本發(fā)明涉及油氣田勘探開發(fā)領(lǐng)域，尤其是一種基于井筒裂縫觀測(cè)的三維裂縫滲透率張量計(jì)算模型。

背景技術(shù)：

在裂縫性儲(chǔ)層勘探開發(fā)過(guò)程中，天然裂縫的滲流方向與裂縫的產(chǎn)狀、充填性以及現(xiàn)今地應(yīng)力大小、方向密切相關(guān)，裂縫的主滲流方向影響井網(wǎng)部署、注水開發(fā)等措施實(shí)施。在油藏中，天然裂縫分布極為復(fù)雜；在一個(gè)單元內(nèi)，不同期次、不同展布以及不同開度的裂縫在油氣導(dǎo)流中所起的作用不一，如何考慮三維的地質(zhì)因素，輸出三維的裂縫滲透率張量是裂縫描述的一大難點(diǎn)。劉月田等(劉月田丁祖鵬屈亞光趙辰軍.油藏裂縫方向表征及滲透率各向異性參數(shù)計(jì)算[J].石油學(xué)報(bào),2011,32(5):842-846.)所提的裂縫滲透率計(jì)算方法僅考慮了特殊情況下(剪切裂縫，對(duì)稱，等開度)裂縫滲透張量的計(jì)算，并且該方法也無(wú)法定量輸出主滲透率方向；劉敬壽等(劉敬壽,戴俊生,鄒娟,楊海盟,汪必峰,周巨標(biāo).裂縫性儲(chǔ)層滲透率張量定量計(jì)算方法[J].石油與天然氣地質(zhì),2015,36(6):1022-1029.)所提的裂縫滲透率張量計(jì)算方法考慮的三維的因素，只能輸出二維的結(jié)果，無(wú)法準(zhǔn)確的計(jì)算三維等滲透率面、最大差滲透率面、不同方向的滲透率剖面等。本發(fā)明專利基于巖心統(tǒng)計(jì)、薄片觀測(cè)以及測(cè)井解釋，在應(yīng)力場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)上，確定裂縫地下開度，利用古地磁定向、巖層產(chǎn)狀法或地層傾角法確定裂縫的三維展布，進(jìn)而建立真三維裂縫滲透率計(jì)算模型，在推導(dǎo)相應(yīng)算法的基礎(chǔ)上，編制相應(yīng)的程序，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)算三維等滲透率面、最大差滲透率面、不同方向的滲透率剖面等。

本發(fā)明旨在解決上述問(wèn)題，提供了一種基于井筒裂縫觀測(cè)的三維裂縫滲透率張量計(jì)算模型，它解決了無(wú)法準(zhǔn)確輸出井筒裂縫真三維空間等滲透率面、最大差滲透率面以及不同方向的滲透率剖面的問(wèn)題。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于井筒裂縫觀測(cè)的三維裂縫滲透率張量計(jì)算模型，具體步驟如下：

第一步 井筒裂縫發(fā)育程度的觀測(cè)

利用巖心觀測(cè)、測(cè)井資料解釋對(duì)裂縫的開度測(cè)量，確定裂縫的組系特征；依據(jù)成像資料、測(cè)井或者巖心觀察，求取裂縫的線密度，為后面計(jì)算裂縫平行滲透率準(zhǔn)備。

第二步 裂縫定向

在巖心裂縫觀測(cè)中，對(duì)非定向巖心采用古地磁定向、巖層產(chǎn)狀法或地層傾角法確定每條裂縫的產(chǎn)狀；在成像資料、聲波測(cè)井解釋裂縫時(shí)，利用地層傾角測(cè)井或者成像測(cè)井資料對(duì)裂縫定向。

第三步 應(yīng)力場(chǎng)模擬確定裂縫地下的開度

利用水力壓裂法、波速法、聲發(fā)射法、應(yīng)力解除法、光彈性應(yīng)力法等可以對(duì)工區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力方位進(jìn)行了判斷，并通過(guò)測(cè)井、壓裂資料以及物理實(shí)驗(yàn)計(jì)算了關(guān)鍵井現(xiàn)今地應(yīng)力的數(shù)值，利用地震反演、測(cè)井解釋、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)確定巖石的力學(xué)屬性。在此基礎(chǔ)上，利用軟件建立有限元模型，采用多井約束的方法對(duì)研究區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。利用模擬結(jié)果，確定井筒裂縫發(fā)育處的現(xiàn)今地應(yīng)力大小、方向；國(guó)外專家Willis-Richards等和Jing等同時(shí)考慮了正應(yīng)力及剪應(yīng)力對(duì)裂縫開度的影響，得出在現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)改造后的裂縫開度計(jì)算公式：

公式(1)中，b為裂縫的現(xiàn)今地下實(shí)際開度，單位：m；b₀為裂縫的原始開度，單位：m；σ′_n為有效正應(yīng)力，單位：MPa；b_res代表裂縫面承受最大有效正應(yīng)力時(shí)的裂縫開度，單位：m；σ_nref為使裂縫開度減小90％的有效正應(yīng)力，單位：MPa，是一個(gè)與巖性相關(guān)的系數(shù)，已有學(xué)者[Willis-Richards J，1996；Jing Z，1998；Durham WB，1994；Chen Z，2000；秦積舜；2002；]給出了不同條件下的測(cè)試數(shù)值。

第四步 建立真三維裂縫滲透率張量計(jì)算幾何模型

如圖2所示，設(shè)裂縫面Φ的傾角為δ，傾向?yàn)棣兀粤芽p為參照物建立O-ABC坐標(biāo)系(O-ABC)，O-ABC坐標(biāo)系中的三個(gè)坐標(biāo)軸分別對(duì)應(yīng)于裂縫面的法線方向(OA軸)、裂縫走向方向(OB軸)、裂縫面內(nèi)垂直于裂縫走向線的方向(OC軸)。設(shè)任意滲流面ψ的傾角為α，傾向?yàn)棣?，其單位法向矢量為m；以滲流面ψ為參照物建立坐標(biāo)系(O-XYZ)，其中，OX軸為滲流面ψ的法線方向，OY軸、OZ軸位于滲流面ψ內(nèi)，OP為滲流面ψ的走向線，HQ為滲流面ψ的傾斜線，HR為滲流面ψ傾斜線的水平投影；線OS、ON、OE、OW、HR、OH、OP、OB在水平面內(nèi)，定義θ為滲流面ψ內(nèi)OY軸與OP軸的夾角，通過(guò)調(diào)整θ的大小，可以求取裂縫在θ中不同方向的滲透率。

第五步 真三維裂縫滲透率張量數(shù)學(xué)模型

在已知裂縫線密度、地下開度的基礎(chǔ)上，單組(單條)裂縫的平行滲透率K可以表示為：

公式(2)中，b為裂縫的現(xiàn)今地下實(shí)際開度，單位：m；D_lf為單組裂縫的線密度，條/m。

設(shè)第i條裂縫的滲透率張量為K，則其在坐標(biāo)系O-XYZ中的表達(dá)式可表示為：

同理，滲透率張量K在坐標(biāo)系O-ABC中的表達(dá)式可表示為：

OA軸在大地坐標(biāo)系中的三個(gè)分量為：

OX軸在大地坐標(biāo)系中的三個(gè)分量為：

設(shè)裂縫的滲透率張量為K，其在O-ABC坐標(biāo)系中的表達(dá)式可表示為：

同理，滲透率張量K則其在O-XYZ坐標(biāo)系中的表達(dá)式可表示為：

在O-XYZ坐標(biāo)系中，每個(gè)單元體內(nèi)單組裂縫的滲透率張量K_ABC可表示為：

由公式(7)-(9)可以得到：

K_XYZi＝T·K_ABC·T^T (10)

其中，O-ABC坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為O-XYZ坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣T可表示為：

公式(11)的旋轉(zhuǎn)矩陣T中各參數(shù)分別表示為：

在O-XYZ坐標(biāo)系中，單元體內(nèi)每組(每條)裂縫的滲透率張量K_XYZi可表示為：

在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，儲(chǔ)層裂縫經(jīng)歷多期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化，每組裂縫的產(chǎn)狀、線密度、開度往往不同，依據(jù)公式(10)、公式(11)及公式(13)，單元體內(nèi)發(fā)育多組裂縫時(shí)，滲透率張量K_XYZ可表示為：

公式(14)中，k為單元體內(nèi)裂縫的組數(shù)；b_i為第i組裂縫的開度，單位：m；T_i為第i組裂縫在O-ABC坐標(biāo)軸分量轉(zhuǎn)換為O-XYZ坐標(biāo)軸分量的旋轉(zhuǎn)矩陣，單位：m；D_lfi為第i組裂縫的線密度，單位：條/m。

第六步 編制程序，輸出滲透率剖面

利用公式(1)-(14)推導(dǎo)的算法編制相應(yīng)的程序，通過(guò)循環(huán)迭代變量α(滲流面ψ的傾角)、β(滲流面ψ的傾向)、θ(OY軸與OP軸的夾角)，其中的α范圍為[0-90°]，β的范圍為[0-360°)，θ的范圍為[0-90°)，根據(jù)計(jì)算精度需求，設(shè)置循環(huán)迭代步長(zhǎng)(⊿sp，例如：5°，2°，1°，0.5°，0.2°，0.1°等)將α、β、θ逐次累加⊿sp，利用公式(12)-(14)，計(jì)算坐標(biāo)系(O-XYZ)不同的α、β、θ對(duì)應(yīng)的K_XXαβθ(X方向滲透率主值)、K_YYαβθ(Y方向滲透率主值)、K_ZZαβθ(Z方向滲透率主值)。

利用公式(1)-(14)，設(shè)置α＝0°，β為[0-360°)的任意數(shù)值；調(diào)節(jié)θ的大小，步長(zhǎng)⊿sp，范圍為[0-90°)，輸出K_YYαβθ(Y方向滲透率主值)、K_ZZαβθ(Z方向滲透率主值)，得到水平面的滲透率變化。

利用公式(1)-(14)，設(shè)置α＝90°，β＝0°；調(diào)節(jié)θ的大小，步長(zhǎng)⊿sp，范圍為[0-90°)，輸出K_YYαβθ(Y方向滲透率主值)、K_ZZαβθ(Z方向滲透率主值)，得到東西向剖面的滲透率變化。

利用公式(1)-(14)，設(shè)置α＝90°，β＝90°；調(diào)節(jié)θ的大小，步長(zhǎng)⊿sp，范圍為[0-90°)，輸出K_YYαβθ(Y方向滲透率主值)、K_ZZαβθ(Z方向滲透率主值)，得到南北向剖面的滲透率變化。

利用公式(1)-(14)，設(shè)置α范圍為[0-90°]，β的范圍為[0-360°)，步長(zhǎng)，⊿sp；計(jì)算不同的α、β(滲流面ψ確定)的平面內(nèi)——即不同的滲流面ψ內(nèi)，K_YYαβθ(Y方向滲透率主值)、K_ZZαβθ(Z方向滲透率主值)，每個(gè)滲流面ψ內(nèi)計(jì)算得到的K_YYαβθ、K_ZZαβθ數(shù)目為2n，2n個(gè)K_YYαβθ、K_ZZαβθ的平均值為K_aver；計(jì)算不同的α、β對(duì)應(yīng)的方差函數(shù)W_αβ：

公式(15)中，K_YYαβθi、K_ZZαβθi分別為特定的α、β對(duì)應(yīng)的第i個(gè)Y方向滲透率主值、Z方向滲透率主值，單位：10^-3μm²；n為每個(gè)滲流面ψ計(jì)算的Y或Z方向滲透率主值的數(shù)目，單位：個(gè)；K_aver為2n個(gè)K_YYαβθ、K_ZZαβθ的平均值，單位：10^-3μm²。

通過(guò)公式(15)，計(jì)算不同的α、β對(duì)應(yīng)的方差函數(shù)W_αβ，比較不同的α、β的W_αβ。其中，W_αβ最大值對(duì)應(yīng)的滲流面ψ為最大差滲透率面，記錄對(duì)應(yīng)的傾角α，傾向β；W_αβ最小值對(duì)應(yīng)的滲流面ψ為等滲透率面，記錄對(duì)應(yīng)的傾角α，傾向β。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明專利基于巖心統(tǒng)計(jì)、薄片觀測(cè)以及測(cè)井解釋，通過(guò)現(xiàn)今地應(yīng)力分析，確定裂縫地下開度，利用古地磁定向、巖層產(chǎn)狀法或地層傾角法確定裂縫的三維展布，進(jìn)而建立真三維裂縫滲透率計(jì)算模型，推導(dǎo)可編程算法，編制相應(yīng)的程序，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)算三維等滲透率面、最大差滲透率面、不同方向的滲透率剖面等。本發(fā)明由嚴(yán)格的數(shù)學(xué)算法推導(dǎo)組成，對(duì)相應(yīng)的地質(zhì)信息數(shù)字化后，可以利用計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言開發(fā)相應(yīng)的計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)井筒裂縫真三維空間滲透率張量定量計(jì)算。本發(fā)明對(duì)于真三維空間裂縫滲透率張量及井網(wǎng)設(shè)計(jì)、確定注水井與采油井的空間位置關(guān)系、尋找最優(yōu)鉆井軌跡等油田開發(fā)方案的部署具有較高的實(shí)用價(jià)值，并且預(yù)測(cè)成本低廉、可操作性強(qiáng)，預(yù)測(cè)結(jié)果可靠。

附圖說(shuō)明

圖1為一種基于井筒裂縫觀測(cè)的三維裂縫滲透率張量計(jì)算模型的流程圖。

圖2為一種基于井筒裂縫觀測(cè)的三維裂縫滲透率張量數(shù)學(xué)模型示意圖。

圖3為蘇北盆地金湖凹陷銅城斷裂帶天33斷塊構(gòu)造位置圖。

圖4為天33斷塊阜二段巖心裂縫開度統(tǒng)計(jì)分布圖。

圖5為天33斷塊阜二段巖心裂縫走向玫瑰花圖。

圖6為天33斷塊水平剖面裂縫滲透率變化圖。

圖7為天33斷塊東西剖面裂縫滲透率變化圖。

圖8為天33斷塊南北剖面裂縫滲透率變化圖。

圖9為天33斷塊最大差滲透率面(252°∠46°)變化圖。

圖10為天33斷塊剖面等滲透率面(350°∠81°)變化圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式：

以蘇北盆地金湖凹陷銅城斷裂帶東翼阜寧組二段(簡(jiǎn)稱阜二段)巖心裂縫三維滲透率張量定量計(jì)算為例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的具體技術(shù)方案：

天33斷塊地處江蘇金湖縣境內(nèi)，研究區(qū)主要位于蘇北盆地-東臺(tái)坳陷-金湖凹陷-銅城斷裂帶的東翼。銅城斷層是一條典型的走滑斷層，南部交匯于金湖凹陷的邊界-楊村斷層，向北消失于銅城地區(qū)(圖3)。研究區(qū)主力產(chǎn)油層為阜二段，儲(chǔ)層物性差，巖性以低滲透粉砂巖為主。裂縫對(duì)油氣的滲流起到至關(guān)重要的作用。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，對(duì)天33斷塊阜二段巖心裂縫滲透率張量定量計(jì)算的步驟如下：

第1步 對(duì)天33斷塊井筒裂縫發(fā)育程度的觀測(cè)，利用巖心觀測(cè)、測(cè)井資料解釋對(duì)裂縫的開度測(cè)量(圖4)，確定裂縫的組系特征；依據(jù)成像資料、測(cè)井或者巖心觀察，求取裂縫的線密度，為后面計(jì)算裂縫平行滲透率準(zhǔn)備。

第2步 采用斜井巖心裂縫產(chǎn)狀校正方法對(duì)工區(qū)的裂縫進(jìn)行定向(圖5)。

第3步 通過(guò)確定巖石力學(xué)參數(shù)、井點(diǎn)地應(yīng)力狀態(tài)，建立地質(zhì)力學(xué)模型，利用公式(1)計(jì)算裂縫在地下的開度。

第4步 如圖2所示，建立真三維裂縫滲透率張量計(jì)算幾何模型。

第5步 建立真三維裂縫滲透率張量數(shù)學(xué)模型，如公式(2)-公式(14)所示。

第6步 編制程序，輸出滲透率剖面，利用公式(1)-(14)推導(dǎo)的算法編制相應(yīng)的程序，通過(guò)循環(huán)迭代變量α(滲流面ψ的傾角)、β(滲流面ψ的傾向)、θ(OY軸與OP軸的夾角)，其中的α范圍為[0-90°]，β的范圍為[0-360°)，θ的范圍為[0-90°)，根據(jù)計(jì)算精度需求，設(shè)置循環(huán)迭代步長(zhǎng)⊿sp＝1°，將α、β、θ逐次累加⊿sp，利用公式(12)-(14)，計(jì)算坐標(biāo)系(O-XYZ)不同的α、β、θ對(duì)應(yīng)的K_XXαβθ(X方向滲透率主值)、K_YYαβθ(Y方向滲透率主值)、K_ZZαβθ(Z方向滲透率主值)。

利用公式(1)-(14)，設(shè)置α＝0°，β＝0°；調(diào)節(jié)θ的大小，步長(zhǎng)⊿sp，范圍為[0-90°)，輸出K_YYαβθ(Y方向滲透率主值)、K_ZZαβθ(Z方向滲透率主值)，得到水平面的滲透率變化(圖6)。

利用公式(1)-(14)，設(shè)置α＝90°，β＝0°；調(diào)節(jié)θ的大小，步長(zhǎng)⊿sp，范圍為[0-90°)，輸出K_YYαβθ(Y方向滲透率主值)、K_ZZαβθ(Z方向滲透率主值)，得到東西向剖面的滲透率變化(圖7)。

利用公式(1)-(14)，設(shè)置α＝90°，β＝90°；調(diào)節(jié)θ的大小，步長(zhǎng)⊿sp，范圍為[0-90°)，輸出K_YYαβθ(Y方向滲透率主值)、K_ZZαβθ(Z方向滲透率主值)，得到南北向剖面的滲透率變化(圖8)。

利用公式(1)-(14)，設(shè)置α范圍為[0-90°]，β的范圍為[0-360°)，計(jì)算不同的滲流面ψ內(nèi)計(jì)算得到的K_YYαβθ、K_ZZαβθ數(shù)目為180，180個(gè)K_YYαβθ、K_ZZαβθ的平均值為K_aver；計(jì)算不同的α、β對(duì)應(yīng)的方差函數(shù)W_αβ；通過(guò)公式(15)，計(jì)算不同的α、β對(duì)應(yīng)的方差函數(shù)W_αβ，比較不同的α、β的W_αβ。其中，W_αβ最大值對(duì)應(yīng)的滲流面ψ為最大差滲透率面(圖9)；W_αβ最小值對(duì)應(yīng)的滲流面ψ為等滲透率面(圖10)。

上面以舉例方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，但本發(fā)明不限于上述具體實(shí)施例，凡基于本發(fā)明所做的任何改動(dòng)或變型均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。