基于分形的岩石裂隙网络量化方法及在可压裂性评价应用研究

Many of the underground shale gas exploitation in China has already deeper than 1000 meter. The field evolution of shale fracture network and whether the effective fracture network could be deveoped, which is fracability, by hydrolic fracturing in deep mining remains to be fully understood due to the fact that shale gas reservoir buried deep undergrond and it is expensive and unreliable by traditional in-situ method. It is difficult to evaluate the fracability in different shale layers. Based on the basic principle that the more complex the fracture network after hydraulic fracturing, the better fracability of shale and the detected problem of unsteady result of fractal dimension in enggineering application, the project is proposed to carry on fractal quantification mehtod of rock network and the applycation of fractal quantification on establishing and optimizating fracability evaluation model. Based on the long tail distribution and self-similarity of fractal objects, a novle fractal index quantification model is constructed. The fractal indexes of rock network before fracturing and after fractuting are calculated by using the data collected by the self-developed fracture images processing program and the connecting fracture identification program from CT scan images. And te quantification indexes are applied to optimize and calibrate fracability evaluation model. The goal of this project is to establish an effectively early fracability evaluation system in deep shale mining by analyzing the fracture network fractal index before and after hydraulic fracturing.

我国页岩气开采已进入千米深度，由于页岩气储藏深埋于地下，深部开采时岩石内部水力压裂的裂隙演化“看不见，摸不着”，现场探测难度大，花销大，可靠性差，对压裂是否能使储层形成有效压裂缝网（可压裂性好坏）缺乏足够认识，因而难以准确评估不同储层的可压裂性。针对可压裂性评价模型建立及优化问题，根据裂隙复杂程度越高，可压裂性越好，以及发现的工程应用中现有分形维数使用时存在的结果不稳定性缺陷，本项目开展裂隙网络分形量化方法以及在可压裂性评价应用的研究。结合发现的工程应用中分形存在的结果不稳定等问题，利用分形图形的长尾分布、自相似性，构建裂隙分形量化指数模型，采用自主研发的裂隙扫描图像处理及提取连通裂隙信息的程序，对CT扫描图像提取数据信息，计算不同层位岩芯水力压裂前、压裂后的裂隙网络分形量化指数，并利用量化指数优化、校验可压裂性评价模型，为深部开采页岩气优化设井选址提供研究基础和方法

针对页岩可压裂性评价、深部开采动力灾害预警理论等遇到的储层复杂裂隙结构难以定量表征，分形维数在量化岩石裂缝时使用最小二乘法回归得到不稳定结果的问题，本项目按照课题研究方案与实际工作任务开展了以下几个方面的工作：(1)弄清了分形维数在工程实践中产生数值偏差的主要原因，确定了岩石裂隙网络的分形特点，找到了解决分形维数在应用时产生数值偏差的方法，并结合岩石裂隙对工程应用的影响特点、分形的长尾分布特征及自相似性，提出了考虑岩石裂隙网络的特殊性的去头留尾分割方法，构建了适用于岩石裂隙网络的分形维数量化方法。(2)利用Arcgis识别了二维岩石裂隙网络的裂隙走向、长度及个数，利用MATLAB编程提取了三维岩石裂隙网络的几何、拓扑结构数据，压裂前、后岩芯三维裂隙网络的单个裂隙体积等测度指标。然后利用本项目提出的去除极限的分形维数计算方法量化了二维、三维岩石裂隙。(3)开展了岩石裂隙网络与物理力学性质的关系研究，探索了岩石裂隙网络与渗透率的关联性。利用LBM模拟速度场，拟合了渗透率，发现了渗透率与裂隙网络的分形维数成正相关的结论，最后对可压裂性评价模型进行了修正和检验。. 通过研究，在Chaos, solitons and fractals（SCI 一区，IF=3.764 ）、Pure and Applied Geophysics、Acta Mathematica Sinica - English Series、模糊系统与数学，数学的实践与认识等期刊上发表论文7篇，另有2篇在整理投稿中。申请专利4项，已获批中国发明专利1项，澳大利亚革新专利1项。出版学术专著1本。培养硕士研究生2名。基于项目研究成果，项目主持人在河北省统计现场会议（2019，唐山）做了邀请报告、在第一届原位改性采矿国际研讨会（2019，太原）上作了口头报告，2019年2月-2020年2月到加拿大滑铁卢大学访学一年，参加了多次国际能源会议及讨论。如上所述，本项目完成了预期研究任务。