本發(fā)明涉及巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(duì)頁(yè)巖油氣、致密砂巖油氣等非常規(guī)油氣儲(chǔ)層，一般需對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造才能獲得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)能。對(duì)儲(chǔ)層巖石進(jìn)行可壓裂性評(píng)價(jià)，進(jìn)行勘探開(kāi)發(fā)目標(biāo)層段優(yōu)選和壓裂設(shè)計(jì)，可以大大降低勘探開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

北美在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)中引入“脆性指數(shù)”的概念：脆性指數(shù)(Brittleness)表示儲(chǔ)層壓裂的難易程度，反映的是儲(chǔ)層壓裂后所形成裂縫的復(fù)雜程度。脆性指數(shù)較高的儲(chǔ)層壓裂時(shí)能迅速形成復(fù)雜的網(wǎng)狀裂縫，脆性指數(shù)低的儲(chǔ)層則容易形成簡(jiǎn)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(wú)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(duì)全直徑巖心開(kāi)展了模擬水力壓裂實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(zhǎng)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(duì)柱塞狀巖心開(kāi)展(單軸或三軸)抗壓實(shí)驗(yàn)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(guò)采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力和應(yīng)變可計(jì)算分析巖石力學(xué)性質(zhì)。巖心抗壓實(shí)驗(yàn)易于開(kāi)展，在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)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(duì)巖石的可壓裂性分析具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)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(duì)柱塞狀巖心抗壓實(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)巖石在壓裂過(guò)程中形成縫網(wǎng)的能力。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種巖心壓后裂縫復(fù)雜程度定量表征方法，對(duì)抗壓實(shí)驗(yàn)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(jì)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(guò)光學(xué)滾動(dòng)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(duì)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(lái)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(wú)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(diǎn)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(wú)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(jì)算裂縫復(fù)雜度時(shí)根據(jù)裂縫的大小對(duì)每個(gè)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(duì)縫網(wǎng)形成的貢獻(xiàn)無(wú)大小之分，按照統(tǒng)計(jì)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(jí)的差異，在式(4)中計(jì)算巖心壓后裂縫復(fù)雜度時(shí)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(wú)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(jì)算公式為：

代入面縫率和傾角離散度極值，則式(7)簡(jiǎn)化為：

進(jìn)一步，通過(guò)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(shí)驗(yàn)。

進(jìn)一步，柱塞狀巖心壓后裂縫圖像為對(duì)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(shí)驗(yàn)后裂縫復(fù)雜程度定量表征方法，對(duì)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(jì)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(guò)程中形成縫網(wǎng)的能力，進(jìn)而評(píng)價(jià)儲(chǔ)層巖石可壓裂性，對(duì)油氣儲(chǔ)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(duì)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(shuō)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(kāi)圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)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(guò)三軸或單軸抗壓實(shí)驗(yàn)壓裂，然后通過(guò)光學(xué)滾動(dòng)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(duì)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?cái)?shù)來(lái)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(lái)計(jì)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(yùn)算。

巖石壓后形成縫網(wǎng)能力強(qiáng)，則壓后裂縫應(yīng)具有如下三個(gè)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(lái)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(wú)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(diǎn)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(wú)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(duì)縫網(wǎng)的形成貢獻(xiàn)不一樣，因此，在式(3)中計(jì)算裂縫復(fù)雜度時(shí)根據(jù)裂縫的大小對(duì)每個(gè)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(duì)縫網(wǎng)形成的貢獻(xiàn)無(wú)大小之分，按照一般統(tǒng)計(jì)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(jí)的差異，在式(5)中計(jì)算巖心壓后裂縫復(fù)雜度時(shí)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(wú)量綱，max和min分別為最大、最小值。根據(jù)理論及經(jīng)驗(yàn)分析，對(duì)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(jì)算公式為：

代入面縫率和傾角離散度極值，則式(8)簡(jiǎn)化為：

以下通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)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(kāi)圖，該巖心壓后側(cè)面裂縫提取結(jié)果見(jiàn)表1，共有10條縫，分別測(cè)量每條裂縫外接長(zhǎng)方形的長(zhǎng)和寬，按式(1)計(jì)算出裂縫傾角，統(tǒng)計(jì)每條裂縫所占像素計(jì)算出裂縫面積，最后按式(2)、式(3)和式(4)計(jì)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(yè)巖氣儲(chǔ)層20塊巖心壓后裂縫復(fù)雜度分析計(jì)算結(jié)果。對(duì)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(jì)算出裂縫復(fù)雜度。

表2 20塊巖心壓后裂縫復(fù)雜度計(jì)算結(jié)果

最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上具體實(shí)施方式僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)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。