程中人为的角度和横向放置误差，相当于让两块岩芯剖面放在相同的方位角和横向位置进行测量，对裂缝面高度数据在MATLAB中进行微调处理（三个方向的旋转以及两个方向的横向移动），然后作相关运算，相关系数表达式：

$R=\frac{\mathrm{sum}\left[\mathrm{sum}(A*B)\right]}{\mathrm{sqrt}\left\{\mathrm{sum}\right[\mathrm{sum}(A*A)]*\mathrm{sum}[\mathrm{sum}(B*B)\left]\right\}},$

其中A，B为求相关系数的两个矩阵，相关系数越接近1，两个矩阵的相似程度就越高；

在MATLAB中做逼近处理，使得R的值尽量接近于1，计算使岩心裂缝端面两副图像的相关系数R的值接近于1，然后在MATLAB中重构裂缝空间模型，如图9所示。

所述的步骤S1中选取的实验地层圆柱体裂缝岩心既能选取天然地层裂缝也可选取人造裂缝，本实施例选取的为人造裂缝，但为未经过打磨化处理的人造裂缝岩石；

所述的步骤S2中，岩石裂缝扫描定位的具体操作为：将选取的圆柱体裂缝样品两块剖面先后放在相同的参考平面上进行测量，移动激光头调节光束与被测裂缝表面的距离保持在45～55mm，并为裂缝两粗糙表面做明显细致标记，将被测裂缝表面放置于测量仪的被测物体处，利用digitrek软件按顺时针的顺序选择裂缝表面的扫描区域，扫描精度在100微米～10微米范围内，依次按照定基准点、选择虚拟平面、调节精度、扫描范围、模式、高度计算这样的操作步骤进行测量，获取x，y方向裂缝面上的所有数据点，得到点云数据。

本实施例选取的非接触式测量系统为XSM-LC桌面式高精度测量与数据处理系统，该激光类非接触式测量系统的原理是：将规则几何形状的激光投影到被测粗糙裂缝表面上，形成的漫反射光点（光带）的像被安置于某一空间位置的图像传感器接收，根据光点（光带）在粗糙裂缝表面上成像的偏移，通过被测物体基准平面、像点、像距等之间的关系，按三角几何原理即可测量出粗糙裂缝表面的空间坐标；

在步骤S3中，在MATLAB中使用textread函数读取txt文件，即[x,y,z]＝textread(filename,format);其中filename为文件名，format为文件格式。

在步骤S5中，可以通过改变步长的大小，得到不同精度的网格图，比如精度0.5mm和0.01mm。

在步骤S8中，裂缝合成表面生成原理是：假设粗糙裂缝面相对各自的基准面的高度值分别为h₁＝z₁（x，y），h₂＝z₂（x，y），如图7、图8所示，那么合成表面的高度值为：h＝h₁+h₂＝z₁（x，y）+z₂（x，y）。

Claims (9)

1.一种基于岩心测量的地层裂缝空间重构方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、选取实验地层圆柱体裂缝岩心；

S2、使用非接触式测量系统对裂缝岩样进行扫描及处理，将选取的裂缝岩心的两块剖面先后放在相同的参考平面上进行测量，得到裂缝表面整体形态曲面图；

S3、采用三维点云数据逆向工程软件进行点数据处理，获得扫描裂缝表面整体形态数据；

S4、导出步骤S3中测量仪器扫描完成后的数据，进行去除噪点处理，并生成点云文件；

S5、将点云文件使用MATLAB中的以下函数生成裂缝空间网格图：

[ＸI,ＹI]＝meshgrid(x,y);

ZI＝griddata(x,y,z,XI,YI);

mesh(XI，YI，ZI)；

S6、在步骤S5的基础上，应用MATLAB中的contour（）函数绘制等高线并标注高程，得到数字化处理后粗糙裂缝剖面的等高线图；

S7、将上述步骤中获得的岩心剖面微凸体高度的图像数据信息导入MATLAB，将高度数据数值化，岩心部分设置为1，其余部分设置为0，处理生成测试岩石裂缝面微凸体空间高度图；

S8、根据裂缝合成表面生成原理对上述步骤中获取的裂缝的一对粗糙表面上微凸体的图形参数信息作必要的旋转和移动，在MATLAB中重构裂缝空间模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于岩心测量的地层裂缝空间重构方法，其特征在于：所述的步骤S2中，岩石裂缝扫描定位的具体操作为：将选取的圆柱体裂缝样品两块剖面先后放在相同的参考平面上进行测量，移动激光头调节光束与被测裂缝表面的距离保持在45～55mm，并为裂缝两粗糙表面做明显细致标记，将被测裂缝表面放置于测量仪的被测物体处，利用digitrek软件按顺时针的顺序选择裂缝表面的扫描区域，扫描精度在100微米～10微米范围内，依次按照定基准点、选择虚拟平面、调节精度、扫描范围、模式、高度计算这样的操作步骤进行测量，获取x，y方向裂缝面上的所有数据点，得到点云数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于岩心测量的地层裂缝空间重构方法，其特征在于：所述的步骤S4还包括：将点云文件用TXT格式打开，扫描数据为离散点形式，以（X，Y，Z）格式存入。

4.根据权利要求1所述的一种基于岩心测量的地层裂缝空间重构方法，其特征在于：所述的步骤S6中应用MATLAB中的contour（）函数的格式为：[C，h]＝contour(XI，YI，ZI)，从而获取裂缝面上微凸体的高度分布、每个微凸体的坐标值。

5.根据权利要求1所述的一种基于岩心测量的地层裂缝空间重构方法，其特征在于：在MATLAB中使用textread函数读取txt文件，即[x,y,z]＝textread(filename,format);其中filename为文件名，format为文件格式。

6.根据权利要求1所述的一种基于岩心测量的地层裂缝空间重构方法，其特征在于：在步骤S5中，通过改变步长的大小，调节网格图的精度。

7.根据权利要求1所述的一种基于岩心测量的地层裂缝空间重构方法，其特征在于：所述的步骤S8中，裂缝合成表面生成原理是：假设粗糙裂缝面相对各自的基准面的高度值分别为h₁＝z₁（x，y），h₂＝z₂（x，y），那么合成表面的高度值为：

h＝h₁+h₂＝z₁（x，y）+z₂（x，y）。

8.根据权利要求7所述的一种基于岩心测量的地层裂缝空间重构方法，其特征在于：所述的裂缝的宽度h（x，y），可由下式计算：

h_max＝max{h₁(x,y)+h₂(x,y)}，

h(x,y)＝h_max-h(x,y)，

x，y分别为测试测试微凸体的横向，纵向坐标值；

根据合成表面高度计算原理，采用非接触式测量仪器，得到岩心裂缝两粗糙面高度各微凸体高度参数：

h₁＝h₀+d₀(x,y)-z₁(x,y)+△x₁，

h₂＝h₀-d₀(x,y)-z₂(x,y)+△x₂，

h₁，h₂分别为测量所获得的两裂缝微凸体高度，h₀为测量裂缝放置点的高度面，d₀（x，y）为裂缝面上各微凸体相对与h₀面的高度，z₁（x，y）与z₂（x，y）之和反映的是岩心裂缝宽度，Δx₁，Δx₂在测量裂缝面高度数据时的高度放置误差。两式相加：

h＝2h₀-z₁(x,y)-z₂(x,y)+△x₁+△x₂，

只要消除掉（Δx₁+Δx₂）就可以计算出各点岩心裂缝的内部宽度；

为了降低与消除摆放过程中人为的角度和横向放置误差，相当于让两块岩芯剖面放在相同的方位角和横向位置进行测量，对裂缝面高度数据在MATLAB中进行微调处理，所述的微调处理包括三个方向的旋转以及两个方向的横向移动，然后作相关运算，相关系数表达式：

$R=\frac{\mathrm{sum}\left[\mathrm{sum}(A*B)\right]}{\mathrm{sqrt}\left\{\mathrm{sum}\right[\mathrm{sum}(A*A)]*\mathrm{sum}[\mathrm{sum}(B*B)\left]\right\}},$

其中A，B为求相关系数的两个矩阵，在MATLAB中做逼近处理，使得R的值尽量接近于1，计算使岩心裂缝端面两副图像的相关系数R的值接近于1，然后在MATLAB中重构裂缝空间模型。

9.根据权利要求1所述的一种基于岩心测量的地层裂缝空间重构方法，其特征在于：所述的非接触式测量系统的原理是：将规则几何形状的激光投影到被测粗糙裂缝表面上，形成的漫反射光点或光带的像被安置于某一空间位置的图像传感器接收，根据光点或光带在粗糙裂缝表面上成像的偏移，通过被测物体基准平面、像点、像距等之间的关系，按三角几何原理即可测量出粗糙裂缝表面的空间坐标。

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