CN106769463A - 一种岩心压后裂缝复杂程度定量表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩心压后裂缝复杂程度定量表征方法，对压后的柱塞状岩心压后裂缝图像提取每条裂缝的倾角和面积，计算压后岩心的面缝率和裂缝倾角离散度，将二者归一化之后取平均相加，得到岩心压后裂缝复杂度，可以定量分析岩石在压裂过程中形成缝网的能力，进而评价储层岩石可压裂性，对油气储层的压裂改造具有指导意义。

Description

一种岩心压后裂缝复杂程度定量表征方法

技术领域

本发明涉及岩石力学实验分析方法，具体涉及一种岩心压后裂缝复杂程度定量表征方法。

背景技术

对页岩油气、致密砂岩油气等非常规油气储层，一般需对储层进行压裂改造才能获得经济产能。对储层岩石进行可压裂性评价，进行勘探开发目标层段优选和压裂设计，可以大大降低勘探开发风险。

北美在页岩气开发中引入“脆性指数”的概念：脆性指数(Brittleness)表示储层压裂的难易程度，反映的是储层压裂后所形成裂缝的复杂程度。脆性指数较高的储层压裂时能迅速形成复杂的网状裂缝，脆性指数低的储层则容易形成简单的双翼型裂缝。脆性指数是当前描述岩石可压裂性的主流方法。但迄今为止，岩石脆性指数尚无统一的定义和度量方法，现有的各种脆性指数表征方法均不是直接描述“压裂后所形成裂缝的复杂程度”，模型精度较低，应用效果不佳。

郭天魁等人对全直径岩心开展了模拟水力压裂实验，对岩心压后裂缝形态进行了分析，用裂缝结构面迹长分维值或面密度表征岩心压后裂缝的复杂度。该方法未考虑裂缝形态，且较难重复和推广。

对柱塞状岩心开展(单轴或三轴)抗压实验是分析岩石机械力学特性的常用方法，该方法施加轴向压力将岩心压裂，通过采集实验过程中的应力和应变可计算分析岩石力学性质。岩心抗压实验易于开展，在此实验基础上进行改进，对柱塞状岩心压后裂缝进行分析，定量表征压后复杂程度，可得到岩石直接的“脆性指数”，对岩石的可压裂性分析具有重要意义。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供一种岩心压后裂缝复杂程度定量表征方法，对柱塞状岩心抗压实验后进行裂缝参数提取，并进行复杂程度定量分析，以此评价岩石在压裂过程中形成缝网的能力。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种岩心压后裂缝复杂程度定量表征方法，对抗压实验后的柱塞状岩心压后裂缝图像提取每条裂缝的倾角和面积，计算压后岩心的面缝率和裂缝倾角离散度，将二者归一化之后取平均相加，得到岩心压后裂缝复杂度。

进一步，具体步骤如下：

将压后岩心的信息数字化，即通过光学滚动扫描将压后岩心侧表面上的裂缝信息展现在一张二维图像中，然后在该图像中对每条裂缝的基本参数进行定量描述，提取每条裂缝的大小和倾角；

岩心压后裂缝复杂度是岩心压后产生的裂缝数量、大小及形态的函数，岩心压后裂缝数量从裂缝图像中直接得到；岩心压后裂缝倾角越离散，则裂缝越接近网状，因此裂缝形态可用裂缝倾角的杂乱程度来表征，提出面缝率和裂缝倾角离散度的概念：

面缝率为所有裂缝面积的和与岩心侧表面积的比值：

式中：R_f为面缝率，无量纲；S_i为第i条裂缝的面积，S_l为岩心的侧表面积，二者单位相同，均为像素点数或mm²；

裂缝倾角离散度为所有裂缝倾角的方差：

式中：D_a为裂缝倾角离散度，无量纲；为倾角平均值，A_i为第i条裂缝的倾角，单位均为度；在式(3)中计算裂缝复杂度时根据裂缝的大小对每个裂缝倾角进行加权处理，权值为每条裂缝面积与平均裂缝面积的比值；

式中：A_i'为第i条裂缝的加权倾角，A_i为该裂缝原始倾角，单位均为度；S_i为该裂缝面积，为岩样所有裂缝面积的平均值；

面缝率和裂缝倾角离散度包含了岩心压后产生的裂缝数量、大小及形态，且二者对缝网形成的贡献无大小之分，按照统计分析方法，将面缝率和裂缝倾角离散度取平均值表征岩心压后裂缝复杂度，即：

式中：F_c为岩心压后裂缝复杂度。

进一步，由于直接得到的面缝率和裂缝倾角离散度在数值上存在数量级的差异，在式(4)中计算岩心压后裂缝复杂度时将二者进行归一化处理：

式中：和分别为归一化的岩心压后裂缝分析面缝率和倾角离散度，无量纲，压后裂缝分析面缝率最大最小值分别取3和0，裂缝倾角离散度最大最小值分别取45°和0°；

综上，岩心压后裂缝复杂度计算公式为：

代入面缝率和倾角离散度极值，则式(7)简化为：

进一步，通过图像扫描获取压后岩心裂缝信息，柱塞状岩心压后裂缝图像为二维扫描图像。

进一步，采用直径1英寸柱塞状岩心进行抗压实验。

进一步，柱塞状岩心压后裂缝图像为对岩心三维光学扫描获取的三维外观图像或X-CT扫描获取的内部三维图像。

本发明的柱塞状岩心抗压实验后裂缝复杂程度定量表征方法，对压后的柱塞状岩心压后裂缝图像提取每条裂缝的倾角和面积，计算压后岩心的面缝率和裂缝倾角离散度，将二者归一化之后取平均相加，得到岩心压后裂缝复杂度，可以定量分析岩石在压裂过程中形成缝网的能力，进而评价储层岩石可压裂性，对油气储层的压裂改造具有指导意义，可用于岩心压后裂缝形态复杂程度的定量表征，适用但不仅限于柱塞状岩心，对其它形状岩石样品压后裂缝复杂程度的分析也适用。

附图说明

图1岩心压后裂缝复杂度分析方法流程

图2是某岩心压后裂缝图像

图3是图2中岩心压后侧面展开图

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，首先要将岩心通过三轴或单轴抗压实验压裂，然后通过光学滚动扫描将压后岩心侧表面上的裂缝信息展现在一张二维图像中，在该图像中对每条裂缝的基本参数进行定量描述。描述裂缝的参数众多，本发明中需要提取每条裂缝的大小和倾角。裂缝的大小可用图像中该裂缝所占的像素数来表示，裂缝的倾角为该裂缝与岩心轴向的夹角，在0°～90°之间，可用裂缝外接矩形高和宽之比的反正切来计算，即：

式中：A为裂缝的倾角，单位为度，H和W分别为裂缝外接矩形的高和宽，单位均为像素，Arctan为反正切运算。

岩石压后形成缝网能力强，则压后裂缝应具有如下三个特征：一是数量多，二是裂缝大，三是形态复杂。因此，岩心压后裂缝复杂度是岩心压后产生的裂缝数量、大小及形态的函数。岩心压后裂缝数量可从裂缝图像中直接得到；裂缝大小可用图像中裂缝的面积表征；岩心压后裂缝倾角越离散，则裂缝越接近网状，因此裂缝形态可用裂缝倾角的杂乱程度来表征。

综合以上分析，提出面缝率和裂缝倾角离散度的概念：

面缝率为所有裂缝面积的和(裂缝总面积)与岩心侧表面积的比值。

式中：R_f为面缝率，无量纲；S_i为第i条裂缝的面积，S_l为岩心的侧表面积，二者单位相同，均为像素点数或mm²。

裂缝倾角离散度为所有裂缝倾角的方差：

式中：D_a为裂缝倾角离散度，无量纲；为倾角平均值，A_i为第i条裂缝的倾角，单位均为度。考虑到不同大小的裂缝其对缝网的形成贡献不一样，因此，在式(3)中计算裂缝复杂度时根据裂缝的大小对每个裂缝倾角进行加权处理，权值为每条裂缝面积与平均裂缝面积的比值。

式中：A_i'为第i条裂缝的加权倾角，A_i为该裂缝原始倾角，单位均为度；S_i(V_i)为该裂缝面积(体积)，为岩样所有裂缝面积(体积)的平均值。

面缝率和裂缝倾角离散度包含了岩心压后产生的裂缝数量、大小及形态，且二者对缝网形成的贡献无大小之分，按照一般统计分析方法，将面缝率和裂缝倾角离散度取平均值表征岩心压后裂缝复杂度，即：

式中：F_c为岩心压后裂缝复杂度。

由于直接得到的面缝率和裂缝倾角离散度在数值上存在数量级的差异，在式(5)中计算岩心压后裂缝复杂度时需将二者进行归一化(Normalization)处理：

式中：和分别为归一化的岩心压后裂缝分析面缝率和倾角离散度，无量纲，max和min分别为最大、最小值。根据理论及经验分析，对石油行业最常用的直径1＂柱塞状岩心，压后裂缝分析面缝率最大、最小值分别取3和0，裂缝倾角离散度最大、最小值分别取45°和0°。

综上，岩心压后裂缝复杂度计算公式为：

代入面缝率和倾角离散度极值，则式(8)简化为：

以下通过具体实施例对本发明内容进行详细说明。

附图2和图3为某柱塞状岩心压后裂缝图像及侧面展开图，该岩心压后侧面裂缝提取结果见表1，共有10条缝，分别测量每条裂缝外接长方形的长和宽，按式(1)计算出裂缝倾角，统计每条裂缝所占像素计算出裂缝面积，最后按式(2)、式(3)和式(4)计算裂缝倾角离散度和面缝率。

表1某岩心压后裂缝提取结果

表2中为某页岩气储层20块岩心压后裂缝复杂度分析计算结果。对每块岩心压后裂缝倾角离散度和面缝率按式(6)、式(7)做归一化处理，再按式(8)、式(9)计算出裂缝复杂度。

表2 20块岩心压后裂缝复杂度计算结果

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种岩心压后裂缝复杂程度定量表征方法，其特征在于，对抗压实验后的柱塞状岩心压后裂缝图像提取每条裂缝的倾角和面积，计算压后岩心的面缝率和裂缝倾角离散度，将二者归一化之后取平均相加，得到岩心压后裂缝复杂度。

2.根据权利要求1所述的岩心压后裂缝复杂程度定量表征方法，其特征在于，具体步骤如下：

将压后岩心的信息数字化，即通过光学滚动扫描将压后岩心侧表面上的裂缝信息展现在一张二维图像中，然后在该图像中对每条裂缝的基本参数进行定量描述，提取每条裂缝的大小和倾角；

岩心压后裂缝复杂度是岩心压后产生的裂缝数量、大小及形态的函数，岩心压后裂缝数量从裂缝图像中直接得到；岩心压后裂缝倾角越离散，则裂缝越接近网状，因此裂缝形态可用裂缝倾角的杂乱程度来表征，提出面缝率和裂缝倾角离散度的概念：

面缝率为所有裂缝面积的和与岩心侧表面积的比值：

$R_f=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{S_i}{S_l}\×100---\left(1\right)$

式中：R_f为面缝率，无量纲；S_i为第i条裂缝的面积，S_l为岩心的侧表面积，二者单位相同，均为像素点数或mm²；

裂缝倾角离散度为所有裂缝倾角的方差：

$D_a=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(A_i-\stackrel{\‾}{A})}^2}{n}}\×100---\left(2\right)$

式中：D_a为裂缝倾角离散度，无量纲；为倾角平均值，A_i为第i条裂缝的倾角，单位均为度；在式(3)中计算裂缝复杂度时根据裂缝的大小对每个裂缝倾角进行加权处理，权值为每条裂缝面积与平均裂缝面积的比值；

${A_i}^{\′}=A_i\×\frac{S_i}{\stackrel{\‾}{S_f}}---\left(3\right)$

式中：A_i'为第i条裂缝的加权倾角，A_i为该裂缝原始倾角，单位均为度；S_i为该裂缝面积，为岩样所有裂缝面积的平均值；

面缝率和裂缝倾角离散度包含了岩心压后产生的裂缝数量、大小及形态，且二者对缝网形成的贡献无大小之分，按照统计分析方法，将面缝率和裂缝倾角离散度取平均值表征岩心压后裂缝复杂度，即：

$F_c=\frac{1}{2}(R_f+D_a)---\left(4\right)$

式中：F_c为岩心压后裂缝复杂度。

3.根据权利要求2述的岩心压后裂缝复杂程度定量表征方法，其特征在于，由于直接得到的面缝率和裂缝倾角离散度在数值上存在数量级的差异，在式(4)中计算岩心压后裂缝复杂度时将二者进行归一化处理：

$R_{f_n}=\frac{R_f-R_{f_{min}}}{R_{f_{max}}-R_{f_{min}}}---\left(5\right)$

$D_{a_n}=\frac{D_a-D_{a_{min}}}{D_{a_{max}}-D_{a_{min}}}---\left(6\right)$

式中：和分别为归一化的岩心压后裂缝分析面缝率和倾角离散度，无量纲，压后裂缝分析面缝率最大最小值分别取3和0，裂缝倾角离散度最大最小值分别取45°和0°；

综上，岩心压后裂缝复杂度计算公式为：

$F_c=(\frac{R_f-R_{f_{min}}}{R_{f_{max}}-R_{f_{min}}}+\frac{D_a-D_{a_{min}}}{D_{a_{max}}-D_{a_{min}}})/2---\left(7\right)$

代入面缝率和倾角离散度极值，则式(7)简化为：

$F_c=\frac{R_f}{6}+\frac{D_a}{90}---\left(8\right).$

4.根据权利要求1所述的岩心压后裂缝复杂程度定量表征方法，其特征在于，通过图像扫描获取压后岩心裂缝信息，柱塞状岩心压后裂缝图像为二维扫描图像。

5.根据权利要求1所述的岩心压后裂缝复杂程度定量表征方法，其特征在于，采用直径1英寸柱塞状岩心进行抗压实验。

6.根据权利要求1所述的岩心压后裂缝复杂程度定量表征方法，其特征在于，柱塞状岩心压后裂缝图像为对岩心三维光学扫描获取的三维外观图像或X-CT扫描获取的内部三维图像。