多尺度裂缝精细地质建模及数值模拟方法和装置

摘要

本发明公开了一种多尺度裂缝精细地质建模及数值模拟方法和装置，属于油藏数值模拟技术领域。所述方法包括：获取角点网格和裂缝网络数据；对裂缝进行分级筛选；生成非结构化基础网格和非结构化数值模拟网格，进行角点网格基质属性映射；将III级裂缝等效到基础网格，进一步等效到数值模拟网格；利用全局粗化技术计算最终数值模拟网格的所有传导率。本发明能有针对性的分级处理不同性质的裂缝，从而在保证数值模拟精度的前提下，减少数值模拟网格数量，提高数值模拟计算速度。

说明书

技术领域

本发明涉及油藏描述以及油藏数值模拟技术领域，特别是指一种多尺度裂缝精细地质建模及数值模拟方法和装置。

背景技术

裂缝油藏是广泛存在的一种油藏类型，据不完全统计，当前已探明地质储量中，裂缝性油藏占了28％以上。裂缝油藏的建模和数模一直以来都是业内的一大主要难点，主要体现在基质与不同级别的裂缝在尺度、渗流传导能力以及其他流动特性的巨大差异上。

针对裂缝的特性，现在主要有双重介质模型和离散裂缝模型两种方法来对裂缝进行描述，并为后续数值模拟提供模型与参数。这两种模型分别具有不同的特点和适应性：双重介质模型优点是稳定高效，然而精度较低，往往只适用于中小裂缝发育的区域，不适合对全油藏流动具有重大影响的大尺度裂缝的情形；而离散裂缝模型的特点是对裂缝刻画精细、数值模拟精度高，然而由于极高的分辨率导致无法高效模拟中小裂缝发育的油藏。图1即示出了一个裂缝油藏(左)，及其对应的双重介质模型(中)与离散裂缝模型(右)的示意图。

然而，由于裂缝储层通常存在着不同成因、尺度与分布规律的裂缝，导致上述两种模型均无法同时达到精度和效率上的要求，因此有必要针对多尺度裂缝油藏开发一种新的建模与数值模拟技术。

由于小尺度裂缝的存在，对于针对多尺度裂缝油藏的建模与数值模拟，当前国内外仍多采用双重介质模型。即，不区分裂缝的尺度或流动特性，对全油藏的裂缝系统统一用特定的方法计算得到数值模拟模型参数：裂缝孔隙度与渗透率，以及基质与裂缝网格之间的窜流系数，也称为形状因子。

其中，双重介质模型参数的计算方式有很多，有传统的基于裂缝几何统计的计算方法，有基于局部流动计算的计算方法，还有一个近年来较为流行的基于流动的粗化方法。无论采用哪种方法，都不可避免的存在双重介质模型的局限性。例如，流动粗化方法在对裂缝较为发育或呈现网状分布的情形下，可以获得精度较高的双重介质模型，但是在裂缝零星分布或者某些大裂缝起主导作用的区域，则有可能造成较大的误差。图2即示出了适合应用双重介质模型(左)和适合应用离散裂缝模型(右)的情形。

因此，现有技术中双重介质模型技术存在如下缺点：

1)无法对不同尺度裂缝进行分开处理；

2)对于裂缝零星分布或者某些大裂缝起主导作用的区域，精度较低。

综上所述，多尺度裂缝的存在，导致了离散裂缝模型数值模拟计算效率上无法适应，通常只能采用双重介质模型进行建模与数值模拟。然而由于双重介质模型对于裂缝较为粗糙的描述与等效处理，精度上会大打折扣，对于某些主裂缝控制区域原油流动的情形可能会出现较大误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够兼顾计算精度和计算效率的多尺度裂缝精细地质建模及数值模拟方法和装置。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，提供一种多尺度裂缝精细地质建模及数值模拟方法，包括：

步骤1：加载数据，所述数据包括角点网格模型、基质属性模型、裂缝网络模型和裂缝属性模型；

步骤2：根据裂缝参数，将裂缝划分为I、II和III三个级别，分别为离散裂缝级、双孔介质级和等效介质级，其中，I级对应的裂缝尺度最大，II级对应的裂缝尺度中等，III级对应的裂缝尺度最小；

步骤3：根据角点网格模型与I级和II级裂缝系统几何信息，生成I级和II级离散裂缝的非结构化网格G_f，并将角点网格的基质属性映射其中，作为基础网格；

步骤4：根据角点网格模型与I级裂缝系统几何信息，生成I级离散裂缝的非结构化网格G_c，作为数模网格；

步骤5：将III级裂缝等效到G_f的基质网格中，计算其等效孔隙度和渗透率；

步骤6：将II级裂缝对应到数模网格G_c中，成为双重介质模型中的裂缝介质网格；根据全局粗化方法，计算G_c网格的数值模拟参数，得到的结果为离散裂缝+双重介质混合模型。

另一方面，提供一种多尺度裂缝精细地质建模及数值模拟模型获取装置，包括：

加载模块：用于加载数据，所述数据包括角点网格模型、基质属性模型、裂缝网络模型和裂缝属性模型；

裂缝分级模块：用于根据裂缝参数，将裂缝划分为I、II和III三个级别，分别为离散裂缝级、双孔介质级和等效介质级，其中，I级对应的裂缝尺度最大，II级对应的裂缝尺度中等，III级对应的裂缝尺度最小；

第一网格生成模块：用于根据角点网格模型与I级和II级裂缝系统几何信息，生成I级和II级离散裂缝的非结构化网格G_f，并将角点网格的基质属性映射其中，作为基础网格；

第二网格生成模块：根据角点网格模型与I级裂缝系统几何信息，生成I级离散裂缝的非结构化网格G_c，作为数模网格；

第一等效计算模块：用于将III级裂缝等效到G_f的基质网格中，计算其等效孔隙度和渗透率；

第二等效计算模块：用于将II级裂缝对应到数模网格G_c中，成为双重介质模型中的裂缝介质网格；根据全局粗化方法，计算G_c网格的数值模拟参数，得到的结果为离散裂缝+双重介质混合模型。

本发明具有以下有益效果：

上述方案中，对尺寸不一的裂缝进行了分级筛选处理。

(1)对小尺度(III级)裂缝作等效介质处理，在等效后的数值模拟模型中III级裂缝无需额外数值模拟网格，避免了对尺度较小、数量巨大同时数据不确定性较大的裂缝进行高分辨率建模与模型，极大的降低了计算代价，可以在损失极少精度的前提下，大幅度提高数值计算效率。

(2)对中尺度(II级)裂缝采用双重介质处理，采用全局粗化流程，可以保证II裂缝的等效精度，在最终数值模拟模型中，II级裂缝由双重介质网格表征，仅需增加很少的数值模拟网格。

(3)对大尺度(I级)裂缝进行离散裂缝处理，可精确描述并模拟对油藏起重要作用的裂缝，保持了传统离散裂缝模型的高精度。

综上，本发明方法对于不同尺度和可靠性的裂缝采用分开处理，有针对性的采用不同数值模拟策略，保证了数值计算精度，提高了数值计算的效率。

附图说明

图1为现有技术中裂缝油藏(左)，及其对应的双重介质模型(中)与离散裂缝模型(右)的示意图；

图2为现有技术中适合应用双重介质模型(左)和适合应用离散裂缝模型(右)的裂缝油藏的示意图；

图3为本发明中得到非结构化网格G_f作为基础网格的示意图；

图4为本发明中得到非结构化网格G_c作为数模网格的示意图；

图5为本发明中读取角点网格及其属性时得到的孔隙度属性示意图；

图6为本发明中根据读取的裂缝网络几何数据，进行裂缝分级的示意图，其中上为III级裂缝，左下为II级裂缝，右下为：I级裂缝；

图7为本发明的步骤3和步骤4中根据读取的角点网格信息生成模型边界的示意图；

图8为本发明中基于I+II级离散裂缝剖分非结构化网格Gf的示意图；

图9为本发明中从角点网格向Gf网格映射基质属性的示意图，其中图中所示为孔隙度属性；

图10为本发明中基于I级离散裂缝剖分非结构化网格Gc的示意图；

图11为III级裂缝参数计算的示意图，其中右图为III级裂缝等效渗透率；

图12为混合模型粗化(得到传导率等参数)的示意图；

图13为采用本发明方法的测试算例，其中上图为对比模型数值模拟结果饱和度分布图(数值模拟计算时间为1619秒)，下图为本发明的混合网格数值模拟结果饱和度分布图(数值模拟计算时间为88秒)，两者误差仅为5％，而计算仅为原来的1/18；

图14为本发明方法的流程原理示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

通常储层中存在着尺寸和性质不同的裂缝，如：

(1)压裂主裂缝通常尺寸大、导流能力强、对流体渗流和储层开发的影响大，从分布上来讲，这类裂缝数量较少，呈现稀疏分布的状态。由于单条裂缝对渗流影响大且分布较为稀疏，对这类裂缝而言，采用传统双重介质模型会有较大的误差用，采用离散裂缝模型更有精确有效。

(2)压裂缝网和天然裂缝缝网等一些裂缝通常尺寸中等，导流能力也较强，分布上呈网状交错分布，适合双重介质模型来模拟，若采用离散裂缝模型，会造成网格数量过多从而计算速度太慢的问题。

(3)储层中还存在一些微裂缝，这些裂缝分布十分密集，然而由于裂缝尺寸很小，并不一定形成有效缝网，因此对这类裂缝既不适合离散裂缝模型也也不适合采用双重介质模型进行模拟，可将其属性通过特定方法，赋予到基质上。

由此可见，采用单一的双重介质模型或者离散裂缝模型无法有效模拟储层中不同类型的裂缝，本发明采用了三级裂缝分级的思路，就是将这些性质不同的裂缝进行分级筛选，进而采用不同方法建立模型，最后统一到一个混合模型中进行数值模拟。

一方面，本发明提供一种多尺度裂缝精细地质建模及数值模拟方法，如图3-14所示，包括以下步骤：

步骤1：加载(读取)数据，该数据包括角点网格模型、基质属性模型、裂缝网络模型和裂缝属性模型；

对于各数据的来源，分别说明如下：

(1)角点网格模型

角点网格模型一般可由三维地质建模软件生成，并导出成Eclipse角点网格文件(*.GRDECL)格式文件，常用三维地质建模软件有Petrel、SKUA/GOCAD、RMS等。

(2)基质属性模型

基质属性模型在角点网格模型生成后建立，通常也在三维地质建模软件中完成，也可借助GsLib等专业地质统计软件来完成。建立每种属性的模型都需要硬数据(hard data)作为输入数据，硬数据根据其来源可分为岩心数据、测井数据、地震数据等，在硬数据的约束下，通过特定的属性建模方法建立起网格对应的属性模型，即：为每个网格单位赋予属性。常用的属性建模方法有随机模拟方法(如高斯序贯模拟方法)、插值方法(如普通克里金方法)和表达式求值方法等。该基质属性模型基于(1)中角点网格模型，包括基质的孔隙度、渗透率和净毛比三个属性。

(3)裂缝网络模型

裂缝网络模型一般由专业裂缝建模软件建立，常见的裂缝建模软件有Fraca、FracMan等，随着裂缝模型研究的深入和推广，许多三维地质建模软件(如Petrel、GOCAD等)也支持裂缝网络建模。建模后导出并保存为GOCAD的surface文件(*.ts)格式。

(4)裂缝属性模型

裂缝属性模型通常与裂缝网络模型一起建立，可由建立裂缝网络模型的软件自动计算，也可手动输入。一般包括裂缝的开度、渗透率。

步骤2：裂缝分级

根据裂缝参数，将裂缝划分为I、II和III三个级别，分别为离散裂缝级、双孔介质级和等效介质级，其中，I级对应的裂缝尺度最大，II级对应的裂缝尺度中等，III级对应的裂缝尺度最小；

具体来说，可以根据裂缝的尺度(如长度、高度及开度)、裂缝的导流能力以及裂缝的分布情况等数据，将裂缝分为三个级别：

(1)离散裂缝级(I级)

该级裂缝尺度最大，裂缝导流能力强，单条裂缝对流体渗流影响最大，在最终数模模型中以离散裂缝存在；

(2)双孔介质级(II级)

该级裂缝尺度中等，同级裂缝连通情况较好，单条裂缝对流体渗流影响中等，在最终数值模拟模型中以双重介质模型的裂缝介质存在；

(3)等效介质级(III级)

该级裂缝尺度最小，单条裂缝对流体渗流影响最小，在最终数模模型中，其对渗流的作用被等效到基质网格中。

具体的分级步骤可以为：

(1)I级裂缝

根据预先设定的I级-II级裂缝分级参数，包括临界长度L₁、临界开度d₁、临界渗透率k₁，则裂缝网络F中，子集F_I＝{f∈F|L_f>L₁且d_f>d₁且k_f>k₁}为I级裂缝；

(2)III级裂缝

根据预先设定的II级-III级裂缝分级参数，包括临界长度L₂、临界开度d₂、临界渗透率k₂，则裂缝网络F中，子集F_III＝{f∈F|L_f<L₂或d_f<d₂或k_f<k₂}为III级裂缝；

(3)II级裂缝

裂缝网络F的子集F_II＝F-F_I-F_III为II级裂缝。

步骤3：生成基础网格G_f

根据角点网格模型与I级和II级裂缝系统几何信息，生成I级和II级离散裂缝的非结构化网格G_f，并将角点网格的基质属性映射其中，作为基础网格；

本步骤中，根据角点网格模型与I+II级裂缝系统几何信息，剖分I+II级离散裂缝的非结构化网格G_f，作为基础网格(如图3所示)。具体可以包括以下子步骤：

(1)生成模型边界

根据输入角点网格，生成模型外包络面，作为非结构化网格G_f边界；

(2)剖分非结构化网格G_f

网格剖分工作可由Triangle、TetGen或CGAL等网格生成软件完成；

(3)映射基质属性

对于G_f中的任一网格g，根据其中心点坐标寻找网格对应的角点网格，将该角点网格的基质属性一一赋予网格g。

本网格具备了数值模拟的所有参数，实际上，该基础网格模型就是传统离散裂缝模型，与本专利提出的混合网格模型相比，该基础网格模型网格数多，数值模拟计算代价较高。因此在本专利技术中，该基础网格模型仅作为后续工作的一个基础，不直接用于数值模拟计算。后续工作中，III级裂缝参数计算和混合模型粗化步骤均以此网格作为基础开展。

步骤4：生成数模网格G_c

根据角点网格模型与I级裂缝系统几何信息，生成I级离散裂缝的非结构化网格G_c，作为数模网格；

该步骤与步骤3类似，区别在于这里仅对I级裂缝进行非结构化网格剖分，且无需进行基质属性的映射(在混合模型粗化步骤中进行)。

该步骤得到I级离散裂缝非结构化网格G_c(如图4所示)，作为最终数模网格。由于最终数值模拟模型参数系由混合网格粗化得到，因此本步骤中无需进行属性映射。

具体的，本步骤可以包括以下子步骤：

(1)生成模型边界

根据输入角点网格，生成模型外包络面，作为非结构化网格G_c边界；

(2)剖分非结构化网格G_c

网格剖分工作可由Triangle、TetGen或CGAL等网格生成软件完成。

该网格作为最终混合网格的载体，即：最终得到的数值模拟模型是基于该网格上的。

步骤5：III级裂缝参数计算

将III级裂缝等效到G_f的基质网格中，计算其等效孔隙度和渗透率；

这一步骤中，基于步骤3中的基础网格G_f，将III级裂缝等效到G_f的基质网格中。之所以将III级裂缝参数等效到基础网格G_f而非数模网格G_c，是因为前者已具备除了III级裂缝之外的所有数值模信息，而后者还缺少II级裂缝和其他基质属性信息，因此将III级裂缝等效计算到基础网格G_f，最终混合网格粗化步骤才能得到具备完整信息的混合网格模型。

III级裂缝参数计算中，孔隙度可以采用传统计算方法等效(见下式)，渗透率优选采用基于流动的局部粗化方法等效。即对于G_f中任一网格g：

(1)遍历F_III，确定落在网格内部的所有III级裂缝

(2)修正基质孔隙度，计算公式为

$>{\phi }_g^{*}=\left(\underset{i\in F_{III}^g}{\Sigma }{V}_i{\phi }_i+V_g{\phi }_g\right)/V_g$>

其中为φ为孔隙度，V为体积；

(3)修正基质渗透率，计算公式为

$>k_g^{*}=Qd/A\Delta P$>

其中Q为垂直于渗透率方向网格横截面的总流量，d为渗透率方向上的网格长度，A为垂直于渗透率方向网格横截面平均面积，ΔP为压力梯度在渗透率方向上的分量。

由于该级别裂缝尺度小，且不确定性高，因此不需要进行全局离散裂缝表征，只需在非结构化网格G_f单个网格块内进行等效计算。

等效参数计算完毕，则III级裂缝可从裂缝网络中剔除舍去。

步骤6：混合模型粗化

将II级裂缝对应到数模网格G_c中，成为双重介质模型中的裂缝介质网格；根据全局粗化方法，计算G_c网格的数值模拟参数，得到的结果为离散裂缝+双重介质混合模型。

前述步骤已生成了一套具备完整数模信息的基础网格G_f，其缺点是网格数众多，数值模拟的计算代价太高。此外，在步骤4中还获得了最终数值模拟采用的非结构化网格G_c，数模网格G_c相对G_f而言要少得多，然而目前为止，其仅含有I级裂缝的信息。因此，本步骤的目标就是将基础网格G_f的信息(II级裂缝和其他基质属性)，通过粗化方法，赋予到数模网格G_c中。

为了实现上述目标，这一步骤采用基于流动的全局粗化方法，得到最终数值模拟模型的所有参数，工作分为两个部分，一是将II级裂缝对应到G_c网格中，成为双重介质模型中的裂缝介质网格，二是计算G_c网格的数值模拟参数，得到的结果为离散裂缝+双重介质混合模型。具体步骤例如：

(1)遍历F_II，确定落在G_c各网格内部的所有II级裂缝；

(2)计算裂缝网格孔隙度，计算公式为

$>{\phi }_g^{*}=\left(\underset{i\in F_{III}^g}{\Sigma }{V}_i{\phi }_i+V_g{\phi }_g\right)/V_g$>

其中为φ为孔隙度，V为体积，

(3)根据全局粗化方法，分别计算得到传导率T_MM、T_FF和T_MF，这里T为传导率，M和F分别指基质和裂缝网格。注意，这里F有I和II两个级别的裂缝，因此，传导率可进一步细分为T_MM、

至此，得到基于G_c网格的最终数值模拟参数：

(1)数值模拟网格的孔隙度；

(2)数值模拟网格的控制点深度；

(3)数值模拟网格的体积；

(4)数值模拟网格的传导率联通表。

图13为采用本发明方法的测试算例，其中上图为对比模型数值模拟结果饱和度分布图(数值模拟计算时间为1619秒)，下图为本发明的混合网格数值模拟结果饱和度分布图(数值模拟计算时间为88秒)，两者误差仅为5％，而计算仅为原来的1/18。

另一方面，与上述的方法相对应，本发明还提供一种多尺度裂缝精细地质建模及数值模拟装置，包括：

加载模块：用于加载数据，所述数据包括角点网格模型、基质属性模型、裂缝网络模型和裂缝属性模型；

裂缝分级模块：用于根据裂缝参数，将裂缝划分为I、II和III三个级别，分别为离散裂缝级、双孔介质级和等效介质级，其中，I级对应的裂缝尺度最大，II级对应的裂缝尺度中等，III级对应的裂缝尺度最小；

第一网格生成模块：用于根据角点网格模型与I级和II级裂缝系统几何信息，生成I级和II级离散裂缝的非结构化网格G_f，并将角点网格的基质属性映射其中，作为基础网格；

第二网格生成模块：根据角点网格模型与I级裂缝系统几何信息，生成I级离散裂缝的非结构化网格G_c，作为数模网格；

第一等效计算模块：用于将III级裂缝等效到G_f的基质网格中，计算其等效孔隙度和渗透率；

第二等效计算模块：用于将II级裂缝对应到数模网格G_c中，成为双重介质模型中的裂缝介质网格；根据全局粗化方法，计算G_c网格的数值模拟参数，得到的结果为离散裂缝+双重介质混合模型。

进一步的，所述裂缝分级模块优选包括：

第一分级子模块：根据预先设定的I级-II级裂缝分级参数，包括临界长度L₁、临界开度d₁、临界渗透率k₁，则裂缝网络F中，子集F_I＝{f∈F|L_f>L₁且d_f>d₁且k_f>k₁}为I级裂缝；

第二分级子模块：根据预先设定的II级-III级裂缝分级参数，包括临界长度L₂、临界开度d₂、临界渗透率k₂，则裂缝网络F中，子集F_III＝{f∈F|L_f<L₂或d_f<d₂或k_f<k₂}为III级裂缝；

第三分级子模块：裂缝网络F的子集F_II＝F-F_I-F_III为II级裂缝。

进一步的，所述第一网格生成模块优选包括：

第一模型边界生成子模块：用于根据输入角点网格，生成模型外包络面，作为非结构化网格G_f边界；

第一剖分子模块：用于剖分非结构化网格G_f；

映射子模块：用于对于G_f中的任一网格g，根据其中心点坐标寻找网格对应的角点网格，将该角点网格的基质属性一一赋予网格g。

进一步的，所述第二网格生成模块优选包括：

第二模型边界生成子模块：用于根据输入角点网格，生成模型外包络面，作为非结构化网格G_c边界；

第二剖分子模块：用于剖分非结构化网格G_c。

进一步的，所述第一等效计算模块中，III级裂缝参数计算时，孔隙度可以采用传统计算方法等效，渗透率优选采用基于流动的局部粗化方法等效。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。