CN105512366B - 含天然裂缝的致密储层体积压裂树状随机缝网描述方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是含天然裂缝的致密储层体积压裂树状随机缝网描述方法，具体为：选取不含天然裂缝的岩样，进行水力压裂模拟实验；计算各段裂缝分形维数，统计并计算各条裂缝之间的平均转角；确定主裂缝及次生裂缝，对次生裂缝进行分级；统计最靠近裂缝根部第一段裂缝的各级次生裂缝数量以及总长度；给定一个生成元主杆节数，确定分形系统的生成元参数：得出多级随机树状缝网的生成元产生式；计算主裂缝的缝长、缝宽和缝高，并设定各级次生裂缝的缝宽、缝高与主裂缝缝宽、缝高的比例关系；生成三维树状缝网图形；对于能够开启的天然裂缝，确定其所处的段数和分叉等级；生成含天然裂缝地层的三维树状缝网图形。本发明能够对含天然裂缝的致密储层体积压裂树状随机缝网形态进行描述。

Description

含天然裂缝的致密储层体积压裂树状随机缝网描述方法

技术领域

本发明涉及致密储层体积压裂技术，具体涉及含天然裂缝的致密储层体积压裂树状随机缝网描述方法。

背景技术

致密储层由于其低孔、低渗的特点，必须采用大规模体积压裂技术才能实现工业化开发。体积压裂技术是指应用分段多簇射孔技术和裂缝转向技术，采用大排量泵入低黏度压裂液来提高缝内净压力，较高的缝内净压力促使天然裂缝开启和脆性岩石产生剪切滑移，在人工主裂缝的两侧强制形成一级次生裂缝，同时在开启的天然裂缝和一级次生裂缝基础上继续分支形成多级次生裂缝，使得油气从任意方向的基质向裂缝的渗流距离最短，极大地提高储层整体渗透率，提高致密储层的初始产量和最终采收率。

目前致密储层体积压裂缝网描述模型主要有两类：

(1)离散化缝网模型和线网模型

该类模型假设压裂改造体积为椭球体或椭柱体，改造范围内含一条主裂缝和多条一级次生裂缝，一级次生裂缝与主裂缝之间相互平行或正交，一级次生裂缝的数目和间距人为设定。离散化缝网模型和线网模型的缺点主要体现在：

1)离散化缝网模型和线网模型只描述了体积压裂缝网系统中存在的一级次生裂缝，无法体现多级次生裂缝的存在；

2)离散化缝网模型和线网模型一级次生裂缝的数目和间距人为设定，无法体现致密储层脆性岩石启裂的随机性和自相似性；

3)离散化缝网模型和线网模型假定次生裂缝与主裂缝之间相互平行或正交，假设条件太过于理想，不能真实的反映实际复杂缝网的形态；

4)没有考虑天然裂缝的开启状态对缝网系统的影响以及天然裂缝上多级次生裂缝的存在。

(2)扩展有限元法、边界元法、混合有限元模型以及非常规裂缝扩展模型该类方法主要采用有限元数值模拟的方法，通过力学计算来模拟主裂缝的延伸方向以及天然裂缝的开启状态，能够得出天然裂缝影响下的缝网系统形态。但该类模型只能描述人工主裂缝和天然裂缝的形态，无法体现人工主裂缝和天然裂缝上岩石脆性引起的多级随机次生裂缝的存在。

致密储层体积压裂技术在形成一条主裂缝的同时，主裂缝遇到的天然裂缝存在开启的可能性，同时由于岩石脆性较强，会在主裂缝和天然裂缝的侧向强制形成多条随机次生裂缝，并在上一级次生裂缝的基础上继续分支形成多级随机次生裂缝，其次生裂缝的数量、生成位置及次生裂缝与上一级裂缝之间的夹角、天然裂缝的开启状态受应力和岩石脆性的共同影响，最终会形成以主裂缝为主干、天然裂缝等多级次生缝并存的树状分叉网状裂缝系统。

现有致密储层体积压裂缝网描述模型均不能体现天然裂缝存在条件下的主裂缝与多级随机次生裂缝共存的缝网形态，目前虽然多名学者提出致密储层体积压裂复杂缝网的形态应该为树状分叉网状裂缝系统(JPT多篇文献以及朱维耀等人)，但是并没有提出天然裂缝存在条件下的主裂缝与多级随机次生裂缝共存的缝网形态描述方法。

发明内容

本发明的目的是含天然裂缝的致密储层体积压裂树状随机缝网描述方法，这种不含天然裂缝的致密储层体积压裂树状随机缝网描述方法用于解决天然裂缝存在条件下致密储层体积压裂主裂缝与多级随机次生裂缝共存的树状缝网形态无法描述的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种含天然裂缝的致密储层体积压裂树状随机缝网描述方法：

步骤一、选取与待压点储层岩石物性较为接近的不含天然裂缝的岩样，根据待压点三向地应力的大小进行室内水力压裂模拟实验；

步骤二、采用大型工业CT扫描室内压裂岩样裂缝图像，将岩样上生成的裂缝从裂缝根部到尖端平均分成n段，采用盒维法计算各段裂缝分形维数D_i，i＝1,2,3…n，统计并计算各条裂缝之间的平均转角θ；

步骤三、确定主裂缝为扫描图中最长的裂缝，测量其长度Z(单位为m)，其余裂缝均为次生裂缝；给定次生裂缝的级数m，第j级次生裂缝的长度范围为l_j＜c≤l_j-1，式中l_j-1＝al_j，a＞1，j＝1,2,3…m，l₀＝Z，根据每条次生裂缝的测量长度c对次生裂缝进行分级；统计最靠近裂缝根部第一段裂缝的各级次生裂缝数量N_1j以及总长度S_1j；

步骤四、给定一个生成元主杆节数M，确定分形L系统的生成元参数：

各级裂缝长度变化系数为：

式中N₁₀＝1，S₁₀＝Z；

第j次迭代的分支数量为：

主杆分岔概率：

其中给定的主杆节数M应使p在(0,1)的范围内；

步骤五、以初始元F₀为基础，令生成元分支在生成元主杆的节之间或分支端点上，每次迭代后其位置都重新随机分配，迭代m次得出多级随机树状缝网的生成元产生式，

第j次迭代的生成元产生式的通式为：

F_a[+F_b][-F_b]F_a[+F_b][-F_b]F_a…F_a

其中，F为一个可形成分支的行进单元，角标为a的行进单元为生成元主杆的节，其数量为M；角标为b的行进单元为生成元分支，其数量为B_j最接近的整数，

第1次迭代的方法为：将初始元替换为生成元，并将新的产生式中“F_a”的角标a换为0，“F_b”的角标b换为1，得到第1次迭代产生式，

除第1次以外，第j次迭代的方法为：先进行替换，将j-1次迭代后的产生式中“F”且角标小于j-1行进单元的元替换为生成元，所有“F”角标等于j-1的元替换为生成元的概率为p，若未被替换成生成元，则将其替换成M个“X_a”(X为一个无分支的行进单元)，将所有“X”替换成M个“X_a”；再处理角标，将新的产生式中“F_a”、“X_a”角标a继承被替换行进单元的角标，令“F_b”的角标b等于j，得到第j次迭代产生式；

步骤六、根据现场实际压裂参数及应力条件，采用连续性方程、压降方程、缝宽方程、以及缝高方程计算主裂缝的缝长L_f、缝宽和缝高，并设定各级次生裂缝的缝宽、缝高与主裂缝缝宽、缝高的比例关系；

步骤七、运用分形L系统绘制m次迭代后各段裂缝的平面形态，然后将各段裂缝形态按照顺序首尾连接到一起，并与各级裂缝的缝宽、缝高相结合生成三维树状缝网图形，

其中各段裂缝平面形态的每个行进单元的步长为

式中，i为段的编号，j为元“F”或“X”的角标，β₀＝1。

步骤八、根据待压点应力分布判断主裂缝的延伸方向以及主裂缝遇到的天然裂缝是否开启，对于能够开启的天然裂缝，根据天然裂缝的长度L_t和位置，确定其所处的段数和分叉等级；

天然裂缝所处的段数和分叉等级确定方法为：天然裂缝中心位置距离最近的主裂缝段数i_t为其所处段数；天然裂缝的分叉等级j_t为L_t最接近的L_itj中角标j，

其中L_itj为第i_t段各级裂缝的长度：

步骤九，按照步骤五的方法，得出各条能够开启的天然裂缝第m-j_t次迭代的生成元产生式，并将所有行进单元角标的值加上该天然裂缝的分叉等级j_t；根据步骤七的方法，绘制该天然裂缝的平面形态，按照实际的天然裂缝与主裂缝的夹角将天然裂缝与人工裂缝初步形态叠加到一起，根据各级裂缝的缝宽、缝高及缝长生成含天然裂缝地层的三维树状缝网图形。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过对含天然裂缝的致密储层体积压裂树状随机缝网形态的描述，能够更为准确的得出致密储层的改造范围及体积，从而为致密储层体积压裂段间距、簇间距以及井网的部署提供依据；

2、本发明通过对含天然裂缝的致密储层体积压裂树状随机缝网形态的描述，能够充分反映天然裂缝、岩石脆性以及地应力特征对缝网内各级裂缝分布的影响，为评价致密储层岩石的可压性提供了更为有效的手段；

3、本发明通过对含天然裂缝的致密储层体积压裂树状随机缝网形态的描述，能够得出压裂施工参数对天然裂缝以及缝网内各级裂缝分布的影响，为致密储层体积压裂施工参数的优化设计提供了依据；

4、本发明通过对含天然裂缝的致密储层体积压裂树状随机缝网形态的描述，能够更为真实的反映天然裂缝以及缝网内多级裂缝的形态，从而为致密储层压裂后油气渗流规律分析以及产能模拟提供更为准确的基本参数。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的说明：

这种含天然裂缝的致密储层体积压裂树状随机缝网描述方法：

步骤一、选取与待压点储层岩石物性较为接近的不含天然裂缝的岩样，根据待压点三向地应力的大小进行室内水力压裂模拟实验；

步骤二、采用大型工业CT扫描室内压裂岩样裂缝图像，将岩样上生成的裂缝从裂缝根部到尖端平均分成n段，采用盒维法计算各段裂缝分形维数D_i，i＝1,2,3…n，统计并计算各条裂缝之间的平均转角θ；

步骤三、确定主裂缝为扫描图中最长的裂缝，测量其长度Z(单位为m)，其余裂缝均为次生裂缝；给定次生裂缝的级数m，第j级次生裂缝的长度范围为l_j＜c≤l_j-1，式中l_j-1＝al_j，a＞1，j＝1,2,3…m，l₀＝Z，根据每条次生裂缝的测量长度c对次生裂缝进行分级；统计最靠近裂缝根部第一段裂缝的各级次生裂缝数量N_1j以及总长度S_1j；

步骤四、给定一个生成元主杆节数M，确定分形L系统的生成元参数：

各级裂缝长度变化系数为：

式中N₁₀＝1，S₁₀＝Z；

第j次迭代的分支数量为：

主杆分岔概率：

其中给定的主杆节数M应使p在(0,1)的范围内；

步骤五、以初始元F₀为基础，令生成元分支在生成元主杆的节之间或分支端点上，每次迭代后其位置都重新随机分配，迭代m次得出多级随机树状缝网的生成元产生式，

第j次迭代的生成元产生式的通式为：

F_a[+F_b][-F_b]F_a[+F_b][-F_b]F_a…F_a

其中，F为一个可形成分支的行进单元，角标为a的行进单元为生成元主杆的节，其数量为M；角标为b的行进单元为生成元分支，其数量为B_j最接近的整数，

第1次迭代的方法为：将初始元替换为生成元，并将新的产生式中“F_a”的角标a换为0，“F_b”的角标b换为1，得到第1次迭代产生式，

除第1次以外，第j次迭代的方法为：先进行替换，将j-1次迭代后的产生式中“F”且角标小于j-1行进单元的元替换为生成元，所有“F”角标等于j-1的元替换为生成元的概率为p，若未被替换成生成元，则将其替换成M个“X_a”(X为一个无分支的行进单元)，将所有“X”替换成M个“X_a”；再处理角标，将新的产生式中“F_a”、“X_a”角标a继承被替换行进单元的角标，令“F_b”的角标b等于j，得到第j次迭代产生式；

步骤六、根据现场实际压裂参数及应力条件，采用连续性方程、压降方程、缝宽方程、以及缝高方程计算主裂缝的缝长L_f、缝宽和缝高，并设定各级次生裂缝的缝宽、缝高与主裂缝缝宽、缝高的比例关系；

步骤七、运用分形L系统绘制m次迭代后各段裂缝的平面形态，然后将各段裂缝形态按照顺序首尾连接到一起，并与各级裂缝的缝宽、缝高相结合生成三维树状缝网图形，

其中各段裂缝平面形态的每个行进单元的步长为

式中，i为段的编号，j为元“F”或“X”的角标，β₀＝1。

步骤八、根据待压点应力分布判断主裂缝的延伸方向以及主裂缝遇到的天然裂缝是否开启，对于能够开启的天然裂缝，根据天然裂缝的长度L_t和位置，确定其所处的段数和分叉等级；

天然裂缝所处的段数和分叉等级确定方法为：天然裂缝中心位置距离最近的主裂缝段数i_t为其所处段数；天然裂缝的分叉等级j_t为L_t最接近的L_itj中角标j，

其中L_itj为第i_t段各级裂缝的长度：

步骤九，按照步骤五的方法，得出各条能够开启的天然裂缝第m-j_t次迭代的生成元产生式，并将所有行进单元角标的值加上该天然裂缝的分叉等级j_t；根据步骤七的方法，绘制该天然裂缝的平面形态，按照实际的天然裂缝与主裂缝的夹角将天然裂缝与人工裂缝初步形态叠加到一起，根据各级裂缝的缝宽、缝高及缝长生成含天然裂缝地层的三维树状缝网图形。

Claims (1)

1.一种含天然裂缝的致密储层体积压裂树状随机缝网描述方法，其特征在于：这种含天然裂缝的致密储层体积压裂树状随机缝网描述方法：

步骤一、选取与待压点储层岩石物性较为接近的不含天然裂缝的岩样，根据待压点三向地应力的大小进行室内水力压裂模拟实验；

步骤二、采用大型工业CT扫描室内压裂岩样裂缝图像，将岩样上生成的裂缝从裂缝根部到尖端平均分成n段，采用盒维法计算各段裂缝分形维数D_i，i＝1,2,3…n，统计并计算各条裂缝之间的平均转角θ；

步骤三、确定主裂缝为扫描图中最长的裂缝，测量其长度Z，长度单位为m，其余裂缝均为次生裂缝；给定次生裂缝的级数m，第j级次生裂缝的长度范围为l_j＜c≤l_j-1，式中l_j-1＝al_j，a＞1，j＝1,2,3…m，l₀＝Z，根据每条次生裂缝的测量长度c对次生裂缝进行分级；统计最靠近裂缝根部第一段裂缝的各级次生裂缝数量N_1j以及总长度S_1j；

步骤四、给定一个生成元主杆节数M，确定分形L系统的生成元参数：

各级裂缝长度变化系数为：

式中N₁₀＝1，S₁₀＝Z；

第j次迭代的分支数量为：

式中j＝1,2,3....m；

主杆分岔概率：

其中给定的主杆节数M应使p在(0,1)的范围内；

步骤五、以初始元F₀为基础，令生成元分支在生成元主杆的节之间或分支端点上，每次迭代后其位置都重新随机分配，迭代m次得出多级随机树状缝网的生成元产生式，

第j次迭代的生成元产生式的通式为：

F_a[+F_b][-F_b]F_a[+F_b][-F_b]F_a…F_a

其中，F为一个可形成分支的行进单元，角标为a的行进单元为生成元主杆的节，其数量为M；角标为b的行进单元为生成元分支，其数量为B_j最接近的整数，

第1次迭代的方法为：将初始元替换为生成元，并将新的产生式中“F_a”的角标a换为0，“F_b”的角标b换为1，得到第1次迭代产生式，

除第1次以外，第j次迭代的方法为：先对行进单元“X”、“F”进行替换，将j-1次迭代后的产生式中所有“X”替换成M个“Xa”，将角标小于j-1的行进单元“F”替换为生成元，将角标等于j-1的行进单元“F”替换为生成元的概率为p，若未被替换成生成元，则将这个“F”替换为M个“Xa”；再处理角标，将新的产生式中“Xa”、“Fa”角标a继承被替换行进单元的角标，令“Fb”的角标b等于j，得到第j次迭代产生式；

步骤六、根据现场实际压裂参数及应力条件，采用连续性方程、压降方程、缝宽方程、以及缝高方程计算主裂缝的缝长L_f、缝宽和缝高，并设定各级次生裂缝的缝宽、缝高与主裂缝缝宽、缝高的比例关系；

步骤七、运用分形L系统绘制m次迭代后各段裂缝的平面形态，然后将各段裂缝形态按照顺序首尾连接到一起，并与各级裂缝的缝宽、缝高相结合生成三维树状缝网图形，

其中各段裂缝平面形态的每个行进单元的步长为

式中，i为段的编号，j为元“F”或“X”的角标，β₀＝1；

步骤八、根据待压点应力分布判断主裂缝的延伸方向以及主裂缝遇到的天然裂缝是否开启，对于能够开启的天然裂缝，根据天然裂缝的长度L_t和位置，确定其所处的段数和分叉等级；

天然裂缝所处的段数和分叉等级确定方法为：天然裂缝中心位置距离最近的主裂缝段数i_t为其所处段数；天然裂缝的分叉等级j_t为L_t最接近的中角标j，

其中为第i_t段各级裂缝的长度：

步骤九，按照步骤五的方法，得出各条能够开启的天然裂缝第m-j_t次迭代的生成元产生式，并将所有行进单元角标的值加上该天然裂缝的分叉等级j_t；根据步骤七的方法，绘制该天然裂缝的平面形态，按照实际的天然裂缝与主裂缝的夹角将天然裂缝与人工裂缝初步形态叠加到一起，根据各级裂缝的缝宽、缝高及缝长生成含天然裂缝地层的三维树状缝网图形。