CN108896004A - 一种裂缝面粗糙度各向异性表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油地质以及岩土工程领域，尤其是一种裂缝面粗糙度各向异性表征方法。利用岩石表面形貌仪、接触打孔器、数字表面粗糙度仪、摄影测量法以及三维激光扫描仪等方法或装置，获取裂缝面的三维信息数据；通过构建不同方向裂缝面粗糙度评价单元以及标准节理轮廓线数据库，建立的裂缝面跨尺度评价模型，实现裂缝面粗糙度各向异性的表征。本发明专利通过建立相应的数学算法，实现裂缝面粗糙度各向异性的程序化表征，具有较高的实用价值，并且预测成本低廉、可操作性强，能大量减少人力、财力的支出，预测结果对评估裂缝面的力学性质在工程实践中的应用以及石油地质等多个方面具有重要的意义。

Description

一种裂缝面粗糙度各向异性表征方法

技术领域

本发明涉及石油地质以及岩土工程领域，尤其是一种裂缝面粗糙度各向异性表征方法。

背景技术

裂缝的粗糙度会影响裂缝的应力、应变的分布；裂缝(节理)粗糙度系数(JRC)是岩石裂缝表面几何形态的定量描述参数JRC，值。Barton and Choubey(1977)根据大量模型试验和现场观测结果，提出了标准粗糙度等级剖面曲线。该曲线将JRC值分为10个区间，范围为0≤JRC≤20。在实际应用中，将实际结构面剖面曲线与标准粗糙度等级剖面曲线进行对比，从而确定JRC值。目前，裂缝三维表面形貌常用CT三维扫、激光三维扫描仪、表面光度仪以及位移传感器测量。裂缝面粗糙度影响岩体的物理、力学和水力学等性质，是客观地预测裂缝抗剪强度、位移时产生的膨胀和水力传导特征的关键(Kulatilake et al.,2008；葛云峰等，2012；Bisdom et al.,2016)，并可能影响断层的走滑(Power et al.,1987)。Barton(1982)通过大量实验，将节理力学开度与水力等效开度用粗糙度系数JRC联系了起来。

岩体结构面(诸如层面、节理、断层、裂隙等)是地质作用和人类活动的结果，是岩体的重要组成部分，其力学性质不仅影响岩体的基本物理力学性质，还在很大程度上控制着工程岩体的变形、强度及稳定性。而岩体结构面粗糙度又是结构面力学性质的重要影响因素。只有充分认识结构面的粗糙特性并能准确对其进行定量化评价，才可以更好地掌握其力学特性。因此，岩体结构面粗糙度是岩石力学界学者们研究的焦点之一。很少有学者将结构面的各向异性和尺寸效应特征统一起来进行研究，因而仍不能全面分析结构面的各向异性特征，准确把握其尺寸效应。岩体结构面粗糙度特性是岩体节理力学性质的重要影响因素之一。关于裂缝面形貌特征的表征，国内外学者做了大量的工作。但是，大多数学者是在裂缝面形貌各向同性的基础上开展研究工作的。然而，研究表明，裂缝面的剪切力学性质及水力力学特性表现出明显的各向异性特征，这一现象主要源于裂缝面形貌粗糙度的各向异性。因此，准确把握岩体裂缝面形貌粗糙度的方向特征，进而准确评估裂缝面的力学性质在工程实践中具有重要的意义。鉴于此，寻找一种科学有效的方法评估裂缝面粗糙度的各向异性特征显得至关重要。

本发明专利利用岩石表面形貌仪、接触打孔器、数字表面粗糙度仪、摄影测量法以及三维激光扫描仪等方法或装置，获取裂缝面的三维信息数据。通过构建不同方向裂缝面粗糙度评价单元以及标准节理轮廓线数据库，建立的裂缝面跨尺度评价模型，实现裂缝面粗糙度各向异性的表征。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种裂缝面粗糙度各向异性表征方法，它实现了一个地区储层多期次裂缝分期评价预测。

本发明的技术方案为：一种裂缝面粗糙度各向异性表征方法，具体步骤如下：

第一步裂缝面形貌获取；

利用岩石表面形貌仪、接触打孔器、数字表面粗糙度仪、摄影测量法以及三维激光扫描仪等方法或装置，获取裂缝面的三维信息数据；

第二步不同方向裂缝面粗糙度评价单元构建；

利用获取的裂缝面三维数据信息，建立不同方向裂缝面粗糙度评价单元，定义θ为裂缝面粗糙度的评价方向，是裂缝面粗糙度的评价方向与正北方向的夹角(图2)；

第三步标准节理轮廓线数据库构建；

利用Barton and Choubey(1977)提出的标准粗糙度等级剖面曲线(图3)，将剖面曲线等间距数据化，得到数据点集R(p，w)，设每条标准粗糙度等级剖面曲线数据点的间距为d；采用二维分形插值法[孙洪泉.(2002).分形几何及其分形插值研究.河北工业大学学报,31(1),56-60.]构建标准节理轮廓线数据库G(p，q)，其中1≤p≤10，w的数目为num1，q的数目num0表示为：

公式(1)中，num0为q的数目；cs为分形插值迭代次数；p为第p标准粗糙度等级剖面曲线，1≤q≤w，w为每条标准粗糙度等级剖面曲线的点数；设每条标准粗糙度等级剖面曲线插值后数据库G(p，q)的相邻点的间距为b。

第四步裂缝面跨尺度评价模型；

利用获取裂缝面的三维信息数据，等间距的选取表征裂缝面粗糙度的数据点集P(i，j，k)；对于第i条裂缝面的剖面曲线的粗糙度跨尺度评价；以间距为b选取反映裂缝面的剖面曲线特征的点集，对于单一曲线集Q(i，j，k)，其中，i为第i条裂缝面的剖面曲线，数目为num2；j为同一裂缝面的剖面曲线下，第j次取得点集；k为第j次取得点集的第k个点；第j+1次与取曲线集Q(i，j+1，k)为移动间距为b；利用标准节理轮廓线数据库G(p，q)，对点集Q(i，j，k)，进行跨尺度相似性三循环计算。

所述的跨尺度相似性三循环计算包括A循环、B循环、C循环三个循环：

所述的A循环具体步骤为：从点集Q(i，j，k)起始点(图4)开始循环构建数据库，新的数据库相邻数据的间距l＝d；从kp个起始点开始，在区间至区间[kp，kp+num1]内循环提取对应的数据集(图4)；num1为奇数时，取值为整数部分并加1，即为10.5时，取值为11；这样确定了起始点后，单次最大循环为次，确定了新的点集NE(v，u)；利用标准节理轮廓线数据库G(p，q)，对点集NE(v，u)进行相似性计算，确定粗糙度数值；

所述的B循环具体步骤为：向右移动b步长，更换起始点，重复A循环；

所述的C循环具体步骤为：从点集Q(i，j，k)起始点(图5)开始循环构建数据库，新的数据库相邻数据点的间距为l，其中，l＝d×f，l值是裂缝粗糙度评价中的尺度评价参数；l值固定，裂缝粗糙度评价的尺度不变，与A循环相比，循环的l值发生了变化，即对裂缝进行了跨尺度评价，其中f取值为2，3……fmax，fmax是实现单一尺度A循环的最大整数值，确定了l值后，然后进行A循环、B循环；

所述的相似性计算，确定粗糙度数值，实现的步骤为：

设点集G(p，q)每个点的坐标表示为(X_p，Z_q)，依据Barton and Choubey(1977)提出的标准粗糙度等级剖面曲线，0cm≤X_p≤10cm；点集NE(v，u)每个点的坐标表示为(X'_p，Z'_q)，其中0≤X'_p；X_p＝X'_p+X_b，其中X_b的循环区间为：-10cm≤X_b≤10cm；

通过X_b对X_p进行循环计算，为了保证循环精度，其中X_b在[-10cm，10cm]区间循环的增加步长为b；得到新的点集(X_p，Z'_q)，并对该点集在(X_p，Z_q)逐点寻找与之最近的点，得到对应的点集(X”_p，Z”_q)，点集的数目为node；二维剖面曲线粗糙度值JCR^2D的步骤为：

公式(2)-(3)中，xs1、xs2分别是使dis1、dis2取得最小值对应的数值；通过对十条标准粗糙度等级剖面曲线的循环计算，选取最小的dis1、dis2对应的标准粗糙度等级剖面曲线JCR^2D值作为单次A循环的JCR^2D值。将要表征裂缝面粗糙度的剖面曲线进行A循环、B循环以及C循环后，得到多个JCR^2D值，取其平均值作为该剖面曲线的JCR^2D值；

利用求均值的方法将二维剖面曲线粗糙度值扩展为三维粗糙度系数JRC^3D估算中：

公式(4)中，JRC^3D为裂缝面的三维粗糙度系数；JRC_i ^2D为第i二维剖面曲线粗糙度值，num2为二维剖面曲线的数目。

第五步裂缝面粗糙度各向异性表征；

通过改变θ，重复第四步实现裂缝面粗糙度各向异性的表征。

本发明的有益效果是：利用岩石表面形貌仪、接触打孔器、数字表面粗糙度仪、摄影测量法以及三维激光扫描仪等方法或装置，获取裂缝面的三维信息数据。通过构建不同方向裂缝面粗糙度评价单元以及标准节理轮廓线数据库，建立裂缝面跨尺度评价模型，实现裂缝面粗糙度各向异性的表征。本发明专利通过建立相应的数学算法，实现裂缝面粗糙度各向异性的程序化表征，具有较高的实用价值，并且预测成本低廉、可操作性强，能大量减少人力、财力的支出，预测结果对评估裂缝面的力学性质在工程实践中的应用以及石油地质等多个方面具有重要的意义。

附图说明

图1为一种裂缝面粗糙度各向异性表征方法的流程图。

图2为不同方向裂缝面粗糙度评价单元。

图3为Barton and Choubey提出的标准粗糙度等级剖面曲线。

图4为裂缝面跨尺度评价模型中A循环示意图。

图5为裂缝面跨尺度评价模型中C循环示意图。

图6为激光扫描裂缝面图。

图7为裂缝面18个方向JRC值分布图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

本发明专利以鄂尔多斯盆地定边地区长7段储层裂缝面为例，说明本发明具体实施过程。

鄂尔多斯盆地位于华北陆块西部，是古生代地台基础上发育的大型内陆坳陷，形成于印支-燕山运动。总体来看，盆内构造稳定，边缘相对较活跃，具有南部、北部隆升，西部逆冲，东部抬升的特征，据此可划分为6个构造单元：伊盟隆起、渭北隆起、西缘冲断带、天环坳陷、伊陕斜坡和晋西挠褶带。

鄂尔多斯盆地经历多期构造运动，可分成五个阶段：中晚元古代发育的坳拉谷，奠定了华北板块的雏形；早古生代主要发育浅海台地，缺失奥陶系上部至石炭系下部地层；晚古生代为近海平原发育阶段，发育“L”型古陆梁及超覆的上石炭统-二叠系沉积；中生代为内陆湖盆形成阶段，发育河流－湖泊三角洲－湖沼相，白垩纪盆地基本定型；新生代以来盆地整体抬升。加里东期区域主压应力场呈NNE-SSW方向和近SN向，主要受晚奥陶世以来秦岭洋盆向北俯冲，并与华北板块碰撞影响。印支期区域主压应力场呈NW-SE向和NNE-SSW向、SN向，主要受华北板块、扬子板块的碰撞及兴蒙地区印支期造山运动的共同影响。燕山期盆地构造应力场，大致具有从盆地四周向盆地内部挤压的特点。鄂尔多斯盆地喜马拉雅期区域主压应力场呈NNE-SSW向，主要受新特提斯构造动力体系和今太平洋构造动力体系的共同影响。鄂尔多斯盆地油气的时空展布特征明显，总体上古生界和下古生界聚气，中生代聚油。形成三个含油气系统(表1)。中生代时，延长组湖相烃源岩的分布范围控制了常规油气分布区，环湖三角洲沉积体系形成良好的储集层，控制了油气的分布与富集。

表1定边油田地层划分简表

研究区构造裂缝以剪切裂缝为主，剪切裂缝以垂直缝或高角度构造裂缝为主，具“高角度、小切深、小开度、延伸短”的特征，有时可见剪切滑动擦痕；常具有一定的组系和方向性。岩性以粉砂岩、细砂岩为主，绝大部分未充填。裂缝纵向延伸长度介于0.05m～1.0m，以＜0.3m居多，反映出裂缝一般在单砂体内发育。缝宽0.1mm～0.3mm，倾角以85°～90°居多。通过取心井的取样，进行裂缝面粗糙度以及各向异性的评价，首先利用三维激光扫描仪等，获取裂缝面的三维信息数据(图6)；建立不同方向裂缝面粗糙度评价单元(图2)，并建立标准节理轮廓线数据库；利用裂缝面跨尺度评价模型，实现裂缝面粗糙度各向异性的表征(图7)。

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)

1.一种裂缝面粗糙度各向异性表征方法，实现的步骤如下：

第一步 裂缝面形貌获取；

利用岩石表面形貌仪、接触打孔器、数字表面粗糙度仪、摄影测量法以及三维激光扫描仪等方法或装置，获取裂缝面的三维信息数据；

第二步 不同方向裂缝面粗糙度评价单元构建；

利用获取的裂缝面三维数据信息，建立不同方向裂缝面粗糙度评价单元，定义θ为裂缝面粗糙度的评价方向，是裂缝面粗糙度的评价方向与正北方向的夹角；

第三步 标准节理轮廓线数据库构建；

利用标准粗糙度等级剖面曲线，将剖面曲线等间距数据化，得到数据点集R(p，w)，设每条标准粗糙度等级剖面曲线数据点的间距为d；采用二维分形插值法构建标准节理轮廓线数据库G(p，q)，其中1≤p≤10，w的数目为num1，q的数目num0表示为：

公式(1)中，num0为q的数目；cs为分形插值迭代次数；p为第p标准粗糙度等级剖面曲线，1≤q≤w，w为每条标准粗糙度等级剖面曲线的点数；设每条标准粗糙度等级剖面曲线插值后数据库G(p，q)的相邻点的间距为b；

第四步 裂缝面跨尺度评价模型；

利用获取裂缝面的三维信息数据，等间距的选取表征裂缝面粗糙度的数据点集P(i，j，k)；对于第i条裂缝面的剖面曲线的粗糙度跨尺度评价；以间距为b选取反映裂缝面的剖面曲线特征的点集，对于单一曲线集Q(i，j，k)，其中，i为第i条裂缝面的剖面曲线，数目为num2；j为同一裂缝面的剖面曲线下，第j次取得点集；k为第j次取得点集的第k个点；第j+1次与取曲线集Q(i，j+1，k)为移动间距为b；利用标准节理轮廓线数据库G(p，q)，对点集Q(i，j，k)，进行跨尺度相似性三循环计算；

所述的跨尺度相似性三循环计算包括A循环、B循环、C循环三个循环：

所述的A循环具体步骤为：从点集Q(i，j，k)起始点开始循环构建数据库，新的数据库相邻数据的间距l＝d；从kp个起始点开始，在区间至区间[kp，kp+num1]内循环提取对应的数据集；num1为奇数时，取值为整数部分并加1，即为10.5时，取值为11；这样确定了起始点后，单次最大循环为次，确定了新的点集NE(v，u)；利用标准节理轮廓线数据库G(p，q)，对点集NE(v，u)进行相似性计算，确定粗糙度数值；

所述的B循环具体步骤为：向右移动b步长，更换起始点，重复A循环；

所述的C循环具体步骤为：从点集Q(i，j，k)起始点开始循环构建数据库，新的数据库相邻数据点的间距为l，其中，l＝d×f，l值是裂缝粗糙度评价中的尺度评价参数；其中f取值为2，3……fmax，fmax是实现单一尺度A循环的最大整数值，确定了l值后，然后进行A循环、B循环；

第五步 裂缝面粗糙度各向异性表征；

通过改变θ，重复第四步实现裂缝面粗糙度各向异性的表征。

2.根据权利要求1所述的一种裂缝面粗糙度各向异性表征方法，其特征在于：

所述的相似性计算，确定粗糙度数值，实现的步骤为：

设点集G(p，q)每个点的坐标表示为(X_p，Z_q)，依据标准粗糙度等级剖面曲线，0cm≤X_p≤10cm；点集NE(v，u)每个点的坐标表示为(X'_p，Z'_q)，其中0≤X'_p；X_p＝X'_p+X_b，其中X_b的循环区间为：-10cm≤X_b≤10cm；

通过X_b对X_p进行循环计算，为了保证循环精度，其中X_b在[-10cm，10cm]区间循环的增加步长为b；得到新的点集(X_p，Z'_q)，并对该点集在(X_p，Z_q)逐点寻找与之最近的点，得到对应的点集(X”_p，Z”_q)，点集的数目为node；二维剖面曲线粗糙度值JCR^2D的步骤为：

公式(2)-(3)中，xs1、xs2分别是使dis1、dis2取得最小值对应的数值；通过对十条标准粗糙度等级剖面曲线的循环计算，选取最小的dis1、dis2对应的标准粗糙度等级剖面曲线JCR^2D值作为单次A循环的JCR^2D值；将要表征裂缝面粗糙度的剖面曲线进行A循环、B循环以及C循环后，得到多个JCR^2D值，取其平均值作为该剖面曲线的JCR^2D值；

利用求均值的方法将二维剖面曲线粗糙度值扩展为三维粗糙度系数JRC^3D估算中：

公式(4)中，JRC^3D为裂缝面的三维粗糙度系数；JRC_i ^2D为第i二维剖面曲线粗糙度值，num2为二维剖面曲线的数目。