(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210997115.7 (22)申请日 2022.08.19 (71)申请人 中国石油大 学 （北京） 地址 102249 北京市昌平区府学路18号 (72)发明人 李曹雄　鲜成钢　申颍浩　石善志　 张景　 (74)专利代理 机构 北京纪凯知识产权代理有限 公司 11245 专利代理师 王春霞 (51)Int.Cl. G01N 3/02(2006.01) G01N 3/06(2006.01) G01N 3/12(2006.01) (54)发明名称 一种砾岩压裂裂缝偏转与裂缝复杂度预测 方法 (57)摘要 本发明公开了一种砾岩压裂裂缝偏转与裂 缝复杂度预测方法。 本发明通过对砾岩压裂过程 中的裂缝动态过程， 建立等效力学模型， 并使用 砾岩空间形态分布、 砾岩及胶结力学性质、 水平 应力、 样品表面应力以及注入流量、 注入流体流 速等参数对模 型进行限定， 使裂缝动态过程能够 在等效力学模 型中进行复现； 通过对裂缝动态扩 展过程中的关键帧和关键帧目标区的提取， 统计 裂缝偏转夹角， 进一步统计裂缝偏转夹角的概率 分布频谱； 进一步在数字孪生体中， 改变注入流 量、 砾石分布、 砾石种类、 水平应力大小等参数， 即可多次、 大量、 重复地进行砾岩裂缝扩展的动 态过程， 得到不同条件下的f2(θ)， 进一步通过 映射关系得到f1(θ)， 得到预测的裂缝偏转夹角 的概率分布频谱。 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 CN 115326545 A 2022.11.11 CN 115326545 A 1.一种砾岩压裂裂缝偏转与裂缝复杂度预测方法， 包括采用砾岩压裂裂缝扩展监测装 置进行的如下步骤： 所述砾岩压裂裂缝扩展监测装置包括围压系统、 数据处理系统和恒温箱与CT成像系 统； 所述围压系统用于放置待测的砾岩 岩板； 所述围压系统设于所述恒温箱与CT成像系统内， 所述恒温箱与CT成像系统对所述砾岩 岩板被压裂的动态过程进行CT成像， 并保持恒定温度； 所述围压系统 的底部依次与设于所述恒温箱与CT成像系统外的注入腔、 示踪粒子腔和 压裂液腔连接； 所述数据处 理系统控制所述围压系统和所述恒温箱与CT成像系统； 所述围压腔的顶部和底部为透明耐压玻璃； 所述围压系统的上方设有高速相机， 用于对所述砾岩岩板被压裂的动态过程进行拍摄 并将图像传输 至所述数据处 理系统； S1、 将岩石样品加工成岩板， 并在其中心打孔， 在所述 孔中配置模拟井筒； S2、 在所述岩板表面贴附应变片， 放入所述围压系统中， 对所述岩板进行扫描， 识别颗 粒矿物、 胶结的空间分布， 建立等效力学模型， 所述等效力学模型的几何尺寸与所述岩 板相 同， 所述等效力学模型中心设有与所述岩板中心相同的孔； S3、 对所述岩板四周施加两组围压， 两组围压相互垂直， 模拟水平最大主应力和最小主 应力； S4、 保持所述岩板维持设定温度， 向所述模拟井筒内注入压裂液， 压裂液内充入测速示 踪粒子， 开启所述高速相机， 使用所述数据处理系统分析缝内液体流速， 同时记录裂缝扩展 的动态图像； 同时所述恒温箱与CT成像系统对岩样被压裂的动态过程进行CT成像， 形成裂 缝扩展过程的动态图像； S5、 追踪裂缝路径： 选取裂缝扩展过程中， 裂缝分叉、 裂缝扩展方向发生改变时刻后的 △t的图像作为关键帧； 其中在二 维分析时， 采用基于所述高速相机的裂缝扩展过程的动态 图像， 基于三维分析时， 使用基于 CT成像的裂缝扩展过程的动态图像； S6、 针对关键帧， 以裂缝分叉或裂缝扩展方向发生改变的点作为原点， 以原始裂缝扩展 方向为x轴， 以原点为圆心将x轴逆时针旋转90度为y轴， 画出边长为L的矩形关键帧目标区； 裂缝偏转夹角定义为分叉裂缝或扩展方向发生改变的裂缝与x轴正方向的顺时针夹角 θ， 夹 角范围为 ‑180°到180°之间； S7、 在所述等效力学模型的外边界施加与步骤S3相同的围压， 在所述等效力学模型中 心的孔内注入与步骤S4相同的压裂液流量， 在步骤S2中所述应变片在所述等效力学模型表 面对应的同样位置， 施加各所述应变片测得 的应力随时间的变化关系， 模拟裂缝扩展的动 态过程， 并将裂缝扩展过程中， 模型模拟的缝内流体流速与测速示踪粒子观测到的流速进 行对比验证， 保证所述 等效力学模型能够等效岩板实验中的裂缝动态扩展过程； S8、 追踪等效力学模型的裂缝路径： 选取裂缝扩展过程中， 裂缝分叉、 裂缝扩展方向发 生改变时刻的图像作为关键帧； 并按照步骤S 6相同的方法统计同样的关键帧目标区并统计 裂缝偏转夹角 θ； S9、 统计岩板压裂实验中的各关键帧中裂缝偏转夹角出现的角度和次数， 基于概率分权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115326545 A 2布模型拟合出概率分布频谱f1( θ )； 统计所述等效力学模型中裂缝偏转夹角出现的角度和 次数， 基于概率分布模型拟合出概率分布频谱f2( θ )， 建立f2( θ )到f1( θ )的映射关系； 其中， 概率分布频谱拟合方法为： 统计各关键帧中裂缝偏转夹角出现的角度和次数， 以θ为横坐 标， 在‑180°到180°区间内等距分为多个子区间， 统计夹角 θ值出现在每个子区间的次数， 并 将该区间出现的次数除以总次数作为该区间的频率； 以夹角为横坐标， 以对应区间中夹角 出现的频率 为纵坐标， 按照频率分布模型拟合出概 率分布频谱； S10、 在所述等效力学模型中改变如下参数： 注入流量、 砾石分布、 砾石种类、 水平应力 大小， 重复模拟各条件下的裂缝扩展的动态过程， 统计各条件下的概率分布频谱f2( θ )， 通 过步骤S9得到的 映射关系将f2( θ )映射到f1( θ )上， 即可得到各参数条件下， 基于模拟的岩板 实验环境 下， 裂缝偏转夹角概率分布频谱f1( θ )； 由于f1( θ )与y轴偏离越大， 裂缝复杂程度越 高， f1( θ )与y轴偏离越小， 裂缝复杂程度越低， 最终实现在没进行真实室内实验的条件下， 对给定参数组合条件下， 压裂裂缝复杂程度的预测， 并进一步分析影响裂缝偏转和裂缝复 杂程度的主控因素。 2.根据权利要求1所述的预测方法， 其特 征在于： 所述围压系统的底部设有 背光源； 所述围压系统与围压控制系统连接； 所述恒温箱与CT成像系统内设有温控系统。 3.根据权利要求1或2所述的预测方法， 其特征在于： 步骤S2中， 所述扫描的方法包括图 像扫描、 CT扫描和ED S矿物识别； 采用所述高速相机进行 所述图像扫描； 采用所述恒温箱与CT成像系统进行 所述CT扫描和所述ED S矿物扫描。 4.根据权利要求1 ‑3中任一项所述的预测方法， 其特征在于： 步骤S4和S7中， 以恒定的 流量或随时间变化的流 量注入所述压裂液。 5.根据权利要求1 ‑4中任一项所述的预测方法， 其特征在于： 步骤S9中， 所述概率分布 模型为正态分布模型， 建立f2( θ )到f1( θ )的映射关系的过程如下： 根据岩板压裂实验中的各关键帧中裂缝偏转夹角出现的角度和次数， 基于概率分布模 型拟合出概 率分布频谱f1( θ )： 根据等效力学模型中的各关键帧中裂缝偏转夹角出现的角度和次数， 基于概率分布模 型拟合出概 率分布频谱f2( θ )： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115326545 A 3