数字岩心的应用现状及前景展望.doc

数字岩心的应用现状及前景展望摘要：从微观角度对低渗透岩石孔隙结构特征进行深入研究，对开发和利用低渗透油气藏具有重要意义。目前，实验室内对岩石微观孔隙结构的评价方法( 毛管压力曲线、铸体薄片、扫描电镜等) 已经日趋成熟，但这些方法相对冗余并存在一些问题。我们需要更直观的三维影像，高质量的数字岩心模型是微观尺度的油气层研究的基础，运用图像形态学方法模拟砂岩的成岩过程，建立三维数字岩心。通过对数字岩心模型的孔隙度，孔喉结构，粒度分布，比面等油层物理参数进行分析，发现数字岩心的成岩过程，岩心图像效果和各物理统计参数都与真实岩心高度相似，并可以初步模拟剩余油的微观分布形态。高仿真数字岩心建模和分析可替代物理实验获取油气储层参数，运用形态学方法分析数字岩心孔喉结构优于现有的其他方法，为进一步的微观渗流模拟打下了坚实的基础。关键词：数字岩心 低渗透 微观尺度 孔隙结构1研究目的与意义 传统的岩石物理研究中，实验是最基本的研究方法随着研究的进一步深入，实验方法已不能满足一些特殊储层的研究需求，如低孔渗储层的岩心驱替问题等，取而代之的是用科学可靠的数值模拟方法研究。 随着计算机和图像技术的发展，数值模拟方法逐渐成为岩石物理研究的重要手段在岩石物理数值模拟中，微观模型的建立是数值模拟方法实现的基础既可以考察微观因素 对岩石物理属性的影响，也可以模拟传统物理实验难以测量的物理性质，如三相相对渗透率等，与传统的物理实验方法相比，节省大量的人力、物力资源。 渗流力学在石油的研究开发中有着广泛的应用，传统的达西定律建立的渗流方程只能表征油藏的宏观特征，很多微观机理难以深入研究，需要一套完整准确的微观渗流理论，而数字岩心的建立促进了这套理论的成熟和完善测井解释中岩石的电性和声学性质的定量研究也是以三维数字岩心为基础的以CT扫描法、模拟退火法和过程模拟法建立数字岩心为基础，提取的孔隙网络模型，不仅可以保留数字岩心孔隙空间的拓扑结构和几何特征，而且为微观渗流机理、岩石声电特性的研究奠定基础。2国内外研究现状 数字岩心技术研究现状数字岩心技术研究领域，国外起步比较早，已经建立了三个数字岩石物理实验室，主要有澳大利亚国立大学的Digital core Laboratory、斯坦福大学的Ingrain Digital Rock Physics Lab以及挪威的Numerical Rocks。在国内，中国石油大学( 华东) 进行了系统全面的研究，在某些方面已经达到或超过了国外的研究水平，其它一些科研机构也正在进入这一领域。因此，数字岩心是当前石油科技领域的研究热点。2.1数字岩心建模方法的研究现状 数字岩心的建模方法主要包括物理实验方法和数值重建方法两类。物理实验方法利用扫描电子显微镜、聚焦离子束显微镜、高倍光学显微镜或X射线CT扫描仪等高精度实验设备获取岩心不同位置的二维图像，然后对二维图像通过三维重建算法得到数字岩心。数值重建算法以少量岩心薄片二维图像为基础，进行图像处理得到统计信息，然后采用某些数学方法重建三维数字岩心。2.1.1物理实验方法重建数字岩心 Tomuts 和Silin曾用序列成像法建立了数字岩心并进行了岩心孔隙结构分析。虽然序列成像法可以得到高分辨率的数字岩心( 扫描电子显微镜可以达到纳米级) ，但是由于建立数字岩心过程中需要大量的切割和剖光处理，需要花费大量的时间并且容易破坏岩心的孔隙结构，因此，该方法在实际应用中并不适用。 Fredrich等曾采用聚焦扫描法建立了数字岩心。聚焦扫描法也可以得到分辨率很高的岩心图像，但是只能对岩心切片进行成像，得到的数字岩心呈薄片状，规模很小。 Rosenberg E 利用X射线CT扫描得到了枫丹白露砂岩的数字岩心。Arns也通过三维CT扫描得到了枫丹白露砂岩的三维数字岩心，随后他们又建立了碳酸盐岩的三维数字岩心。与序列成像法需要大量的岩心切割和抛光相比，CT扫描法具有不需要损伤岩石且耗费时间较少的优点；与聚焦扫描法只能得到岩心切片图像相比，CT扫描法具有可以得到三维图像的优点。由于这些优点，CT扫描法被广泛的应用于数字岩心建模。2.1.2数值重建方法构建数字岩心 根据数值重建算法的不同，目前典型的重构算法主要有高斯场法、过程法、模拟退火法、顺序指示模拟法、马尔可夫链法和多点统计法。 Joshi首次提出了重建三维数字岩心的高斯场法。由于当时计算机条件的限制，Joshi只建立了二维数字岩心。Quiblier进一步发展了Joshi 算法，建立了三维数字岩心。Alder用Quiblier改进后的方法建立了Fontrinebleau砂岩的三维数字岩心。但是，高斯场法建立的数字岩心孔隙空间连通性很差。 Bryant 等提出了一种全新的通过模拟岩石的地质形成过程( 包括沉积、压实和成岩作用) 来建立数字岩心的方法。此后，Bakke和Oren等对该方法做了更深入的研究并给出了一种能更加逼真的模拟岩石形成过程的建模方法，不仅考虑了岩石的颗粒粒径分布，而且还将其它一些通过薄片分析得来的岩石物理性质结合进来。应用这种基于过程模拟的方法，他们建立了Fontrinebleau砂岩的数字岩心，与该砂岩的微观图像定量对比发现，该模型可以很好的重现真实岩石的几何性质和传导性质。但是，该方法无法模拟复杂孔隙系统的成岩过程，因而不适用于构建复杂成岩过程岩石的数字岩心。 Hazlett ( 1997年) 提出了模拟退火法。由于该算法在重建三维数字岩心过程中可以将任意多的约束条件考虑进来，因此相对于高斯场法具有一定的优越性。但随着包含的约束条件的增加，退火速度明显变慢，重建过程过于费时。 Keehm Y( 2003年) 曾利用顺序指示模拟算法重建三维数字岩心。该方法以岩心二维图像的孔隙度和变差函数作为约束条件，利用地质统计学中的顺序指数模拟方法重建三维数字岩心。此后，朱益华和陶果等( 2007)、刘学锋和孙建孟等( 2009) 也对顺序指示算法进行了研究。 Wu等(2004年) n63开发出一种建立数字岩心的有效方法：以马尔可夫随机滤网统计模型为基础，借助2点及5点邻域模板对孔隙与岩石骨架交界面的特征进行统计并将统计信息映射到所建立的数字岩心中。该方法建立的数字岩心具有良好的连通性且建模速度较快。 Okabe和Blunt (2004年) 提出了建立数字岩心的新方法多点统计法。他们使用 模板统计并存储岩心切片图像中的孔隙空间结构特征，并把统计得到的信息充分反映到所建立的数字岩心中，所建立的岩心具有良好的孔隙连通性。2.2数字岩心物理数值模拟研究现状 目前，基于数字岩心的岩石物理属性数值模拟引起了广泛关注。国外，澳大利亚国立大学、帝国理工大学、法国石油研究院和斯坦福大学从本世纪初开始进行大量的研究工作。国内，中国石油大学也开展了相应的研究工作。 Arns ( 2002)等人基于岩心三维CT扫描图像，利用有限元方法模拟了枫丹白露砂岩的电阻率，模拟结果与实验结果吻合较好。Knackstedt( 2007) 等人在三维数字岩心基础上提取孔隙网络模型，模拟了岩石电阻率特性。因为在枫丹白露砂岩电性模拟中未考虑水湿岩石的水膜传导作用，导致在低含水饱和度下电阻率指数的数值模拟结果远大于实验结果。国内孙建孟( 2009) 等人利用数学形态学方法模拟不同含水饱和度下砂岩孔隙流体分布，采用有限元方法计算三维数字岩心的电阻率。在考虑水膜传导作用后，岩石电阻率数值模拟结果与实验结果准确匹配，并分析了储层微观因素对砂岩储层电性的影响规律。孙建孟( 2011) 等人基于三维字岩心研究了天然气储层岩石的电学特性，分析了岩石润湿性、天然气溶解性等微观因素对气层电性的影响与规律。目前，岩石弹性微观数值模拟方法主要有声格子方法、有限元方法以及旋转交错网格有限差分方法。 Valle- Garca( 2003) 利用声格子方法模拟了声波在孔隙介质中的传播。但由于该方法的计算量巨大，目前还只限于二维数值模拟研究。Saenger( 2004) 等人应用旋转交错网格有限差分的方法模拟了粘弹性和各向异性介质中波的传播。 2000年，Garboczi 和Roberts在三维数字岩心基础上通过有限元方法计算岩石的弹性参数。 Makarynska(2008)等基于数字岩心用有限元的方法研究了部分饱和岩石的弹性性质，并把计算结果与低频Gassmann-Wood方程和高频GassmannHm方程进行了比较，发现岩石均匀饱和情况下计算结果与低频Gassmann-Wood方程计算结果一致。 Arns等( 2005年) 首次提出了基于数字岩心进行核磁相应模拟的随机行走算法，并对大量数字岩心样品进行了数值模拟，得到了核磁共振的T。和T：弛豫时间。后来他们对得到的结果进行了实验验证，数值模拟结果与实验结果基本一致。 基于数字岩心渗流特性的模拟主要有两种方法：一种是采用格子波尔兹曼方法在数字岩心的基础上直接进行渗流属性计算；另一种方法是在数字岩心的基础上提取出反映真实孔隙空间的网络模型，采用逾渗理论计算渗流属性。由于直接采用格子波尔兹曼方法进行渗流模拟速度较慢，目前主要采用第二种方法进行模拟。英国帝国理工大学Martin带领的研究小组基于网络模型对渗流属性模拟进行了全面系统的研究，国内中国石油大学( 华东) 姚军带领的研究小组也进行了这方面的研究。3研究思路与研究内容3.1研究思路运用CT 扫描法建立的数字岩心，其对应的孔隙网络模型具有真实岩心孔隙空间的拓扑结构，应用Silin、Blunt 和Dong 提出的最大球算法，实现在三维数字岩心中对孔隙网络模型的准确提取。一旦喉道被确定，就形成两个孔隙喉道链运用数学方法对数字岩心的三维图像进行分割和校正，区分孔隙、喉道所占的空间和相互连通关系，便可提取真实的孔隙结构网络模型。同时，运用数理统计方法可实现对孔喉尺寸、孔喉体积、配位数、孔喉比、形状因子等孔隙结构参数的定量提取， 得到储层岩石孔喉表征参数。以莫北油田116 井区三工河组的低渗透储层为研究对象，介绍了运用CT 扫描法建立三维数字岩心的关键技术，实现了孔隙结构网络模型的可视化提取和孔隙结构参数的定量表征。将CT扫描建立数字岩心得到的渗透率和孔隙结构的结果与常规物性和压汞资料进行对比。 实验采用Xradia XRM 500 型CT 扫描仪，对9 块代表性岩心进行切片扫描，岩心实际扫描体元分辨率2. 68 m，投影数为1 200 张。通过计算机模拟与实际参数进行数字岩心物性特征及结果对比及数字岩心孔隙结构特征及结果对比。（引用基于CT 扫描的三维数字岩心孔隙结构表征方法及应用以莫北油田116 井区三工河组为例屈乐，孙卫，杜环虹，张创，姜黎明，魏虎）3.2研究内容应用实例准噶尔盆地莫北油田三工河组为一套典型的辫状河三角洲沉积砂体，本次选取9 块不同岩性( 粉砂、中砂、粗砂与砂砾岩) 、不同渗透率级别( 0. 3236. 5mD ) 的样品进行高分辨率CT 扫描，建立三维数字岩心，并对其孔喉表征参数进行提取。4结果对比数字岩心物性特征及结果对比： 对9 块样品的CT 扫描图像进行三维数字岩心重建，利用图像统计和格子波尔兹曼方法实现孔隙度和渗透率的模拟计算。数据显示模拟值与真实值对比结果一致性较好，其中孔隙度绝对误差0.3%1. 7%，相对误差7. 9%，渗透率绝对误差0. 212. 8 mD，相对误差33. 8%。 研究结果表明，无论孔隙度还是渗透率，数字岩心模拟的结果普遍小于岩心样品的实际测量结果，并且样品实际物性越差，模拟结果误差越大。分析原因主要有两方面: 一是CT 扫描的灰度图像在0 到255 之间整数取值，在图像二值化过程中阈值的选取会产生系统误差，特别是以微孔隙占主导的图像区域，孔隙与骨架的划分界限不明显、提取困难，从而导致孔隙统计数值变小;二是受CT 扫描分辨率的影响，岩心中细小的孔隙或喉道未能被CT 图像识别，从而导致孔隙度、渗透率模拟结果变小，然而在实际建立三维数字岩心过程中，也不能一味提高扫描分辨率，因为分辨率越高，建立的三维数字岩心尺寸越小，其所包含的岩石物理信息就越少。因此，在运用CT 扫描图像进行孔隙度和渗透率计算时，选择合理的扫描分辨率和数字岩心尺寸对模拟结果的准确程度至关重要。数字岩心孔隙结构特征及结果对比：对9块数字岩心进行孔隙结构网络模型提取。运用数学统计方法可实现孔隙半径、喉道半径、配位数、孔隙形状因子等参数的定量表征。综上分析，运用CT 扫描构建三维数字岩心并提取孔隙网络模型，可实现对岩心孔隙结构特征的三维表征和定量提取，该技术与常规实验和模拟结果对比不但具有较好的一致性，而且具有以下优点: ( 1) 对于渗透率的模拟，数字岩心结果较核磁共振Coates 模型具有更高的准确率; ( 2) 对于孔隙结构的表征，数字岩心较常规压汞法更加直观、形象，而且可定量识别孔隙和喉道; ( 3) 数字岩心技术可同时实现对孔隙结构特征的定性识别和定量表征，克服了常规孔隙结构研究方法需要多种实验相结合的缺点; ( 4) CT 扫描对岩心样品的形状、尺寸要求较小，真正实现了样品的无损化测量。5参考文献【1】高仿真三维数字岩心建模及数字图像分析方法罗国平关振良，高振峰【2】基于CT 扫描的三维数字岩心孔隙结构表征方法及应用以莫北油田116 井区三工河组为例屈乐，孙卫，杜环虹等【3】数字岩心技术研究现状及发展趋势齐林海【4】三维数字岩心建模方法综述刘学锋，张伟伟，孙建孟【5】数字岩心技术现状及展望术姚军，赵秀才，衣艳静，陶 军【6】数字岩心建模方法应用张丽 ，孙建孟 ，孙志强【7】岩石薄片三维重建训练图像分析杨丹，滕奇志，徐