劉義坤，郭紅光，馬文國(guó)，王群一

（1.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318； 2.冀東油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063000）

復(fù)雜斷塊油田孔隙的三維網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

劉義坤1，郭紅光1，馬文國(guó)1，王群一2

（1.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318； 2.冀東油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北唐山 063000）

為了從微觀上探索復(fù)雜斷塊油田油水滲流規(guī)律，分析在不同含水階段巖心孔隙結(jié)構(gòu)的微觀變化對(duì)驅(qū)油效率的影響，針對(duì)冀東油田主力油層3個(gè)區(qū)塊的真實(shí)巖心的3個(gè)不同含水階段，采用CT成像技術(shù)，對(duì)真實(shí)巖心進(jìn)行不同角度的投影，并對(duì)二維圖像二值化處理，對(duì)灰度圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，最終得到孔隙結(jié)構(gòu)三維網(wǎng)絡(luò)模型，求得巖心孔隙結(jié)構(gòu)的微觀參數(shù).結(jié)果表明：驅(qū)油效率隨配位數(shù)、形狀因子、孔隙半徑的增大而提高，隨潤(rùn)濕角的增大而降低.通過對(duì)模擬結(jié)果與相應(yīng)巖心物理模擬實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，驗(yàn)證了該網(wǎng)絡(luò)模型的有效性和可靠性.三維網(wǎng)絡(luò)模型為進(jìn)一步描述微觀孔隙奠定了理論基礎(chǔ)，對(duì)研究中高含水期油層孔隙結(jié)構(gòu)的變化對(duì)驅(qū)油效率的影響具有指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值.

復(fù)雜斷塊；CT成像技術(shù)；三維重構(gòu)；配位數(shù)；形狀因子

0 引言

儲(chǔ)層的許多宏觀性質(zhì)取決于它的微觀結(jié)構(gòu)和組成它的固體及孔隙空間中的流體和物理性質(zhì).宏觀滲流力學(xué)已經(jīng)不能全面描述地下流體的滲流規(guī)律，因此，人們從微觀的水平研究多孔介質(zhì)中的孔隙結(jié)構(gòu)及復(fù)雜滲流理論，而孔隙網(wǎng)絡(luò)模型是研究微觀滲流的一種重要手段［1－4］.孔隙網(wǎng)絡(luò)模型將多孔介質(zhì)抽象為理想的幾何形狀，復(fù)雜的孔隙空間由相互連通的喉道和孔隙組成，孔隙代表較大的孔隙空間，喉道代表相對(duì)狹長(zhǎng)的孔隙空間［5］.以往，多孔介質(zhì)中的流體滲流的微觀機(jī)理大多通過實(shí)驗(yàn)定性研究，因此，研究得到的滲流理論實(shí)際仍停留在宏觀尺度上，很多微觀機(jī)理無法考慮［6］.

為了對(duì)微觀尺度上的滲流問題進(jìn)行定量描述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域作了大量研究.1956年Fatt首次提出了網(wǎng)絡(luò)模型的概念，利用網(wǎng)絡(luò)模型研究了多孔介質(zhì)中流體的動(dòng)、靜態(tài)性質(zhì)，并利用電阻網(wǎng)絡(luò)模型驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)模型在描述孔隙空間上的有效性.該方法對(duì)孔隙體要么不加以考慮，要么簡(jiǎn)單抽象為球形或圓柱形，對(duì)孔隙空間的真實(shí)結(jié)構(gòu)模擬有失偏頗［7－8］；在國(guó)內(nèi)，最早利用網(wǎng)絡(luò)模型研究滲流問題的是石油大學(xué)（北京），以后西南石油大學(xué)和中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院也利用網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了滲流研究.胡雪濤、李允利用隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型研究了微觀剩余油分布規(guī)律.張寧生在利用網(wǎng)絡(luò)模型研究顆粒運(yùn)移及在注水油藏保護(hù)中的應(yīng)用等方面作了研究［9－11］.

鑒于冀東油田儲(chǔ)層特性，筆者提出利用CT成像技術(shù)，通過對(duì)二維圖像的二值化處理，可以明確區(qū)分巖心孔隙、喉道及骨架的邊界，較為準(zhǔn)確地獲取孔隙微觀參數(shù)，并進(jìn)行三維重構(gòu)，得到孔隙結(jié)構(gòu)的三維網(wǎng)絡(luò)模型，并利用三維網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)驅(qū)油效率的模擬結(jié)果與相應(yīng)巖心的物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，最終確定構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型的可行性.

1 Micro－CT的工作原理

CT成像技術(shù)的工作原理是通過讓樣品臺(tái)以一定的步長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)，從不同角度獲取樣品的投射影像，利用Feldkamp錐形光束運(yùn)算法則，重構(gòu)出樣品一系列截面圖像；再重構(gòu)出完整的三維圖像，并包含了物體選定范圍內(nèi)的內(nèi)部超微結(jié)構(gòu)信息和密度等數(shù)據(jù)［12－13］.

2 CT成像過程

第1步，考慮到冀東油田復(fù)雜斷塊的油層特性，為了能夠更加準(zhǔn)確地模擬復(fù)雜狀況下的巖心孔隙結(jié)構(gòu)，選取3個(gè)不同含水率階段75%，85%，95%，并對(duì)巖心進(jìn)行前期處理，即洗油、抽空、飽和水、飽和油至目標(biāo)含水階段.

第2步，將巖心按照第1步3個(gè)含水率階段分別制備φ2.5cm×1.0cm的巖心薄片，將巖心標(biāo)號(hào)，以方便后期的數(shù)據(jù)處理，1－4分別對(duì)應(yīng)初始狀態(tài)巖心，含水率為75%，85%，95%，并進(jìn)行打磨拋光處理.

第3步，設(shè)定樣品的旋轉(zhuǎn)步長(zhǎng)為0.25°，這樣當(dāng)巖心薄片在CT機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)360°后，在每一步長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)后對(duì)其進(jìn)行“照相”，總共對(duì)切片進(jìn)行了1 440次照相，重構(gòu)后得到1 440幅二維的圖像.小步長(zhǎng)、多圖像也保證了后期三維重構(gòu)的精確性，成像過程見圖1.由于旋轉(zhuǎn)步長(zhǎng)很小，肉眼難以觀察，所以為了方便觀測(cè)，選取每旋轉(zhuǎn)40°截圖1次，見圖1（a）.具體的軟件參數(shù)及投影過程中每個(gè)微步長(zhǎng)的投影狀態(tài)參數(shù)見表1.

圖1 巖心孔隙成像過程

表1 CT投影參數(shù)

第4步，利用Rhinoceros軟件，設(shè)定巖心樣品的掃描區(qū)域，目的是為了確定對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理所需要的閾值范圍，理論上掃描區(qū)域越大，精度越高［3］，但同時(shí)也越耗時(shí)，無形中增加了實(shí)驗(yàn)成本，應(yīng)適當(dāng)設(shè)定掃描區(qū)域，見圖1（b）.

第5步，對(duì)二維圖像進(jìn)行二值化處理.圖像二值化是圖像處理的基本技術(shù)，而選取合適的分割閾值是很重要的步驟.二值化的基本過程：（1）對(duì)原始圖像作中低通濾波，進(jìn)行圖像的預(yù)處理，降低或去除噪聲；（2）用算法確定最佳的閾值；（3）凡是像素的灰度值大于這個(gè)閾值的設(shè)成255，小于這個(gè)閾值的設(shè)成0［4］.這樣處理后的圖像就只有黑白兩色，從而將灰度范圍劃分為目標(biāo)和背景2類，即將孔隙喉道和巖石骨架區(qū)分開來，便于測(cè)量和觀察，見圖1（c）.

第6步，通過模擬砂巖地質(zhì)形成過程的重構(gòu)方法，對(duì)所有旋轉(zhuǎn)步長(zhǎng)下的截圖進(jìn)行三維重構(gòu)，見圖2.利用從二維薄片獲得的顆粒大小分布和其他一些巖相數(shù)據(jù)，模擬了砂巖的顆粒沉積、壓實(shí)、成巖3個(gè)過程，獲得了巖心的等值面圖，見圖2（a）；然后簡(jiǎn)化模型，使其體現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)，得到三維網(wǎng)絡(luò)模型的孔隙結(jié)構(gòu)見圖2（b），以及骨架結(jié)構(gòu)見圖2（c）.

圖2 三維重構(gòu)示意

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 配位數(shù)

配位數(shù)是指與孔隙相連通的喉道的個(gè)數(shù)，是表征儲(chǔ)層連通程度的參數(shù).配位數(shù)越大，表示連通性越好，流體的流動(dòng)通道越多.為了使選取的配位數(shù)能夠較好地反映儲(chǔ)層的真實(shí)特性，通過Rhinoceros軟件對(duì)三維網(wǎng)絡(luò)模型的配位數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出3～6為配位數(shù)分布的高峰區(qū)間，故在三維網(wǎng)絡(luò)模型模擬中，分別采用了4種配位數(shù)對(duì)驅(qū)油效果加以分析，見表2.測(cè)得的配位數(shù)對(duì)剩余油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響見圖3.

表2配位數(shù)變化驅(qū)替結(jié)果

圖3表明，隨著配位數(shù)的增加，三維網(wǎng)絡(luò)模型中的剩余油質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯減少，說明配位數(shù)越大，與孔隙相連通的喉道越多，網(wǎng)絡(luò)模型中的滲流通道越多，有利于流體的流動(dòng)，流體被捕集的機(jī)會(huì)減少，使之形成剩余油的概率下降.在較小的配位數(shù)的情況下，驅(qū)替孔隙中的原油的機(jī)會(huì)減少，有些孔隙甚至成為盲端，而使剩余油形成的概率增大.

3.2 形狀因子

真實(shí)儲(chǔ)層中的孔隙空間的形狀是非常復(fù)雜的，所以在網(wǎng)絡(luò)模型中采用等價(jià)的規(guī)則的幾何形狀近似描述.在三維網(wǎng)絡(luò)模型中，喉道的截面形狀有圓形、正方形和三角形，圓形截面形狀因子為0.079 6；正方形形狀因子為0.062 5；三角形形狀因子為0～0.048 1，其中三角形截面更能接近實(shí)際的孔隙空間.在三維網(wǎng)絡(luò)模擬中，在原數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過改變形狀因子的大小從而達(dá)到改變3種截面的比例，得到形狀因子的變化與驅(qū)替效果的關(guān)系，見表3.測(cè)得形狀因子對(duì)剩余油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響曲線見圖4.

圖3 配位數(shù)變化對(duì)剩余油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

表3 形狀因子變化驅(qū)替結(jié)果

圖4表明，隨著形狀因子的增大，剩余油質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所降低，這是因?yàn)樾螤钜蜃釉酱螅紫缎螤钤揭?guī)則，角隅越少，微觀孔隙結(jié)構(gòu)越均質(zhì)，流體流動(dòng)的越通暢，從而提高了原油的采收率，降低了剩余油質(zhì)量分?jǐn)?shù).

3.3 孔隙半徑

孔隙半徑是表征孔隙大小的儲(chǔ)層微觀參數(shù).借助網(wǎng)絡(luò)模型分別討論了巖石的潤(rùn)濕性為水濕和油濕比例不同的情況下，孔隙半徑變化驅(qū)替結(jié)果見表4，測(cè)得的孔隙結(jié)構(gòu)變化對(duì)剩余油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響曲線見圖5.

圖4 形狀因子變化對(duì)剩余油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響曲線

圖5 表明，當(dāng)巖石的潤(rùn)濕性為水濕比例逐漸增加的情況下，剩余油質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，在巖石的潤(rùn)濕性比例相同的情況下，隨著孔隙半徑的增加，水驅(qū)采收率增加，剩余油質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低.當(dāng)巖石的孔隙為水濕的條件下，毛管力是驅(qū)油的動(dòng)力，喉道中對(duì)驅(qū)替液體有自吸能力，驅(qū)替液借助毛管力的作用驅(qū)出孔隙中的殘余油；在油濕情況下，毛管力是驅(qū)油的阻力，隨著孔隙半徑的增加，驅(qū)油區(qū)里逐漸減小，孔隙中的原油容易被驅(qū)出而不形成剩余油，孔隙中存在的剩余油的概率也愈小，增加了驅(qū)替效率.

表4 孔隙半徑變化驅(qū)替結(jié)果

3.4 潤(rùn)濕性

油藏巖石的潤(rùn)濕性是控制巖石孔隙中微觀油水分布及油水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要因素，對(duì)驅(qū)油效率有重要影響.巖石的潤(rùn)濕性特征指的是它親油、親水性質(zhì)，是巖石、鹽水、原油多組分體系綜合作用的結(jié)果.通過改變網(wǎng)絡(luò)模型的潤(rùn)濕性得到潤(rùn)濕角度的變化與剩余油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，見表5.測(cè)得的潤(rùn)濕角變化對(duì)剩余油質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響曲線見圖6.

表5 潤(rùn)濕角變化驅(qū)替結(jié)果

圖6表明，在水濕巖心中，毛管力為驅(qū)油動(dòng)力，但隨著潤(rùn)濕角度的增加，驅(qū)油動(dòng)力逐漸減小，當(dāng)潤(rùn)濕角增加到油濕的情況下，毛管力為驅(qū)油的阻力，潤(rùn)濕角越大，最后使孔隙中剩余油質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，采收率下降.

圖5 孔隙結(jié)構(gòu)變化對(duì)剩余油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響曲線

圖6 潤(rùn)濕角變化對(duì)剩余油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響曲線

4 可行性分析

孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到后續(xù)模擬研究結(jié)果的可靠性，因此，利用孔隙網(wǎng)絡(luò)模型開展研究前必須對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行判定.為了驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)模型的可行性，選取冀東油田主力油層的代表性區(qū)塊的真實(shí)巖心，對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)物模實(shí)驗(yàn)，并獲取相應(yīng)的孔隙度、滲透率、飽和度、潤(rùn)濕角、孔隙喉道概率分布等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)水驅(qū)效率、剩余油分布規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，并與網(wǎng)絡(luò)模型的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其可行性.物模實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）取冀東油田主力油層的天然巖心，首先用甲苯進(jìn)行清洗處理，清除原始含油，然后測(cè)量巖心尺寸.

（2）將天然巖心在巖心夾持器中抽空2.5h，飽和人工合成鹽水，計(jì)算孔隙度.

（3）將飽和好人工合成鹽水的巖心放置在恒溫箱內(nèi)恒溫12h以上（45℃）.

（4）巖心水測(cè)滲透率，飽和模擬地層油，將飽和好的巖心放置在恒溫箱內(nèi)恒溫24h以上（45℃）.

（5）以1m／d的驅(qū)替速度對(duì)天然巖心進(jìn)行水驅(qū)，分別驅(qū)替至前端含水率為75%，85%，95%，并取不同含水階段的巖心，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，計(jì)算剩余油及采收率.

（6）取驅(qū)完油的部分巖心，用酒精和超聲波洗掉表面殘留物，以備使用.

將物模實(shí)驗(yàn)結(jié)果與孔隙網(wǎng)絡(luò)模型模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，孔隙網(wǎng)絡(luò)模型能夠?qū)ξ锬?shí)驗(yàn)性質(zhì)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，說明該模型已經(jīng)具備真實(shí)巖心的重要特征.

5 結(jié)論

（1）利用CT成像技術(shù)，通過靜態(tài)三維重構(gòu)法，構(gòu)建了能夠反映真實(shí)巖心重要特征的三維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型.

（2）巖心孔隙微觀參數(shù)如配位數(shù)、形狀因子、孔隙半徑、潤(rùn)濕角等對(duì)驅(qū)油效率及剩余油分布影響重大，驅(qū)油效率隨配位數(shù)、形狀因子、孔隙半徑的增大而提高，隨潤(rùn)濕角的增大而降低.

（3）根據(jù)巖心物模實(shí)驗(yàn)與孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的模擬結(jié)果，表明該網(wǎng)絡(luò)模型具備真實(shí)巖心的重要特征，驗(yàn)證了其可行性.

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Three dimensional network modeling for oilfield pores in complex faultblocks／2010，34（5）：75－79

LIU Yi－kun1，GUO Hong－guang1，MA Wen－guo1，WANG Qun－yi2
（1.Key Laboratory of Education Ministry for Oil Recovery Enhancing，NortheastPetroleum University，Daqing，Heilongjiang163318，China；2.Exploration and DevelopmentInstitute，Jidong Oilfield Company，Tangshan，Hebei 063000，China）

For the purpose of exploring the complex faultblock oil field perquisite transfusion rule microscopically，this paper explores how core sample pore structure’s microscopic change in differentwatery stage affects the flushing efficiency.In view of the oil field main oil layer in Jidong of Hebei three subarea’s real core sample’s three differentwatery stage，we use the Ctimage formation technology，carry outthe projection to the differentangle of the real core sample，and to two－dimensional picture，use binaryzation processing，carry on three dimensional restructuring to the gradation image，obtain the pore structure three dimensional network model finally，and the microscopic parameter to the core’s porescale structure.The analysis resultindicated thatthe flushing efficiency enhances along with the coordination number’s，the shape factor’s，the pore width’s increases，decreases along with the contactangle’s reduction.Next，according to the analogue resultand the corresponding core sample’s physical analogue experiment’s contrast，indicates the network model’s validity and the reliability.The network model has laid the theoretical basis for the further description to the microscopic pore，and has the guiding sense and the application value to the research of the influence of high watery stage oil layer pore structure’s change to the flushing efficiency.

complex faultblock；Ctimage formation technology；three dimensional reconstruction；coordination number；shape factor

book=5,ebook=256

TE357.6

A

1000-1891（2010）05-0075-05

2010-07-28；編輯：關(guān)開澄

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50874023）

劉義坤（1963－），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油氣田開發(fā)工程方面的研究.