研究结果：储层裂缝建模与多相流耦合

2023-08-20 理论教育版权反馈

【摘要】：恢复后的层面模型，即被认定为一个可接受的变形前模型，而构造正演只需对恢复过程进行回放即可获得。目前，有些研究者开始认为裂缝的分形维特征的本质在于介质本身的属性特征，如材料刚度。在裂缝建模的基础上，研究人员提出了多尺度裂缝建模与多相流耦合分析模型。这种方法在进行裂缝性介质内的多相流模拟时，将裂缝与孔隙视为统一的均匀介质进行处理。

从最初的三维地质建模及多相流数模分析的尝试至今，建模技术不断发展，并取得一些突破。20世纪60年代初期，法国地质学家G. Matheron基于区域化变量理论，建立了地质统计学，在地质模型中加入了不确定性分析[1-3]。进入20世纪80年代后，克里金方法在地学建模和分析中得到广泛应用，并逐步发展形成了系统随机模拟理论[4-10]。20世纪90年代以后，各类储集砂体的储层建模与油藏数值模拟一体化技术[11-15]、区域应力场分析技术[16-24]和构造建模及各种断层的计算机处理技术等[25-28]纷纷出现，并取得一定成果，并未很好地解决非均质储层的裂缝建模问题。

早期的地质建模方法，如方块网格模型，并没有考虑自然界复杂的裂缝系统，很难计算含裂缝介质的流体流动情况[29]。针对不同裂缝类型和研究尺度的裂缝几何建模问题，地质学家提出了一系列裂缝几何建模方法。对于最简单的情况，即含大尺度裂缝的孔隙介质的裂缝建模问题，一种解决方案是基于连续介质的裂缝建模方法。该方法利用薄面元代表裂缝，孔隙介质仍然用网格表示，并且分别赋予代表的裂缝薄面元和代表孔隙介质的网格一定的渗流参数，但是这种建模方法只能解决小规模的裂缝建模问题，而且要求所建裂缝几何模型的裂缝数目不能太多[30]。另外一种解决方案是Pyrak和Gentier等人[31-32]提出的，即利用管流来模拟裂缝的建模方法，当孔隙介质的渗透性可以忽略不计时，可以用管流网络代替薄面元网络。由于管网建模比面元网络建模更易存储和执行，虽然裂缝的管流网络建模方法，能够建立数量巨大（百万量级）的裂缝管网几何模型，但是天然裂缝一般具有有二维全面结构，利用一维管网模型不仅有悖于地质事实，也无法处理复杂断层模型。

Robinson和Sahim等提出基于统计理论建立随机裂缝网络模型的方法[33-34]，并且在20世纪80和90年代的岩石工程研究中得到了广泛应用[4-6]。裂缝随机网络模型的基本思路是将裂缝的位置、尺度、方向以及其他一些与裂缝相关的特征视为随机变量，并赋予一定的概率分布函数。为了降低模型的复杂度，建模时通常利用简单的几何形状表示裂缝，例如二维模拟时用直线表示，三维模拟时用椭圆或平面表示[35]。由于能够采集到的裂缝统计数据，如露头、微电阻率成像测井、井下电视成像测井等[36-37]，多为二维数据，且受到截断误差、边界效应等干扰，不能直接进行三维裂缝建模[38-43]。在随机模拟时，裂缝的位置是裂缝随机建模中最重要的参数，通常独立于裂缝的其他属性而进行单独处理。Young和Viruete等人提出基于地质统计学的裂缝位置模拟方法，选用裂缝密度作为模拟对象[9-10]。该方法对于一个给定的裂缝数据集，通过逐点计算，首先确定裂缝位置空间相关函数，然后利用克里金方法估计获取裂缝位置的无偏估计，这个过程可以协同地震等其他参数进行模拟[44]。之后，基于特定的概率分布函数，再对裂缝的几何特征进行模拟。以上这种裂缝随机模拟方法，也称为标示点过程，即在进行裂缝的位置用一个点代替，而裂缝的其他属性，则当作该点上的各种标示[45]。裂缝的随机模拟方法将裂缝和断层视为简单几何形状的集合，但实际应用中，并不容易获得该方法所需要的裂缝位置、长度、宽度等几何特征的真实概率分布函数。类似的随机建模方法，例如基于像素的多点统计建模方法，不仅需要大量的训练图片，而且可靠性无法确定，并且无法进行三维裂缝建模。从地质力学的角度考察，裂缝随机建模方法的主要弊端就是无法保证其符合地质事实。其中一个主要原因就是，裂缝的随机建模理论并没有考虑裂缝的成因，而仅仅依靠现今的裂缝系统统计量建模。

Egan和Tanner等人提出基于地质几何力学的裂缝建模方法[47-48]，利用几何算法，模拟主断层的运动轨迹。在进行三维模拟时，通常利用3DMove软件，对主断层进行断裂恢复，直到断层上下盘重合[49]。断层的恢复方向通常选定为垂直褶皱轴线方向[50-51]，并根据几何算法不同，略有差别。恢复后的层面模型，即被认定为一个可接受的变形前模型，而构造正演只需对恢复过程进行回放即可获得。在构造正演过程中，对比最终构造与当前模拟模型之间的差值，可以获得绝对应变积分值[52-53]。利用绝对应变积分可以求出一个绝对应力数值，根据库伦-摩尔定律，就可以建立裂缝的位置和方向模型[54-55]。从断裂力学的角度考察，基于几何力学的裂缝建模方法，并没有考虑裂缝尖端奇性场，因此无法保证模拟满足断裂力学规律，也无法保证得到的应变场的合理性[56]，而且几何力学模拟时，没有考察主断层的非均质扩展，也无法分析岩性非均质引起的应力集中所产生的小裂缝。

在传统均质裂缝研究中，裂缝一般假定为光滑曲面，然而越来越多的实验表明，事实并非如此。Mosolov和Yavari等人研究了分形裂缝的力学机制，试图用分形维空间来解释裂缝的尖端奇性[57-59]。Goldshtein和Mosolov从裂缝的自相似角度出发，得到了同A.Yavari同样的结论[60-61]。Balankin等人也对这一理论进行了大量研究[62-64]。目前，有些研究者开始认为裂缝的分形维特征的本质在于介质本身的属性特征，如材料刚度。但是由于边界条件设定带来的困难，基于分形维进行裂缝模拟，并没有取得比光滑裂缝模拟更好的结果。

在裂缝建模的基础上，研究人员提出了多尺度裂缝建模与多相流耦合分析模型。第一种裂缝建模与多相流模拟耦合方法，将裂缝性介质看作渗透率非连续变化的非均质介质。这种方法所建立的耦合模型，能够精确刻画裂缝的三维结构，准确分析裂缝对流体分布的影响[65-66]。但是这种方法所刻画的裂缝模型，不仅受到勘探数据多解性的影响，而且硬件要求太高，很难获得有价值的实际应用结果。为了解决第一种方法模拟耗费大的难题，B. Berkowitz提出了一种均匀介质模型[67]。这种方法在进行裂缝性介质内的多相流模拟时，将裂缝与孔隙视为统一的均匀介质进行处理。虽然这种方法简化了模拟过程，但是由于其所建模型，并没有具体体现出裂缝影响，因而模拟结果的精度和准确性不如第一种方法。为了同时兼顾模拟时的经济原则和可靠性，在第二种方法的基础上，提出了双重介质模型[68-70]。这种模型将裂缝单独作为一种连续介质处理，同时将裂缝性油藏看作裂缝介质和孔隙介质两种介质组成的地质对象。在实际模拟时，采用双重网格，分别处理裂缝介质和孔隙介质内的多相流模拟问题，并在两种介质之间设置传导系数，沟通两种介质。但是双重介质模型，适合于处理中小尺度的裂缝问题，却无法处理大尺度断层内的切向导流问题，同时也无法模拟流体侵入过程中的裂缝开启与闭合过程[68]。

综上所述，目前研究存在以下几点问题。

（1）基于随机建模理论的储层裂缝建模方法缺乏对裂缝成因的考虑，所得到的裂缝模型不完全满足裂缝的基本控制规律。

（2）基于地质几何动力学的储层裂缝建模方法，重视裂缝的成因分析，然而面积守恒律和体积守恒律仍然只是真实地层的一种简化。这种简化模型不仅难于模拟复杂断块模型，而且由于其裂缝生成法则完全基于几何特征分析，没有考虑断面摩擦力和断裂的尖端奇性特征，所以在复杂断块区应用几何动力学方法模拟裂缝扩展与分布，会存在较大的系统误差。

（3）基于分形理论的储层裂缝建模方法，具有简单易行的特点，但在实际应用中还存在很多问题。例如，如何确定分形模型中断层与小裂缝的界限，裂缝网络是否具有统一的分形规律，裂缝分形指数与区域构造历史之间是否具有确定的关系等。由于精确地获取地表以下单个裂缝的几何特征并不容易，更不可能获得地表以下各种尺度裂缝的几何特征信息，因此在实际应用中，无法根据直接观测的数据建立完全符合地质事实的裂缝模型。

（4）现有裂缝建模方法遇到的困难表明，要深入地分析储层的裂缝特征及其动力学机制，必须进行多尺度分析和模拟，尤其需要进一步了解储层岩石裂缝扩展的微观特征及其与岩石成分、结构及储层非均质性之间的本质关系。

（5）现有的裂缝建模与多相流耦合分析模型，其耦合的前提是建立符合裂缝分布规律的裂缝模型。所以要在多尺度裂缝建模研究的基础上开发裂缝建模与多相流耦合模型。

研究结果：储层裂缝建模与多相流耦合

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