本發(fā)明涉及油田開發(fā)技術領域，特別是涉及到一種裂縫性碳酸鹽巖基質與裂縫耦合作用表征方法。

背景技術：

隨著我國勘探開發(fā)程度的不斷加深，近年來新探明的油藏類型越來越復雜，特別是裂縫性油藏的探明儲量不斷增加。裂縫性碳酸鹽巖油藏由于天然裂縫的存在，構成了雙重介質儲層，在勘探開發(fā)中裂縫性碳酸鹽巖儲層滲透性參數(shù)對整個油藏的評價及解釋具有重要的意義。

裂縫性碳酸鹽巖儲層的孔隙空間由原生粒間孔隙和次生裂縫構成，裂縫性碳酸鹽巖儲層滲透率定義與單孔隙介質滲透率定義一致，但可以進一步細化為基質滲透率和裂縫滲透率。基質滲透率與單孔隙介質滲透率相同，裂縫滲透率受多種因素影響，主要包括裂縫孔隙度、裂縫張開度、裂縫密度、裂縫傾角和裂縫長度等。由于實際裂縫儲集層中裂縫的分布極為復雜，要建立雙重介質的滲透率模型，國內(nèi)外常將裂縫系統(tǒng)進行簡化，建立簡化模型。裂縫儲集層的簡化模型主要有平行板模型，Kazemi模型和Warren-Root模型。

平行板模型將實際模型簡化為由水平基質層和裂縫相互交替組成，但不考慮基質滲透率；Kazemi模型將實際模型簡化為由水平基質層和裂縫相互交替組成，其總滲透率為基質滲透率和裂縫滲透率之和；Warren-Root模型將雙重孔隙介質油藏簡化為正交裂縫切割基質巖塊呈六面體的地質模型，裂縫方向與主滲透率方向一致，并假設裂縫寬度為一個常數(shù)，其總滲透率沒有考慮基質滲透率。

簡化情況下推導得到的滲透率模型不能反映真實情況下的滲透率，只是一種理論性模型，有的學者提出了更一般化的滲透率模型。Parsons(1966)提出了考慮了裂縫的數(shù)量和裂縫與流體滲流方向間夾角的雙重介質滲透率模型；美國學者Snow(1969)導出了具有可變方向的N條裂縫組成巖石的滲透率張量形式的模型；Oda(1985)引入裂縫張量的概念，導出了球形域的滲透率張量公式；Doolin和Mauldon(1996)建立了含有正交裂縫網(wǎng)絡二維巖層的滲透率模型。

但無論是滲透率簡化模型還是一般化模型，國內(nèi)外都把研究裂縫性碳酸鹽巖儲層滲透率模型的重點放到不同裂縫參數(shù)下的裂縫滲透率公式的推導，并沒有考慮裂縫與巖石基質之間的耦合作用。而通過實驗發(fā)現(xiàn)，當裂縫開度為10um時，如果不考慮裂縫與巖石基質之間的耦合作用，計算得到的滲透率結果相對于實際滲透率誤差高達25.1％。將這些理論模型應用到測井解釋中，由于沒有考慮裂縫與基質之間耦合作用，會導致儲層評價準確度降低。為了得到更符合實際的裂縫性碳酸鹽巖儲層滲透率模型，提高滲透率測井解釋的精度，必須要考慮耦合作用。為此我們發(fā)明了一種新的裂縫性碳酸鹽巖基質與裂縫耦合作用表征方法，解決了以上技術問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種通過研究不同基質孔隙結構參數(shù)，不同裂縫-孔隙組合下耦合作用的變化，構建裂縫性碳酸鹽巖儲層基質與裂縫耦合作用表征方法。

本發(fā)明的目的可通過如下技術措施來實現(xiàn)：裂縫性碳酸鹽巖基質與裂縫耦合作用表征方法，該裂縫性碳酸鹽巖基質與裂縫耦合作用表征方法包括：步驟1，構建不同裂縫開度的平板裂縫模型；步驟2，將不同裂縫開度的平板裂縫模型施加到CT掃描碳酸鹽巖基質數(shù)字巖心中構建裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心；步驟3，利用格子玻爾茲曼方法模擬三維數(shù)字巖心滲流場分布，并計算三維數(shù)字巖心模型的滲透率；步驟4，引入滲透率耦合系數(shù)，分析滲透率結果并確定滲透率耦合系數(shù)表達式。

本發(fā)明的目的還可通過如下技術措施來實現(xiàn)：

在步驟1中，構建完全為骨架的三維數(shù)據(jù)體，該三維數(shù)據(jù)體的體素個數(shù)及分辨率與建立的巖心基質三位數(shù)字巖心的參數(shù)一致；采用控制變量方法，只改變裂縫開度，固定其它裂縫參數(shù)，基于數(shù)字巖心疊加方法，構建不同裂縫開度的光滑平板裂縫模型。

在步驟2中，基于數(shù)字巖心疊加方法，分別將構建的不同裂縫開度平板裂縫模型施加到CT掃描的不同孔隙結構的碳酸鹽巖基質三維數(shù)字巖心中，構建裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心。

在步驟3中，采用格子玻爾茲曼方法中的D₃Q₁₉模型模擬巖石的滲流特性，D₃Q₁₉模型粒子分布函數(shù)的演化方程：

等式中i的范圍是[0,18]，表示19個不同的方向，左邊為傳播步，右邊為碰撞步，f_i(x,t)是t時刻在x位置第i個方向上流體粒子的傳播函數(shù)，f_i(x+e_iΔt,t+Δt)是t+Δt時刻在x位置第i個方向上流體粒子的傳播函數(shù)；在D₃Q₁₉模型中，τ是弛豫時間常量，f_i^eq(x,t)是t時刻相同位置處流體粒子的平衡態(tài)分布函數(shù)，表達式為：

式中，ρ是流體密度，c＝Δx/Δt.ω_i是權重因子，ω₀＝1/3,ω_i＝1,2…6＝1/18,ω_i＝7,8…18＝1/36,e_i是速度失量，i表示每個不同的方向，u是根據(jù)動量守恒定律和質量守恒得到的流體線性宏觀速度，單位是lu/ts，u可以寫成：

給系統(tǒng)施加一定的宏觀壓力梯度▽P使其開始演化，碰撞步和傳播步重復執(zhí)行直到粒子分布函數(shù)達到穩(wěn)定態(tài)，局部流量可以通過下式計算得到：

由達西定律得：

式中，<q>表示沿著x方向通過巖心的流量，單位是cm³/s；dP/dx表示x方向壓力梯度，單位是MPa/cm；A表示垂直于x方向巖心的橫截面積，單位是cm²；η表示流體的動力粘度系數(shù)，單位是MPa；K表示在x方向巖心滲透率，單位是um²；通過計算每個格點處的宏觀流速，得到三維空間滲流場分布，通過求解達西定律各個參數(shù)，進而得到某個三維數(shù)字巖心的滲透率。

在步驟3中，利用格子玻爾茲曼方法，對構建的三維數(shù)字巖心進行滲流特性模擬，分別對構建的三維數(shù)字巖心施加相同的宏觀壓力梯度開始進行滲流模擬，直到粒子分布函數(shù)達到穩(wěn)定態(tài)，得到滲流穩(wěn)定態(tài)的三維空間滲流場分布，并根據(jù)出口端流量計算每個數(shù)字巖心的滲透率。

在步驟4中，裂縫與基質之間的滲流耦合作用受裂縫開度的影響最大，而且與巖石基質物性相關，滲流耦合系數(shù)k_x模型的形式為：

k_x＝pH_f^-q

式中，H_f為裂縫開度，單位μm；參數(shù)p，q反映巖心基質物性，通過數(shù)字巖心方法進行擬合求取。

本發(fā)明中的裂縫性碳酸鹽巖基質與裂縫耦合作用表征方法，研究裂縫性碳酸鹽巖儲層基質與裂縫耦合作用，填補目前裂縫性碳酸鹽巖儲層基質與裂縫耦合作用的空白，提出裂縫性碳酸鹽巖基質與裂縫耦合作用表征方法。以往的裂縫性碳酸鹽巖儲層滲流研究都只單純針對基質或者裂縫，很少考慮滲流在基質與裂縫同時存在時耦合作用，而基質與裂縫之間的耦合作用的存在一定程度上影響了流體通過基質、裂縫時的流速，改變了儲層滲透率大小，通過耦合作用定量表征可以更真實的反映碳酸鹽巖裂縫性儲層流體流動能力。該方法能夠定量表征裂縫性碳酸鹽巖基質與裂縫滲流耦合作用，填補目前碳酸鹽巖裂縫性儲層基質與裂縫滲流耦合作用的空白，解決裂縫性碳酸鹽巖滲流耦合作用對總滲透率造成的影響，更真實的反映碳酸鹽巖裂縫性儲層流體流動能力，為測井評價儲層以及油田開發(fā)提供幫助。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的裂縫性碳酸鹽巖基質與裂縫耦合作用表征方法的一具體實施例的流程圖；

圖2為本發(fā)明的一具體實施例中數(shù)字巖心基質滲流場分布圖；

圖3為本發(fā)明的一具體實施例中10μm裂縫開度的平板裂縫模型滲流場分布圖；

圖4為本發(fā)明的一具體實施例中10μm裂縫開度下裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心滲流場分布圖；

圖5為本發(fā)明的一具體實施例中數(shù)字巖心施加裂縫開度與耦合滲透率系數(shù)之間的關系圖；

圖6為本發(fā)明的一具體實施例中不同裂縫開度與滲透率耦合系數(shù)擬合關系式圖；

圖7為本發(fā)明的一具體實施例中滲透率耦合系數(shù)公式中參數(shù)p，q擬合關系式圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉出 較佳實施例，并配合附圖所示，作詳細說明如下。

如圖1所示，圖1為本發(fā)明的裂縫性碳酸鹽巖基質與裂縫耦合作用表征方法的流程圖。首先構建不同裂縫開度的平板裂縫模型，將其施加到CT掃描碳酸鹽巖基質數(shù)字巖心中構建裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心，然后利用格子玻爾茲曼方法模擬以上構建的數(shù)字巖心的滲流場分布并計算滲透率，最后引入滲透率耦合系數(shù)，分析滲透率結果并確定滲透率耦合系數(shù)表達式。具體步驟如下：

在步驟101，構建不同裂縫開度的平板裂縫模型。

構建完全為骨架的三維數(shù)據(jù)體，該三維數(shù)據(jù)體的體素個數(shù)及分辨率與建立的巖心基質三位數(shù)字巖心的參數(shù)一致；再采用控制變量方法，只改變裂縫開度，固定其它裂縫參數(shù)，基于數(shù)字巖心疊加方法，構建不同裂縫開度的光滑平板裂縫模型。

在步驟102，建立裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心。

基于數(shù)字巖心疊加方法，分別將構建的不同裂縫開度平板裂縫模型施加到CT掃描的不同孔隙結構的碳酸鹽巖基質三維數(shù)字巖心中，構建裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心。

在步驟103，利用格子玻爾茲曼方法模擬三維數(shù)字巖心滲流場分布，并計算三維數(shù)字巖心模型的滲透率。

考慮到計算精度與計算速度的問題，本發(fā)明采用格子玻爾茲曼方法中的D₃Q₁₉模型模擬巖石的滲流特性。D₃Q₁₉模型粒子分布函數(shù)的演化方程：

這個演化方程可以分為兩部分，等式左邊為傳播步，右邊為碰撞步。等式中i的范圍是[0,18]，表示19個不同的方向，左邊為傳播步，右邊為碰撞步，f_i(x,t)是t時刻在x位置第i個方向上流體粒子的傳播函數(shù)，f_i(x+e_iΔt,t+Δt)是t+Δt時刻在x位置第i個方向上流體粒子的傳播函數(shù)；在D₃Q₁₉模型中，τ是弛豫時間常量，f_i^eq(x,t)是t時刻相同位置處流體粒子的平衡態(tài)分布函數(shù),可以表達為：

式中，ρ是流體密度，c＝Δx/Δt.ω_i是權重因子，ω₀＝1/3,ω_i＝1,2…6 ＝1/18,ω_i＝7,8…18＝1/36,e_i是速度失量，i表示每個不同的方向，u是根據(jù)動量守恒定律和質量守恒得到的流體線性宏觀速度，單位是lu/ts，u可以寫成

給系統(tǒng)施加一定的宏觀壓力梯度(▽P)使其開始演化，碰撞步和傳播步重復執(zhí)行直到粒子分布函數(shù)達到穩(wěn)定態(tài)，局部流量可以通過下式計算得到

由達西定律得：

式中，<q>表示沿著x方向通過巖心的流量，單位是cm³/s；dP/dx表示x方向壓力梯度，單位是MPa/cm；A表示垂直于x方向巖心的橫截面積，單位是cm²；η表示流體的動力粘度系數(shù)，單位是MPa；K表示在x方向巖心滲透率，單位是um²。通過計算每個格點處的宏觀流速，得到三維空間滲流場分布。通過求解達西定律各個參數(shù)，進而得到某個三維數(shù)字巖心的滲透率。

利用以上格子玻爾茲曼方法，對構建的三維數(shù)字巖心進行滲流特性模擬。分別對步驟a、步驟b中構建的三維數(shù)字巖心施加相同的宏觀壓力梯度開始進行滲流模擬，直到粒子分布函數(shù)達到穩(wěn)定態(tài)，得到滲流穩(wěn)定態(tài)的三維空間滲流場分布，并根據(jù)出口端流量計算每個數(shù)字巖心的滲透率。

在步驟104，引入滲透率耦合系數(shù)，分析滲透率結果并確定滲流耦合系數(shù)表達式。

根據(jù)大量模型計算模擬，裂縫與基質之間的滲流耦合作用受裂縫開度的影響最大，而且與巖石基質物性相關，滲流耦合系數(shù)k_x模型的形式為

k_x＝pH_f^-q

式中，H_f為裂縫開度，單位um；參數(shù)p，q反映巖心基質物性，可以通過數(shù)字巖心方法進行擬合求取。

在應用本發(fā)明的一具體實施例中，包括了以下步驟：

第一步，構建不同裂縫開度的平板裂縫模型。

構建完全為骨架的三維數(shù)據(jù)體，分辨率為2μm，實際物理尺寸為600μm ×600μm×600μm。采用控制變量方法，只改變裂縫開度，使構建裂縫的實際物理尺寸分別為4μm，10μm，16μm，20μm，30μm，40μm，60μm，80μm，100μm，保持裂縫其它參數(shù)不變，裂縫傾角0°，裂縫長度600μm。基于數(shù)字巖心疊加方法，構建不同裂縫開度的光滑平板裂縫模型。

第二步，建立裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心。

利用X射線CT掃描法對靶區(qū)選取的10塊碳酸鹽巖巖心進行掃描，采用的分辨率為2μm。分別對掃描的圖像進行濾波處理、圖像分割及代表元體積分析，得到巖石基質的三維數(shù)字巖心，它們具有不同的孔隙結構?？紤]到后續(xù)滲流模擬的計算精度與計算速度，構建的數(shù)字巖心實際物理尺寸為600μm×600μm×600μm。分別將第一步構建的不同裂縫開度的平板裂縫模型施加到十塊X射線CT掃描經(jīng)過處理后的碳酸鹽巖數(shù)字巖心上，共得到90塊裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心。

第三步，利用格子玻爾茲曼方法模擬三維數(shù)字巖心滲流場分布，并計算三維數(shù)字巖心模型的滲透率。

利用格子玻爾茲曼方法，施加壓力梯度使?jié)B流過程開始模擬，若系統(tǒng)迭代絕對滲透率變化率小于10^-6時，認為系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。利用該方法對第三步得到的九十塊裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心進行滲流模擬，輸出穩(wěn)定狀態(tài)時滲流場分布。圖2所示為碳酸鹽巖基質滲流場分布情況，圖3所示為10μm裂縫開度的平板裂縫模型滲流場分布情況，圖4所示為10μm裂縫開度下裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心滲流場分布情況。由圖中可以明顯看出在裂縫與孔隙交叉處流速發(fā)生改變，顯示出滲流的耦合作用。滲流場分布顏色的深淺代表每個格點位置處滲流速度的大小，單位為lu/ts。由于每個數(shù)字巖心滲流情況不同，數(shù)字巖心中最大流速也不同。

第四步，引入滲透率耦合系數(shù)，分析滲透率結果并確定滲流耦合系數(shù)表達式。

分析第三步得到的平板裂縫模型滲透率，發(fā)現(xiàn)其滿足理論推導的平板裂縫經(jīng)典水動力學公式，也證明了格子玻爾茲曼方法對于裂縫性介質滲流模擬的適用性和準確性。

K_f＝0.833H_f²φ_f

式中，K_f為裂縫滲透率，單位um²；H_f為裂縫開度，單位um；φ_f為裂縫孔隙度，單位為％。

裂縫與孔隙之間滲流耦合作用對裂縫性碳酸鹽巖總滲透率的影響采用滲透率耦合系數(shù)k_x進行表征，

K_m為巖石基質數(shù)字巖心的滲透，K_f為平板裂縫模型滲透率，K為裂縫性碳酸鹽巖的總滲透率。如果裂縫與孔隙間沒有滲流耦合作用，那么滲透率耦合系數(shù)k_x＝0，但實際滲透率耦合系數(shù)并不為零，而是隨著裂縫開度變化的函數(shù)。如圖5所示，對于10塊掃描的碳酸鹽巖數(shù)字巖心，隨著施加的平板裂縫模型的開度不同，計算得到的滲透率耦合系數(shù)不同。

對于每塊碳酸鹽巖數(shù)字巖心，研究施加不同裂縫開度的裂縫后計算得到的滲透率結果，對不同裂縫開度與滲透率耦合系數(shù)進行擬合，如圖6所示。發(fā)現(xiàn)滲透率耦合系數(shù)與裂縫開度滿足以下關系式

k_x＝pH_f^-q

經(jīng)過90塊裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心結果分析，發(fā)現(xiàn)參數(shù)p，q反映巖心基質物性，是基質孔隙度的函數(shù)，如圖7所示，最終擬合得到滲透率耦合系數(shù)公式為

利用本發(fā)明裂縫性碳酸鹽巖基質與裂縫耦合作用的表征，填補目前裂縫性碳酸鹽巖儲層基質與裂縫耦合作用的空白，可以解決裂縫性碳酸鹽巖耦合作用對總滲透率造成的影響，更真實的反映碳酸鹽巖裂縫性儲層流體流動能力，為測井評價儲層以及油田開發(fā)提供幫助。