基于二维图像的数字岩心电导率计算方法研究

电导率是表征岩石电学性质的重要物理参数,在地质资源勘查和测井解释等领域发挥着巨大作用.快速、准确地确定岩石电导率具有重要的理论和实践意义.作为近年来发展的一种岩石物理数值模拟工具,数字岩心技术在定量计算电导率等物性参数方面应用广泛.三维微观结构的准确获取是数字岩心技术计算岩石电导率的关键,但传统获取岩石三维微观结构的方法较为复杂费时.为了方便快速地通过数字岩心技术计算岩石的电导率,本文研究了岩石二维与三维数字岩心的电导率联系.我们基于微米级X射线CT扫描得到的三个砂岩样品的微观结构信息建立了三维数字岩心,并通过有限元法计算的三维数字岩心电导率与实验数据的对比验证数值计算方法的有效性.随后我们数字地扩展了岩石的孔隙,产生了较大孔隙度的三维数字岩心样本,在此基础上,计算了三维数字岩心和相应二维数字岩心的电导率,并通过Archie公式分别拟合了电导率与孔隙度之间的关系,得到了相应的胶结系数.结果表明,三维数字岩心的胶结系数小于二维数字岩心的胶结系数,且二者的比值与岩石实测孔隙度呈线性负相关关系.以该联系为纽带,通过二维图像快速计算得到的电导率与孔隙度关系,确定了三维数字岩心的电导率与孔隙度关系,并进一步通过三维数字岩心的孔隙度计算其电导率.该方法计算得到的人工砂岩样品的电导率与其三维数字岩心电导率相关系数高于96%,验证了基于二维图像的数字岩心电导率计算方法的有效性.本文的研究结果为快速、准确地计算岩石电导率提供了新的思路,在油气勘探开发中有广阔的应用前景.     

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。     

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.     

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.     

基于数字岩心和孔隙网络模型的微观渗流模拟研究进展

孔隙级的渗流数值模拟是研究岩心渗流的重要方法,随着近年来CT扫描等微观成像和数字岩心的发展,渗流模拟研究能更好的贴近真实微观结构,而孔隙网络模型长久以来就是研究孔隙级渗流的经典平台,因此数字岩心和孔隙网络模型两者结合是目前微观渗流研究的重要发展方向之一.从数字岩心中提取孔隙网络信息的两种主要方法,居中轴线法和最大球法均可以有效的获取真实岩心的孔隙结构参数,两者在可靠性等方面各有优劣.以孔隙结构信息构建的孔隙网络模型与逾渗理论相结合是经典的渗流模拟方法和渗透率计算方法,具有计算效率高、可控性强、易于理解的优点.随着技术的发展,孔隙网络模型的应用也更加广阔和深入,包括在页岩、碳酸岩等的渗流研究.     

过程法数字岩心建模与弹性参数模拟研究

在数字岩石物理中数字岩心是弹性参数模拟的基础,现有的数字岩心建模方法虽然较多,但一般不能满足弹性参数模拟对骨架所提出的要求.过程法以岩石粒径分布曲线为约束条件构建数字岩心,是一种比较灵活的数字岩心建模方法.本文根据前人研究结果在过程法的压实过程中用一面状像素层表示颗粒与颗粒间的接触边界,使相邻的骨架颗粒能够相互区分,提高了数字岩心骨架结构的精细程度.在弹性参数模拟中,当变化数字岩心中的颗粒、颗粒接触边界和胶结物的弹性模量时,数字岩心的弹性模量发生相应的变化.数字岩心弹性模量的变化量与组成物质的体积含量及其弹性模量赋值有关.这说明能够利用数字岩石物理研究各种地质和环境因素对岩石弹性性质的影响.进一步分析认为,目前的建模方法对数字岩心的定义还不够充分,利用数字岩石物理解决实际地质问题尚有难度.     

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.     

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.     

基于逾渗模型的泥页岩导电机理模拟

泥页岩储层储集空间以纳米/微米级的微孔隙和微裂缝为主,结构复杂,加之干酪根和黏土矿物含量较高,并含有一定量的黄铁矿等导电矿物,造成储层导电机理异于常规储层,岩电实验I-S_w曲线呈现非线性特征,阿尔奇公式等传统评价模型适用性较差.针对上述问题,根据实际岩心实验资料,结合随机算法建立三维逾渗模型并通过数值模拟和超松弛迭代法进行求解,分析泥页岩储层非阿尔奇性产生原因以及泥页岩储层电性的影响因素及规律.模拟结果显示,岩石孔隙拓扑结构和形状尺寸、矿物组成以及地层水电阻率等因素均对泥页岩储层电阻率产生不同程度的影响,通过改变上述因素的设定值,可以建立储层电阻率与各因素的单相关关系,并据此建立修正模型,实现储层含水饱和度的计算.该模型在四川某页岩气产区取得了较好的效果,具有良好的应用前景,为利用逾渗模型模拟方法解决油田勘探开发中的复杂问题提供了新思路.     

基于微CT技术的致密砂岩孔隙结构特征及其对流体流动的影响

以川西地区的须家河组致密储层岩石为研究对象,利用微CT技术结合Avizo软件先进的数学算法构建了三维数字岩心模型,可以表征砂砾岩储层岩石的孔隙结构特征,并将数字岩心和有限元软件Comsol结合,实现了基于数字岩心的水驱气模拟过程的可视化.并在此基础上开展了水驱气模拟,研究微观孔隙结构特征对岩心中气水两相流的影响.研究结果表明:致密砂岩岩心的孔喉分布状态主要呈连片状和孤立状,其中连片状孔隙在空间上连通性好,主要与残余粒间孔或粒间溶蚀孔有关,而孤立状孔隙在空间上多呈孤立分布,主要与粒内溶蚀孔有关;致密砂岩样品等效孔径主要分布范围在0.5μm以下,储层物性差的样品孔隙结构要比储层物性好的样品复杂,且前者的孤立孔隙多且小孔隙占比高,连通孔隙较少,其对渗透率贡献性少;在水驱气的过程中,岩心的微观孔隙结构将改变驱替前缘形状以及造成气水两相流中舌进现象;随着岩心孔隙度和渗透率增大,水驱气的驱替效率增大,残余气饱和度降低.     

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。     

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.     

基于地层孔隙结构的饱和度评价方法

油气勘探开发中阿尔奇公式是评价油气含量的经典模型,该模型适用于粒间孔隙的纯砂岩地层.然而实际油气评价中更多时候是以复杂孔隙结构地层为对象,复杂孔隙结构地层岩电关系却呈现出非阿尔奇特性,这意味着利用阿尔奇公式求取这类储层饱和度的可靠性大大降低.针对以上问题,采用变m、n指数和根据孔隙结构分类建立饱和度模型的方法一定程度上满足了此类地层饱和度评价的要求.但以上方法具有很强的区域性和经验性,没有从根本上解决复杂孔隙结构地层饱和度的准确评价问题.等效岩石组分模型将岩石等效为规则的圆柱体,由串联孔隙体积、并联孔隙体积和骨架体积构成,由许多这样大小不一的孔隙分量并联/串联构成整个岩石的导电体系,并引入孔隙结构系数表示不同孔隙的体积比,精确地描述了由复杂孔隙结构引起的非阿尔奇特性.其应用瓶颈是孔隙结构系数、饱和度因子等关键参数的确定方法.本文以等效岩石组分模型为基础。利用核磁测井资料和球管模型确定孔隙结构系数,根据孔隙结构寻优路径对地层进行分类,以岩电实验数据为基础利用阻尼最小二乘法分类确定模型参数,用等效岩石组分模型迭代计算地层饱和度,从而配套形成基于孔隙结构的饱和度评价方法.岩心实验数据分析和实际应用效果表明基于孔隙结构的饱和度模型与阿尔奇公式相比在复杂孔隙结构地层饱和度评价中具有优越性,在复杂孔隙结构地层含油气饱和度评价中具有良好的应用前景.     

水驱油电阻率与含水饱和度关系的理论推导和数值模拟研究

水淹过程中电阻率与含水饱和度关系是用测井资料定量研究水淹级别及确定剩余油饱和度的基础,油田开发积累了大量的岩心分析数据及生产数据,为认识水淹过程中电阻率与含水饱和度关系及变化规律提供了依据.从阿尔奇公式及物质平衡关系出发,导出两种方法求Rz-Sw,Rt-Sw的定量关系,两种方法建立的关系与实测样品的关系相似.研究结果可用于分析各种影响因素及定量确定饱和度.     

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。     

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。      

井壁电成像测井全三维数值模拟与裂缝评价模型

根据井壁电成像测井仪器工作原理和技术指标,用三维有限元法研制了全空间数值模拟程序,并运用该程序对单裂缝地层介质模型测井响应进行了模拟计算,考察了测井响应随裂缝张开度、电阻率对比度的变化关系及仪器对双平行裂缝的分辨率,建立了用井壁电成像测井资料定量评价裂缝张开度的公式,针对所建公式在模型井中进行了测井资料处理验证,其结果比国外的方法精确.     

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.     

阿尔奇公式的理论本原

在岩石导电机理上,纯水层阿尔奇公式有两点必须改进.第一,岩石骨架不导电,岩石孔隙中的地层水导电,当孔隙度为零时,岩石的电导率为零,电阻率为无穷大.但在现在使用的双对数坐标系下,此坐标点(■=0,F=∞)无法实现.须将电阻率之比改为电导率之比,并采用普通坐标.第二,地层因素F是导体容量孔隙度■和导体几何性质——孔道迂曲度τ两个因素的函数.但是纯水层阿尔奇公式F仅为■一个因素的函数.测井无法获得τ的数值.但通过观察实验数据,τ和■存在内在关联,将τ与■融合,得到■的关系式.普遍消除了F～■关系曲线左、右斜率不同或低孔门限的"非阿尔奇"现象.将公式中的导电因子■扩展为(■S_w)~2,得到含油层阿尔奇公式:■.在油(气)成藏过程中湿性附着液首先被驱替,润湿性对原始油(气)藏不起作用.饱和度指数n值等于2.