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.     

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.     

岩石物理的理论模拟和数值实验新方法

当代物理实验科学和计算机科学技术的巨大进步为岩石物理的理论和实验研究开辟了新的领域.在细胞自动机基础上发展起来的格子气自动机和格子玻尔滋曼方法就是这种技术进步的产物.本文讨论了格子气自动机的发展及其应用于研究多孔岩石微观孔隙结构对宏观导电特性影响的新方法. 我们开发的模拟多孔岩石导电特性的数值实验新方法，提供了一种可深入到从微观孔隙结构这个尺度上来考察具有复杂孔隙结构的，孔隙度小于10%的低孔、低渗岩石的宏观导电特性及其影响因素.研究表明:Archie 系数m,n并不是传统上的意义，研究各种不同条件下F-、I-Sw关系，结果显示非阿尔奇现象与孔隙介质中孔隙、骨架和流体的混合导电网络有关，得出新的饱和度计算公式.同时还研究了泥质含量和分布、电阻率各向异性对宏观导电特性的影响，提出适用于电阻率各向异性地层的F-、I-Sw的关系.本文最后探讨了应用格子气自动机和格子玻尔滋曼方法进行岩心渗流和核磁共振数值实验的新方法及其发展前景.     

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.     

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。      

特低渗透砂岩储层水驱油CT成像技术研究

通过水驱油岩心的CT成像技术,动态、定量、可视化地研究了特低渗透砂岩储层水驱油岩心的微观孔隙结构、含水饱和度分布、吸水能力及微观孔隙结构对驱油效率的影响.研究表明,实验岩心的CT值分布在1819~1961之间,与标准的Berea砂岩相比高出15%左右,属于典型的特低渗透砂岩储层.储层微观孔隙结构是影响油水分布的主要因素.特低渗透砂岩储层开发要高度重视无水采收率.储层致密和微裂缝发育的不均一性是特低渗透砂岩油田驱油效率低的根本原因.     

地质多孔介质成像技术现状与进展

过去十年间,广泛应用的多孔介质成像技术给地质与油气勘探开发领域内流体渗流特性以及岩石物理属性的实验与数值模拟研究带来革命性的变革.多孔介质成像技术的应用使得研究介质微观世界成为可能并且取得的一定的进展.成像技术不仅可以直观显示多孔介质微观结构,而且还是建立孔隙介质微观模型的基础.然而,多孔介质成像技术仍然存在挑战,为了了解各种成像技术的挑战以及相应的解决措施,调研多孔介质成像方法:光学显微镜技术,扫描电子显微镜技术,聚焦离子束纳米层析成像技术,X射线计算机层析成像技术,相位对比层析成像技术,小规模层析成像技术.介绍每种成像技术的技术原理,技术局限性和改进措施,各种技术应用范围及其当前重要应用.光学显微镜技术与扫描电镜,聚焦离子束纳米层析成像以及X射线计算机层析成像技术实现光电联用,扫描电子显微镜技术实现矿物识别,泥页岩纳米-微米级孔隙成像以及通过图像拼接构建具有高分辨率大视域的高清图像,X射线计算机层析成像技术实现动态成像与不同分辨率图像的融合.然后总结了各种方法的优缺点,适用性以及未来发展方向.本文旨在使读者了解孔隙介质成像技术的原理、局限,以及每种成像技术在当前石油勘探热点领域中的应用,掌握多孔介质成像技术现状以及未来的发展方向和热点.这些不仅有利于展现多孔介质微观世界,而且有助于研究人员针对多孔介质的特点选取合适的成像技术或技术组合,以期推动多孔介质成像技术进一步的发展和应用.     

基于微CT技术的砂岩数字岩石物理实验

数字岩石物理技术可弥补传统岩石物理实验的诸多不足,为岩石物理学研究提供一个新平台.本文以常规砂岩为研究对象,利用微CT扫描结合先进的图像处理技术建立了具有真实孔隙结构特征的三维数字岩芯模型;应用Avizo软件内含的多种形态学算法进行数字岩芯孔隙结构量化及表征研究,统计获取了孔隙度、孔隙体积分布及孔径分布特征,建立了等价孔隙网络模型;将Avizo与多场耦合有限元软件Comsol完美对接,实现了孔隙尺度的渗流模拟并计算获得绝对渗透率,对于考虑固相充填孔隙的情况,模拟计算了岩石有效弹性参数,并与近似Gassmann方程良好验证.本文所提出的将Avizo与Comsol结合使用的方法丰富了现有的数字岩石物理研究手段,为其大规模发展提供了一条新途径.     

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。     

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.     

含裂缝页岩核磁共振横向弛豫响应正演模拟及T2谱特征分析

裂缝的精细探测是页岩储层油气可动性评价的关键,核磁共振技术可实现多种尺度孔隙中流体的测量,已被广泛应用于非常规储层评价.然而,含裂缝页岩的核磁共振响应特征尚不明确.为此,提出一种基于三维CT数据建立的孔隙-裂缝双相介质模型方法,采用数值模拟方法系统研究了裂缝参数的核磁共振测井响应特征.模拟结果表明：裂缝的存在影响页岩的核磁共振T₂谱分布,裂缝张开度增大导致T₂谱向右偏移,纵横比增大造成T₂谱向左偏移;裂缝页岩的孔缝配置关系对页岩连通性起主导作用,孔缝配比减小,可动流体呈线性增长.     

灰岩微观孔隙的三维定量描述及其对变形的影响

岩石的力学行为是由其微观的岩石物理性质和微观结构所最终决定的.因此在岩石物理学中描述孔隙结构及其几何性质如孔隙大小、形状、弯曲度和连通性有着极其重要的意义.研究孔隙结构的传统方法是光学显微镜和扫描电镜.微米CT (microCT)作为一种新的三维成像技术为研究岩石孔隙结构的复杂性提供了新的视角,这对理解岩石的孔隙结构及其对岩石的物理性质的影响,以及岩石破坏的演化及其与破裂微观力学的关系有极大的帮助.     

自电位层析成像的理论与实验研究

为研究自电位异常场的物理机制，本文根据Patella半无限空间自电位层析成像的理论方法，对有限边界条件下的图像重建进行了研究，根据四边形界面处自电位的测量数据，重建出异常电荷的二维概率分布.文中对图像重建进行了数值模拟，分析了改进成像精度的措施，并对受压岩石的破裂过程开展了实验模拟研究，成像结果表明，实验中发现的岩石破裂的裂隙同正电荷出现的最大概率区域的位置基本一致，反映了裂隙尖端处正负电荷分离的微观过程.     

使用数值模型研究俯冲板块动力学的进展

板块构造理论的核心是俯冲板块的动力学问题,可以通过地震学、矿物物理和岩石地球化学、地质构造和沉积学以及数值模拟对其进行多学科综合研究.其中数值模拟通过建立理论模型并使用数值方法模拟俯冲板块的动力学效应,直观地给出了定量化的俯冲板块的演化过程和地表响应,并用以解释其他学科研究所得到的观测和实验结果.因此使用数值模型进行定量化模拟是研究俯冲板块动力学的最重要的手段之一.文章综述了使用数值模型研究俯冲板块动力学多个方面在近期取得的进展,包括板块构造的起源和俯冲板块的启动过程,俯冲板块的热结构,以及俯冲板块在上地幔、地幔过渡带和下地幔的主要动力学表现.使用数值模型得到的结果是基于质量、动量和能量守恒方程的理论结果,必须综合使用其他各学科的研究成果对模拟结果进行比对和验证,以最终理解俯冲板块的动力学过程.随着计算能力的大幅提升和模拟方法的不断进步,数值模拟方法将为研究包括俯冲板块动力学在内的地球科学前沿问题提供更为准确和高效的手段.     

基于三维孔隙网络模型的纵波频散衰减特征分析

波场在含流体的孔隙介质中传播时会产生频散和衰减现象.波场的频散和衰减与孔隙介质的岩石物理属性有关,包括孔隙度、渗透率、流体属性等.现有的三维裂缝/软孔隙网络模型利用椭圆截面纵横比的变化模拟从扁裂缝、软孔隙到硬孔隙的多种情况,而未考虑同时包含孔隙和裂缝的全局性网络空间.为了更好地描述裂缝-孔隙空间,本文提出同时包含裂缝和孔隙的三维裂缝-孔隙网络模型,并给出渗透率的计算方法.通过体积平均法推导了三维裂缝/软孔隙网络模型和三维裂缝-孔隙网络模型的波动方程,利用平面波分析方法得到纵波频散/衰减曲线的表达式,同时应用数值模拟研究了总孔隙度、裂缝孔隙度、裂缝纵横比、裂缝数密度、孔隙流体黏度对纵波衰减和速度频散特征的影响.结果表明,在三维裂缝-孔隙网络模型下,总孔隙度、裂缝参数等对纵波频散衰减特征的影响与三维裂缝/软孔隙网络模型相似.具体表现为:纵波在高频段内出现频散和衰减现象.孔隙度的变化主要影响逆品质因子曲线峰值的大小;裂缝数密度主要控制速度显著变化的范围;裂缝纵横比对纵波速度和特征频率有显著影响.     

鄂尔多斯盆地致密砂岩气藏微观孔喉球棍模型表征方法

以鄂尔多斯盆地J地区下石盒子组致密砂岩气藏储层为研究对象，利用Avizo软件的数据处理和数值模拟功能，处理多尺度三维CT成像技术提供的图像信息.提出核磁阈值分割法，应用该方法对研究区目的层岩石样品进行多尺度三维孔喉分维数重构，建立非常规致密砂岩气藏储层纳米级三维孔喉分布和孔喉球棍模型.利用数字岩心分析模块对孔隙空间进行计算，获得喉道半径、孔隙半径、配位数、喉道长度、喉道形状因子、孔隙形状因子等定量参数，进而应用上述表征参数进行孔喉结构定量评价.研究表明，纳米尺度下致密砂岩储层孔隙呈球状，喉道呈杆状、棍状和管束状分布，孔喉分布随机性强.多尺度三维CT成像技术具有无损、高分辨率等特点，能够在多个分辨率和不同视域获得较为清晰的二维、三维图像.建立的球棍模型，能够直观、定量表征孔喉大小、几何形态、空间分布、连通性等，对微细观尺度储层孔喉研究具有重要意义.     

CT扫描技术在微观驱替实验及剩余油分析中的应用

CT扫描技术不仅可以重建不同驱替液在不同驱替时刻的微观剩余油分布图像,而且通过X射线衰减系数换算成CT值,还可以计算岩心的孔隙度和含油饱和度参数,从而对实验岩心的非均质性和每一驱替过程不同驱替时刻的微观剩余油进行定量分析。分析认为实验岩心在不同驱替阶段微观剩余油类型之间存在量的转化。      

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.     

多尺度CT成像技术识别超低渗透砂岩储层纳米级孔喉

以鄂尔多斯盆地X地区长6储层为研究对象,利用多尺度CT成像技术、聚焦离子束扫描电镜技术,结合Avizo软件的强大数据处理和数值模拟功能,对研究区目的层岩石样品进行不同尺度孔喉分维数重构,建立三维超低渗透砂岩储层纳米级孔隙结构模型.研究表明,微米尺度下,超低渗透砂岩储层孔喉形态呈点状、球状和条带状及管状.储集空间类型以溶蚀微孔为主且多孤立分布,局部孔隙为片状,连通性较差.纳米尺度下,超低渗透砂岩储层孔喉系统整体较发育,孔喉形态呈球状、短管状.远离裂隙处多为孤立状,连通性较差,仅具有储集能力.微裂缝、粒间缝发育部位多为短管状,有一定连通性,相当于喉道.微观非均质性较强,岩样整体较致密,局部相互连通,溶蚀孔及裂隙对储集能力、渗滤能力具有控制作用.数值计算求得目的层A、Y、C三个样品的孔隙度分别为6.95%、5.55%、4.44%,渗透率分别为0.828×10^-3μm^2、0.115×10^-3μm^2、0.00065×10^-3μm^2.聚焦离子束扫描电镜与多尺度CT成像技术相结合能够定量表征超低渗透砂岩储层微、纳米级孔隙结构.