本發(fā)明涉及巖石力學(xué)實驗分析方法，具體涉及一種巖心壓后裂縫復(fù)雜程度定量表征方法。

背景技術(shù)：

對頁巖油氣、致密砂巖油氣等非常規(guī)油氣儲層，一般需對儲層進(jìn)行壓裂改造才能獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能。對儲層巖石進(jìn)行可壓裂性評價，進(jìn)行勘探開發(fā)目標(biāo)層段優(yōu)選和壓裂設(shè)計，可以大大降低勘探開發(fā)風(fēng)險。

北美在頁巖氣開發(fā)中引入“脆性指數(shù)”的概念：脆性指數(shù)(Brittleness)表示儲層壓裂的難易程度，反映的是儲層壓裂后所形成裂縫的復(fù)雜程度。脆性指數(shù)較高的儲層壓裂時能迅速形成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫，脆性指數(shù)低的儲層則容易形成簡單的雙翼型裂縫。脆性指數(shù)是當(dāng)前描述巖石可壓裂性的主流方法。但迄今為止，巖石脆性指數(shù)尚無統(tǒng)一的定義和度量方法，現(xiàn)有的各種脆性指數(shù)表征方法均不是直接描述“壓裂后所形成裂縫的復(fù)雜程度”，模型精度較低，應(yīng)用效果不佳。

郭天魁等人對全直徑巖心開展了模擬水力壓裂實驗，對巖心壓后裂縫形態(tài)進(jìn)行了分析，用裂縫結(jié)構(gòu)面跡長分維值或面密度表征巖心壓后裂縫的復(fù)雜度。該方法未考慮裂縫形態(tài)，且較難重復(fù)和推廣。

對柱塞狀巖心開展(單軸或三軸)抗壓實驗是分析巖石機(jī)械力學(xué)特性的常用方法，該方法施加軸向壓力將巖心壓裂，通過采集實驗過程中的應(yīng)力和應(yīng)變可計算分析巖石力學(xué)性質(zhì)。巖心抗壓實驗易于開展，在此實驗基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，對柱塞狀巖心壓后裂縫進(jìn)行分析，定量表征壓后復(fù)雜程度，可得到巖石直接的“脆性指數(shù)”，對巖石的可壓裂性分析具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供一種巖心壓后裂縫復(fù)雜程度定量表征方法，對柱塞狀巖心抗壓實驗后進(jìn)行裂縫參數(shù)提取，并進(jìn)行復(fù)雜程度定量分析，以此評價巖石在壓裂過程中形成縫網(wǎng)的能力。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種巖心壓后裂縫復(fù)雜程度定量表征方法，對抗壓實驗后的柱塞狀巖心壓后裂縫圖像提取每條裂縫的傾角和面積，計算壓后巖心的面縫率和裂縫傾角離散度，將二者歸一化之后取平均相加，得到巖心壓后裂縫復(fù)雜度。

進(jìn)一步，具體步驟如下：

將壓后巖心的信息數(shù)字化，即通過光學(xué)滾動掃描將壓后巖心側(cè)表面上的裂縫信息展現(xiàn)在一張二維圖像中，然后在該圖像中對每條裂縫的基本參數(shù)進(jìn)行定量描述，提取每條裂縫的大小和傾角；

巖心壓后裂縫復(fù)雜度是巖心壓后產(chǎn)生的裂縫數(shù)量、大小及形態(tài)的函數(shù)，巖心壓后裂縫數(shù)量從裂縫圖像中直接得到；巖心壓后裂縫傾角越離散，則裂縫越接近網(wǎng)狀，因此裂縫形態(tài)可用裂縫傾角的雜亂程度來表征，提出面縫率和裂縫傾角離散度的概念：

面縫率為所有裂縫面積的和與巖心側(cè)表面積的比值：

式中：R_f為面縫率，無量綱；S_i為第i條裂縫的面積，S_l為巖心的側(cè)表面積，二者單位相同，均為像素點數(shù)或mm²；

裂縫傾角離散度為所有裂縫傾角的方差：

式中：D_a為裂縫傾角離散度，無量綱；為傾角平均值，A_i為第i條裂縫的傾角，單位均為度；在式(3)中計算裂縫復(fù)雜度時根據(jù)裂縫的大小對每個裂縫傾角進(jìn)行加權(quán)處理，權(quán)值為每條裂縫面積與平均裂縫面積的比值；

式中：A_i'為第i條裂縫的加權(quán)傾角，A_i為該裂縫原始傾角，單位均為度；S_i為該裂縫面積，為巖樣所有裂縫面積的平均值；

面縫率和裂縫傾角離散度包含了巖心壓后產(chǎn)生的裂縫數(shù)量、大小及形態(tài)，且二者對縫網(wǎng)形成的貢獻(xiàn)無大小之分，按照統(tǒng)計分析方法，將面縫率和裂縫傾角離散度取平均值表征巖心壓后裂縫復(fù)雜度，即：

式中：F_c為巖心壓后裂縫復(fù)雜度。

進(jìn)一步，由于直接得到的面縫率和裂縫傾角離散度在數(shù)值上存在數(shù)量級的差異，在式(4)中計算巖心壓后裂縫復(fù)雜度時將二者進(jìn)行歸一化處理：

式中：和分別為歸一化的巖心壓后裂縫分析面縫率和傾角離散度，無量綱，壓后裂縫分析面縫率最大最小值分別取3和0，裂縫傾角離散度最大最小值分別取45°和0°；

綜上，巖心壓后裂縫復(fù)雜度計算公式為：

代入面縫率和傾角離散度極值，則式(7)簡化為：

進(jìn)一步，通過圖像掃描獲取壓后巖心裂縫信息，柱塞狀巖心壓后裂縫圖像為二維掃描圖像。

進(jìn)一步，采用直徑1英寸柱塞狀巖心進(jìn)行抗壓實驗。

進(jìn)一步，柱塞狀巖心壓后裂縫圖像為對巖心三維光學(xué)掃描獲取的三維外觀圖像或X-CT掃描獲取的內(nèi)部三維圖像。

本發(fā)明的柱塞狀巖心抗壓實驗后裂縫復(fù)雜程度定量表征方法，對壓后的柱塞狀巖心壓后裂縫圖像提取每條裂縫的傾角和面積，計算壓后巖心的面縫率和裂縫傾角離散度，將二者歸一化之后取平均相加，得到巖心壓后裂縫復(fù)雜度，可以定量分析巖石在壓裂過程中形成縫網(wǎng)的能力，進(jìn)而評價儲層巖石可壓裂性，對油氣儲層的壓裂改造具有指導(dǎo)意義，可用于巖心壓后裂縫形態(tài)復(fù)雜程度的定量表征，適用但不僅限于柱塞狀巖心，對其它形狀巖石樣品壓后裂縫復(fù)雜程度的分析也適用。

附圖說明

圖1巖心壓后裂縫復(fù)雜度分析方法流程

圖2是某巖心壓后裂縫圖像

圖3是圖2中巖心壓后側(cè)面展開圖

具體實施方式

下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

如圖1所示，首先要將巖心通過三軸或單軸抗壓實驗壓裂，然后通過光學(xué)滾動掃描將壓后巖心側(cè)表面上的裂縫信息展現(xiàn)在一張二維圖像中，在該圖像中對每條裂縫的基本參數(shù)進(jìn)行定量描述。描述裂縫的參數(shù)眾多，本發(fā)明中需要提取每條裂縫的大小和傾角。裂縫的大小可用圖像中該裂縫所占的像素數(shù)來表示，裂縫的傾角為該裂縫與巖心軸向的夾角，在0°～90°之間，可用裂縫外接矩形高和寬之比的反正切來計算，即：

式中：A為裂縫的傾角，單位為度，H和W分別為裂縫外接矩形的高和寬，單位均為像素，Arctan為反正切運算。

巖石壓后形成縫網(wǎng)能力強，則壓后裂縫應(yīng)具有如下三個特征：一是數(shù)量多，二是裂縫大，三是形態(tài)復(fù)雜。因此，巖心壓后裂縫復(fù)雜度是巖心壓后產(chǎn)生的裂縫數(shù)量、大小及形態(tài)的函數(shù)。巖心壓后裂縫數(shù)量可從裂縫圖像中直接得到；裂縫大小可用圖像中裂縫的面積表征；巖心壓后裂縫傾角越離散，則裂縫越接近網(wǎng)狀，因此裂縫形態(tài)可用裂縫傾角的雜亂程度來表征。

綜合以上分析，提出面縫率和裂縫傾角離散度的概念：

面縫率為所有裂縫面積的和(裂縫總面積)與巖心側(cè)表面積的比值。

式中：R_f為面縫率，無量綱；S_i為第i條裂縫的面積，S_l為巖心的側(cè)表面積，二者單位相同，均為像素點數(shù)或mm²。

裂縫傾角離散度為所有裂縫傾角的方差：

式中：D_a為裂縫傾角離散度，無量綱；為傾角平均值，A_i為第i條裂縫的傾角，單位均為度?？紤]到不同大小的裂縫其對縫網(wǎng)的形成貢獻(xiàn)不一樣，因此，在式(3)中計算裂縫復(fù)雜度時根據(jù)裂縫的大小對每個裂縫傾角進(jìn)行加權(quán)處理，權(quán)值為每條裂縫面積與平均裂縫面積的比值。

式中：A_i'為第i條裂縫的加權(quán)傾角，A_i為該裂縫原始傾角，單位均為度；S_i(V_i)為該裂縫面積(體積)，為巖樣所有裂縫面積(體積)的平均值。

面縫率和裂縫傾角離散度包含了巖心壓后產(chǎn)生的裂縫數(shù)量、大小及形態(tài)，且二者對縫網(wǎng)形成的貢獻(xiàn)無大小之分，按照一般統(tǒng)計分析方法，將面縫率和裂縫傾角離散度取平均值表征巖心壓后裂縫復(fù)雜度，即：

式中：F_c為巖心壓后裂縫復(fù)雜度。

由于直接得到的面縫率和裂縫傾角離散度在數(shù)值上存在數(shù)量級的差異，在式(5)中計算巖心壓后裂縫復(fù)雜度時需將二者進(jìn)行歸一化(Normalization)處理：

式中：和分別為歸一化的巖心壓后裂縫分析面縫率和傾角離散度，無量綱，max和min分別為最大、最小值。根據(jù)理論及經(jīng)驗分析，對石油行業(yè)最常用的直徑1＂柱塞狀巖心，壓后裂縫分析面縫率最大、最小值分別取3和0，裂縫傾角離散度最大、最小值分別取45°和0°。

綜上，巖心壓后裂縫復(fù)雜度計算公式為：

代入面縫率和傾角離散度極值，則式(8)簡化為：

以下通過具體實施例對本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說明。

附圖2和圖3為某柱塞狀巖心壓后裂縫圖像及側(cè)面展開圖，該巖心壓后側(cè)面裂縫提取結(jié)果見表1，共有10條縫，分別測量每條裂縫外接長方形的長和寬，按式(1)計算出裂縫傾角，統(tǒng)計每條裂縫所占像素計算出裂縫面積，最后按式(2)、式(3)和式(4)計算裂縫傾角離散度和面縫率。

表1某巖心壓后裂縫提取結(jié)果

表2中為某頁巖氣儲層20塊巖心壓后裂縫復(fù)雜度分析計算結(jié)果。對每塊巖心壓后裂縫傾角離散度和面縫率按式(6)、式(7)做歸一化處理，再按式(8)、式(9)計算出裂縫復(fù)雜度。

表2 20塊巖心壓后裂縫復(fù)雜度計算結(jié)果

最后所應(yīng)說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。