CN112818513B - 裂缝性页岩渗透率的评价方法和评估模型及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了裂缝性页岩渗透率的评价方法和评估模型及其构建方法，所述评估模型为所述评价方法通过页岩储层的总渗透率K来评价裂缝性页岩的渗透性，其中，页岩储层的总渗透率K通过页岩渗透率评估模型计算；所述构建方法包括以下步骤：S1、基于混合分形单元模型和达西定律，推导页岩基质的渗透率表达式；S2、基于分形理论，建立天然裂缝开度和长度的分形特征表达模型；S3、基于步骤S2中的模型和立方定律，推导天然裂缝的渗透率表达式；S4、基于页岩基质的渗透率表达式和天然裂缝的渗透率表达式，推导整体页岩储层的渗透率表达式。本发明预测包括页岩基质以及天然裂缝的渗透率的准确率高达95％以上，大大节约评估成本。
Description
技术领域
本发明涉及页岩渗透率的评价方法技术领域，具体来讲，涉及裂缝性页岩渗透率的评价方法和评估模型及其构建方法。
背景技术
众所周知，页岩是一种非常规的含气储层，其最为特别的特征就是天然裂缝相当发育。所以评价这种裂缝发育页岩的渗透性，需要从两个方面来评价。一个方面需要对页岩基质的渗透性进行评价，另一个方面需要从页岩天然裂缝的渗透性进行评价。在整个页岩渗流系统中，由于天然裂缝与基质渗透性的巨大差异，其评价机制也大不相同，所以准确的评价天然裂缝发育页岩的渗透性具有相当大难度。
例如，于2018年12月21日公开的名称为基于气测渗透率评价滑溜水对页岩渗透率影响效果的方法、公开号为CN109060634A的专利申请文献记载了一种采用气测渗透率的实验方法得到干燥岩心的渗透率的新的实验方法，能够确保滑溜水压裂液对页岩产生的影响能够真实全面的反映出来。于2018年12月25日公开的名称为一种评价滑溜水侵入量对页岩渗透率影响效果的方法、公开号为CN109085108A的专利申请文献记载了一只利用核磁共振测试来评价滑溜水浸入量对页岩渗透率影响效果的方法。于2018年12月25日公开的名称为一种评价滑溜水浸润时间对页岩渗透率影响效果的方法、公开号为CN109085109A的专利申请文献记载了一种利用核磁共振测试来评价滑溜水浸润时间对页岩渗透率影响效果的方法。上述专利申请文献均提供的是如何利用实验评价滑溜水对页岩渗透率影响效果的方法，但不能用于直接预测包括页岩基质以及天然裂缝的渗透率。
因此，需要一种新的方法表征页岩孔隙以及天然裂缝结构以及预测页岩渗透率，这对于页岩气开发具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够在考虑页岩气渗流特征以及分形特征条件下，准确预测包括页岩基质以及天然裂缝的渗透率的评价方法和评估模型。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种裂缝性页岩渗透率的评估模型，所述页岩渗透率评估模型的计算方程如式(8)所示：
式中，K为页岩储层的总渗透率，m2；Km为页岩基质的渗透率，m2；Kf为页岩储层中天然裂缝的渗透率，m2；π为圆周率，无量纲；Dp为孔隙面积分形维数，无量纲；λmax为最大毛管束管道直径，m；Dtp为迂曲度分形维数，无量纲；L0为模型特征长度，m；W0为模型特征宽度，m；H0为模型特征高度，m；θ为天然裂缝的倾角，度；α为天然裂缝的逼近角，度；De为裂缝开度分布的分形维数，无量纲；Dtf为天然裂缝长度分布的分形维数，无量纲；emax为最大裂缝开度，m。
本发明的又一方面提供了一种裂缝性页岩渗透率的评价方法，所述评价方法通过页岩储层的总渗透率K来评价裂缝性页岩的渗透性，其中，页岩储层的总渗透率K通过上述的页岩渗透率评估模型计算。
本发明的另一方面提供了一种裂缝性页岩渗透率的评估模型的构建方法，所述构建方法包括以下步骤：S1、基于混合分形单元模型，建立由分形维数、最大孔隙直径以及模型尺寸数据表示的通过页岩基质的气体通量表达式，再基于达西定律，推导页岩基质的渗透率表达式；S2、基于分形理论，建立页岩储层中天然裂缝开度和天然裂缝长度的分形特征表达模型；S3、基于天然裂缝开度和天然裂缝长度的分形特征表达模型以及立方定律，建立页岩渗流过程中通过天然裂缝的气体通量表达式，再基于达西定律，推导天然裂缝的渗透率表达式；S4、基于页岩基质的渗透率表达式和天然裂缝的渗透率表达式，推导整体页岩储层的渗透率表达式。
在本发明的裂缝性页岩渗透率的评估模型的构建方法的一个示例性实施例中，所述通过页岩基质的气体通量表达式的方程可如式(1)所示：
所述页岩基质的渗透率表达式的方程可如式(2)所示：
式中，ΔP为裂缝两端的压力差值，MPa；Qm为气体通过页岩基质的通量，kg/(m2.s)；π为圆周率，无量纲；Dp为孔隙面积分形维数，无量纲；λmax为最大毛管束管道直径，m；Dtp为迂曲度分形维数，无量纲；μ为气体粘度，mPa.s；L0为模型特征长度，m；W0为模型特征宽度，m；H0为模型特征高度，m。
在本发明的裂缝性页岩渗透率的评估模型的构建方法的一个示例性实施例中，所述天然裂缝开度的分形特征表达模型的方程可如式(4)所示：
所述天然裂缝长度的分形特征表达模型可如式(5)所示：
式中，i为第i条天然裂缝,无量纲；ei为第i条天然裂缝的开度，m；emin为最小裂缝开度，m；emax为最大裂缝开度，m；Ri为随机数，无量纲；De为裂缝开度分布的分形维数，无量纲；Ltf为天然裂缝的长度，m；θ为天然裂缝的倾角，度。
在本发明的裂缝性页岩渗透率的评估模型的构建方法的一个示例性实施例中，，所述通过天然裂缝的气体通量表达式的方程可如式(6)所示：
所述天然裂缝的渗透率表达式的方程可如式(7)所示：
式中，Qf为气体通过天然裂缝的通量，kg/(m2.s)；α为天然裂缝的逼近角，度；Dtf为天然裂缝长度分布的分形维数，无量纲；Kf为页岩储层中天然裂缝渗透率，m2。
与现有技术相比，本发明的有益效果和优点可包括以下内容中的至少一项：
(1)本发明针对天然裂缝发育的页岩储层，提出了一种以分形理论以及混合分形单元模型为基础的解析解模型方法；
(2)本发明的模型和方法能够在考虑页岩气渗流特征以及分形特征条件下，预测包括页岩基质以及天然裂缝的渗透率的准确率高达95％以上；
(3)本发明的模型和方法大大节约了页岩渗透的评估成本，对丰富天然裂缝渗透率预测基础理论、促进页岩气开发具有重要意义。
附图说明
图1示出了本发明的一个示例性实施例中的混合分形计算单元模型所对应的物理模型的结构示意图；
图2示出了本发明的一个示例性实施例中的天然裂缝逼近角与页岩渗透率的关系曲线图；
图3示出了本发明的一个示例性实施例中的不同孔隙面积分形维数下裂缝开度分布的分形维数与页岩渗透率的关系曲线图。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例和附图来详细说明本发明的裂缝性页岩渗透率的评价方法和评估模型及其构建方法。
在本发明的一个示例性实施例中，本发明的一方面提供了一种裂缝性页岩渗透率的评估模型的构建方法，所述构建方法包括以下步骤：
S1、基于混合分形单元模型，建立由分形维数、最大孔隙直径以及模型尺寸数据表示的通过页岩基质的气体通量表达式，再基于达西定律，推导页岩基质的渗透率表达式。
所述通过页岩基质的气体通量表达式的方程可如式(1)所示：
所述页岩基质的渗透率表达式的方程可如式(2)所示：
式中，ΔP为裂缝两端的压力差值，MPa；Qm为气体通过页岩基质的通量，kg/(m2.s)；π为圆周率，无量纲；Dp为孔隙面积分形维数，无量纲；λmax为最大毛管束管道直径，m；Dtp为迂曲度分形维数，无量纲；μ为气体粘度，mPa.s；L0为模型特征长度，m；W0为模型特征宽度，m；H0为模型特征高度，m。
这里，达西定律的表达式如下：
式中，Q为通过介质的流体流量，m3/s；μ为流体粘度，mPa.s；L为流体流过介质的厚度，m；A为垂直于流体流动方向的介质横截面积，m2；ΔP为流体两端的压力差值，Pa；K为渗透率，m2。
S2、基于分形理论，建立页岩储层中天然裂缝开度和天然裂缝长度的分形特征表达模型。
所述天然裂缝开度的分形特征表达模型的方程可如式(4)所示：
所述天然裂缝长度的分形特征表达模型可如式(5)所示：
式中，i为第i条天然裂缝,无量纲；ei为第i条天然裂缝的开度，m；emin为最小裂缝开度，m；emax为最大裂缝开度，m；Ri为随机数，无量纲；De为裂缝开度分布的分形维数，无量纲；Ltf为天然裂缝的长度，m；θ为天然裂缝的倾角，度。
S3、基于天然裂缝开度和天然裂缝长度的分形特征表达模型以及立方定律，建立页岩渗流过程中通过天然裂缝的气体通量表达式，再基于达西定律，推导天然裂缝的渗透率表达式。
所述通过天然裂缝的气体通量表达式的方程可如式(6)所示：
所述天然裂缝的渗透率表达式的方程可如式(7)所示：
式中，Qf为气体通过天然裂缝的通量，kg/(m2.s)；α为天然裂缝的逼近角，度；Dtf为天然裂缝长度分布的分形维数，无量纲；Kf为页岩储层中天然裂缝渗透率，m2。
S4、基于页岩基质的渗透率表达式和天然裂缝的渗透率表达式，推导整体页岩储层的渗透率表达式。
所述整体页岩储层的渗透率表达式可为：
式中，K为页岩储层的总渗透率，m2。
本发明的又一方面提供了一种裂缝性页岩渗透率的评估模型，所述页岩渗透率评估模型的计算方程如式(8)所示：
式中，K为页岩储层的总渗透率，m2；Km为页岩基质的渗透率，m2；Kf为页岩储层中天然裂缝的渗透率，m2；π为圆周率，无量纲；Dp为孔隙面积分形维数，无量纲；λmax为最大毛管束管道直径，m；Dtp为迂曲度分形维数，无量纲；L0为模型特征长度，m；W0为模型特征宽度，m；H0为模型特征高度，m；θ为天然裂缝的倾角，度；α为天然裂缝的逼近角，度；De为裂缝开度分布的分形维数，无量纲；Dtf为天然裂缝长度分布的分形维数，无量纲；emax为最大裂缝开度，m。
本发明的另一方面提供了一种裂缝性页岩渗透率的评价方法，所述评价方法通过页岩储层的总渗透率K来评价裂缝性页岩的渗透性，其中，页岩储层的总渗透率K通过上述的页岩渗透率评估模型计算。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。
示例1
在本示例中，以四川长宁地区的页岩储层为例，进行页岩渗流率的计算。四川长宁地区的页岩储层的天然裂缝相当发育，具有非常典型的分形特征。通过现场测井、试井，获取了该区块的地质资料。
利用混合分形单元法，在考虑页岩气渗流特征以及分形特征条件下，建立三维混合分形计算单元模型。如图1所示为混合分形计算单元模型所对应的物理模型的结构示意图。根据图1中的物理模型，可建立三维混合分形计算单元模型，计算确定分形维数。具体的模拟方法步骤如下：
(1)通过现场测井与试井获取的地质参数，具体的地质参数包括：最大孔隙直径(即最大毛管束管道直径λmax)为100nm、最大天然裂缝开度(即emax)为5000nm、天然裂缝的倾角(即θ)为0～80度、天然裂缝逼近角(即α)为0～80度。
(2)将所有地质参数代入整体页岩储层的渗透率表达式方程(即式(8))中，然后根据图1中的物理模型可计算确定模型尺寸(即模型特征长度L0、模型特征宽度W0、以及模型特征高度H0)和分形维数(即孔隙面积分形维数Dp、迂曲度分形维数Dtp、裂缝开度分布的分形维数De、以及天然裂缝长度分布的分形维数Dtf)，将模型尺寸和分形维数代入整体页岩储层的渗透率表达式方程(即式(8))。通过改变不同的天然裂缝逼近角与分形维数，就可以快速得到如图2所示的天然裂缝逼近角与页岩渗透率之间的关系曲线、以及如图3所示的不同孔隙面积分形维数下裂缝开度分布的分形维数与页岩渗透率之间的关系曲线，这两组曲线分别表示了天然裂缝逼近角对页岩渗透率的影响以及孔隙分形维数、裂缝开度分布的分形维数与页岩渗透率之间的关系。
按照本示例所述步骤，可以获得具有不同地质参数区块的准确渗透率值，准确率高达95％以上，可以为页岩气藏有效评价以及准确评估页岩气流动特性提供精确的参考。
综上所述，本发明的有益效果和优点包括：
(1)本发明针对天然裂缝发育的页岩储层，提出了一种以分形理论以及混合分形单元模型为基础的解析解模型方法；
(2)本发明的模型和方法能够在考虑页岩气渗流特征以及分形特征条件下，预测包括页岩基质以及天然裂缝的渗透率的准确率高达95％以上；
(3)本发明的模型和方法大大节约了页岩渗透的评估成本，对丰富天然裂缝渗透率预测基础理论、促进页岩气开发具有重要意义。
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。
Claims (4)
1.一种裂缝性页岩渗透率的评估模型的构建方法，其特征在于，所述构建方法包括以下步骤：
S1、基于混合分形单元模型，建立由分形维数、最大孔隙直径以及模型尺寸数据表示的通过页岩基质的气体通量表达式，再基于达西定律，推导页岩基质的渗透率表达式；
S2、基于分形理论，建立页岩储层中天然裂缝开度和天然裂缝长度的分形特征表达模型；
S3、基于天然裂缝开度和天然裂缝长度的分形特征表达模型以及立方定律，建立页岩渗流过程中通过天然裂缝的气体通量表达式，再基于达西定律，推导天然裂缝的渗透率表达式；
S4、基于页岩基质的渗透率表达式和天然裂缝的渗透率表达式，推导整体页岩储层的渗透率表达式；
所述通过页岩基质的气体通量表达式的方程如式(1)所示：
所述天然裂缝开度的分形特征表达模型的方程如式(4)所示：
所述天然裂缝长度的分形特征表达模型如式(5)所示：
所述整体页岩储层的渗透率表达式如式(8)所示：
式中，ΔP为裂缝两端的压力差值，MPa；Qm为气体通过页岩基质的通量，kg/(m2.s)；π为圆周率，无量纲；Dp为孔隙面积分形维数，无量纲；λmax为最大毛管束管道直径，m；Dtp为迂曲度分形维数，无量纲；μ为气体粘度，mPa.s；L0为模型特征长度，m；i为第i条天然裂缝,无量纲；ei为第i条天然裂缝的开度，m；emin为最小裂缝开度，m；emax为最大裂缝开度，m；Ri为随机数，无量纲；De为裂缝开度分布的分形维数，无量纲；Ltf为天然裂缝的长度，m；θ为天然裂缝的倾角，度；Dtf为天然裂缝长度分布的分形维数，无量纲；K为页岩储层的总渗透率，m2；Km为页岩基质的渗透率，m2；Kf为页岩储层中天然裂缝的渗透率，m2；W0为模型特征宽度，m；H0为模型特征高度，m；α为天然裂缝的逼近角，度。
2.根据权利要求1所述的裂缝性页岩渗透率的评估模型的构建方法，其特征在于，所述页岩基质的渗透率表达式的方程如式(2)所示：
3.根据权利要求1所述的裂缝性页岩渗透率的评估模型的构建方法，其特征在于，所述通过天然裂缝的气体通量表达式的方程如式(6)所示：
所述天然裂缝的渗透率表达式的方程如式(7)所示：
式中，Qf为气体通过天然裂缝的通量，kg/(m2.s)。
4.一种裂缝性页岩渗透率的评价方法，其特征在于，所述评价方法通过页岩储层的总渗透率K来评价裂缝性页岩的渗透性，其中，页岩储层的总渗透率K通过如权利要求1所述的整体页岩储层的渗透率表达式来计算。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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