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

背景技術(shù)：

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(fù)雜，特別是裂縫性油藏的探明儲(chǔ)量不斷增加。裂縫性碳酸鹽巖油藏由于天然裂縫的存在，構(gòu)成了雙重介質(zhì)儲(chǔ)層，在勘探開發(fā)中裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層滲透性參數(shù)對(duì)整個(gè)油藏的評(píng)價(jià)及解釋具有重要的意義。

裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層的孔隙空間由原生粒間孔隙和次生裂縫構(gòu)成，裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層滲透率定義與單孔隙介質(zhì)滲透率定義一致，但可以進(jìn)一步細(xì)化為基質(zhì)滲透率和裂縫滲透率?；|(zhì)滲透率與單孔隙介質(zhì)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(shí)際裂縫儲(chǔ)集層中裂縫的分布極為復(fù)雜，要建立雙重介質(zhì)的滲透率模型，國內(nèi)外常將裂縫系統(tǒng)進(jìn)行簡化，建立簡化模型。裂縫儲(chǔ)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(shí)際模型簡化為由水平基質(zhì)層和裂縫相互交替組成，但不考慮基質(zhì)滲透率；Kazemi模型將實(shí)際模型簡化為由水平基質(zhì)層和裂縫相互交替組成，其總滲透率為基質(zhì)滲透率和裂縫滲透率之和；Warren-Root模型將雙重孔隙介質(zhì)油藏簡化為正交裂縫切割基質(zhì)巖塊呈六面體的地質(zhì)模型，裂縫方向與主滲透率方向一致，并假設(shè)裂縫寬度為一個(gè)常數(shù)，其總滲透率沒有考慮基質(zhì)滲透率。

簡化情況下推導(dǎo)得到的滲透率模型不能反映真實(shí)情況下的滲透率，只是一種理論性模型，有的學(xué)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(zhì)滲透率模型；美國學(xué)者Snow(1969)導(dǎo)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(dǎo)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(luò)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(chǔ)層滲透率模型的重點(diǎn)放到不同裂縫參數(shù)下的裂縫滲透率公式的推導(dǎo)，并沒有考慮裂縫與巖石基質(zhì)之間的耦合作用。而通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)裂縫開度為10um時(shí)，如果不考慮裂縫與巖石基質(zhì)之間的耦合作用，計(jì)算得到的滲透率結(jié)果相對(duì)于實(shí)際滲透率誤差高達(dá)25.1％。將這些理論模型應(yīng)用到測井解釋中，由于沒有考慮裂縫與基質(zhì)之間耦合作用，會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層評(píng)價(jià)準(zhǔn)確度降低。為了得到更符合實(shí)際的裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)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(zhì)與裂縫耦合作用表征方法，解決了以上技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種通過研究不同基質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，不同裂縫-孔隙組合下耦合作用的變化，構(gòu)建裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層基質(zhì)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(shù)措施來實(shí)現(xiàn)：裂縫性碳酸鹽巖基質(zhì)與裂縫耦合作用表征方法，該裂縫性碳酸鹽巖基質(zhì)與裂縫耦合作用表征方法包括：步驟1，構(gòu)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(zhì)數(shù)字巖心中構(gòu)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(jì)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(jié)果并確定滲透率耦合系數(shù)表達(dá)式。

本發(fā)明的目的還可通過如下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)：

在步驟1中，構(gòu)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(gè)數(shù)及分辨率與建立的巖心基質(zhì)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(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)的碳酸鹽巖基質(zhì)三維數(shù)字巖心中，構(gòu)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(gè)不同的方向，左邊為傳播步，右邊為碰撞步，f_i(x,t)是t時(shí)刻在x位置第i個(gè)方向上流體粒子的傳播函數(shù)，f_i(x+e_iΔt,t+Δt)是t+Δt時(shí)刻在x位置第i個(gè)方向上流體粒子的傳播函數(shù)；在D₃Q₁₉模型中，τ是弛豫時(shí)間常量，f_i^eq(x,t)是t時(shí)刻相同位置處流體粒子的平衡態(tài)分布函數(shù)，表達(dá)式為：

式中，ρ是流體密度，c＝Δx/Δt.ω_i是權(quán)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(gè)不同的方向，u是根據(jù)動(dòng)量守恒定律和質(zhì)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(fù)執(zhí)行直到粒子分布函數(shù)達(dá)到穩(wěn)定態(tài)，局部流量可以通過下式計(jì)算得到：

由達(dá)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(dòng)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(jì)算每個(gè)格點(diǎn)處的宏觀流速，得到三維空間滲流場分布，通過求解達(dá)西定律各個(gè)參數(shù)，進(jìn)而得到某個(gè)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(duì)構(gòu)建的三維數(shù)字巖心進(jìn)行滲流特性模擬，分別對(duì)構(gòu)建的三維數(shù)字巖心施加相同的宏觀壓力梯度開始進(jìn)行滲流模擬，直到粒子分布函數(shù)達(dá)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(jì)算每個(gè)數(shù)字巖心的滲透率。

在步驟4中，裂縫與基質(zhì)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(zhì)物性相關(guān)，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(zhì)物性，通過數(shù)字巖心方法進(jìn)行擬合求取。

本發(fā)明中的裂縫性碳酸鹽巖基質(zhì)與裂縫耦合作用表征方法，研究裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層基質(zhì)與裂縫耦合作用，填補(bǔ)目前裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層基質(zhì)與裂縫耦合作用的空白，提出裂縫性碳酸鹽巖基質(zhì)與裂縫耦合作用表征方法。以往的裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層滲流研究都只單純針對(duì)基質(zhì)或者裂縫，很少考慮滲流在基質(zhì)與裂縫同時(shí)存在時(shí)耦合作用，而基質(zhì)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(zhì)、裂縫時(shí)的流速，改變了儲(chǔ)層滲透率大小，通過耦合作用定量表征可以更真實(shí)的反映碳酸鹽巖裂縫性儲(chǔ)層流體流動(dòng)能力。該方法能夠定量表征裂縫性碳酸鹽巖基質(zhì)與裂縫滲流耦合作用，填補(bǔ)目前碳酸鹽巖裂縫性儲(chǔ)層基質(zhì)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(duì)總滲透率造成的影響，更真實(shí)的反映碳酸鹽巖裂縫性儲(chǔ)層流體流動(dòng)能力，為測井評(píng)價(jià)儲(chǔ)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(zhì)與裂縫耦合作用表征方法的一具體實(shí)施例的流程圖；

圖2為本發(fā)明的一具體實(shí)施例中數(shù)字巖心基質(zhì)滲流場分布圖；

圖3為本發(fā)明的一具體實(shí)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(shí)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(shí)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(guān)系圖；

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

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

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉出 較佳實(shí)施例，并配合附圖所示，作詳細(xì)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(zhì)與裂縫耦合作用表征方法的流程圖。首先構(gòu)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(zhì)數(shù)字巖心中構(gòu)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(gòu)建的數(shù)字巖心的滲流場分布并計(jì)算滲透率，最后引入滲透率耦合系數(shù)，分析滲透率結(jié)果并確定滲透率耦合系數(shù)表達(dá)式。具體步驟如下：

在步驟101，構(gòu)建不同裂縫開度的平板裂縫模型。

構(gòu)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(gè)數(shù)及分辨率與建立的巖心基質(zhì)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(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)的碳酸鹽巖基質(zhì)三維數(shù)字巖心中，構(gòu)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(jì)算三維數(shù)字巖心模型的滲透率。

考慮到計(jì)算精度與計(jì)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(gè)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(gè)不同的方向，左邊為傳播步，右邊為碰撞步，f_i(x,t)是t時(shí)刻在x位置第i個(gè)方向上流體粒子的傳播函數(shù)，f_i(x+e_iΔt,t+Δt)是t+Δt時(shí)刻在x位置第i個(gè)方向上流體粒子的傳播函數(shù)；在D₃Q₁₉模型中，τ是弛豫時(shí)間常量，f_i^eq(x,t)是t時(shí)刻相同位置處流體粒子的平衡態(tài)分布函數(shù),可以表達(dá)為：

式中，ρ是流體密度，c＝Δx/Δt.ω_i是權(quán)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(gè)不同的方向，u是根據(jù)動(dòng)量守恒定律和質(zhì)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(fù)執(zhí)行直到粒子分布函數(shù)達(dá)到穩(wěn)定態(tài)，局部流量可以通過下式計(jì)算得到

由達(dá)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(dòng)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(jì)算每個(gè)格點(diǎn)處的宏觀流速，得到三維空間滲流場分布。通過求解達(dá)西定律各個(gè)參數(shù)，進(jìn)而得到某個(gè)三維數(shù)字巖心的滲透率。

利用以上格子玻爾茲曼方法，對(duì)構(gòu)建的三維數(shù)字巖心進(jìn)行滲流特性模擬。分別對(duì)步驟a、步驟b中構(gòu)建的三維數(shù)字巖心施加相同的宏觀壓力梯度開始進(jìn)行滲流模擬，直到粒子分布函數(shù)達(dá)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(jì)算每個(gè)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(jié)果并確定滲流耦合系數(shù)表達(dá)式。

根據(jù)大量模型計(jì)算模擬，裂縫與基質(zhì)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(zhì)物性相關(guān)，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(zhì)物性，可以通過數(shù)字巖心方法進(jìn)行擬合求取。

在應(yīng)用本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，包括了以下步驟：

第一步，構(gòu)建不同裂縫開度的平板裂縫模型。

構(gòu)建完全為骨架的三維數(shù)據(jù)體，分辨率為2μm，實(shí)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(gòu)建裂縫的實(shí)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?；跀?shù)字巖心疊加方法，構(gòu)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(duì)靶區(qū)選取的10塊碳酸鹽巖巖心進(jìn)行掃描，采用的分辨率為2μm。分別對(duì)掃描的圖像進(jìn)行濾波處理、圖像分割及代表元體積分析，得到巖石基質(zhì)的三維數(shù)字巖心，它們具有不同的孔隙結(jié)構(gòu)?？紤]到后續(xù)滲流模擬的計(jì)算精度與計(jì)算速度，構(gòu)建的數(shù)字巖心實(shí)際物理尺寸為600μm×600μm×600μm。分別將第一步構(gòu)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(jì)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(duì)滲透率變化率小于10^-6時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。利用該方法對(duì)第三步得到的九十塊裂縫性碳酸鹽巖三維數(shù)字巖心進(jìn)行滲流模擬，輸出穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)滲流場分布。圖2所示為碳酸鹽巖基質(zhì)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(gè)格點(diǎn)位置處滲流速度的大小，單位為lu/ts。由于每個(gè)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(jié)果并確定滲流耦合系數(shù)表達(dá)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(dǎo)的平板裂縫經(jīng)典水動(dòng)力學(xué)公式，也證明了格子玻爾茲曼方法對(duì)于裂縫性介質(zhì)滲流模擬的適用性和準(zhǔn)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(duì)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(jìn)行表征，

K_m為巖石基質(zhì)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(shí)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(duì)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(jì)算得到的滲透率耦合系數(shù)不同。

對(duì)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(jì)算得到的滲透率結(jié)果，對(duì)不同裂縫開度與滲透率耦合系數(shù)進(jìn)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(guān)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(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)參數(shù)p，q反映巖心基質(zhì)物性，是基質(zhì)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(zhì)與裂縫耦合作用的表征，填補(bǔ)目前裂縫性碳酸鹽巖儲(chǔ)層基質(zhì)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(duì)總滲透率造成的影響，更真實(shí)的反映碳酸鹽巖裂縫性儲(chǔ)層流體流動(dòng)能力，為測井評(píng)價(jià)儲(chǔ)層以及油田開發(fā)提供幫助。