CN108061699A - 一种多期次、多尺度裂缝孔渗参数定量预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油气田勘探开发领域，尤其是一种多期次、多尺度裂缝孔渗参数定量预测方法。本发明利用断层‑裂缝的自相似性理论，预测不同尺度的裂缝面密度计算方法；依据岩心、薄片观测的裂缝参数以及断层的延伸规律，采用随机偏正态约束的方法，确定不同尺度裂缝的初始开度；通过现今地应力场数值模拟，分析裂缝在现今应力场中的开启能力；结合裂缝开度、面密度以及发育规模，提出了适用于多尺度、多期次裂缝参数的计算模型，进行裂缝孔隙度，最大渗透率的大小、方向定量预测。本发明由严格的数学算法推导组成，对相应的地质信息数字化后，可以利用计算机编程语言开发相应的计算程序，实现多期次、多尺度裂缝孔渗参数的定量预测。
Description
技术领域
本发明涉及油气田勘探开发领域，尤其是一种多期次、多尺度裂缝孔渗参数定量预测方法。
背景技术
在我国东部油气产区，储层中构造裂缝与断层的发育程度密切相关，断层与构造裂缝具有成因上的一致性；结合高级序断层与低级序断层空间组合关系，为断层相关裂缝的预测提供了一种思路。在裂缝性油气藏勘探、开发中，其难点在于储层岩体中裂缝分布范围、发育程度的评价以及孔渗参数的定量预测。裂缝在油气开发中起双重作用，一方面，裂缝提高了储层的渗透率，甚至提供了储层的基本渗透率与储集空间；另一方面，裂缝的存在增加了油气注水开发、井网部署的敏感性。
在裂缝定量预测研究中，多期裂缝的尺度性及其导流能力分级评价鲜有报道；多组系、多期次裂缝发育时，裂缝渗流优势方向预测同样是裂缝定量描述的难点。在本发明中，基于断层-裂缝的相似性，描述不同尺度的裂缝面密度，通过建立岩心开度偏正态模型，借助现今应力场分析不同尺度裂缝在地下的开启能力；通过建立裂缝孔渗参数数学表征模型，实现多期次、多尺度裂缝孔渗参数的定量描述。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种多期次、多尺度裂缝孔渗参数定量预测方法，它解决了多期次、多尺度裂缝孔渗参数难以定量预测的问题。
本发明的技术方案为：一种多期次、多尺度裂缝孔渗参数定量预测方法，
具体步骤如下：
第一步不同尺度裂缝面密度预测；
断层、裂缝在几何形态、构造演化以及成因动力上具有统计意义的自相似性；断裂的自相似性采用分形信息维D的综合量化表征，其计算原理为：
公式(1)中，Pi是每个信息点落入第i个小栅格的概率；ε为栅格的边长，m。
I(r)＝-Dln(r)+C (2)
公式(2)中，r为分形统计单元边长，m；D为断裂信息维，无量纲；C为断裂相似性拟合系数。与断裂容量维相比，断裂长度信息维包含了断裂的尺度信息，具有较强的实际应用性。
在统计单元内，裂缝总是朝向与断裂相似性更高的方向发展，不同尺度裂缝使单元内断裂的拟合系数R2更高，基于上述原理，在某一单元内，利用公式(1)-(2)，拟合得到断层在分形统计区间内的信息维D以及拟合系数R2，理想的岩心、薄片尺度的裂缝分布应当使单元内的R2更高；通过变换栅格的边长ε，确定不同尺度裂缝对应的I(ε)，得到裂缝落入每个小栅格的概率，在统计意义上求得单元内不同尺度裂缝的总长度，进而提出不同尺度的裂缝面密度计算模型：
ρs＝d·e-Dln(d)+C (3)
公式(3)中，d为裂缝的尺度，m。
利用断裂信息维的计算原理，编制相应的算法，在对断裂信息数据化后，模拟得到不同尺度的裂缝面密度分布。
第二步裂缝现今开度预测；
裂缝的宽度在统计意义上符合偏正态分布，开度的中数、众数以及均值往往是分离的；在一个单元体内，少数几个大开度裂缝就可以主导裂缝渗透率的优势方向；裂缝的长度与裂缝的开度具有正相关关系。将上一步计算的不同尺度的裂缝面密度赋予不同的开度，进而在单元内建立不同尺度、不同方向的裂缝开度偏正态分布模型。
通过建立偏正态模型，将不同尺度的裂缝赋予不同的开度；结合岩心-薄片裂缝开度分布，利用编写的程序实现两者之间的概率耦合，具体方案为：通过单元内断层规模统计，确定断层规模对应的分布概率，并与开度模型等概率转换，得到每个统计单元的裂缝平均开度baver；利用公式(3)确定不同尺度范围的裂缝面密度，所有统计单元组成的长度分布模型按照归一化，通过循环迭代，将每个单元内的裂缝总长度分为m段，长度分布符合长度分布的偏正态模型，将岩心-薄片裂缝开度概率函数分别赋值于m段不同尺度的裂缝，得到的大尺度裂缝开度大，小尺度裂缝开度小，同时满足：
公式(4)中，li为第i段裂缝的长度，m；bi为第i段裂缝的开度，m；m为裂缝分段数。
通过裂缝长度与开度的两次概率耦合，不仅每个单元内的裂缝开度符合偏正态分布且整个工区的裂缝的开度分布也与裂缝开度频率分布函数一致。
地下天然裂缝的开度很小，很难实际测量。现今应力场是预测裂缝地下开度的关键，利用有限元法进行现今应力场模拟具有良好的应用效果。通过三维构造图建立地质模型，结合岩石三轴压裂实验，确定岩层的力学参数——泊松比、弹性模量、单轴抗压-抗剪强度、内摩擦角等，建立地质力学模型。
在现今应力场中一般不再产生新的裂缝，裂缝的线密度、产状以及组系特征基本保持不变，但在三向挤压应力的影响下，裂缝会出现一定程度的闭合，渗流能力变差。现今地应力场改造后裂缝开度的计算公式：
公式(5)中，b0、b分别为裂缝的原始、现今开度，m；σ′n为有效正应力，MPa；bres为裂缝的残余开度，m；σnref为裂缝开度减小90％时，对应的有效正应力，MPa。
第三步不同尺度、不同期次的裂缝孔渗参数计算模型；
对于单个统计单元，不同尺度的裂缝导流能力不一，延伸长、开度大的裂缝通常在导流中起主导作用，不同尺度的裂缝导流能力借助于适当的模型进行评价，通过建立微小单元体模型，计算裂缝的孔渗参数。
如图2所示，以裂缝为参照物建立静态坐标系(O-EENWS)，以大地坐标为参照物建立动态坐标系(O-XY)，定义θ为水平面内OX轴与正东方向的夹角，即动态坐标系的旋转角，通过调整θ的大小，求取裂缝在动态坐标系中不同方向的渗透率。定义OX轴位于北东向时，θ为负值；位于南东向时，θ为正值，利用该模型实现不同尺度裂缝的导流能力分级评价。
本发明专利中，裂缝孔隙度计算并未考虑裂缝面的溶蚀等现象；利用图2中的多尺度、多期次裂缝参数计算模型，推导相应的算法，得到裂缝的孔隙度计算公式：
在复杂的地质条件下，储层裂缝经历多期构造运动改造，每组裂缝的产状、面密度、开度往往不同，甚至每条裂缝在不同部位其开度也不同；当单元体内发育多组裂缝时，最大渗透率方向θmax的计算方法为：
在单元体内，裂缝最大渗透率方向上，渗透率大小Kmax表示为：
公式(6)-(8)中，R为统计单元边长，m；ρrmin为薄片尺度的裂缝面密度，m/m2；ρrrmax为岩心尺度的裂缝线密度，m/m2；m为裂缝分段数，即求取的单元体内裂缝渗透率的数目；nxi、nyi分别为第i组裂缝面的单位法向向量在X、Y轴的坐标轴的分量。
利用公式(1)-(8)所提的算法，通过编写程度实现了油区裂缝参数的定量评价。用薄片尺度(缝长d>10-5m)的裂缝面密度计算孔隙度，该参数一定程度反映裂缝的储集、溶蚀能力；利用岩心尺度(缝长d>0.5m)的裂缝线密度计算渗透率的大小、方向。
本发明的有益效果是：本发明利用断层-裂缝的自相似性理论，预测不同尺度的裂缝面密度计算方法；依据岩心、薄片观测的裂缝参数以及断层的延伸规律，采用随机偏正态约束的方法，确定不同尺度裂缝的初始开度；通过井点现今地应力的统计、计算，结合岩石物理实验，建立地质力学模型，进行现今地应力场数值模拟，并分析裂缝在现今应力场中的开启能力；结合裂缝开度、面密度以及发育规模，提出了适用于多尺度、多期次裂缝参数的计算模型，进行裂缝孔隙度，最大渗透率的大小、方向定量预测，实现了不同尺度裂缝导流能力的分级评级。本发明由严格的数学算法推导组成，对相应的地质信息数字化后，可以利用计算机编程语言开发相应的计算程序，实现多期次、多尺度裂缝孔渗参数的定量预测。本发明对于多期次、多尺度裂缝孔渗参数定量预测具有较高的实用价值，并且预测成本低廉、可操作性强，预测结果对确定裂缝性储层孔渗参数预测、合理的部署开发井网、确定注水井与采油井的空间位置关系有一定的指导意义，同时能够提高裂缝性储层孔双渗建模的精度。
附图说明
图1为一种多期次、多尺度裂缝孔渗参数定量预测方法流程图。
图2为不同尺度、不同期次的裂缝孔渗参数计算模型。
图3金湖凹陷断裂信息维分布。
图4金湖凹陷阜二段不同尺度裂缝面密度分布。
图5(a)金湖凹陷断层的偏正态数学模型；(b)金湖凹陷裂缝的偏正态数学模型。
图6金湖凹陷阜二段现今地应力分布。
图7金湖凹陷阜二段裂缝平均开度分布。
图8金湖凹陷阜二段裂缝孔隙度分布。
图9金湖凹陷阜二段裂缝渗透率大小分布。
图10金湖凹陷阜二段裂缝最大渗透率方向分布。
在图6中，负值代表挤压应力，正值代表拉张应力，σ3最小主应力，σ2中间主应力，σ1最大主应力。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的具体实施方式：
以苏北盆地金湖凹陷阜宁组二段(简称阜二段)多期次、多尺度裂缝孔渗参数定量预测为例来说明本发明的具体技术方案：
金湖凹陷自阜二段沉积以来，主要经历吴堡和三垛两期构造运动。研究区阜二段地层主要造缝期为吴堡期，该时期断层强烈活动，主要表现为近南北向拉张，形成了凹陷内部复杂的断裂系统。结合区域地质资料，对金湖凹阜二段陷多期次、多尺度裂缝孔渗参数定量预测的步骤如下：
第一不同尺度裂缝面密度预测；
通过金湖凹陷卞东、石港、桥河口、闵桥、杨家坝以及铜城地区50余口井的岩心裂缝观测、统计，阜二段储层构造裂缝普遍发育。裂缝倾角主峰值为75°～90°，以垂直裂缝为主，高角度斜交缝相对发育；低角度裂缝少量发育。裂缝的发育时期与断层的活动密切相关，阜宁晚期吴堡运动是断层活动的高强期，同样也是裂缝的主要发育时期；断层、裂缝具有成因一致性，裂缝的形成、分布与断层形成、发育、活动时期的应力场密切相关。
通常认为，若R2>0.97，则可以认为单元内发育的断裂符合统计意义的自相似性；在计算的10838个单元中，共有9169个(84.6％)统计单元信息维拟合系数R2>0.97，7641个(70.5％)统计单元信息维拟合系数R2>0.99，仅有596个(5.5％)统计单元信息维拟合系数R2<0.90；在统计意义上，金湖凹陷不同时期形成的不同方向、不同尺度的断裂符合统计意义的自相似性(图3)。
利用公式(1)-(3)，编制相应的算法，在对断裂信息数据化后，模拟得到裂缝面密度分布。如图4所示，在主干断裂的次级断层密集发育地区，是裂缝密度发育的高值区；采用薄片尺度(缝长d>10-5m)的裂缝面密度计算孔隙度，该参数一定程度反映裂缝的储集、溶蚀能力；利用岩心尺度(缝长d>0.5m)的裂缝线密度计算渗透率的大小、方向，借助该参数为后期井网部署提供参考；裂缝面密度发育区，薄片尺度裂缝面密度4～12m/m2，岩心尺度裂缝面密度0.25～0.70m/m2(图4)。
第二步裂缝现今开度预测；
裂缝的宽度在统计意义上符合偏正态分布，开度的中数、众数以及均值往往是分离的；在一个单元体内，少数几个大开度裂缝就可以主导裂缝渗透率的优势方向；裂缝的长度与裂缝的开度具有正相关关系。将上节计算的不同尺度的裂缝面密度赋予不同的开度，进而在单元内建立不同尺度、不同方向的裂缝开度偏正态分布模型。
统计金湖凹陷800余条断裂的延伸规模以及裂缝开度的分布(图5)，结果表明，两者均符合“强偏正态分布”。通过建立偏正态模型，将不同尺度的裂缝赋予不同的开度；结合岩心-薄片裂缝开度分布，利用编写的程序实现两者之间的概率耦合，具体方案为：通过单元内断层规模统计，利用图5b确定断层规模对应的分布概率，并与图5a开度模型等概率转换，得到每个统计单元的裂缝平均开度baver；利用公式(3)确定金湖凹陷不同尺度范围的裂缝面密度(即总长度)，所有统计单元组成的长度分布模型按照图5b归一化，通过循环迭代，将每个单元内的裂缝总长度分为m段，长度分布符合图5b分布的偏正态模型，将岩心-薄片裂缝开度概率函数分别赋值于m段不同尺度的裂缝，得到的大尺度裂缝开度大，小尺度裂缝开度小，同时满足：
公式(4)中，本发明中m值为8260。通过裂缝长度与开度的两次概率耦合，不仅每个单元内的裂缝开度符合偏正态分布且整个工区的裂缝的开度分布也与图5a频率分布函数一致。
通过三维构造图建立地质模型，结合卞东、闵桥、铜城以及石桥等地区岩石三轴压裂实验，确定岩层的力学参数——泊松比、弹性模量、单轴抗压-抗剪强度、内摩擦角等，建立金湖凹陷力学模型。
表1金湖凹陷现今地应力统计
利用铜城、石港、桥河口、杨家坝、闵桥以及卞东地区阜二段压裂-微地震监测结果(表1)，确定水平最小主应力集中在28～32MPa，方向集中在NEE75°～WE90°；水平最大主应力集中在37～39MPa，方向集中在NNW345°～NS360°；在ANSYS软件建立有限元地质-力学模型，通过施加边界载荷、约束，得到金湖凹陷现今地应力分布(图6)。
利用公式(5)，计算不同尺度裂缝的地下开度，每个统计单元内裂缝开度的均值、众数、中值不一，在图7中，显示裂缝的平均开度分布，受裂缝的产状、现今地应力以及裂缝原始开度(规模)的影响，开度分布具有跳跃性，在局部变化大；在凹陷边缘，裂缝开度为高值；在凹陷中央，裂缝开度为低值；裂缝开度高值集中在6～20×10-5m。
第三不同尺度、不同期次的裂缝孔渗参数计算模型；
利用公式(5)-(8)所提的算法，，实现了含油气大区裂缝参数的定量评价。采用薄片尺度的裂缝面密度计算得到裂缝的孔隙度分布(图8)，计算的裂缝孔隙度并未与考虑裂缝面的溶蚀等现象，相对于Nelson、Anders等以及曾联波等]学者研究结果，该数值偏低；裂缝的孔隙度与面密度分布密切相关，孔隙度高值区在35～95×10-3％之间，在主干断层附近的次级断层发育地区，裂缝的孔隙度为高值；凹陷边缘、次级断层弱发育地区以及构造低部位裂缝孔隙度为低值。
如图9、图10所示，阜二段储层裂缝的渗透率高值区在20～120×10-3μm2之间，在主干大断层附近，伴生、次生的裂缝数量少，但其尺度大、导流能力强，因此该类断层通常对裂缝主渗透率方向起到分区划带的作用。影响断层(裂缝)形成、活动的古应力场对主渗透率方向起控制作用，现今水平最大主应力(NEE)对主渗流方向起调节作用，走向NE45°～SEE120°的裂缝相对开启；在每个单元体中，该方向的裂缝导流能力更强，因此，裂缝主渗透率方向整体向NEE收敛。
岩心裂缝线密度、孔隙度与预测结果对比表明，除在卞东地区预测出现较大的误差外，铜城、石港、桥河口、杨家坝以及闵桥地区吻合性较好；总体来看，模拟结果很好的体现了不同地区裂缝参数的差异性以及变化规律(表2)。
表2金湖凹陷裂缝数值模拟与岩心实测结果对比表
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 (2)
1.一种多期次、多尺度裂缝孔渗参数定量预测方法，预测的步骤如下：
第一步 不同尺度裂缝面密度预测；
断层、裂缝在几何形态、构造演化以及成因动力上具有统计意义的自相似性；断裂的自相似性采用分形信息维D的综合量化表征，其计算原理为：
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公式(1)中，Pi是每个信息点落入第i个小栅格的概率；ε为栅格的边长，m；
I(r)＝-Dln(r)+C (2)
公式(2)中，r为分形统计单元边长，m；D为断裂信息维，无量纲；C为断裂相似性拟合系数；与断裂容量维相比，断裂长度信息维包含了断裂的尺度信息，具有较强的实际应用性；
在统计单元内，裂缝总是朝向与断裂相似性更高的方向发展，不同尺度裂缝使单元内断裂的拟合系数R2更高，基于上述原理，在某一单元内，利用公式(1)-(2)，拟合得到断层在分形统计区间内的信息维D以及拟合系数R2，理想的岩心、薄片尺度的裂缝分布应当使单元内的R2更高；通过变换栅格的边长ε，确定不同尺度裂缝对应的I(ε)，得到裂缝落入每个小栅格的概率，在统计意义上求得单元内不同尺度裂缝的总长度，进而计算不同尺度的裂缝面密度：
ρs＝d·e-Dln(d)+C (3)
公式(3)中，d为裂缝的尺度，m；
利用断裂信息维的计算原理，编制相应的算法，在对断裂信息数据化后，模拟得到不同尺度的裂缝面密度分布；
第二步 裂缝现今开度预测；
通过建立偏正态模型，将不同尺度的裂缝赋予不同的开度；结合岩心-薄片裂缝开度分布，对两者进行概率耦合，通过三维构造图建立地质模型，结合岩石三轴压裂实验，确定岩层的力学参数——泊松比、弹性模量、单轴抗压-抗剪强度、内摩擦角等，建立地质力学模型；
在现今应力场中三向挤压应力的影响下，裂缝会出现一定程度的闭合，渗流能力变差；现今地应力场改造后裂缝开度的计算公式：
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公式(5)中，b0、b分别为裂缝的原始、现今开度，m；σ′n为有效正应力，MPa；bres为裂缝的残余开度，m；σnref为裂缝开度减小90％时，对应的有效正应力，MPa；
第三步 不同尺度、不同期次的裂缝孔渗参数计算模型；
对于单个统计单元，不同尺度的裂缝导流能力不一，延伸长、开度大的裂缝通常在导流中起主导作用，不同尺度的裂缝导流能力借助于适当的模型进行评价，通过建立微小单元体模型，计算裂缝的孔渗参数；
以裂缝为参照物建立静态坐标系(O-EENWS)，以大地坐标为参照物建立动态坐标系(O-XY)，定义θ为水平面内OX轴与正东方向的夹角，即动态坐标系的旋转角，通过调整θ的大小，求取裂缝在动态坐标系中不同方向的渗透率；定义OX轴位于北东向时，θ为负值；位于南东向时，θ为正值，利用该模型实现不同尺度裂缝的导流能力分级评价；
利用多尺度、多期次裂缝参数计算模型，推导相应的算法，得到裂缝的孔隙度计算公式：
在复杂的地质条件下，储层裂缝经历多期构造运动改造，每组裂缝的产状、面密度、开度往往不同，甚至每条裂缝在不同部位其开度也不同；当单元体内发育多组裂缝时，最大渗透率方向θmax的计算方法为：
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公式(6)-(8)中，R为统计单元边长，m；ρrmin为薄片尺度的裂缝面密度，m/m2；ρrrmax为岩心尺度的裂缝线密度，m/m2；m为裂缝分段数，是求取的单元体内裂缝渗透率的数目；nxi、nyi分别为第i组裂缝面的单位法向向量在X、Y轴的坐标轴的分量；用薄片尺度(缝长d>10-5m)的裂缝面密度计算孔隙度，该参数一定程度反映裂缝的储集、溶蚀能力；利用岩心尺度(缝长d>0.5m)的裂缝线密度计算渗透率的大小、方向。
2.根据权利要求1所述的一种多期次、多尺度裂缝孔渗参数定量预测方法，所述的结合岩心-薄片裂缝开度分布，对两者进行概率耦合，具体方案为：
通过单元内断层规模统计，确定断层规模对应的分布概率，并与开度模型等概率转换，得到每个统计单元的裂缝平均开度baver；利用公式(3)确定不同尺度范围的裂缝面密度，所有统计单元组成的长度分布模型按照归一化，通过循环迭代，将每个单元内的裂缝总长度分为m段，长度分布符合长度分布的偏正态模型，将岩心-薄片裂缝开度概率函数分别赋值于m段不同尺度的裂缝，得到的大尺度裂缝开度大，小尺度裂缝开度小，同时满足：
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公式(4)中，li为第i段裂缝的长度，m；bi为第i段裂缝的开度，m；m为裂缝分段数；
通过裂缝长度与开度的两次概率耦合，不仅每个单元内的裂缝开度符合偏正态分布且整个工区的裂缝的开度分布也与裂缝开度频率分布函数一致。
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