裂缝页岩的三维电各向异性等效模型及本征裂缝反演方法研究

As the development of exploration technologies, such as fracking and rotary steerable, and the increasing demand to the oil and gas, the exploration of shale oil and shale gas becoming more practical and cost effective. However, the study of the electrical properties of the shale rock, especially shale rocks with cracks and fractures have not be studied extensively and systematically due to the fact that shale rock by nature is transverse isotropic with low resistivity and high dielectric constant. When fractured, the shale rock becomes biaxial anisotropic. On the other hand, to quantitatively evaluate the reservoir and fracturing, it is necessary to understand the electrical properties of fractured shale and thus develop an effective fracture characterization method..With respects to the above scientific problems and application needs, we will investigate the electrical properties of fractured shale rock with the equivalent orthorhombic anisotropy model, and propose an analyzing method for characterizing an arbitrary fracture model with the effective Eigen vectors of the fracture model. We will use analytical, numerical, digital rock analysis and measurement methods to study the shale rocks, in order to establish the biaxial anisotropic resistivity inversion model for fractured shale in terms of their effective Eigen vectors of fractures. The inversion of effective fracture characterization can be conducted through the well log data obtained by the triaxial induction logging tool. This research can be found valuable for understanding the shale formation and characterizing the hydra-fracturing process. It may also contribute to the shale formation interpretation.

随着近年来压裂及旋转导向等石油开采技术的快速发展，页岩油气的开发工作已越来越实用化，开采成本也逐步降低。然而从基础研究角度看，对于具有低电阻、高介电性及天然各向异性特征的页岩本身，尤其是出现裂缝结构的页岩储层电特性的研究工作仍缺乏系统性理论及方法；与此同时，深入、量化研究具有裂缝结构的页岩电学各向异性，建立一种等效量化储层裂缝特征及压裂效果的评价方法也被应用领域所迫切需要。.针对以上科学问题及应用需求，本项目拟以等效三维各向异性思想来研究页岩裂缝特征与其电特性的关系，并提出一种以本征裂缝模型来等效任意裂缝特征的方法，结合理论分析、数值仿真、数字岩芯计算以及实验测量等方法，建立裂缝页岩的本征裂缝各向异性电阻率正演模型，通过三分量感应电阻率测量数据实现对裂缝的等效量化反演。这一研究工作对深入了解页岩储层特征以及压裂评价具有重要科学意义和应用价值，研究成果可进一步为页岩储层物理参数反演奠定基础。

含有裂缝结构的页岩储层电学特性研究是页岩储层评价及测井解释的重要基础。如何对具有各向异性及非均质性的裂缝页岩等效模型进行有效表征将直接影响油气储层评价精度。本项目采用理论推导、数值仿真、数据驱动分析、机器学习建模及实验验证相结合的方法，完成了对含裂缝页岩几何特性及物理属性的深入研究分析工作：对含裂缝页岩的多物理各向异性模型进行理论推导，还原电阻率及体积模量的张量形式，对其等效电特性进行综合分析以准确量化其各向异性；以真实岩心的“裂缝频数-裂缝开度”幂律关系为基础，建立了一系列符合自然页岩缝网分布规律的岩心模型；基于正交化方法，完成了针对裂缝网络的电学及力学特性升尺度分析，建立了含裂缝页岩的三维电各向异性等效模型；建立了力-电联合反演裂缝图版，对等效特征裂缝的形态进行反演预测，并结合真实数字岩心数据及地质勘探测井数据验证了反演方法的有效性；采用高分辨率数字岩心扫描技术采集裂缝页岩样本数据，结合机器学习及多点统计算法生成训练数据，深入研究了不同数字岩心建模方法并提出一种建模质量自动（无监督性）评价方法；引入贝叶斯证据学习框架，构建了数字岩心几何特征描述符和电学等物理属性之间的预测关系，并对其不确定性进行量化表征；结合物理驱动及数据驱动角度，本项目建立了一套适用于非均质及各向异性岩石的多尺度数字化分析建模方法。以上研究工作成果在达到项目预期研究目标的同时，创新性地提出了一种多物理场数据分析方法及不确定性量化预测框架，同时也对解决多尺度、多源数据、非均质建模等复杂问题提供了新的思路和参考。这一研究成果对裂缝页岩储层表征以及页岩油气评价具有重要科学意义和应用价值。