CN105928957A - 一种裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心的构建方法 - Google Patents

Abstract

一种裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心的构建方法，先利用X射线CT构建只含基质孔隙的碳酸盐岩三维数字岩心；再确定裂缝形成机制；再构建粗糙裂缝表面，采用分数布朗运动模型生成具有自仿射分形特征的裂缝；然后根据裂缝形成受力机制确定裂缝类型，合成一定宽度的裂缝，通过旋转变换也可得到不同倾角的裂缝；最后将构建的裂缝与利用X射线CT方法构建的具有基质孔隙的数字岩心同分辨率相叠加即可得到“基质孔隙+裂缝孔隙”的裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心，本发明为裂缝性碳酸盐岩储层的岩石物理属性模拟研究提供了媒介，在研究裂缝性碳酸盐岩岩石物理性质方面具有较高的应用价值。

Description

一种裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心的构建方法

技术领域

本发明涉及数字岩心和计算岩石物理领域，特别涉及利用X射线CT扫描技术和分数布朗运动模型相结合构建裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心的方法。

背景技术

在世界油气田分布中碳酸盐岩储集层占有十分重要的地位，碳酸盐岩储集层构成的油气田常常产量大、产量高，容易形成大型油气田，世界许多大型油气田都发育在碳酸盐岩储层中，根据前人的统计，在碳酸盐岩储层中发现的油气储量己接近全球总储量的一半，油气产量则占全球总产量的60％以上。与常规的碎屑岩储层进行比较，碳酸盐岩储层最主要的特点之一就是裂缝较发育，裂缝是碳酸盐岩储集层中的重要渗流通道和储集空间。弄清裂缝性碳酸盐的岩石物理性质对裂缝性碳酸盐岩储层描述以及勘探开发具有重要意义。岩石物理实验作为研究岩石物理特性的一种主要手段显得尤为重要。然而利用常规岩石物理实验研究复杂储层岩心物理特性存在两个问题：一是在裂缝发育段，获取岩心比较困难，取心率比较低，成本较高；二是利用裂缝性岩心开展岩石物理实验困难，在岩心处理过程中，很容易对岩心造成伤害，产生新的次生孔隙空间。数字岩心技术是通过物理实验方法或数值模拟算法构建能反映储层特征的三维数字岩心模型，并分析孔隙结构、计算物性、电学性质和传输性质，以达到模拟孔隙尺度上的油气水流动、揭示微观导电机理、渗流机理等目标技术。目前，国内通常采用平行板模型、便士模型、裂缝网络模型等方法来研究裂缝性储层的岩石物理特征。这些模型在一定程度上揭示了流体在岩石孔隙空间中的传导规律，但是这些模型将裂缝过于简化，将裂缝视为表面光滑的平板、圆盘及其相互交叉形成的裂缝网络，而没有考虑裂缝表面本身的粗糙情况。岩石物理实验及数值模拟实验表明将裂缝视为表面光滑的平板不能完全刻画流体在裂缝性岩心中的传导及分布规律。

发明内容

为了克服裂缝性碳酸盐岩取心困难、开展岩石物理实验困难及现有裂缝模型的缺点，本发明的目的在于提供一种裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心的构建方法，结合裂缝性碳酸盐岩储层的双孔隙特征构建包含基质孔隙和裂缝孔隙的碳酸盐岩三维数字岩心，从而为裂缝性碳酸盐岩储层岩石物理属性模拟提供媒介。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心的构建方法，包括以下步骤：

步骤一、构建只含基质孔隙的碳酸盐岩数字岩心：对目标碳酸盐岩储层段进行取心，并对岩心进行X射线CT扫描，然后对CT扫描图像进行中值滤波、图像分割后得到只含基质孔隙的碳酸盐岩三维数字岩心；

步骤二、确定裂缝形成机制：按照裂缝形成时所受力的性质和裂缝形成时两侧岩块相对微小位移的趋势，将裂缝分为张力裂缝和剪切裂缝；张力裂缝是由张应力作用而产生的裂缝，其方位垂直于主张应力，或平行于主压应力，两侧岩块在垂直于裂缝面的方向上有微量相背离的位移；剪切裂缝是由于剪应力作用而形成的裂缝，其两侧岩块沿裂缝面有微小剪切位移，或有剪切位移的趋势，剪切裂缝是由共扼剪切面发展而形成的；

步骤三、构建粗糙裂缝表面：无论是天然裂缝还是人造裂缝，其裂缝表面具有高度的空间相关性，并且具有自仿射分形特征，自仿射分形特征可以通过分数布朗运动模型来描述，在笛卡尔坐标系中裂缝下表面用函数z(x,y)表示，裂缝表面的自仿射特性表明对裂缝进行尺度变换时在空间上具有尺度无关性，即当x→λ_xx，y→λ_yy，z→λ_hz时，假设在x，y方向上的变换因子相同λ_x＝λ_y＝λ，z方向变换因子满足λ_z＝λ^H，则满足如下关系：

z(x,y)＝λ^-Hz(λx,λy)

其中λ是尺度变换因子；H是裂缝粗糙度指数，也叫Hurst指数；

步骤四、裂缝合成：按照裂缝形成时所受力的性质和裂缝形成时两侧岩块相对微小位移的趋势合成裂缝，包括两种模式：张力裂缝和剪切裂缝；在笛卡尔坐标系中，张力裂缝上表面可以表示为：z_u(x,y)＝z(x,y)+d，d是垂直于裂缝平面方向上的位移；剪切裂缝上表面可以表示为：z_u(x,y)＝z(x+l,y)+d，l是剪切力造成的两侧岩块沿裂缝表面的微小位移，将上下表面在笛卡尔坐标系中叠合构成一定宽度且表面粗糙的裂缝，通过旋转变换也可以得到不同倾角的裂缝；

步骤五、构建裂缝性碳酸盐岩数字岩心：将步骤四中构建的自仿射分形裂缝与步骤一中利用X射线CT方法构建的具有基质孔隙的碳酸盐岩数字岩心同分辨率相叠加即可得到“基质孔隙+裂缝孔隙”的裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心。

利用本发明可以建立裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心，构建的岩心裂缝具有天然裂缝的自仿射分形特征，能够克服裂缝性碳酸盐岩储层难以获取代表性岩心的困难及现有裂缝模型的缺点，同时也为裂缝性碳酸盐岩储层的岩石物理属性模拟研究提供了媒介，在研究裂缝性碳酸盐岩岩石物理性质方面具有较高的应用价值。

附图说明

图1为本发明构建裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心流程图。

图2为本发明中构建的只含基质孔隙的碳酸盐岩数字岩心。

图3(a)为张力裂缝形成受力机制示意图。

图3(b)为剪切裂缝形成受力机制示意图。

图4为本发明中构建的具有自仿射分形特征的粗糙裂缝表面。

图5为本发明中构建的张力裂缝。

图6为本发明中构建的裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做详细叙述。

参照图1，一种裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心的构建方法，包括以下步骤：

步骤一、构建只含基质孔隙的碳酸盐岩数字岩心：对目标碳酸盐岩储层段进行取心，并对岩心进行X射线CT扫描，然后对CT扫描图像进行中值滤波、图像分割后得到只含基质孔隙的碳酸盐岩三维数字岩心，如图2所示，图中灰色部分为碳酸盐岩骨架，孔隙设为透明；

步骤二、确定裂缝形成机制：图3表示裂缝形成受力机制示意图，箭头表示受力方向；图3(a)是张力裂缝形成受力机制，它是由张应力作用而产生的裂缝其方位垂直于主张应力，或平行于主压应力，两侧岩块在垂直于裂缝面的方向上有微量相背离的位移；图3(b)是剪切裂缝形成受力机制，剪切裂缝是由于剪应力作用而形成的裂缝其两侧岩块沿裂缝面有微小剪切位移，或有剪切位移的趋势，剪切裂缝是由共扼剪切面发展而形成的；

步骤三、构建粗糙裂缝表面：无论是天然裂缝还是人造裂缝，其裂缝表面具有高度的空间相关性，并且具有自仿射分形特征，自仿射分形特征可以通过分数布朗运动模型来描述，在笛卡尔坐标系中裂缝下表面用函数z(x,y)表示，裂缝表面的自仿射特性表明对裂缝进行尺度变换时在空间上具有尺度无关性，即当x→λ_xx，y→λ_yy，z→λ_hz时，假设在x，y方向上的变换因子相同λ_x＝λ_y＝λ，z方向变换因子满足λ_z＝λ^H，则满足如下关系：

z(x,y)＝λ^-Hz(λx,λ_y)

其中λ是尺度变换因子；H是裂缝粗糙度指数，也叫Hurst指数，大量研究表明人造裂缝和自然裂缝粗糙度指数都约为0.8，而与储层岩性或者裂缝模式无关，

自仿射分形最常用的模型是分数布朗运动(fractional Brownianmotion，简写为fBm)模型，分数布朗运动G_H(r)是一种无相关性的随机行走，满足以下特征：

E[(G_H(X+h)-G_H(X))²]＝|h|^2Hσ²,(0<H<1)

其中E[]表示数学期望；H为Hurst指数；h为偏移距离，满足高斯分布；σ为标准差，图4为采用本发明构建的具有自仿射分形特征的粗糙裂缝表面；

步骤四、裂缝合成：按照裂缝形成时所受力的性质和裂缝形成时两侧岩块相对微小位移的趋势合成张力裂缝或剪切裂缝，包括两种模式：张力裂缝和剪切裂缝，在笛卡尔坐标系中，张力裂缝上表面可以表示为：z_u(x,y)＝z(x,y)+d，d是垂直于裂缝平面方向上的位移；剪切裂缝上表面可以表示为：z_u(x,y)＝z(x+l,y)+d，l是剪切力造成的两侧岩块沿裂缝表面的微小位移，将上下表面在笛卡尔坐标系中叠合构成一定宽度且表面粗糙的裂缝，图5为构建的裂缝宽度为20微米的张力裂缝；

步骤五、构建裂缝性碳酸盐岩数字岩心：将步骤四中构建的自仿射分形裂缝与步骤一种利用X射线CT方法构建的具有基质孔隙的碳酸盐岩数字岩心同分辨率相叠加即可得到“基质孔隙+裂缝孔隙”的裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心，由于数字岩心的数据体是通过孔隙空间和骨架空间来表征的，设A∈(孔隙空间)，B∈(骨架空间)，则构建裂缝性碳酸盐岩数字岩心的叠加规则如下：

A+A＝A

A+B＝A

B+A＝A

B+B＝B

图6按照本发明构建的张力形成的裂缝性碳酸盐岩数字岩心，构建的剪切力形成的裂缝性碳酸盐岩数字岩心，构建的岩心裂缝具有天然裂缝的自仿射分形特征，能够克服裂缝性碳酸盐岩储层难以获取代表性岩心的困难及现有裂缝模型的缺点，同时也为裂缝性碳酸盐岩储层的岩石物理属性模拟研究提供了媒介，在研究裂缝性碳酸盐岩岩石物理性质方面具有较高的应用价值。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (2)

1.一种裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、构建只含基质孔隙的碳酸盐岩数字岩心：对目标碳酸盐岩储层段进行取心，并对岩心进行X射线CT扫描，然后对CT扫描图像进行中值滤波、图像分割后得到只含基质孔隙的碳酸盐岩三维数字岩心；

步骤二、确定裂缝形成机制：按照裂缝形成时所受力的性质和裂缝形成时两侧岩块相对微小位移的趋势，将裂缝分为张力裂缝和剪切裂缝；张力裂缝是由张应力作用而产生的裂缝其方位垂直于主张应力，或平行于主压应力，两侧岩块在垂直于裂缝面的方向上有微量相背离的位移；剪切裂缝是由于剪应力作用而形成的裂缝其两侧岩块沿裂缝面有微小剪切位移，或有剪切位移的趋势，剪切裂缝是由共扼剪切面发展而形成的；

步骤三、构建粗糙裂缝表面：无论是天然裂缝还是人造裂缝，其裂缝表面具有高度的空间相关性，并且具有自仿射分形特征，自仿射分形特征可以通过分数布朗运动模型来描述，在笛卡尔坐标系中裂缝下表面用函数z(x,y)表示，裂缝表面的自仿射特性表明对裂缝进行尺度变换时在空间上具有尺度无关性，即当x→λ_xx，y→λ_yy，z→λ_hz时，假设在x，y方向上的变换因子相同λ_x＝λ_y＝λ，z方向变换因子满足λ_z＝λ^H，则满足如下关系：

z(x,y)＝λ^-Hz(λx,λy)

其中λ是尺度变换因子；H是裂缝粗糙度指数，也叫Hurst指数；

步骤四、裂缝合成：按照裂缝形成时所受力的性质和裂缝形成时两侧岩块相对微小位移的趋势合成裂缝，包括两种模式：张力裂缝和剪切裂缝；在笛卡尔坐标系中，张力裂缝上表面可以表示为：z_u(x,y)＝z(x,y)+d，d是垂直于裂缝平面方向上的位移；剪切裂缝上表面可以表示为：z_u(x,y)＝z(x+l,y)+d，l是剪切力造成的两侧岩块沿裂缝表面的微小位移，将上下表面在笛卡尔坐标系中叠合构成一定宽度且表面粗糙的裂缝，通过旋转变换也可以得到不同倾角的裂缝；

步骤五、构建裂缝性碳酸盐岩数字岩心：将步骤四中构建的自仿射分形裂缝与步骤一中利用X射线CT方法构建的具有基质孔隙的碳酸盐岩数字岩心同分辨率相叠加即可得到“基质孔隙+裂缝孔隙”的裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心。

2.根据权利要求1所述的一种裂缝性碳酸盐岩三维数字岩心的构建方法，其特征在于，

步骤五构建裂缝性碳酸盐岩数字岩心的叠加规则如下：数字岩心的数据体是通过孔隙空间和骨架空间来表征的，设A∈(孔隙空间)，B∈(骨架空间)：

A+A＝A

A+B＝A

B+A＝A

B+B＝B。