CN115114787B - 一种储层分形孔隙结构复杂组构模式表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种储层分形孔隙结构复杂组构模式表征方法，包括以下步骤：对表征体元空间进行非结构化剖分并得到子空间，设置表征体元空间中复杂元素的原始尺寸并作曲度处理得到一级孔隙空间，随机选择子空间作为分形相并构建二级孔隙空间以及重复迭代构建多孔介质模型并进行类型表征；本发明对储层复杂组构模式进行细化和扩充，厘清构建原始缩放体的孔隙、孔喉、倒角缓冲圆、连通程度等要素以及定义分形行为的缩放间隙度、缩放覆盖率等要素的复杂性归属及其对多孔介质类型及尺度不变类型的控制机制，使得依据储层特性，即可选定最接近真实孔隙结构特征的多孔介质模型类型，以实现对自然储层的精细表征和对任意复杂多孔介质的统一描述。

Description

一种储层分形孔隙结构复杂组构模式表征方法

技术领域

本发明涉及自然储层孔隙结构表征技术领域，尤其涉及一种储层分形孔隙结构复杂组构模式表征方法。

背景技术

多孔介质广泛存在于自然界、工程材料和动植物体内，是由固体骨架和具有一定连通程度的空隙组成的材料的统称，对多孔介质的研究与应用已渗透到岩土工程实践、环境修复与治理等人类生产活动的各个方面，探究多孔介质的微观孔隙结构及其内部物质的迁移、转化和分布规律能够为解决众多领域关键问题提供基础理论支撑，具有广泛而深远的意义，微观孔隙结构是影响宏观储层质量和流体流动最重要的因素，定量评价和表征复杂孔隙结构，深入研究多孔介质中流体的传输机制，对保持和提高资源采收率具有重要意义。

当前，对多孔介质的表征技术上可大致归为两种，一种是面向对象的实验法定量表征、成像技术和数值重构的定性表征，另一种是独立于对象并从本质角度出发的分形表征法；前者对多孔介质的表征往往受限于实验设计和人为操作的影响，从成像技术的分辨率限制，到压汞、核磁共振等方法测定孔径范围的限制及其在实验中对样品的破坏，再加上数值重构过程中的误差，使得所构建模型与真实储层孔隙空间存在一定的差异；后者则是基于分形理论，结合定量表征实验获取得孔径分布、孔隙度、分形维数等物性参数来反向构建多孔介质，但由于对储层孔隙结构中各要素的复杂性控制归属判识不清，对其复杂组构模式理解不全面，只能构建特定分形多孔介质，无法实现对任意多孔介质的统一描述，从而进一步影响对储层静态属性及动力学特征控制机理认识不清，因此，本发明提出一种储层分形孔隙结构复杂组构模式表征方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种储层分形孔隙结构复杂组构模式表征方法，解决现有的多孔介质的表征技术所构建模型与真实储层孔隙空间存在一定的差异以及无法实现对任意多孔介质的统一描述的问题。

为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种储层分形孔隙结构复杂组构模式表征方法，包括以下步骤：

步骤一：先构建尺寸为l_xmax×l_ymax的表征体元R₀，在表征体元空间中生成一组数量为N₀的离散点，再依据泰森多边形法对空间进行非结构化剖分，得到N₀个子空间；

步骤二：先设置子空间孔隙a₀和孔喉b₀的取值，将孔隙和孔喉分别放置在子空间各多边形的节点处和多边形边界线上，再分别以各相邻的孔隙和孔喉作为始点和结点，生成缓冲半径从a₀/2到b₀/2的连续变距缓冲区，接着设置连通性参数N_c、R_c的取值，同时设置倒角缓冲圆t₀取值，然后对子空间各多边形的倒角处和喉道断开点作曲度处理，得到一级孔隙空间；

步骤三：设定P_y/P_x取值生成新的R₁空间，随机选择F个子空间作为分形相，且F≤N₀，其余作为固相或孔隙相，确定x_p、x_s、x_f，在R₁空间中根据自相似或自仿射分形模型的缩放间隙度计算公式确定R₁空间的缩放间隙度P或P_y，并确定缩放覆盖率的期望值C_F；

步骤四：在F个分形相中分别随机生成N₀ ^xy个离散点进行空间剖分，构建二级孔隙空间，并在新的二级孔隙空间中选择F＝F×C_F个分形相，得到新一级的孔隙相和固相；

步骤五：重复迭代步骤四，得到最后一级孔隙空间R_i，将最后生成的R_i拉伸或压缩至原始尺寸l_xmax×l_ymax，得到最终的PTSNCF多孔介质模型，对PTSNCF多孔介质模型进行有效性验证，并对模型类型进行表征以适配不同类型储层。

进一步改进在于：所述步骤二中，所述a₀、b₀和t₀分别表示原始孔隙尺寸、原始孔喉尺寸和倒角处原始缓冲曲度，所述连通性参数N_c和R_c分别表示断开喉道的数量以及喉链的断开尺寸与总尺寸的百分比。

进一步改进在于：所述步骤三中，设置R₁空间的尺寸时，令l_{y max}＝(P_y/P_x)l_ymax，其中P_x和P_y分别表示x方向和y方向上的缩放间隙度。

进一步改进在于：在新的R₁空间内，当P_y/P_x＝1时，构建结果为自相似模型，当P_y/P_x≠1时，构建结果为自仿射模型。

进一步改进在于：所述步骤三中，x_p表示孔隙相面积比，x_s表示固相面积比，x_f表示分形相面积比。

进一步改进在于：所述步骤三中，所述自相似分形模型的缩放间隙度的计算公式，为P＝[N₀/(1-x_p)]^1/2，自仿射分形模型的缩放间隙度的计算公式为P_y＝[N₀/(1-x_p)]^1/2，式中N₀为缩放体中初始区域的数量。

进一步改进在于：所述步骤三中，缩放覆盖率的期望值满足C_F＝x_f×P_x×P_y。

进一步改进在于：所述步骤四中，构建二级孔隙空间的具体步骤为：先在选中的F个分形相中分别随机生成N₀ ^xy＝(1-x_p)P_x×P_y个离散点进行空间剖分，并令a₀＝a₀/P(或a₀＝a₀/P_x)、b₀＝b₀/P(或b₀＝b₀/P_x)、t₀＝t₀/P(或t₀＝t₀/P_x)，再重复步骤二，构建得到二级孔隙空间。

进一步改进在于：所述步骤五中，进行有效性验证的具体步骤为：计算基于不同参数及组构模式所构建的分形多孔介质模型的理论孔隙分形维数和孔隙度，同时通过盒维数法和统计方法计算实际分形维数和孔隙度，通过对比理论值与实际值之间的关系，验证广义PTSNCF多孔介质模型的有效性。

进一步改进在于：所述步骤五中，对模型类型的表征包括对原始复杂性控制下的多孔介质类型的表征和行为复杂性控制下的模型尺度不变类型的表征。

本发明的有益效果为：本发明对储层复杂组构模式进行细化和扩充，厘清构建原始缩放体的孔隙、孔喉、倒角缓冲圆等要素以及定义分形行为的缩放间隙度、缩放覆盖率等要素的复杂性归属及其对多孔介质类型及尺度不变类型的控制机制，使得依据储层特性，即可选定最接近真实孔隙结构特征的PTSNCF多孔介质模型类型，以实现对自然储层的精细表征，该模型与真实储层孔隙空间差异较小，实现对任意复杂多孔介质的统一描述，进而适用于各类储层复杂孔隙结构的精细表征，具有极强的适配性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的方法流程示意图；

图2是本发明的PTSNCF多孔介质复杂组构模式图；

图3是本发明的PTSNCF多孔介质模型构建流程图；

图4是本发明的原始复杂性控制下的多孔介质类型表征图；

图5是本发明的行为复杂性控制下的尺度不变类型图。

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作出创造性劳动前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1、图2、图3、图4、图5，本实施例提供了一种储层分形孔隙结构复杂组构模式表征方法，包括以下步骤：

步骤一：先构建表征体元R₀(l_xmax×l_ymax)，在表征体元空间中生成一组数量为N₀的离散点，再依据泰森多边形法对空间进行非结构化剖分，得到N₀个子空间；

步骤二：先设置子空间孔隙a₀、孔喉b₀、缓冲圆t₀的取值，a₀、b₀和t₀分别表示原始孔隙尺寸、原始孔喉尺寸和倒角处原始缓冲曲度，将孔隙和孔喉分别放置在子空间各多边形的节点处和多边形边界线上的任意位置，再分别以各相邻的孔隙和孔喉作为始点和结点，生成缓冲半径从a₀/2到b₀/2的连续变距缓冲区，接着设置连通性参数N_c、R_c的取值，N_c和R_c分别表示断开喉道的数量以及喉链的断开尺寸与总尺寸的百分比，然后依据t₀取值对子空间各多边形的倒角处和喉道断开点作曲度处理，得到一级孔隙空间；

步骤三：设定P_y/P_x取值，令l_ymax＝(P_y/P_x)l_ymax，生成新的R₁空间，其中P_x和P_y分别表示x方向和y方向上的缩放间隙度，并且在新的R₁空间内，当P_y/P_x＝1时，构建结果为自相似模型，当P_y/P_x≠1时，构建结果为自仿射模型，本实施例中采用P_y/P_x≠1，再在R₁空间中随机选择F(F≤N₀)个子空间作为分形相，其余作为固相或孔隙相，确定x_p、x_s、x_f，根据自仿射分形模型的缩放间隙度的计算公式P_y＝[N₀/(1-x_p)]^1/2确定缩放间隙度P_y，并确定缩放覆盖率的期望值C_F＝x_f×P_x×P_y。

自相似分形模型的缩放间隙度P决定着原始复杂要素的取值，与方向无关，自仿射分形模型由自相似分形模型在某一方向的拉伸或压缩得到；

步骤四：在F个分形相中分别随机生成N₀ ^xy＝(1-x_p)P_x×P_y个离散点进行空间剖分，并令a₀＝a₀/P(或a₀＝a₀/P_x)、b₀＝b₀/P(或b₀＝b₀/P_x)、t₀＝t₀/P(或t₀＝t₀/P_x)，构建二级孔隙空间，并在新的二级孔隙空间中选择F＝F×C_F个分形相，得到新一级的孔隙相和固相；

步骤五：重复迭代步骤四，得到最后一级孔隙空间R_i，将最后生成的R_i拉伸或压缩至原始尺寸l_{x max}×l_{y max}，得到最终的PTSNCF(pore-throat-solid-network-connectivity-fractal)多孔介质模型，对PTSNCF多孔介质模型进行有效性验证，并对原始复杂性控制下的多孔介质类型和行为复杂性控制下的模型尺度不变类型进行表征。

对PTSNCF多孔介质模型进行有效性验证的具体步骤为：

结合广义分形拓扑理论及PSF模型中的参数定义，得到PTSNCF多孔介质分形维数的计算公式，即

式中，表示任意尺度不变空间分形维数，d表示欧几里得维数，H表示广义的Hurst指数，D_s表示质量分形维。

以二维空间为基础推导模型孔隙度计算公式，定义模型初始孔隙度为则根据分形迭代关系得到第i级孔隙度，即

PTSNCF多孔介质模型的孔隙度为每一级孔隙度之和，即

令F＝P^D，将上式简化为

在缩放对象中，x_p为孔隙相面积占比，x_s为固相面积占比，x_f为分形相面积占比，三者之间满足x_p+x_s+x_f＝1的关系；

结合式(1)、式(4)计算基于不同参数及组构模式所构建的分形多孔介质模型的理论孔隙分形维数和孔隙度，同时通过盒维数法和统计方法计算实际分形维数和孔隙度，计算结果见下表1、表2，通过对比理论值与实际值之间的关系，验证广义PTSNCF多孔介质表征算法的有效性。

表1 PTSNCF分形多孔介质模型分形维数表

表2 PTSNCF分形多孔介质模型孔隙度表

根据研究地区、研究样品及研究目的，按照特定的划分标准对选区的自然储层进行归类，并选择适配的分形多孔介质模型表征分形储层的复杂孔隙结构。

对自然储层的分类标准包括岩性、物性、储集空间类型等，首先从岩性角度划分有碎屑岩储层、碳酸盐岩储层等，砂岩、砾岩、粉砂岩等碎屑岩储层由碎屑颗粒、基质、胶结物和孔隙组成，碎屑颗粒形状不规则，堆积时相互镶嵌，通过设置孔隙、孔喉模拟碎屑、胶结物颗粒的大小，并通过改变倒角缓冲曲度t₀控制基质与孔隙间磨圆度，同时改变缩放覆盖率F的大小来控制储层非均质性的强弱，相比其它模型能更好的表征碎屑岩储层的复杂孔隙结构，与碎屑岩储层相比，碳酸盐岩储层储集空间类型多、次生变化大，具有更大的复杂性和多样性，通过改变孔隙的尺寸及分布密度，定量孔喉的尺寸及喉道的连通程度，同时设置尺度不变特征，相较于其它模型可以更好的表征碳酸盐岩储层复杂多变的孔隙结构。

从物性参数和储集空间类型対储层归类时有致密型储层、中孔中渗型储层、中孔低渗型储层等或孔隙型储层、孔洞型储层、裂缝性储层、裂缝-孔隙性储层、缝洞型储层等。PTSNCF模型通过调整孔隙、孔喉尺寸配比，设置原始构型中确定相的类型及分布，定量化基质及喉道连通属性，三者耦合构建得到分形储层的原始缩放对象，并定义缩放行为描述储层的各向异性、非均质性，从不同的维度实现了对特定类型储层的统一表征。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种储层分形孔隙结构复杂组构模式表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：先构建尺寸为l_xmax×l_ymax的表征体元R₀，在表征体元空间中生成一组数量为N₀的离散点，再依据泰森多边形法对空间进行非结构化剖分，得到N₀个子空间；

步骤二：先设置子空间孔隙a₀和孔喉b₀的取值，将孔隙和孔喉分别放置在子空间各多边形的节点处和多边形边界线上，再分别以各相邻的孔隙和孔喉作为始点和结点，生成缓冲半径从a₀/2到b₀/2的连续变距缓冲区，接着设置连通性参数N_c、R_c的取值，同时设置倒角缓冲圆t₀取值，然后对子空间各多边形的倒角处和喉道断开点作曲度处理，得到一级孔隙空间；

步骤三：设定P_y/P_x取值生成新的R₁空间，随机选择F个子空间作为分形相，且F≤N₀，其余作为固相或孔隙相，确定x_p、x_s、x_f，x_p表示孔隙相面积比，x_s表示固相面积比，x_f表示分形相面积比，在R₁空间中根据自相似分形模型或自仿射分形模型的缩放间隙度计算公式确定R₁空间的缩放间隙度P，并确定缩放覆盖率的期望值C_F，缩放覆盖率的期望值满足C_F＝x_f×P_x×P_y，所述自相似分形模型的缩放间隙度的计算公式，为P＝[N₀/(1-x_p)]^1/2，自仿射分形模型的缩放间隙度的计算公式为P_y＝[N₀/(1-x_p)]^1/2，式中N₀为缩放体中初始区域的数量，设置R₁空间的尺寸时，令l_ymax＝(P_y/P_x)l_ymax，其中P_x和P_y分别表示x方向和y方向上的缩放间隙度，在新的R₁空间内，当P_y/P_x＝1时，构建结果为自相似模型，当P_y/P_x≠1时，构建结果为自仿射模型；

步骤四：在F个分形相中分别随机生成N₀ ^xy个离散点进行空间剖分，构建二级孔隙空间，并在新的二级孔隙空间中选择F＝F×C_F个分形相，得到新一级的孔隙相和固相；

步骤五：重复迭代步骤四，得到最后一级孔隙空间R_i，将最后生成的R_i拉伸或压缩至原始尺寸l_xmax×l_ymax，得到最终的PTSNCF多孔介质模型，对PTSNCF多孔介质模型进行有效性验证，并对模型类型进行表征以适配不同类型储层。

2.根据权利要求1所述的一种储层分形孔隙结构复杂组构模式表征方法，其特征在于：所述步骤二中，所述子空间孔隙a₀、孔喉b₀和倒角缓冲圆t₀分别表示原始孔隙尺寸、原始孔喉尺寸和倒角处原始缓冲曲度，所述连通性参数N_c和R_c分别表示断开喉道的数量以及喉链的断开尺寸与总尺寸的百分比。

3.根据权利要求1所述的一种储层分形孔隙结构复杂组构模式表征方法，其特征在于：所述步骤四中，构建二级孔隙空间的具体步骤为：先在选中的F个分形相中分别随机生成N₀ ^xy＝(1-x_p)P_x×P_y个离散点进行空间剖分，并令a₀＝a₀/P或a₀＝a₀/P_x、b₀＝b₀/P或b₀＝b₀/P_x、t₀＝t₀/P或t₀＝t₀/P_x，再重复步骤二，构建得到二级孔隙空间。

4.根据权利要求1所述的一种储层分形孔隙结构复杂组构模式表征方法，其特征在于：所述步骤五中，进行有效性验证的具体步骤为：计算基于不同参数及组构模式所构建的分形多孔介质模型的理论孔隙分形维数和孔隙度，同时通过盒维数法和统计方法计算实际分形维数和孔隙度，通过对比理论值与实际值之间的关系，验证广义PTSNCF多孔介质模型的有效性。

5.根据权利要求1所述的一种储层分形孔隙结构复杂组构模式表征方法，其特征在于：所述步骤五中，对模型类型的表征包括对原始复杂性控制下的多孔介质类型的表征和行为复杂性控制下的模型尺度不变类型的表征。