CN110909477A - 一种酸蚀裂缝粗糙程度定量表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种酸蚀裂缝粗糙程度定量表征方法，包括以下步骤：制成多块尺寸相同的原始方形岩板；使用三维激光扫描仪获取三维点云数据；通过插值获取酸刻蚀前岩板一阶点云数据和酸刻蚀前岩板二阶点云数据；计算面积迂曲度和岩板长宽两方向的平均线迂曲度；对劈裂岩样开展酸刻蚀物理模拟实验，获取酸刻蚀后岩板，扫描岩板并计算岩板一阶面积迂曲度和二阶面积迂曲度以及岩板长宽两方向的平均线迂曲度；根据数据来定量表征裂缝面的粗糙度程度。本发明能够定量表征粗糙裂缝面酸刻蚀后在酸液不同流动方向上，不同尺度上的粗糙程度变化，为酸液在粗糙水力裂缝中的流动规律研究提供准确可靠的基础参数，也为研究真实酸蚀裂缝导流能力预测模型提供依据。

Description

一种酸蚀裂缝粗糙程度定量表征方法

技术领域

本发明涉及一种酸蚀裂缝粗糙程度定量表征方法，属于石油工程领域。

背景技术

酸压是碳酸盐岩储层增产改造的主要措施，施工时首先通过井筒向储层挤注具有较高黏度的前置液，依靠压裂液在井底储层上形成很高的压力，压开储层岩石并产生压裂裂缝，或者使原有的天然裂缝张开。然后向裂缝中注入酸液，对裂缝表面产生非均匀刻蚀，形成具有一定导流能力的酸蚀裂缝，为流体提供流动通道，从而达到改善油气渗流条件和油气增产的目的。酸蚀裂缝导流能力是评价酸蚀裂缝允许流体通过能力的指标，导流能力越高，流体在酸蚀裂缝中的流动性越好，越有利于油气增产。酸蚀裂缝导流能力主要由酸蚀裂缝形貌、储层岩石力学性质等因素决定。对酸蚀裂缝表面形貌进行定量化表征，有利于对储层条件下粗糙酸压裂缝导流能力进行准确预测，提高酸压效果。然而，目前对酸蚀裂缝表面形貌表征的方法主要包括统计参数法、分形几何法、岩石节理粗糙度系数表征法等。但是这些参数都是表征整个粗糙裂缝表面的均值，而裂缝面的粗糙度是由大尺度波动的波状形态及小尺度粗糙的非均匀体两部分共同构成(ISRM.International society for rockmechanics commission on standardization of laboratory and field tests:Suggested methods for the quantitative description of discontinuities in rockmasses[J].International Journal of Rock Mechanics&Mining Sciences&Geomechanics Abstracts，1978，15(6)：319–368.)，裂缝面的粗糙度存在多尺度效应，目前的表征方法对裂缝面的表征并不完整。

发明内容

针对上述问题，本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种酸蚀裂缝粗糙程度定量表征方法，本发明可准确评价酸刻蚀前后岩石粗糙裂缝表面形貌，为酸蚀裂缝导流能力的预测及现场酸压施工参数的优化提供指导。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种酸蚀裂缝粗糙程度定量表征方法，包括以下步骤：

S1、采集碳酸盐岩储层段的井下岩心或者同层位露头岩石，并制成多块尺寸相同的原始方形岩板；

S2、在原始方形岩板中部沿岩板长度方向预制划痕，再将预制划痕的原始方形岩板劈裂为一对具有粗糙表面形态的劈裂岩样；

S3、使用三维激光扫描仪扫描劈裂岩样的上下两个表面来获取三维点云数据，再采用标准差滤波法对三维点云数据进行降噪处理；

S4、采用克里金插值法对步骤S3中获取的三维点云数据进行插值，插值时所设置的步长分别为1mm×1mm和0.1mm×0.1mm，插值后获得的三维点云数据分别为酸刻蚀前岩板一阶点云数据、酸刻蚀前岩板二阶点云数据；

S5、利用步骤S4中获取的酸刻蚀前岩板一阶点云数据、酸刻蚀前岩板二阶点云数据，分别计算酸刻蚀前岩板的一阶面积迂曲度和二阶面积迂曲度；利用步骤S4中获取的酸刻蚀前岩板二阶点云数据，计算岩板长宽两个方向的平均线迂曲度；

S6、对步骤S2中的具有粗糙表面形态的劈裂岩样开展酸刻蚀物理模拟实验，获取酸刻蚀后岩板，并使用三维激光扫描仪扫描酸刻蚀后岩板来获取酸刻蚀后的三维点云数据并剔除噪点数据；

S7、再采用克里金插值法对步骤S6中获取的酸刻蚀后的三维点云数据进行插值，插值时所设置的步长分别为1mm×1mm和0.1mm×0.1mm，插值后获得的三维点云数据分别为酸刻蚀后岩板一阶点云数据、酸刻蚀后岩板二阶点云数据；

S8、利用步骤S7中获取的酸刻蚀后岩板一阶点云数据、酸刻蚀后岩板二阶点云数据，分别计算酸刻蚀后岩板的一阶面积迂曲度和二阶面积迂曲度；利用步骤S7中获取的酸刻蚀后岩板二阶点云数据，计算岩板长宽两个方向的平均线迂曲度；

S9、最后根据步骤S5和步骤S8中获取的数据来定量表征裂缝面在酸蚀前后不同方向、不同尺度下的粗糙度程度。

进一步的技术方案是，所述步骤S3中采用标准差滤波法对三维点云数据进行降噪处理的具体过为：

步骤S31、在扫描获取的裂缝面三维点云数据数组{X_i、Y_i、Z_i}中计算每个点{X_n、Y_n、Z_n}与之临近的8个邻域点的距离，8个领域点的x和y方向坐标分别为{X_n-1、Y_n-1}、{X_n-1、Y_n}、{X_n-1、Y_n+1}、{X_n、Y_n-1}、{X_n、Y_n+1}、{X_n+1、Y_n-1}、{X_n+1、Y_n}、{X_n+1、Y_n+1}；

步骤S32、对步骤S31中计算的距离进行统计，并计算平均距离的均值u和标准差r；

步骤S33、判断点{X_n、Y_n、Z_n}到8个邻域点的平均距离u与距离阈值d＝u±5r之间的关系；若大于距离d，则为噪点进行去除。

进一步的技术方案是，所述步骤S5和步骤S8中的一阶面积迂曲度和二阶面积迂曲度均通过以下公式计算得到：

式中：R_s1为酸刻蚀前后一阶面积迂曲度；A_s1为酸刻蚀前后粗糙裂缝面一阶裂缝面面积(插值步长为1mm时的点云数据计算得到的粗糙裂缝面实际面积)；A_n为粗糙裂缝面投影面积；

采用下式计算裂缝面的投影面积：

A_n＝l×w

式中：A_n为粗糙裂缝面投影面积；l为岩板长度；w为岩板宽度；

式中：R_s2为酸刻蚀前后二阶面积迂曲度；A_s2为酸刻蚀前后粗糙裂缝面二阶裂缝面面积(插值步长为0.1mm时的点云数据计算得到的粗糙裂缝面实际面积)；

粗糙裂缝面一阶裂缝面面积和粗糙裂缝面二阶裂缝面面积由下式进行计算，其中当插值步长为1mm时，A_s＝A_s1；插值步长为0.1mm时，A_s＝A_s2：

式中：A_s为酸刻蚀前后粗糙裂缝面面积；N_x为扫描仪在x方向的总扫描步数；N_y为扫描仪在y方向的总扫描步数；ΔL_x为扫描仪在x方向的扫描步长；ΔL_y为扫描仪在y方向的扫描步长；z_((i+1),j)、z_(i,j)和z_(i,(j+1))为点云数据分别在(i+1,j)、(i,j)、(i,j+1)位置处z方向的高度；

进一步的技术方案是，所述步骤S5和步骤S8中的岩板长宽两方向的平均线迂曲度均通过以下公式计算得到，其中岩板长方向(酸液流动方向)为y方向，岩板宽方向(酸液流动方向的法向)为x方向，岩板高方向为z方向；

式中：ε_x为岩板在x方向的平均线迂曲度；ε_y为岩板在y方向的平均线迂曲度；N_x为扫描仪在x方向的总扫描步数；N_y为扫描仪在y方向的总扫描步数；ΔL_x为扫描仪在x方向的扫描步长；ΔL_y为扫描仪在y方向的扫描步长；z_((i+1),j)、z_(i,j)和z_(i,(j+1))为点云数据分别在(i+1,j)、(i,j)、(i,j+1)位置处z方向的高度。

进一步的技术方案是，所述步骤S9中的具体表征为：

当酸刻蚀后一阶面积迂曲度大于酸刻蚀前一阶面积迂曲度时，表明酸刻蚀后岩板起伏程度增加，酸液主要加深了岩板凹坑部分的溶蚀；反之则表明起伏程度减小，酸液主要溶蚀了岩板凸起部分；

当酸刻蚀后二阶面积迂曲度大于酸刻蚀前一阶面积迂曲度时，表明酸刻蚀后岩板表面微凸点的不平整程度增加，酸液加深了岩板表面的不平整程度，酸蚀后岩板表面变的更粗糙；反之则表明表面微凸点的不平整程度减小，微凸点被溶蚀，酸蚀后岩板表面变的更光滑；

当酸刻蚀后岩板长方向的平均线迂曲度大于酸刻蚀前长方向的平均线迂曲度时，表明岩板长方向粗糙度增加，反之则表明岩板长方向粗糙度减少；

当酸刻蚀后岩板宽方向的平均线迂曲度大于酸刻蚀前宽方向的平均线迂曲度时，表明岩板宽方向粗糙度增加，反之则表明岩板宽方向粗糙度减少。

本发明具有以下有益效果：本发明能够定量表征粗糙裂缝面酸刻蚀后在酸液不同流动方向上，不同尺度上的粗糙程度变化，为酸液在粗糙水力裂缝中的流动规律研究提供准确可靠的基础参数，也为研究真实水力裂缝的酸蚀裂缝导流能力预测模型提供依据。

附图说明

图1刻蚀前岩板成像图；

图2刻蚀后岩板成像图；

图3刻蚀前岩板一阶表面成像图；

图4刻蚀后岩板一阶表面成像图；

图5刻蚀前岩板二阶表面成像图；

图6刻蚀后岩板二阶表面成像图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。

实施例1

本发明的一种酸蚀裂缝粗糙程度定量表征方法，具体实施过程如下：

S1、采集四川地区灯影组碳酸盐岩储层段的露头岩石，采用岩样切割机制作多块尺寸相同的原始方形岩板，尺寸为长178mm、宽38mm、高60mm；

S2、使用雕刻刀在原始方形岩板中部沿岩板长度方向预制划痕，将预制划痕的方形岩板放入岩板劈裂装置中；将岩板劈裂装置放于压力机上，启动压力机缓慢加压直至预制划痕的方形岩板劈裂为一对具有粗糙表面形态的劈裂岩样；

S3、采用三维激光扫描仪扫描劈裂岩样上下两个表面获取粗糙形貌数据，即为三维点云数据，采用标准差滤波法对三维点云数据进行降噪处理；

S4、采用克里金插值法对步骤S3中获取的三维点云数据进行插值，插值时所设置的步长为1mm×1mm，插值后获得的点云数据即为酸刻蚀前岩板一阶点云数据；

S5、采用克里金插值法对步骤S3中获取的点云数据进行插值，插值时所设置的步长为0.1mm×0.1mm，插值后获得的点云数据即为酸刻蚀前岩板二阶点云数据；

S6、利用步骤S4和S5中获取的酸刻蚀前岩板一阶点云数据、酸刻蚀前岩板二阶点云数据，分别计算酸刻蚀前岩板的一阶面积迂曲度和二阶面积迂曲度；利用步骤S5中获取的酸刻蚀前岩板二阶点云数据，计算岩板长宽两个方向的平均线迂曲度，计算结果如表1所示；

表1 酸刻蚀前岩板迂曲度计算结果

S7、对步骤S2中的具有粗糙表面形态的劈裂岩样开展酸刻蚀物理模拟实验，获取酸刻蚀后岩板，采用三维激光扫描仪扫描酸刻蚀后的岩板裂缝形貌获取三维点云数据并剔除噪点数据；

S8、采用克里金插值法对步骤S7中获取的点云数据进行插值，插值时所设置的步长为1mm×1mm，插值后获得的点云数据即为酸刻蚀后岩板一阶点云数据；

S9、采用克里金插值法对步骤S7中获取的点云数据进行插值，插值时所设置的步长为0.1mm×0.1mm，插值后获得的点云数据即为酸刻蚀后岩板二阶点云数据；

S10、利用步骤S8和S9中获取的酸刻蚀后岩板一阶点云数据、酸刻蚀后岩板二阶点云数据，分别计算酸刻蚀后岩板的一阶面积迂曲度和二阶面积迂曲度；利用步骤S9中获取的酸刻蚀后岩板二阶点云数据，计算岩板长宽两个方向的平均线迂曲度，酸刻蚀前后岩板迂曲度计算结果如表2所示；

表2 酸刻蚀前后岩板迂曲度计算结果

S11、根据上述计算得到的数据定量表征裂缝面在酸蚀前后不同方向、不同尺度下的粗糙度程度；

由表2和附图1-6，可以看出岩板在刻蚀后一阶面积迂曲度增加，表明岩板在刻蚀后表面起伏度增加，酸液主要加深了岩板凹坑部分的溶蚀；岩板在刻蚀后二阶面积迂曲度增加，表明酸刻蚀后岩板表面微凸点的不平整程度增加，酸液加深了岩板表面的不平整程度，酸蚀后岩板表面变的更粗糙；岩板在刻蚀后岩板长和宽方向平局线迂曲度增加，表明刻蚀后表明岩板长和宽方向粗糙度增加。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种酸蚀裂缝粗糙程度定量表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集碳酸盐岩储层段的井下岩心或者同层位露头岩石，并制成多块尺寸相同的原始方形岩板；

S2、在原始方形岩板中部沿岩板长度方向预制划痕，再将预制划痕的原始方形岩板劈裂为一对具有粗糙表面形态的劈裂岩样；

S3、使用三维激光扫描仪扫描劈裂岩样的上下两个表面来获取三维点云数据，再采用标准差滤波法对三维点云数据进行降噪处理；

S4、采用克里金插值法对步骤S3中获取的三维点云数据进行插值，插值时所设置的步长分别为1mm×1mm和0.1mm×0.1mm，插值后获得的三维点云数据分别为酸刻蚀前岩板一阶点云数据、酸刻蚀前岩板二阶点云数据；

S5、利用步骤S4中获取的酸刻蚀前岩板一阶点云数据、酸刻蚀前岩板二阶点云数据，分别计算酸刻蚀前岩板的一阶面积迂曲度和二阶面积迂曲度；利用步骤S4中获取的酸刻蚀前岩板二阶点云数据，计算岩板长宽两个方向的平均线迂曲度；

S6、对步骤S2中的具有粗糙表面形态的劈裂岩样开展酸刻蚀物理模拟实验，获取酸刻蚀后岩板，并使用三维激光扫描仪扫描酸刻蚀后岩板来获取酸刻蚀后的三维点云数据并剔除噪点数据；

S7、再采用克里金插值法对步骤S6中获取的酸刻蚀后的三维点云数据进行插值，插值时所设置的步长分别为1mm×1mm和0.1mm×0.1mm，插值后获得的三维点云数据分别为酸刻蚀前后板一阶点云数据、酸刻蚀后岩板二阶点云数据；

S8、利用步骤S7中获取的酸刻蚀后岩板一阶点云数据、酸刻蚀后岩板二阶点云数据，分别计算酸刻蚀后岩板的一阶面积迂曲度和二阶面积迂曲度；利用步骤S7中获取的酸刻蚀后岩板二阶点云数据，计算岩板长宽两个方向的平均线迂曲度；

S9、最后根据步骤S5和步骤S8中获取的数据来定量表征裂缝面在酸蚀前后不同方向、不同尺度下的粗糙度程度。

2.根据权利要求1所述的一种酸蚀裂缝粗糙程度定量表征方法，其特征在于，所述步骤S3中采用标准差滤波法对三维点云数据进行降噪处理的具体过为：

步骤S31、在扫描获取的裂缝面三维点云数据数组{X_i、Y_i、Z_i}中计算每个点{X_n、Y_n、Z_n}与之临近的8个邻域点的距离，8个领域点的x和y方向坐标分别为{X_n-1、Y_n-1}、{X_n-1、Y_n}、{X_n-1、Y_n+1}、{X_n、Y_n-1}、{X_n、Y_n+1}、{X_n+1、Y_n-1}、{X_n+1、Y_n}、{X_n+1、Y_n+1}；

步骤S32、对步骤S31中计算的距离进行统计，并计算平均距离的均值u和标准差r；

步骤S33、判断点{X_n、Y_n、Z_n}到8个邻域点的平均距离u与距离阈值d＝u±5r之间的关系；若大于距离d，则为噪点进行去除。

3.根据权利要求1所述的一种酸蚀裂缝粗糙程度定量表征方法，其特征在于，所述步骤S5和步骤S8中的一阶面积迂曲度和二阶面积迂曲度均通过以下公式计算得到：

式中：R_s1为一阶面积迂曲度；A_s1为粗糙裂缝面一阶裂缝面面积(插值步长为1mm时的点云数据计算得到的粗糙裂缝面实际面积)；A_n为粗糙裂缝面投影面积；

采用下式计算裂缝面的投影面积：

A_n＝l×w

式中：A_n为粗糙裂缝面投影面积；l为岩板长度；w为岩板宽度；

式中：R_s2为二阶面积迂曲度；A_s2为粗糙裂缝面二阶裂缝面面积；

粗糙裂缝面一阶裂缝面面积和粗糙裂缝面二阶裂缝面面积由下式进行计算，其中当插值步长为1mm时，A_s＝A_s1；插值步长为0.1mm时，A_s＝A_s2：

式中：A_s为粗糙裂缝面面积；N_x为扫描仪在x方向的总扫描步数；N_y为扫描仪在y方向的总扫描步数；ΔL_x为扫描仪在x方向的扫描步长；ΔL_y为扫描仪在y方向的扫描步长；z_((i+1),j)、z_(i,j)和z_(i,(j+1))为点云数据分别在(i+1,j)、(i,j)、(i,j+1)位置处z方向的高度。

4.根据权利要求3所述的一种酸蚀裂缝粗糙程度定量表征方法，其特征在于，所述步骤S5和步骤S8中的岩板长宽两方向的平均线迂曲度均通过以下公式计算得到，其中岩板长方向为y方向，岩板宽方向为x方向，岩板高方向为z方向；

式中：ε_x为岩板在x方向的平均线迂曲度；ε_y为岩板在y方向的平均线迂曲度；N_x为扫描仪在x方向的总扫描步数；N_y为扫描仪在y方向的总扫描步数；ΔL_x为扫描仪在x方向的扫描步长；ΔL_y为扫描仪在y方向的扫描步长；z_((i+1),j)、z_(i,j)和z_(i,(j+1))为点云数据分别在(i+1,j)、(i,j)、(i,j+1)位置处z方向的高度。

5.根据权利要求4所述的一种酸蚀裂缝粗糙程度定量表征方法，其特征在于，所述步骤S9中的具体表征为：

当酸刻蚀后一阶面积迂曲度大于酸刻蚀前一阶面积迂曲度时，表明酸刻蚀后岩板起伏程度增加，酸液主要加深了岩板凹坑部分的溶蚀；反之则表明起伏程度减小，酸液主要溶蚀了岩板凸起部分；

当酸刻蚀后二阶面积迂曲度大于酸刻蚀前一阶面积迂曲度时，表明酸刻蚀后岩板表面微凸点的不平整程度增加，酸液加深了岩板表面的不平整程度，酸蚀后岩板表面变的更粗糙；反之则表明表面微凸点的不平整程度减小，微凸点被溶蚀，酸蚀后岩板表面变的更光滑；

当酸刻蚀后岩板长方向的平均线迂曲度大于酸刻蚀前长方向的平均线迂曲度时，表明岩板长方向粗糙度增加，反之则表明岩板长方向粗糙度减少；

当酸刻蚀后岩板宽方向的平均线迂曲度大于酸刻蚀前宽方向的平均线迂曲度时，表明岩板宽方向粗糙度增加，反之则表明岩板宽方向粗糙度减少。

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