CN109887083A - 一种裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种裂缝‑孔隙双重介质耦合渗透率模型的建立方法，构建步骤如下：第一步，建立不同孔隙结构的岩石基质三维数字岩心；第二步，建立不同裂缝开度的平板裂缝模型；第三步，建立裂缝‑孔隙双重介质三维数字岩心；第四步，计算三维数字岩心模型的渗透率；第五步，根据计算得到的渗透率结果，构建裂缝‑孔隙双重介质耦合渗透率模型。解决裂缝‑孔隙双重介质渗流耦合作用对总渗透率造成的影响，可以准确计算裂缝‑孔隙双重介质耦合渗透率，为测井评价储层以及油田开发提供帮助，实际应用效果显著，极具推广价值。

Description

一种裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的建立方法

技术领域

本发明涉及石油勘探测井技术领域，尤其涉及一种裂缝-隙双重介质耦合渗透率模型的建立方法。

背景技术

随着勘探开发程度的不断加深，近年来新探明的油藏类型越来越复杂，特别是裂缝性油藏的探明储量不断增加。裂缝性油藏由于天然裂缝的存在，构成了双重介质储层，在勘探开发中，双重介质储层渗透性参数对整个油藏的评价及解释具有重要的意义。

双重介质的孔隙空间由原生粒间孔隙和次生裂缝构成，含有裂缝的双重介质渗透率定义与单重孔隙介质渗透率定义一致，但可以进一步细化为基质渗透率和裂缝渗透率。基质渗透率与单重孔隙介质渗透率相同，裂缝渗透率受多种因素影响，主要包括裂缝孔隙度、裂缝张开度、裂缝密度、裂缝倾角和裂缝长度等。

由于实际裂缝储集层中裂缝的分布极为复杂，要建立双重介质的渗透率模型，常将裂缝系统进行简化，建立简化模型。裂缝储集层的简化模型主要有平行板模型，Kazemi模型和Warren-Root模型。平行板模型将实际模型简化为由水平基质层和裂缝相互交替组成，但不考虑基质渗透率；Kazemi模型将实际模型简化为由水平基质层和裂缝相互交替组成，其总渗透率为基质渗透率和裂缝渗透率之和；Warren-Root模型将双重孔隙介质油藏简化为正交裂缝切割基质岩块呈六面体的地质模型，裂缝方向与主渗透率方向一致，并假设裂缝宽度为一个常数，其总渗透率没有考虑基质渗透率。

上述简化情况下推导得到的渗透率模型不能反映真实情况下的渗透率，只是一种理论性的模型，更一般化的渗透率模型，如考虑了裂缝的数量和裂缝与流体渗流方向间夹角双重介质渗透率模型；具有可变方向的N条裂缝组成岩石的渗透率张量形式的模型；含有正交裂缝网络二维岩层的渗透率模型。

但无论是渗透率简化模型还是一般化模型，目前的研究都把着双重介质渗透率模型的重点放到不同裂缝参数下的裂缝渗透率的推导，并没有考虑裂缝与岩石基质之间的渗流耦合作用。然而，通过实验发现，当裂缝开度为10um时，如果不考虑裂缝与岩石基质之间的渗流耦合作用，计算得到的渗透率结果相对于实际渗透率误差高达25.1％。将这些理论模型应用到测井解释中，由于没有考虑裂缝与基质之间渗流耦合作用，会导致储层评价不够准确。为了得到更符合实际的双重介质渗透率模型，提高渗透率测井解释的精度，必须要考虑渗流耦合作用，因此，通过研究不同基质孔隙结构参数，不同裂缝-孔隙组合下渗流耦合作用的变化，构建更加准确的裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型成了亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的建立方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的建立方法，构建步骤如下：

第一步，建立不同孔隙结构的岩石基质三维数字岩心；

第二步，建立不同裂缝开度的平板裂缝模型；

第三步，建立裂缝-孔隙双重介质三维数字岩心；

第四步，利用格子玻尔兹曼方法计算三维数字岩心模型的渗透率；

第五步，根据计算得到的渗透率结果，构建裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型。

进一步地，上述建立不同孔隙结构的岩石基质三维数字岩心：从目标储层裂缝不发育段取心后进行CT扫描，对CT扫描图像进行滤波处理、图像分割及代表元体积分析，得到岩石基质三维数字岩心。

进一步地，由于孤立孔隙对渗流没有影响，得到岩石基质三维数字岩心后，为使后续渗流模拟更加准确和稳，采用孔隙空间点距离标记的方法剔除孤立孔隙，将任何一个与孔隙空间体素点具有26连通性的孔隙空间点进行标记，最终得到连通孔隙岩石基质三维数字岩心。

进一步地，上述建立不同裂缝开度的平板裂缝模型：构建完全为骨架的三维数据体，该三维数据体的体素个数及分辨率与建立的岩心基质三位数字岩心的参数一致；再采用控制变量方法，只改变裂缝开度，固定其它裂缝参数，基于数字岩心叠加方法，构建不同裂缝开度的光滑平板裂缝模型。

进一步地，建立裂缝-孔隙双重介质三维数字岩心的方法：基于数字岩心叠加方法，分别将构建的不同裂缝开度平板裂缝模型施加到不同孔隙结构的岩石基质三维数字岩心上。

进一步地，上述利用格子玻尔兹曼方法计算三维数字岩心模型的渗透率：采用格子玻尔兹曼方法中的D₃Q₁₉模型模拟岩石的渗流特性，对构建的三维数字岩心施加相同的宏观压力梯度开始进行渗流模拟，直到粒子分布函数达到稳定态，得到渗流稳定态的三维空间渗流场分布，并根据出口端流量计算每个数字岩心的渗透率。

进一步地，D₃Q₁₉模型粒子分布函数的演化方程：

演化方程可以分为两部分，等式左边为传播步，右边为碰撞步，式(1)中，f_i(x，t)是t时刻在x位置第i个方向上流体粒子的传播函数，f_i(x+e_iΔt，t+Δt)是t+Δt时刻在x位置第i个方向上流体粒子的传播函数；

τ是弛豫时间常量，f_i ^eq(x，t)是t时刻相同位置处流体粒子的平衡态分布函数，可以表达为：

式(2)中，ρ是流体密度，c＝Δx/Δt，ω_i是权重因子，ω₀＝1/3，ω_{i＝1，2…6＝1/18}，ω_{i＝7，8…15＝1/36}；u是根据动量守恒定律和质量守恒得到的流体线性宏观速度，单位是lu/ts，u可以写成：

进一步地，给系统施加一定的宏观压力梯度使其开始演化，碰撞步和传播步重复执行直到粒子分布函数达到稳定态，局部流量可以通过下式计算得到：

由达西定律得：

式(5)中，<q>表示沿着x方向通过岩心的流量，单位是cm³/s；dP/dx表示x方向压力梯度，单位是MPa/cm；A表示垂直于x方向岩心的横截面积，单位是cm²；η表示流体的动力粘度系数，单位是MPa；K表示在x方向岩心渗透率，单位是um²；

通过计算每个格点处的宏观流速，得到三维空间渗流场分布，再通过求解达西定律各个参数，得到某个三维数字岩心的渗透率。

进一步地，裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的形式为：

K＝K_f(1+k_x)+K_m (6)

式(6)中，K为裂缝-孔隙双重介质总渗透率，单位um²；K_f为裂缝渗透率，单位um²；k_x为裂缝-孔隙双重介质渗透率耦合系数，无因次量；K_m为岩石基质渗透率，单位um²；其中，k_x用裂缝开度及岩心基质相关参数进行拟合；

k_x＝pH_f ^-q (7)

式(7)中，参数p，q反映岩心基质物性，通过数字岩心方法进行拟合求取。

本发明的有益效果是，在基质渗透率与裂缝渗透率求取的基础上更加强调双重介质中存在的渗流耦合作用，减小渗透率计算误差，使获得的储层岩心总渗透率更加接近于实际；解决裂缝-孔隙双重介质渗流耦合作用对总渗透率造成的影响，可以准确计算裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率，为测井评价储层以及油田开发提供帮助，在计算裂缝-孔隙双重介质渗透率方面具备其它渗透率模型较大优势，实际应用效果显著，极具推广价值。在目前公开发表文献和商业应用软件中，尚无类似方法的提出与应用。

附图说明

图1为CT扫描数字岩心剔除孤立孔隙后构建三维孔隙空间图；

图2为数字岩心施加裂缝开度与耦合渗透率系数之间的关系图；

图3为不同裂缝开度与渗透率耦合系数拟合关系式图；

图4为渗透率耦合系数公式中参数p拟合关系式图；

图5为渗透率耦合系数公式中参数q拟合关系式图；

图6-7为利用本发明对裂缝-孔隙双重介质碳酸盐岩储层测井资料处理成果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的建立方法，构建步骤如下：

第一步，建立不同孔隙结构的岩石基质三维数字岩心

利用X射线CT扫描法对靶区选取的十块碳酸盐岩岩心进行扫描，采用的分辨率为2μm。分别对扫描的图像进行滤波处理、图像分割及代表元体积分析，得到岩石基质的三维数字岩心，它们具有不同的孔隙结构。

考虑到后续渗流模拟的计算精度与计算速度，构建的数字岩心实际物理尺寸为600μm×600μm×600μm。采用孔隙空间点距离标记的方法剔除孤立孔隙，将任何一个与孔隙空间体素点具有26连通性的孔隙空间点进行标记，经过筛选后最终得到连通孔隙岩石基质三维数字岩心。图1为碳酸盐岩数字岩心c15经过孤立孔隙剔除后三维孔隙空间分布图，灰色的为孔隙空间。

第二步，建立不同裂缝开度的平板裂缝模型

构建完全为骨架的三维数据体，分辨率为2μm，实际物理尺寸为600μm×600μm×600μm。采用控制变量方法，只改变裂缝开度，使构建裂缝的实际物理尺寸分别为4μm，10μm，16μm，20μm，30μm，40μm，60μm，80μm，100μm，保持裂缝其它参数不变，裂缝倾角0°，裂缝长度600μm，基于数字岩心叠加方法，构建不同裂缝开度的光滑平板裂缝模型。

第三步，建立裂缝-孔隙双重介质三维数字岩心

分别将第二步构建的不同裂缝开度的平板裂缝模型施加到第一步十块X射线CT扫描经过处理后的碳酸盐岩数字岩心上，共得到九十块裂缝-孔隙双重介质三维数字岩心。

第四步，利用格子玻尔兹曼方法计算三维数字岩心模型的渗透率

利用格子玻尔兹曼方法，施加压力梯度使渗流过程开始模拟，若系统迭代绝对渗透率变化率小于10^-6时，认为系统达到稳定状态。利用该方法对第三步得到的九十块裂缝-孔隙双重介质三维数字岩心进行渗流模拟，输出稳定状态时渗流场分布，计算每个三维数字岩心模型的渗透率。

第五步，根据计算得到的渗透率结果，构建裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型

分析第四步得到的平板裂缝模型渗透率，发现其满足理论推导的平板裂缝经典水动力学公式，也证明了格子玻尔兹曼方法对于裂缝性介质渗流模拟的适用性和准确性。

K_f＝0.833H_f ²φ_f (8)

式(8)中，K_f为裂缝渗透率，单位um²；H_f为裂缝开度，单位um；φ_f为裂缝孔隙度，单位为％。

裂缝与孔隙之间渗流耦合作用对裂缝-孔隙双重介质总渗透率的影响采用渗透率耦合系数k_x进行表征，

式(9)中，K_m为第一步建立的岩石基质数字岩心的渗透，K_f为第二步建立的平板裂缝模型渗透率，K为第三步建立的裂缝-孔隙双重介质的总渗透率。

如果裂缝与孔隙间没有渗流耦合作用，那么渗透率耦合系数k_x＝0，但实际渗透率耦合系数并不为零，而是随着裂缝开度变化的函数。如图2所示，对于十块扫描的碳酸盐岩数字岩心，随着施加的平板裂缝模型的开度不同，计算得到的渗透率耦合系数不同。对于每块碳酸盐岩数字岩心，研究施加不同裂缝开度的裂缝后计算得到的渗透率结果，对不同裂缝开度与渗透率耦合系数进行拟合，如图3所示，发现渗透率耦合系数与裂缝开度满足以下关系式：

k_x＝pH_f ^-q (10)

经过九十块裂缝-孔隙双重介质三维数字岩心结果分析，发现参数p，q反映岩心基质物性，是基质孔隙度的函数，如图4和图5所示，最终拟合得到渗透率耦合系数公式为

根据渗透率耦合系数的表征形式，裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的形式为

K＝K_f(k_x+1)+K_m (12)

将求得的平板裂缝模型渗透率公式与渗透率耦合系数公式带入以上公式，构建裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型：

如图6、7所示是碳酸盐储层两口井，处理层段为裂缝-孔隙双重介质碳酸盐岩储层，利用了本发明裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型分别计算储层渗透率，从图中可以看出，裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型计算渗透率与岩心分析渗透率值较为吻合，计算结果比没有考虑渗流耦合作用的Kazemi渗透率模型更准确，证明该渗透率模型效果好。

利用本发明裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型计算裂缝-孔隙双重介质储层渗透率，能够解决裂缝-孔隙双重介质渗流耦合作用对总渗透率造成的影响，可以准确计算裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率，在双重介质储层中计算渗透率具备其它渗透率模型无法比拟的优势，准确计算渗透率，为储层评价提供有力帮助，具有较高推广价值和社会效益

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的建立方法，其特征在于，构建步骤如下：

第一步，建立不同孔隙结构的岩石基质三维数字岩心；

第二步，建立不同裂缝开度的平板裂缝模型；

第三步，建立裂缝-孔隙双重介质三维数字岩心；

第四步，利用格子玻尔兹曼方法计算三维数字岩心模型的渗透率；

第五步，根据计算得到的渗透率结果，构建裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型。

2.如权利要求1所述的一种裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的建立方法，其特征在于，上述建立不同孔隙结构的岩石基质三维数字岩心：从目标储层裂缝不发育段取心后进行CT扫描，对CT扫描图像进行滤波处理、图像分割及代表元体积分析，得到岩石基质三维数字岩心。

3.如权利要求2所述的一种裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的建立方法，其特征在于，得到岩石基质三维数字岩心后，为使后续渗流模拟更加准确和稳，采用孔隙空间点距离标记的方法剔除孤立孔隙，将任何一个与孔隙空间体素点具有26连通性的孔隙空间点进行标记，最终得到连通孔隙岩石基质三维数字岩心。

4.如权利要求1所述的一种裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的建立方法，其特征在于，上述建立不同裂缝开度的平板裂缝模型：构建完全为骨架的三维数据体，该三维数据体的体素个数及分辨率与建立的岩心基质三位数字岩心的参数一致；再采用控制变量方法，只改变裂缝开度，固定其它裂缝参数，基于数字岩心叠加方法，构建不同裂缝开度的光滑平板裂缝模型。

5.如权利要求1所述的一种裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的建立方法，其特征在于，上述建立裂缝-孔隙双重介质三维数字岩心：基于数字岩心叠加方法，分别将构建的不同裂缝开度平板裂缝模型施加到不同孔隙结构的岩石基质三维数字岩心上。

6.如权利要求1所述的一种裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的建立方法，其特征在于，上述利用格子玻尔兹曼方法计算三维数字岩心模型的渗透率：采用格子玻尔兹曼方法中的D₃Q₁₉模型模拟岩石的渗流特性，对构建的三维数字岩心施加相同的宏观压力梯度开始进行渗流模拟，直到粒子分布函数达到稳定态，得到渗流稳定态的三维空间渗流场分布，并根据出口端流量计算每个数字岩心的渗透率。

7.如权利要求6所述的一种裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的建立方法，其特征在于，D₃Q₁₉模型粒子分布函数的演化方程：

演化方程可以分为两部分，等式左边为传播步，右边为碰撞步，式(1)中，f_i(x，t)是t时刻在x位置第i个方向上流体粒子的传播函数，f_i(x+e_iΔt，t+Δt)是t+Δt时刻在x位置第i个方向上流体粒子的传播函数；

τ是弛豫时间常量，f_i ^eq(x，t)是t时刻相同位置处流体粒子的平衡态分布函数，可以表达为：

式(2)中，ρ是流体密度，c＝Δx/Δt，ω_i是权重因子，ω₀＝1/3，ω_{i＝1，2…6＝1/18}，ω_{i＝7，8…15＝1/36}；u是根据动量守恒定律和质量守恒得到的流体线性宏观速度，单位是lu/ts，u可以写成：

8.如权利要求6所述的一种裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的建立方法，其特征在于，给系统施加一定的宏观压力梯度使其开始演化，碰撞步和传播步重复执行直到粒子分布函数达到稳定态，局部流量可以通过下式计算得到：

由达西定律得：

式(5)中，<q>表示沿着x方向通过岩心的流量，单位是cm³/s；dP/dx表示x方向压力梯度，单位是MPa/cm；A表示垂直于x方向岩心的横截面积，单位是cm²；η表示流体的动力粘度系数，单位是MPa；K表示在x方向岩心渗透率，单位是um²；通过求解达西定律各个参数，得到某个三维数字岩心的渗透率。

9.如权利要求8所述的一种裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的建立方法，其特征在于，裂缝-孔隙双重介质耦合渗透率模型的形式为：

K＝K_f(1+k_x)+K_m (6)

式(6)中，K为裂缝-孔隙双重介质总渗透率，单位um²；K_f为裂缝渗透率，单位um²；k_x为裂缝-孔隙双重介质渗透率耦合系数，无因次量；K_m为岩石基质渗透率，单位um²；其中，k_x用裂缝开度及岩心基质相关参数进行拟合；

k_x＝pH_f ^-q (7)

式(7)中，参数p，q反映岩心基质物性，通过数字岩心方法进行拟合求取。