基于过程法的数字岩心建模方法研究

数字岩心建模是数字岩石物理的重要组成部分,现有建模方法的重点在于描述数字岩心的孔隙结构,而地震波传播性质模拟对骨架内包含的结构细节也有较高的要求.本文在过程法的基本框架内开发构建砂岩数字岩心的新方法,研究了在像素化之前对颗粒的解析处理方法.这些新技术包括沉积过程中的颗粒物质分类,压实过程中的颗粒体积补偿和边界分割等.在所建的数字岩心中,骨架颗粒可以相互区分、颗粒物质类型可以变化,骨架的非均匀性增强.     

龙马溪组页岩数字岩心动态法弹性等效数值建模

数字岩心是计算岩石弹性性质的一类常用方法.龙马溪组页岩具有多矿物构成、复杂微结构和强非均质等特征,常规岩石物理的弹性等效解析建模局限性较大,目前流行的静态数值等效建模方法的精度有限.本文基于高分辨率的页岩数字岩心数据,采用多阈值分割方法将数字岩心分解为黏土、石英、孔隙、TOC、长石类、黄铁矿类等六种矿物类型;利用矿物组分等效模量法计算各类矿物的弹性模量;采用二元函数分水岭方法表征不同压力下的岩石孔隙变形和颗粒接触关系变化;通过取向分布函数(ODF)定量分析矿物颗粒展布造成的各向异性特征.最后基于Biot孔弹方程,采用不分裂卷积完全匹配层(CPML)旋转交错网格有限差分法模拟不同压力下弹性波在数字岩心中的传播.以未加压的数字岩心为参考模型,计算不同压力下弹性波走时的平均时间差,进而估算各压力点的数字岩心等效速度.与该岩心样品的超声实验测量速度比较,动态法数值计算结果略偏高,据此校正数值计算过程中表征岩石微结构及颗粒接触关系随压力变化的二元函数,有效改善动态法弹性等效数值建模精度.     

数字岩石物理中弹性参数的有限差分计算方法

数字岩石物理利用三维成像技术和数学方法,建立数字岩心,开展多场物理响应模拟,计算岩石的等效弹性参数,为岩石物理学研究开拓了新的领域.本文发展了一种基于高阶有限差分的岩石模量数值计算的新方法,该方法便于理解,容易实现,占用内存相对较少,计算效率高,结果合理,弥补了常规岩石物理实验周期长,成本高,误差大等不足.该方法将三维数字岩心样本嵌入一个具有与岩心样本骨架颗粒相同弹性性质的区域中扩充成一个新模型,测量由数字岩石样本非均匀结构带来的纵波或横波峰值振幅的时间差,利用该时间差(相对参考模型)估算纵横波的等效速度,进而求取等效弹性模量.理论模型和实际岩心的计算结果表明,数值模拟结果与实验结果有较高的吻合度,验证了该方法的合理性.     

基于计算岩石物理方法的页岩储层弹性参数提取

发展了应用数值计算方法获取页岩储层的速度、各向异性参数的计算岩石物理系列方法.该系列方法包括了大尺度精细地质模型数值建模、计算网格尺度的地球物理建模和地震波数值模拟提取岩石物理弹性参数.本文方法利用储层的统计数据而不是具体岩心的测量数据,可获得储层岩石物理弹性参数的变化规律.相比于基于岩心测试的岩石物理方法,本文方法可精细考虑实际储层的非均匀特征,可得到岩心测试难以求取的与尺寸效应高度相关的弹性参数,也避免了求取弹性参数变化规律时获取不同地质特征岩心的困难.本文发展了计算岩石物理方法,为计算岩石物理面临的大尺度地质建模和计算能力限制问题提供了有效的解决方案.文中以胜利罗家的页岩储层为例,求得了储层TOC含量从3%到21%变化情况下储层的P波、S波速度以及各向异性参数变化规律.     

CPU-GPU异构并行计算在数字岩心线弹性静力学有限元模拟中的应用

线弹性静力学有限元模拟是计算数字岩心弹性模量的有效方法之一,已被用于研究数字岩心的弹性模量与其微观结构、物质组成之间的关系.若要形成解决实际问题的能力必须计算足够多的数字岩心样本,而有限元模拟的计算量较大,因此并行计算对于该方法的成功应用非常重要.本文将数字岩心线弹性静力学有限元模拟算法分解为在CPU和GPU上执行的两个部分,由CPU负责协调控制,GPU负责大规模数值计算,实现CPU-GPU异构并行计算,获得计算效率提升.采用该并行算法计算孔隙数字岩心、裂缝数字岩心和裂缝—孔隙数字岩心的弹性模量,得到的弹性模量—孔隙度关系符合一般的岩石物理规律.CPU-GPU异构并行的线弹性静力学有限元模拟能够迅速计算大量数字岩心的弹性模量,提供相当于物理实验的"观测数据",对岩石物理学研究具有重要的意义.     

数字岩心逆建模理论下的储层参数定量预测方法

数字岩心微观孔隙结构十分复杂,有限元模拟物性参数与弹性参数之间关系是非线性的,直接反演其物性参数准确度低、稳定性差.本文发展了一种数字岩石物理逆建模方法,实现了基于数字岩心的储层参数有效预测.从数字岩心基函数的构建出发,基于有限元方法,计算了一系列具有等间距物性参数值(孔隙度、泥质含量和含水饱和度)的数字岩心弹性参数(体积模量、剪切模量和密度),通过插值算法建立了数字岩心弹性参数三维数据集,从而实现了弹性模量的有限元数值解的快速构建;然后搜索弹性参数的单值等值面,通过等值面的空间交会得到交点,完成储层参数预测.测试结果表明:基于数字岩心逆建模理论的储层参数预测结果与实际模型一致,具有可行性,并且可以通过增加插值点数目提高预测的准确性;孔隙度和泥质含量预测结果稳定性很好,而含水饱和度对噪声的加入较为敏感.     

三维数字岩心技术岩石物理应用研究进展

三维数字岩心可在孔隙尺度上对岩石的微观结构进行精细表征,以数字岩心为载体的岩石微观结构分析与岩石物理属性模拟研究已成为岩石物理分析的重要发展方向之一.本文从数字岩心建模、数字岩心图像分析及岩石物理属性模拟三个方面对数字岩心技术进行了介绍.将数字岩心技术在岩石物理领域的应用分为两大类:基于三维数字图像的直接分析和基于三维数字岩心的岩石物理属性数值模拟.通过三维图像分析可获得孔隙结构、矿物成分、粒度分布等信息;通过岩石物理属性模拟可以研究储层岩石电性、弹性、渗流和核磁共振特征.多种手段相结合建立多尺度、多组分数字岩心,突破分辨率与样品尺度的矛盾限制是数字岩心技术未来的发展趋势.数字岩心技术已发展成为岩石物理实验的重要组成部分,如何将孔隙尺度得到的岩石物理参数升尺度到数字井筒、数字油藏中是数字岩心技术发展亟需解决的难题.     

基于沉积过程的数字岩石建模方法研究

本文提出模拟地层沉积及成岩过程的矿物沉积算法,建立数字岩石模型,并通过对比Micro-CT扫描图像和数值模型的局部孔隙度及平均渗流概率函数分布特征,评价建模的准确性.结果表明,由二维扫描提取的粒径信息作为输入参数,模拟矿物沉积过程建模得到的三维数字岩石模型,能够准确重构原始岩心的非均质性及渗流特性,成功应用于泥质砂岩、碳酸盐岩、页岩等存在多矿物或多尺度孔隙的数字岩石建模中.数字岩石物理是正在兴起的重要技术.数字岩石采用超高分辨率先进成像装备,采集和表征微纳尺度岩石结构,在岩石弹性、电性、核磁、渗流特性等数值计算中发挥重要作用.但是,由于三维直接成像在有限视域内难以表征足够的岩石非均质性,提取二维结构统计特征,利用统计或地质过程法重构具有代表性的三维岩石结构成为十分有价值的研究课题,而且,对业界大量存在的岩石薄片及电镜高清二维图像的深度开发应用也具有重要的现实意义.本文发展的新方法,复原沉积过程,较好地解决了孔隙尺度岩石物理定量研究中数值建模与理论计算的技术瓶颈.     

多尺度多组分数字岩心构建与弹性模拟研究（英文）

常规数字岩心模型由于尺寸较小,对于非均质性较强的复杂岩心,难以具有代表性,模拟得到的岩石物理参数也难有参考性。以三组砂岩样品为例,本文提出了一种可行的构建多尺度多组分数字岩心的方法。利用CT对柱塞岩心和毫米柱塞样品进行不同分辨率的扫描成像,并利用改进的图像配准方法进行扫描图像的精确配准。对于高分辨率扫描图像,利用常规图像分割方法,将岩心分割为孔隙和不同的矿物组分。基于配准关系,构造低分辨率图像的灰度与孔隙度、矿物组分含量的关系曲线。将构造的关系曲线应用到低分辨率扫描图像的图像分割过程。完成分割之后的数字岩心集合即构成了多尺度、多组分的数字岩心模型。基于多尺度多组分数字岩心模型,考虑了四种矿物模型,分别研究了细尺度和粗尺度下随着模型尺寸变化,三组岩心样品弹性模量的变化规律。结果表明:利用多尺度多组分数字岩心模型能够克服常规模型存在的代表性问题,实现岩心不同尺度孔隙、矿物的准确表征。在大尺度上计算的岩石弹性参数更具备代表性,同时岩石矿物组分考虑的越充分,模拟结果与实验结果越吻合。     

数字岩心建模方法研究现状及展望

数字岩心是进行岩石物理数值模拟实验的重要平台,可以广泛地应用于固体力学、声学、电学、流体力学及流固耦合等数值模拟实验,但进行各种数值模拟实验的前提是要建立一个准确的三维数字岩心模型.通过系统调研国内外数字岩心建模方法,将数字岩心建模方法划分为三大类:物理实验法、数值重建法和混合法.在简要介绍不同建模方法的基本原理和优缺点的基础上,对今后建模方法的发展进行了展望.研究结果表明:序列切片成像法与聚焦离子束等技术相结合将会是研究致密岩石孔喉结构特征的重要手段;X射线CT扫描法具有快速、精确、无损的优点,它会是最主要的建模方法,更适用于常规和低渗透岩心.随机模拟法具有成本低效率高的优势,在所建模型准确性较高的前提下,它将是重要的建模方法;过程法模拟了沉积岩石的形成过程,具有独特的建模优势,适用于成岩作用简单的岩石;混合法结合多种建模方法的优点,是建立双孔隙网络或含裂缝等复杂数字岩心模型的最佳选择.     

利用三维数字岩心计算龙马溪组页岩等效弹性参数（英文）

弹性参数在甜点区预测和页岩气的开发过程中扮演着重要的角色,因此研究等效弹性参数随页岩气储层属性的变化是一项很有意义的工作。研究中我们用X射线CT扫描技术获得了较为精确的页岩样品微观结构图像。从这些图像中,我们可以获得孔隙度和矿物的详细情况,据此,我们构建了三维数字岩心,并应用有限元法对弹性参数进行了数值模拟,其间深入考察了子样选取、网格划分、求解器类型以及边界条件等,该方法易于区别不同的矿物及其百分含量。本文重点研究孔隙度和干酪根含量对弹性参数的影响,计算结果表明,孔隙度和干酪根含量对弹性性质有较大的影响,当孔隙度和干酪根含量增加时,弹性模量降低,且当孔隙度小于0.75%左右、干酪根含量大于3%左右时弹性参数减小速率较缓。因为孔隙度仅仅为4.5%,孔隙中填充油或气对弹性参数的影响甚微。不同岩心样本具有不同的孔隙度和干酪根含量,传统岩石物理实验不仅昂贵而且费时,而数值模拟是基于数字岩心来计算弹性参数,更加经济、方便。本研究证实了将页岩样品的微观结构图像与弹性模量的计算相结合来预测页岩弹性参数的可行性。     

地震尺度下碳酸盐岩储层的岩石物理建模方法(英文)

碳酸盐岩油藏的强非均质性以及孔隙结构的复杂性,使得作为连接油藏参数与地震参数重要桥梁的岩石物理模型,以及作为油藏预测和定量表征最有效工具的流体替换成为岩石物理建模的难点与重点。在碳酸盐岩储层复杂孔隙结构与地震尺度下碳酸盐岩储层非均质性分析基础上,研究采用岩石网格化方法,将地震尺度下非均质碳酸盐岩储层岩石划分为具有独立岩石参数的均质岩石子体,根据岩石孔隙成因与结构特征采用不同岩石物理模型分步计算岩石子块干岩石弹性模量,并根据不同孔隙连通性进行流体替换,计算饱和不同流体岩石弹性模量。基于计算的岩石子块弹性模量,采用Hashin-Shtrikman-Walpole弹性边界计算理论方法实现地震尺度下碳酸盐岩储层弹性参数计算。通过对含有不同类型孔隙组合碳酸盐岩储层模型的弹性模量进行计算与分析,明确不同孔隙对岩石弹性参数的影响特征,模拟分析结果与实际资料认识一致。     

利用混合法构建三维数字岩心(英文)

在弹性波有三维数字岩心描述了岩石的微观孔隙结构。X射线CT扫描是获取三维数字岩心最准确和直接的方法,但实验成本高。本文结合沉积过程模拟和模拟退火算法,提出了重建三维数字岩心的混合法,基于岩石二维图像重建三维数字岩心。利用岩石颗粒沉积算法构建初始数字岩心,作为模拟退火算法的初始状态。运用模拟退火算法调整岩石颗粒和孔隙的相对位置,使三维数字岩心与岩心二维图像具有相似的自相关函数,从而建立三维数字岩心。与传统模拟退火算法相比,该方法计算时间明显减小。运用局部孔隙度理论定量比较了重建数字岩心和岩心X射线微CT图像,两种数字岩心具有相似的均质性和孔隙连通性。利用有限元方法和格子玻尔兹曼方法分别模拟了重建三维数字岩心的地层因素和渗透率,数值模拟结果与实验结果相符。相比传统模拟退火算法,混合法重建数字岩心的传导特性更接近真实岩心的传导特性。     

基于数字岩心动态应力应变模拟的非均匀孔隙介质波致流固相对运动刻画

地震波传播激发的不同尺度的流固相对运动(宏观、中观和微观)是许多沉积岩地层中地震波频散和衰减的主要原因,然而野外观测和试验测量都难以对非均匀多孔介质孔隙压力弛豫物理过程进行精细刻画.通过数字岩石物理技术,本文建立了三个典型的数字岩心分别用于表征孔隙结构、岩石骨架和斑状饱和流体引起的非均质性,利用动态应力应变模拟技术计算数字岩心的位移和孔隙流体增量图像.通过分析和比较三个数字岩心的位移和孔隙压力增量图像,细致刻画了发生于非均匀含流体多孔介质内的宏观、中观和微观尺度的流固相对运动:1)宏观尺度的波致孔隙流体流动导致波长尺度上数字岩心不同区域的孔隙压力和位移差异;2)中观尺度的流体流动发生在软层与硬层之间、气层与液层之间;3)微观尺度的流体流动发生在孔隙内部或相邻孔隙之间.数值模拟试验也证明基于数字岩心的动态应力应变模拟技术可以从微观尺度上更好的理解波致孔隙流体流动发生的物理机理,从而为建立岩石骨架、孔隙流体、孔隙结构非均质性和弹性波频散-衰减特征的映射关系奠定基础.     

含气饱和度半定量预测方法探讨与应用

勘探实践中,与水和油相比,地层岩石孔隙中含气引起的地球物理响应特征更加明显,因此利用各种地震弹性参数较容易判定和识别地层中是否含气.然而这种含气性的判别多是定性的,含气饱和度的半定量化预测一直是个挑战.利用岩心分析、测井和测试资料,从岩石物理模拟与诊断出发,结合Gassmann流体替换理论,分别研究含气砂岩和含气饱和度的敏感弹性参数,建立相应的岩石物理解释图版.在此基础上,通过地震叠前弹性反演技术分含气砂岩和高饱和度含气砂岩两步法递进式实现含气饱和度的半定量预测,取得了较好的应用效果.实例研究表明,在一定地质条件下,这种两步法递进式半定量预测砂岩含气饱和度的方法行之有效,实际生产中可操作性强,具有一定借鉴意义.     

泥质含量及其分布形式对岩电关系影响的数字岩心仿真(英文)

由于泥质所造成的附加导电现象,泥质含量及其分布形式对电阻率增大系数I和含水饱和度Sw关系具有重要影响,由于岩石物理实验中岩心孔隙结构及其组分构成、分布的微观不可调性,因而泥质分布形式所造成的影响很难通过岩心实验来单独研究。基于数字岩心的格子气自动机方法是一种有效的微观数值模拟方法,本研究利用储层岩心薄片的骨架颗粒尺寸信息资料建立数字岩心模型,结合格子气自动机技术对数字岩心不同饱和流体情况下电的传输特性进行数值模拟研究,揭示了不同泥质含量和泥质分布形式对孔隙介质导电特性非阿尔奇现象产生的影响,建立饱和度指数和泥质含量之间的关系模型,其良好的吻合性表明该方法在岩石物理研究中是一种十分有效的研究方法,而新模型适于在非阿尔奇储层进行准确的饱和度评价。     

浅议储层地质研究中的CT技术

CT技术具有无损、三维并可与计算机应用模拟相结合等特点,使其在储层地质研究中作用独特。本文从CT技术特点入手,总结分析其在储层地质研究中的应用发展历程:储层岩石组构识别、储层表征、微观流体输运过程的在线监测及剩余油分布研究等。随着高分辨率工业CT及数字岩心技术的发展,CT扫描三维数据体与数字岩心相结合,不仅可以提取岩石物理属性参数,如储层岩石的孔渗、地层因子、弹性模量、横纵波分析等,建立三维孔喉网络模型,还可以直接对复杂的孔喉系统进行定量化的结构表征和微渗流数值模拟。最后,本文作出展望,随着计算机技术的提高和油气勘探需求的增长,其应用会越来精细,越来越广泛。      

致密砂岩气藏裂隙-孔隙型弹性岩石物理模板研究:以川西坳陷A区为例

相对于常规砂岩,致密砂岩在岩石物理性质、力学性质等方面具有明显差异,并呈现出很强的非均质性.岩石物理模型能将储层参数与地震特性信息联系起来,因此可以作为致密砂岩储层参数与地震特性信息转换的桥梁.常规的岩石物理模型通常只考虑单一因素(例如非均匀性,单一孔隙,单一尺度等),建立的岩石物理模板并不适用于致密砂岩.本文针对高饱和气、微裂隙发育、非均质性强的致密砂岩储层,利用Voigt-Reuss-Hill模型计算混合矿物的弹性模量,采用微分等效介质(DEM)模型描述含裂隙、孔隙岩石的骨架弹性模量,基于Biot-Rayleigh波动方程构建了岩石物理弹性模板,给出了致密砂岩储层弹性参数与物性的关系.基于测井数据和实验数据对岩石物理弹性模板进行校正,并将校正后的岩石物理弹性模板结合叠前地震资料应用于川西地区储层孔隙度与裂隙含量预测.结果显示,反演裂隙含量、孔隙度与储层试气报告、测井孔隙度基本吻合,表明该模板能够较合理地应用于致密砂岩储层孔隙度及裂隙含量解释中.     

基于数字岩心岩石电性数值模拟方法综述

以致密砂岩为代表的非常规油气储层,由于具有低孔低渗、孔隙结构复杂及岩心致密等特点导致岩石物理实验测量周期长、成本高、岩心驱替困难,难以定量研究微观参数对电阻率的影响.以X射线CT扫描为基础发展起来的数字岩心岩石物理属性模拟技术则弥补了这种不足.本文系统总结了基于数字岩心电性数值模拟基尔霍夫、随机游走、格子玻尔兹曼、有限元等方法的优缺点;列举了国内外学者的研究实例及取得的进展;探讨了目前电性数值模拟研究中存在的主要问题;同时指出了数字岩心电性数值模拟的发展方向.     

泥质砂岩中接触胶结泥质定量估算及对砂岩弹性的影响

在泥质砂岩的岩石物理建模中,明确泥质砂岩中泥质胶结物的接触类型及其含量对正确认识泥质的胶结作用对泥质砂岩声速的影响以及合理地建立岩石物理模型至关重要.现阶段,尚未有实验室定量估算胶结泥质的方法,导致应用胶结砂岩理论模型预测胶结砂岩地层的声速时往往由于胶结物含量被高估从而导致预测声速结果偏高.本文通过观察铸体薄片中泥质与颗粒之间的接触关系和相对分布提出了一种区分胶结泥质和分散泥质的方法:与两个或两个以上颗粒接触的连续分布的泥质为胶结泥质;与一个颗粒接触或者不与颗粒接触的泥质为分散泥质.基于这一准则,本文基于像素拾取法估算了人造泥质砂岩的胶结泥质含量,并将胶结泥质含量作为胶结砂岩模型的输入参数优化CCT模型.对比原始模型,本文方法声速误差下降了20%,预测准确度显著提高.本文方法适用于弱胶结地层的岩石物理建模,能够准确的预测声速以结合地震和测井资料识别有利储层,定量评价储层参数.