基于地质工程一体化思想的立体缝网建模数模一体化方法

技术领域

本发明涉及油气开发技术领域，特别是涉及到一种基于地质工程一体化思想的立体缝网建模数模一体化方法。

背景技术

近年来，随着低渗透油气勘探开发的逐渐深入，面对开发过程中油气产量低、稳产难度大等现实问题，石油公司对水力压裂技术在非常规油气藏勘探开发中的应用需求逐步加大，压裂工程借鉴地质领域成果势在必行。围绕低渗透油气勘探开发技术需求，积极践行地质工程一体化理念，突破低渗透油藏压裂设计关键技术瓶颈是实现油藏高效开发的关键。实践表明，对多层低渗透油藏进行纵向上的分段压裂能够有效提高单井产量，纵向上通过多段压裂，段内组合缝网压裂，增大裂缝对储层控制程度，能够提高产能，延缓递减，针对不同储层条件，需要匹配不同形态的裂缝。通过裂缝监测结果和产液剖面测试结果表明，纵向上受压力、物性等影响，相同的裂缝属性合采存在供液干扰的问题。

同时，储层中伴生的天然裂缝和体积压裂产生的人工网络裂缝共同构成了极为复杂的多尺度网络系统，体积压裂后储层中存在基质、天然裂缝和网络裂缝多种孔隙系统，各系统在储层中具有不同的受力情况及内部流体渗流规律，共同影响着油井的开发效果。因此，必须综合考虑流体在多重孔隙介质中的流动的影响，明确低渗透油藏开发过程中渗流场的变化规律。缝网压裂是目前提高低渗透油藏开发效果的主要技术，通过在厚层油藏中建立立体的主缝+分支缝的组合裂缝网络，提高改造体积，从而提高改造效果。

目前，水力裂缝的建模方法多集中在二维缝网，缺少三维立体缝网建模方法，形成大体积的复杂分支缝+主裂缝后，渗流特征会出现什么变化，规律尚不明确。

与本发明相关的现有技术情况：

(1)基于微地震观测的水力裂缝建模方法

低渗透油藏由于储层渗透率低，需要经过水力压裂技术才能经济开发。水力压裂后，可以通过微地震观测确定裂缝的走向、长度等信息，进而实现水力裂缝的表征。这种方法一般只能确定裂缝的近似形态，无法获得裂缝的导流能力等信息，因此，在实际应用中需要结合生产数据对裂缝信息进行反演，进而预测井生产动态。

(2)基于裂缝扩展的非常规油气裂缝建模方法

低渗储层的天然裂缝发育状况、脆性、非均质等地质条件与施工过程中的压裂控制参数共同决定了裂缝的扩展形态。通过引入裂缝延伸与破裂准则，构建裂缝动态扩展的扩展有限元或离散元模型，能够对流体-力学耦合性质进行较为精确的表征，从而预测压裂裂缝形态。基于该类技术，斯伦贝谢公司开发了相应的软件UFM。该类建模方法需要获得相应的地质参数，而地质参数往往具有非确定性，影响了该类模型的裂缝预测精度。

(3)基于等效思想的裂缝建模方法

基于等效思想的裂缝建模方法主要针对压裂后具有改造体积的情况提出。在裂缝建模过程中，不再关注裂缝的具体信息，而是将压裂区域等效为一个具有相同渗透性质的高导流渗流区域，该区域和未改造区域具有较大的性质差异。基于这种建模方法目前有三线性流动模型、五线性流动模型、复合模型等。该类方法一般将缝网等效为二维模型，即水力裂缝和改造区域均穿过整个储层。无法对复杂的立体缝网进行建模。

(4)解析/半解析解

体积压裂水平井解析模型(Analyt i cal Model)较为常见的是线性流模型，即根据等效渗流理论，假设裂缝形状，把裂缝中的流动简化为线性流或者径向流，将缝网等效为一个高渗透带，用高渗透带的数量、体积和渗透率表征缝网特征，模型注重把握体积压裂水平井整体的缝网特征及流动形态。半解析模型(Semi-Analyt i cal Model)就是将体积压裂复杂裂缝网看成是由很多小段裂缝组成的系统)，通过定义每个小段裂缝的长度、方位及导流能力等参数来描述复杂缝网结构，对每一小段进行基质渗流和裂缝内部流动的耦合，然后经过迭代求得这一小段裂缝的压力和流量分布，得到单条裂缝的产能贡献，从而预测整个压裂水平井的产能。半解析渗流模型包括基质渗流模型、裂缝内部流动模型以及基质渗流和裂缝内部流动的耦合，也可考虑井筒内的流动及耦合问题。半解析方法前期处理较复杂，模型输入参数多，且只能解决单井单相问题，具有一定的局限性。

(5)数值模拟方法

解析/半解析方法相比，数值方法较为灵活，能够处理更为复杂的缝网形态。DFN模型目前应用较为广泛，该方法是将缝网系统简化为多裂缝或交错分布的形态，包括三维的线网模型、二维的离散模型以及随机分布的多裂缝模型，明确定义了模拟区域内每一条裂缝的位置、产状、几何形态、尺寸、宽度以及孔渗性质等。DFN模型虽然可以较精确的模拟近井位置的裂缝分布，但对远离井位的裂缝描述精度较差，只能使用地质与地震属性的二维分布图来制约裂缝模型的生成。因此，这种模拟方法只适合有大量成像井的区域，而不适合井数较少的区域。

目前关于三维立体缝网建模技术和立体缝网渗流模型仍然缺乏，导致开发规律和渗流规律不清，无法满足现场的压裂设计要求。主要的问题在于以下几个方面：1.建模方面：缺少针对性的立体缝网建模方法，目前的方法多为二维模型或者在裂缝表征方面较为复杂；2.物理模型方面：目前尚未建立多段压裂裂缝+分支裂缝+主裂缝+油藏的全耦合渗流模型；3.裂缝空间结构方面：目前，研究多集中在二维模型，立体缝网对渗流的影响报道较少；4.求解方法方面：半解析方法无法应用到复杂裂缝模型中，数值方法需要兼顾速度与精度；5.参数优化方面：由于缺少合适的缝网分析工具，无法定量分析参数对井产能的影响，参数无法优化。

在申请号：CN202011144919.X的中国专利申请中，涉及到一种非常规油气藏井网部署优化方法和装置。该方法包括：针对研究区，构建含天然裂缝的地质模型；其中，所述含天然裂缝的地质模型带有地应力参数；基于构建的含天然裂缝的地质模型，结合研究区已进行的压裂施工参数进行研究区地质-工程一体化压裂模拟，获得基础裂缝网络模型；对研究区已投产井进行微地震解释，获得研究区已投产井的微地震解释结果；基于研究区试井测试数据及日常生产数据，利用不稳定流分析方法，通过曲线拟合与反演确定研究区已投产井的不稳定流分析结果；基于所述微地震解释结果和所述不稳定流分析结果，对所述基础裂缝网络模型进行校准，得到研究区的裂缝网络模型。

在申请号：CN201811146295.8的中国专利申请中，涉及到一种致密油水平井立体缝网簇网压裂优化方法，属于致密油勘探开发技术领域。该方法首先根据裂缝不同形态进行分类；然后根据裂缝分布及发育特征进行参数表征；推导不同缝网形态等效渗透率表达式；再建立不同渗流缝网产能的理论模型；计算不同缝网形态对产能的影响；最后根据产能影响因素分析选择最佳压裂形式。

在申请号：CN201710689827.1的中国专利申请中，涉及到一种致密储层多尺度裂缝网络建模及模拟方法，该致密储层多尺度裂缝网络建模及模拟方法包括：步骤1，采用MINC模型和SC映射相结合的方法进行基质网格划分；步骤2，通过拟稳态流动计算各节点之间的流量；步骤3，通过流量等效原则对大尺度裂缝系统进行降维处理；步骤4，对裂缝进行模拟；步骤5，对多尺度复杂缝网模型进行求解及验证。

以上现有技术均与本发明有较大区别，未能解决我们想要解决的技术问题，为此我们发明了一种新的基于地质工程一体化思想的立体缝网建模数模一体化方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于地质工程一体化思想的立体缝网建模数模一体化方法，满足厚层致密油藏的开发，提供相应的技术支撑。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：基于地质工程一体化思想的立体缝网建模数模一体化方法，该基于地质工程一体化思想的立体缝网建模数模一体化方法包括：

步骤1：根据储层地质特征和水力压裂微地震观测数据确定不同压裂段的裂缝发育状况；

步骤2：根据不同段的微地震解释结果确定相应压裂段的主裂缝形态和改造区域规模；

步骤3：建立包含立体缝网的地质模型；

步骤4：对地质模型的区域行进网格化离散；

步骤5:建立复杂缝网匹配模式；

步骤6:构建三维立体缝网渗流模型；

步骤7:对渗流模型进行网格剖分，并建立相应的求解方法；

步骤8:对影响渗流的关键参数进行分析，分析不同参数对井产能的影响规律。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

在步骤1中，根据储层地质特征和水力压裂微地震观测数据确定不同压裂段的裂缝发育状况；分析靶区油藏特征、开发特征、流体特征、压裂改造特征，提取地质模型参数；分析压裂后不同段的缝网发育状况。

在步骤2中，主裂缝信息包含裂缝长度、走向、导流能力；改造体积信息包含改造体积规模、导流能力。

在步骤2中，通过微地震分析确定主裂缝的走向，通过压裂施工模拟确定主裂缝的长度和导流能力这些参数；通过微地震观测和压裂施工模拟确定改造区域的规模和导流能力这些参数。

在步骤3中，地质模型包含基质、主裂缝和改造区域三个区域；基质系统的渗透率最低，改造区域次之，主裂缝最大。

在步骤3中，在改造区域不发育的情况下，地质模型包含基质和主裂缝两个区域。

在步骤4中，对地质模型的区域行进网格化离散；离散过程中主裂缝附近网格进行加密处理；最终构建具有真实形态的三维裂缝。

在步骤4中，基质区域采用均匀的网格系统，而主裂缝附近采用网格加密技术，即依据主裂缝的实际宽度进行网格的剖分，网格在远离主裂缝时，采用较大的网格。

在步骤5中，建立复杂缝网匹配模式，主要建立水力主裂缝-次级裂缝-油藏系统的耦合模式；在耦合过程中，应考虑不同介质的渗透能力，流体的流动方向为从基质-次级裂缝-主裂缝-井筒；流体的流动考虑在等温环境下，流体为微可压缩流体，流体考虑水和油两相，以此为基础建立新的数学模型。

在步骤5中，建立的新的数学模型为：

(1)建立控制方程

基质中的质量守恒方程为：

裂缝中的质量守恒方程为：

其中φ为孔隙度；ρ为流体密度；q

渗流满足公式(3)：

其中v是流动速度；μ是流体粘度；k是渗透率；p为压力；

由方程(1)(2)(3)可以得到求解域的连续性方程：

其中Q

(2)数值模拟模型建立

利用有限体积方法对方程(4)进行离散可获得：

其中下标i代表网格接触表面；下标G代表网格编号；V

在步骤6中，收集储层参数、流体参数、开发参数和压裂改造参数，构建三维立体缝网渗流模型，实现三维缝网与地质模型的耦合。

在步骤6中，在数值模拟模型建立过程中，收集的储层参数包括孔隙度、渗透率、饱和度；流体参数包括密度、粘度、压缩因子；开发参数包括井生产制度、压力；压裂参数包括裂缝参数、施工参数；依据收集的资料建立地质模型、PVT模型、相渗模型、流体分布模型、温度压力场模型、生产动态模型；裂缝参数采用步骤1中的裂缝解释结果。

在步骤7中，在数值模拟模型求解过程中，利用正交网格对裂缝和油藏进行网格剖分，在靠近裂缝处采用网格加密技术；对于形成的非线性方程利用牛顿方法进行求解。

在步骤8中，考虑厚层油藏特征，建立能够反映储层、流体、开发、压裂这些特征参数的物理模型，开展各因素包括主裂缝参数、次级裂缝参数、改造区域，对井产量影响程度及影响机制研究，分析不同参数对产能得影响权重。

本发明中的基于地质工程一体化思想的立体缝网建模数模一体化方法，可构建具有真实形态的三维裂缝渗流有效模拟，同时能够对复杂立体裂缝形态的精确表征和影响生产的参数进行敏感性分析，对复杂立体裂缝形态能精确表征和对体积压裂设计具有良好的指导意义。本发明能够充分挖掘裂缝地震反演的信息，通过微地震事件约束裂缝参数解释模型，保证裂缝参数的精度，同时，在流动模拟模型上采用先进的离散裂缝模型，实现分段压裂井不同层裂缝的表征，充分考虑了各层裂缝的差异性。本方法在胜利致密油区应用井次达到20口，产能预测结果与现场数据吻合程度高，具有重要的推广意义。

附图说明

图1为本发明的基于地质工程一体化思想的立体缝网建模数模一体化方法的一具体实施例的流程图；

图2为本发明的一具体实施例中分段压裂微地震观测结果的示意图；

图3为本发明的一具体实施例中仅考虑主裂缝和基质的地质模型的示意图；

图4为本发明的一具体实施例中考虑三个系统的地质模型的示意图；

图5为本发明的一具体实施例中水力压裂主裂缝-次级裂缝-油藏耦合示意图；

图6为本发明的一具体实施例中数值模拟模型建立过程的示意图；

图7为本发明的一具体实施例中数值模拟模型建立过程的示意图；

图8为本发明的一具体实施例中不同段数累计产油曲线图；

图9为本发明的一具体实施例中不同段数模拟的压力分布情况的示意图；

图10为本发明的一具体实施例中4段裂缝扩展模拟结果图；

图11为本发明的一具体实施例中4段压裂立体缝网建模结果的示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。

如图1所示，图1为本发明的基于地质工程一体化思想的立体缝网建模数模一体化方法的流程图。该基于地质工程一体化思想的立体缝网建模数模一体化方法包括：

步骤1：首先根据储层地质特征和水力压裂微地震观测数据确定不同压裂段的裂缝发育状况；

步骤2：根据不同段的微地震解释结果确定相应压裂段的主裂缝形态和改造区域规模。

主裂缝信息包含裂缝长度、走向、导流能力等，改造体积信息包含改造体积规模、导流能力等；

步骤3：建立包含立体缝网的地质模型，地质模型包含基质、主裂缝和改造区域等三个区域；

步骤4：对三个区域行进网格化离散，离散过程中主裂缝附近网格进行加密处理。

步骤5:建立复杂缝网匹配模式，主要建立水力主裂缝-次级裂缝-油藏系统的耦合模式；

步骤6:收集储层参数、流体参数、开发参数和压裂改造参数，构建三维立体缝网渗流模型，实现三维缝网与地质模型的耦合；

步骤7:对渗流模型进行网格剖分，并建立相应的求解方法；

步骤8:对影响渗流的关键参数进行分析，分析不同参数对井产能的影响规律。

以下为应用本发明的几个具体实施例。

实施例1

在应用本发明的一具体实施例1中，该基于地质工程一体化思想的立体缝网建模数模一体化方法包括：

步骤1：首先根据储层地质特征和水力压裂微地震观测数据确定不同压裂段的裂缝发育状况。首先，分析靶区油藏特征、开发特征、流体特征、压裂改造特征，提取地质模型参数；其次，分析压裂后不同段的缝网发育状况，如图2为分四段压裂后不同段的微地震结果，通过分析，四段的裂缝走向基本一致。微地震信号点呈现长条形分布，即改造体积的形态可以假设为近似矩形形态。

步骤2：根据不同段的微地震解释结果确定相应压裂段的主裂缝形态和改造区域规模，主裂缝信息包含裂缝长度、走向、导流能力等，改造体积信息包含改造体积规模、导流能力等；，通过微地震分析可以确定主裂缝的走向，通过压裂施工模拟可以确定主裂缝的长度和导流能力等参数。通过微地震观测和压裂施工模拟可以确定改造区域的规模和导流能力等参数。

步骤3：建立包含立体缝网的地质模型，地质模型包含基质、主裂缝和改造区域等三个区域；地质模型包含基质、主裂缝和改造区域三个系统，基质系统的渗透率最低，改造区域次之，主裂缝最大。在改造区域不发育的情况下，地质模型包含基质和主裂缝两个系统。如图3，为仅考虑主裂缝和基质的地质模型，裂缝长度为100m，地质模型区域为400m×400m；如图4为同时考虑三个区域的地质模型，该模型中将改造区域沿着主裂缝分布，呈矩形，与微地震结果相对应。

步骤4：对三个区域行进网格化离散，离散过程中主裂缝附近网格进行加密处理。最终构建具有真实形态的三维裂缝。发明的最后一步是进行地质模型的离散，离散采用矩形网格，如图3和图4，基质区域采用均匀的网格系统，而主裂缝附近采用网格加密技术，即依据主裂缝的实际宽度进行网格的剖分，网格在远离主裂缝时，可以采用较大的网格。通过对主裂缝、改造体积和基质的网格剖分，可以为后续的流动模拟提供关键信息。

步骤5:建立复杂缝网匹配模式，主要建立水力主裂缝-次级裂缝-油藏系统的耦合模式；如图5，直井在纵向上穿越4段，每一段都进行了水力压裂。每段的主裂缝和次级裂缝形态不同。通过水力压裂裂缝扩展模型，能够对主裂缝和次级裂缝的形态特征信息进行求取，同时，能够获得不同裂缝的导流能力。在耦合过程中，应考虑不同介质的渗透能力，流体的流动方向为从基质-次级裂缝-主裂缝-井筒。流体的流动考虑在等温环境下，流体为微可压缩流体，流体考虑水和油两相。正如背景技术所介绍的，现有离散裂缝模拟技术中存在无法考虑立体缝网的缺陷，为了解决如上的技术问题，本申请建立了如下数学模型。

(1)建立控制方程

基质中的质量守恒方程为：

裂缝中的质量守恒方程为：

其中φ为孔隙度；ρ为流体密度；q

渗流满足公式(3)：

其中v是流动速度；μ是流体粘度；k是渗透率；p为压力。

由方程(1)(2)(3)可以得到求解域的连续性方程：

其中Q

(2)数值模拟模型建立

利用有限体积方法对方程(4)进行离散可获得：

其中下标i代表网格接触表面；下标G代表网格编号；V

步骤6:收集储层参数、流体参数、开发参数和压裂改造参数，构建三维立体缝网渗流模型，实现三维缝网与地质模型的耦合；在数值模拟模型建立过程中，需要收集满足模拟的基本参数，主要包含储层参数(孔隙度、渗透率、饱和度等)、流体参数(密度、粘度、压缩因子等)、开发参数(井生产制度、压力等)、压裂参数(裂缝参数、施工参数)等，依据收集的资料建立地质模型、PVT模型、相渗模型、流体分布模型、温度压力场模型、生产动态模型等；裂缝参数采用步骤1中的裂缝解释结果。如图6，为模型包含的模块。

步骤7:对渗流模型进行网格剖分，并建立相应的求解方法；在数值模拟模型求解过程中，利用正交网格对裂缝和油藏进行网格剖分，在靠近裂缝处采用网格加密技术。对于形成的非线性方程利用牛顿方法进行求解。

步骤8:对影响渗流的关键参数进行分析，分析不同参数对井产能的影响规律。考虑厚层油藏特征，建立能够反映储层、流体、开发、压裂等特征参数的物理模型，开展各因素(主裂缝参数、次级裂缝参数、改造区域等)对井产量影响程度及影响机制研究，分析不同参数对产能得影响权重。最终，通过储层压力和井产量动态分析，能够明确立体缝网的渗流特点。

实施例2

图7为某油井的储层解释结果，该储层纵向跨度大，需要进行分段压裂。对该井区的参数进行收集，建立相应的立体缝网模型。在不同的分段数情况下，油井的产量如图8，图9为不同压裂段数研究区域的压力分布图。可以看出，该井选择3段压裂较为合适。

实施例3

采用发明中的步骤，建立了胜利油田某典型井的立体缝网模型。图10为胜利油田某井4段裂缝扩展模拟结果图，根据压裂模拟结果求取了主裂缝、改造体积的相关参数，最终建立了立体缝网的模型，如图11；左侧：地质模型；右侧：单层网格剖分结果。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对前述实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。