一種粗糙裂縫流道復(fù)雜程度的評價方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種粗糙裂縫流道復(fù)雜程度的評價方法，包括：(A)把兩個巖板的粗糙面相互接觸，形成一塊中間帶有粗糙裂縫的樣板，測量樣板高度h；(B)利用三維激光掃描儀對裂縫的兩個粗糙面進行掃描，獲取粗糙面的三維數(shù)據(jù)；(C)計算不同位置處的裂縫開度W(x,y)；(D)采用立方體覆蓋法計算裂縫開度的分形維數(shù)D；(E)利用分形維數(shù)D對流道復(fù)雜程度進行分類；(F)基于步驟(E)中的分類結(jié)果，將各類流道類型從最好到最差依次排序如下：絕對光滑流道、低等復(fù)雜程度流道、中等復(fù)雜程度流道、高等復(fù)雜程度流道。本發(fā)明首次實現(xiàn)粗糙裂縫流道形態(tài)分類的數(shù)字化，更加直接地描述流道的復(fù)雜程度，能夠為壓裂施工參數(shù)的優(yōu)選提供指導(dǎo)，具有廣闊的市場前景。
【專利說明】
一種粗糙裂縫流道復(fù)雜程度的評價方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及石油工程領(lǐng)域水力壓裂過程中一種粗糙裂縫流道復(fù)雜程度的評價方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水力壓裂技術(shù)是低滲透油氣藏增產(chǎn)改造的重要措施。水力壓裂是利用地面高壓栗 組，以超過地層吸收能力的排量將壓裂液栗入地層來產(chǎn)生裂縫，然后繼續(xù)注入帶有支撐劑 (砂粒)的壓裂液，使裂縫繼續(xù)延伸并在其中充填支撐劑，當(dāng)壓裂液返排后，在地層壓力作用 下，支撐劑在裂縫中起到支撐裂縫的作用，阻止裂縫閉合，從而在地層中形成具有一定長 度、允許流體流動的填砂裂縫。
[0003] 清水壓裂是水力壓裂的一種形式，被廣泛應(yīng)用于致密砂巖、頁巖等油氣藏的增產(chǎn) 改造中。它的特點是不加入支撐劑，僅通過栗入低粘度壓裂液，在儲層中產(chǎn)生粗糙裂縫。由 于形成的裂縫表面凹凸不平，即使不加入支撐劑，表面凸起也可以相互支撐，使裂縫在閉合 壓力的作用下保持一定的裂縫開度，以此為流體提供流動通道，達到改善油氣流動條件和 油氣井增產(chǎn)的目的。因此，清水壓裂的主要任務(wù)是在油氣儲層中制造具有一定開度的粗糙 裂縫。
[0004] 裂縫開度指裂縫同一位置處上、下兩表面的高度之差。粗糙裂縫的開度并不是處 處相等，不同位置處裂縫開度差別很大。這就導(dǎo)致裂縫流道彎曲變形十分復(fù)雜，而流道的復(fù) 雜程度則直接影響了縫內(nèi)流體流動的阻力。在相同的裂縫平均開度下，流道越復(fù)雜，流體流 動的阻力就越大。因此準(zhǔn)確地評價流道復(fù)雜程度對清水壓裂施工參數(shù)優(yōu)化研究具有重要意 義。
[0005] 分形幾何是一門以不規(guī)則幾何形態(tài)為研究對象的幾何學(xué)，幾何形態(tài)的不規(guī)則程度 可以由分形維數(shù)表征。按照分形幾何的理論，曲面的維度介于二維的平面和三維的立體之 間，即分形維數(shù)介于2~3。分形維數(shù)越大，表明曲面越不規(guī)則，彎曲變化越劇烈。目前廣泛采 用立方體覆蓋法計算曲面的分形維數(shù)，該方法是一種純幾何意義上的計算方法，計算結(jié)果 準(zhǔn)確可靠。
[0006] 目前對于粗糙裂縫內(nèi)流道復(fù)雜程度的描述和評價方法，國內(nèi)外的研究工作仍處于 起步階段，研究成果主要是對粗糙裂縫表面進行描述和評價，缺乏直接評價流道復(fù)雜程度 的手段。同時，由于流道的彎曲變形隨機性極強，很難描述，故對粗糙裂縫內(nèi)流道復(fù)雜程度 的描述和評價工作尚不夠全面，不夠精細(xì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種粗糙裂縫流道復(fù)雜程度的評價方法，該方法原理可 靠，操作簡便，能夠為壓裂施工參數(shù)的優(yōu)選提供指導(dǎo)，具有廣闊的市場前景。
[0008] 為達到以上技術(shù)目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。
[0009] 本發(fā)明利用三維激光掃描儀獲取裂縫兩個粗糙面的三維數(shù)據(jù)，計算裂縫不同位置 處的開度。采用立方體覆蓋法，計算裂縫開度的分形維數(shù)，最后基于分形維數(shù)對流道粗糙程 度進行分類和評價。
[0010] -種粗糙裂縫流道復(fù)雜程度的評價方法，依次包括以下步驟：
[0011] (A)將巖石樣品加工成長方體巖板，把兩個尺寸相同的巖板的粗糙面相互接觸，形 成一塊中間帶有粗糙裂縫的樣板，測量樣板的高度h。
[0012] (B)利用三維激光掃描儀分別對步驟(A)中裂縫的兩個粗糙面進行掃描，獲取粗糙 面的三維數(shù)據(jù)。
[0013] (C)利用步驟(A)中的樣板高度h和步驟(B)中得到的三維數(shù)據(jù)計算不同位置處的 裂縫開度W(x，y)。
[0014] (D)根據(jù)步驟(C)中計算所得的W(x，y)，采用立方體覆蓋法計算裂縫開度的分形維 數(shù)D。
[0015] (E)利用步驟(D)中得到的分形維數(shù)D，對流道復(fù)雜程度分類如下：
[0016] (1)當(dāng)D = 2.0時，屬于絕對光滑流道。裂縫開度處處相等，流道未發(fā)生彎曲變形，流 體在此類流道中流動時阻力最小。但由于真實裂縫表面凹凸不平，因此絕對光滑形態(tài)的流 道在現(xiàn)實施工中是不可能出現(xiàn)的。
[0017] (2)當(dāng)2.0〈D<2.1時，屬于低等復(fù)雜程度流道。裂縫開度變化不大，兩個裂縫面之 間存在少量點狀接觸。流體在此類流道中流動時，阻力較小，可將粗糙裂縫簡化為平均開度 相同的、絕對光滑的裂縫。故此類流道為粗糙裂縫內(nèi)最佳的流道類型。
[0018] (3)當(dāng)2.1〈D<2.3時，屬于中等復(fù)雜程度流道。裂縫開度發(fā)生明顯變化，兩個裂縫 面之間出現(xiàn)少量條帶狀接觸。但在非接觸區(qū)域內(nèi)，裂縫開度變化較小。流體在此類流道內(nèi)流 動時，會出現(xiàn)局部繞流現(xiàn)象，但整體上仍保持流動方向不變。此類流道形態(tài)會造成不可忽略 的流動阻力，故中等復(fù)雜程度流道的過流能力低于上述流道類型。
[0019] (4)當(dāng)2.3〈D<2.4時，屬于高等復(fù)雜程度流道。裂縫開度劇烈變化，在裂縫內(nèi)部隨 處可見點狀、條帶狀接觸。在非接觸區(qū)域，裂縫開度變化明顯。流體在此類流道內(nèi)流動時，需 繞過大量接觸物，產(chǎn)生復(fù)雜的三維流動。此類流道形態(tài)會產(chǎn)生較大的流動阻力，故高等復(fù)雜 程度流道為最不理想的流道類型。
[0020] (F)基于步驟(E)中的分類結(jié)果，將各類流道類型從最好到最差依次排序如下：絕 對光滑流道、低等復(fù)雜程度流道、中等復(fù)雜程度流道、高等復(fù)雜程度流道，從而對壓裂施工 參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)。
[0021] 所述步驟(B)中獲取粗糙面的三維數(shù)據(jù)有X、Y、Z三列，其中列X和列Y為粗糙面上各 點的平面坐標(biāo)，列Z為粗糙面各點的高度值。
[0022]所述步驟(C)中，設(shè)裂縫的一個粗糙面為a面，另一個粗糙面為b面，不同位置處的 裂縫開度W( x，y)采用以下公式計算：
[0023] ff(x,y)=h-Za(x,y)-Zb(x,y)
[0024]式中：h-樣板高度，mm;
[0025] W(x，y)-不同位置處的裂縫開度，mm;
[0026 ] Za (x，y) -粗糙面a在平面坐標(biāo)(x，y)處的高度值，mm;
[0027] 21)(1，7)-粗糙面13在平面坐標(biāo)(1，7)處的高度值，1111]1。
[0028 ]所述步驟（D )中分形維數(shù)采用立方體覆蓋法計算（周宏偉，謝和平， 1^&81116￥81^11^.粗糙表面分維計算的立方體覆蓋法[1].摩擦學(xué)報，2000,20(6):455~ 459)。立方體覆蓋法是指采用不同邊長的立方體覆蓋粗糙面，其中，立方體的邊長與個數(shù)存 在以下關(guān)系：
[0029] N⑷=CS-D
[0030] lnN(5)=lnc_Dln5
[0031] 式中：5-立方體邊長，mm;
[0032] N(S)-立方體邊長為即寸，覆蓋整個粗糙面所需的立方體的個數(shù)；
[0033] c-常數(shù)；
[0034] D-分形維數(shù)，無因次。
[0035] N(S)采用下式計算：
[0038]式中：Nx-沿X軸方向掃描點的個數(shù)；
[0039] Ny-沿Y軸方向掃描點的個數(shù)；
[0040] -覆蓋第(i，j)個局部粗糙面所需的立方體個數(shù)；
[0041 ] INT-取整函數(shù)；
[0042] max()一取最大值函數(shù)；
[0043] min()一取最小值函數(shù)；
[0044] w(Xi，yj)-裂縫中1 =叉^ = 7」所在點的開度，111111;
[0045] 改變立方體邊長8,并計算所需的立方體個數(shù)N(S)。分別對S和N(S)取對數(shù)，并繪制 在坐標(biāo)圖上，建立起InS和lnN(S)的直線關(guān)系，直線斜率的相反數(shù)即為分形維數(shù)D。
[0046] 所述步驟(E)中之所以采用0 = 2.1，0 = 2.3,0 = 2.4作為流道復(fù)雜程度分類的分界 點，是基于對40條粗糙裂縫流道的觀察和對分形維數(shù)D的分析總結(jié)而來。
[0047] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:采用該方法將流道按照復(fù)雜程度的差別 分為4類，首次實現(xiàn)了粗糙裂縫流道形態(tài)分類的數(shù)字化，并且比以往更加直接地描述了流道 的復(fù)雜程度，為壓裂施工參數(shù)優(yōu)化提供了重要的指導(dǎo)依據(jù)。
【附圖說明】
[0048] 圖1是帶有粗糙裂縫的長方體樣板的示意圖。
[0049] 圖2是計算分形維數(shù)的示意圖。
【具體實施方式】
[0050] 下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。
[0051] 圖1為高度h的長方體樣板，樣板中間存在一條粗糙裂縫，裂縫的兩個粗糙面分別 為a和b。
[0052]圖2是計算分形維數(shù)的示意圖。
[0053] 一種粗糙裂縫流道復(fù)雜程度的評價方法，依次包括以下步驟：
[0054] (A)將巖石樣品加工成長方體巖板，其中需要研究的粗糙面保持原狀，其余五個面 打磨光滑。把兩個尺寸相同的巖板的粗糙面相互接觸，形成一塊中間帶有粗糙裂縫的樣板， 測量樣板的高度h(圖1)。
[0055] (B)利用三維激光掃描儀分別對步驟(A)中裂縫的兩個粗糙面(粗糙面a、粗糙面b) 進行掃描，獲取粗糙面的三維數(shù)據(jù)。
[0056]粗糙面的三維數(shù)據(jù)有X、Y、Z三列，其中列X和列Y為粗糙面上各點的平面坐標(biāo)，列Z 為粗糙面各點的高度值。 JT F Z x〇- z(x〇 >.y 〇：) x! y i z(x ,： , J ；)
[0057] ?.' y,. z(xI：, j!：) z(x" >y" )
[0058] (C)利用步驟(A)中的樣板高度h和步驟(B)中得到的三維數(shù)據(jù)計算不同位置處的 裂縫開度W(x，y)。
[0059] 裂縫的一個粗糙面為a面，另一個粗糙面為b面，不同位置處的裂縫開度W(x，y)采 用以下公式計算：
[0060] ff(x,y)=h-Za(x,y)-Zb(x,y)
[0061] 式中：h-樣板高度，mm;
[0062] W(x，y)-不同位置處的裂縫開度，mm;
[0063 ] Za (x，y) -粗糙面a在平面坐標(biāo)(x，y)處的高度值，mm
[0064 ] Zb (x，y) -粗糙面b在平面坐標(biāo)(x，y)處的高度值，mm
[0065] (D)根據(jù)步驟(C)中計算所得的W(x，y)，采用立方體覆蓋法計算裂縫開度的分形維 數(shù)D。計算方法如下：
[0069]式中：Nx-沿X軸方向掃描點的個數(shù)；
[0070] Ny-沿Y軸方向掃描點的個數(shù)；
[0071] -覆蓋第(i，j)個局部粗糙面所需的立方體個數(shù)；
[0072] INT-取整函數(shù)；
[0073] max()一取最大值函數(shù)；
[0074] min〇-取最小值函數(shù)；
[0075] W(Xl，yj)-裂縫中x = Xl，y = yj所在點的開度，臟；
[0076] 改變立方體邊長5,重復(fù)計算所需的立方體個數(shù)N(S)，獲得6組不同立方體邊長S下 的計算結(jié)果。分別對S和N(S)取對數(shù)，并繪制在坐標(biāo)圖上，建立起InS和lnN(S)的直線關(guān)系 (圖2)，直線斜率的相反數(shù)即為分形維數(shù)?？芍摿芽p的分形維數(shù)D為2.34。
[0077] (E)利用步驟(D)中得到的分形維數(shù)對流道復(fù)雜程度進行分類，得出該裂縫屬于高 等復(fù)雜程度流道。沿流動方向上，裂縫開度劇烈變化，在裂縫內(nèi)部隨處可見點狀、條帶狀接 觸。此類流道形態(tài)會產(chǎn)生較大的流動阻力，為最不理想的流道類型。
[0078] (F)基于步驟(E)的描述和評價，該裂縫的流道形態(tài)為最不理想的流道類型。
【主權(quán)項】
1. 一種粗糙裂縫流道復(fù)雜程度的評價方法，依次包括以下步驟： (A) 將巖石樣品加工成長方體巖板，把兩個尺寸相同的巖板的粗糙面相互接觸，形成一 塊中間帶有粗糙裂縫的樣板，測量樣板的高度h; (B) 利用三維激光掃描儀分別對步驟(A)中裂縫的兩個粗糙面進行掃描，獲取粗糙面的 三維數(shù)據(jù)； (C) 利用步驟(A)中的樣板高度h和步驟(B)中得到的三維數(shù)據(jù)計算不同位置處的裂縫 開度 W(x，y); (D) 根據(jù)步驟(C)中計算所得的W(x，y)，采用立方體覆蓋法計算裂縫開度的分形維數(shù)D; (E) 利用步驟(D)中得到的分形維數(shù)D，對流道復(fù)雜程度分類如下： (1) 當(dāng)D = 2.0時，屬于絕對光滑流道，流道未發(fā)生彎曲變形，流體在此類流道中流動時 阻力最?。? (2) 當(dāng)2.0〈D<2.1時，屬于低等復(fù)雜程度流道，兩個裂縫面之間存在少量點狀接觸，流 體在此類流道內(nèi)流動時阻力較小； (3) 當(dāng)2.1〈D<2.3時，屬于中等復(fù)雜程度流道，兩個裂縫面之間出現(xiàn)少量條帶狀接觸， 流體在此類流道內(nèi)流動時會出現(xiàn)局部繞流現(xiàn)象； (4) 當(dāng)2.3〈D<2.4時，屬于高等復(fù)雜程度流道，在裂縫內(nèi)部隨處可見點狀、條帶狀接觸， 流體在此類流道內(nèi)流動時會產(chǎn)生較大的流動阻力； (F) 基于步驟(E)中的分類結(jié)果，將各類流道類型從最好到最差依次排序如下：絕對光 滑流道、低等復(fù)雜程度流道、中等復(fù)雜程度流道、高等復(fù)雜程度流道，從而對壓裂施工參數(shù) 優(yōu)化提供指導(dǎo)。2. 如權(quán)利要求1所述的一種粗糙裂縫流道復(fù)雜程度的評價方法，其特征在于，所述步驟 (B) 中獲取粗糙面的三維數(shù)據(jù)有X、Y、Z三列，其中列X和列Y為粗糙面上各點的平面坐標(biāo)，列Z 為粗糙面各點的高度值。3. 如權(quán)利要求1所述的一種粗糙裂縫流道復(fù)雜程度的評價方法，其特征在于，所述步驟 (C) 中計算不同位置處的裂縫開度W(x，y)，設(shè)裂縫的一個粗糙面為a面，另一個粗糙面為b 面，采用以下公式： ff(x,y)=h-Za(x,y)-Zb(x,y) 式中:h-樣板高度，mm; 23(1，7)-粗糙面3在平面坐標(biāo)(1，7)處的高度值，1111]1; 21)(1，7)-粗糙面13在平面坐標(biāo)(1，7)處的高度值，1111]1。4. 如權(quán)利要求1所述的一種粗糙裂縫流道復(fù)雜程度的評價方法，其特征在于，所述步驟 (D) 中采用立方體覆蓋法計算裂縫開度的分形維數(shù)D，過程如下： In N(5) = lnc-D Ιηδ式中：δ-立方體邊長，mm; Ν(δ) -立方體邊長為δ時，覆蓋整個粗糙面所需的立方體的個數(shù)； c 一常數(shù)； Νχ-沿X軸方向掃描點的個數(shù)； Ny-沿Υ軸方向掃描點的個數(shù)； -覆蓋第(i，j)個局部粗糙面所需的立方體個數(shù)； INT 一取整函數(shù)； W(xi，yj)-裂縫中x=xi，y = yj所在點的開度，mm; 改變立方體邊長S，計算所需的立方體個數(shù)Ν(δ)，分別對δ和Ν(δ)取對數(shù)，并繪制在坐標(biāo) 圖上，直線斜率的相反數(shù)即為分形維數(shù)D。
【文檔編號】G01N33/00GK105929117SQ201610538599
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月11日
【發(fā)明人】盧聰, 郭建春, 許鑫, 陳滔, 羅楊
【申請人】西南石油大學(xué)