孫建孟，姜黎明，劉學(xué)鋒，王海濤，閆國(guó)亮，趙建鵬

數(shù)字巖心技術(shù)測(cè)井應(yīng)用與展望

孫建孟1，姜黎明1，劉學(xué)鋒2，王海濤1，閆國(guó)亮1，趙建鵬1

（1.中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266555；2.中國(guó)石油大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266555）

分別從數(shù)字巖心的建模、巖石物理屬性模擬及數(shù)字巖心技術(shù)在測(cè)井領(lǐng)域中的應(yīng)用等3個(gè)方面介紹了數(shù)字巖心技術(shù)。介紹了2種建模方法——物理實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值重建方法，指出其各自優(yōu)缺點(diǎn)。提出了數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)的概念，基于數(shù)字巖心進(jìn)行巖石電性、聲學(xué)特性、核磁共振特性及滲流特性等數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。重點(diǎn)探討了數(shù)字巖心技術(shù)在測(cè)井領(lǐng)域中的應(yīng)用——定量分析低電阻率的成因、確定碳酸鹽巖儲(chǔ)層的飽和度指數(shù)、建立測(cè)井解釋模型等。指出了數(shù)字巖心技術(shù)在測(cè)井領(lǐng)域的發(fā)展方向。

數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)；三維數(shù)字巖心；復(fù)雜儲(chǔ)層；可視化數(shù)字井筒；低電阻率；碳酸鹽巖

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)油氣資源的需求不斷增加，油氣田的勘探和開(kāi)發(fā)逐步由常規(guī)儲(chǔ)層轉(zhuǎn)向非常規(guī)儲(chǔ)層，比如頁(yè)巖、致密砂巖、碳酸鹽巖、油砂等，巖石物理研究在油氣藏評(píng)價(jià)中所占據(jù)的地位也越來(lái)越重要。針對(duì)以上復(fù)雜儲(chǔ)層，巖石物理實(shí)驗(yàn)遇到了諸多困難，如低孔隙度低滲透率巖石驅(qū)替困難，裂縫發(fā)育的碳酸鹽巖難以取到有代表性的巖心，頁(yè)巖和油砂很難開(kāi)展巖石物理實(shí)驗(yàn)等。同時(shí)，巖石物理實(shí)驗(yàn)無(wú)法定量研究?jī)?chǔ)層微觀參數(shù)對(duì)巖石宏觀物理屬性的影響。反映巖石微觀結(jié)構(gòu)的孔隙模型由最初的毛細(xì)管模型發(fā)展到了網(wǎng)絡(luò)模型，再到愈滲網(wǎng)絡(luò)模型，這些模型都對(duì)巖石的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以根據(jù)巖石微觀結(jié)構(gòu)信息重建反映巖石真實(shí)孔隙空間的三維數(shù)字巖心。基于三維數(shù)字巖心借助于數(shù)值算法可以進(jìn)行巖石物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M，這種方法被稱為數(shù)字巖石物理或計(jì)算巖石物理?；跀?shù)字巖心的巖石物理數(shù)值模擬是一種巖心無(wú)損測(cè)試方法，數(shù)字巖心一旦建立可以重復(fù)使用，可以進(jìn)行巖石的電性、聲學(xué)特性、核磁共振特性及滲流特性等數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)［1－4］。與傳統(tǒng)的巖石物理實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)具有5個(gè)優(yōu)點(diǎn)：① 巖石物理數(shù)值模擬速度快而且費(fèi)用低；② 描述巖石微觀結(jié)構(gòu)的數(shù)字巖心一旦建立，數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)可計(jì)算多種巖石物理屬性，如電阻率、聲波速度、滲透率和核磁共振響應(yīng)等。由于所有的巖石物理屬性均來(lái)源于同1塊三維數(shù)字巖心，有利于建立多種物理屬性之間的內(nèi)在聯(lián)系；③ 數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)可模擬常規(guī)巖石物理實(shí)驗(yàn)難以測(cè)量的物理量，如三相相對(duì)滲透率；④ 通過(guò)調(diào)整數(shù)字巖心的微觀參數(shù)，利用數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)有利于認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層參數(shù)對(duì)巖石物理屬性的影響；⑤ 對(duì)于裂縫性碳酸鹽巖、頁(yè)巖、油砂等取心困難的巖石，可利用數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)巖石物理實(shí)驗(yàn)計(jì)算各種巖石物理屬性。通過(guò)以上分析，開(kāi)展數(shù)字巖心工作的重要性不言而喻。在數(shù)字巖心技術(shù)研究領(lǐng)域，國(guó)外起步比較早，已初步構(gòu)建了3大數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)室，主要有澳大利亞國(guó)立大學(xué)的Digital Core Laboratory、斯坦福大學(xué)的Ingrain Digital Rock Physics Lab以及挪威的Numerical Rocks。目前它們?cè)趪?guó)外運(yùn)行良好，為各油田提供了很多的巖心測(cè)試服務(wù)。本文結(jié)合筆者在該領(lǐng)域開(kāi)展的研究工作進(jìn)行初步探討。

1 數(shù)字巖心建模技術(shù)及現(xiàn)狀

數(shù)字巖心建模方法有2大類，物理實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值重建方法。物理實(shí)驗(yàn)方法是借助高倍光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡和CT成像儀等高精度儀器獲取巖心的二維圖像，對(duì)二維圖像進(jìn)行三維重建即可得到三維數(shù)字巖心；數(shù)值重建方法則借助巖心二維圖像等少量資料，通過(guò)圖像分析提取建模信息，采用重建算法建立數(shù)字巖心。

1.1 物理實(shí)驗(yàn)方法建立數(shù)字巖心

用以建立數(shù)字巖心的物理實(shí)驗(yàn)方法主要有序列成像法、聚焦掃描法和CT掃描法［5－7］。序列成像法可以獲取高分辨率的巖心圖像，但是，由于巖心切割和拋光處理不僅需要大量的時(shí)間而且破壞巖心的孔隙結(jié)構(gòu)，因此，該方法實(shí)用性較差。采用聚焦掃描成像技術(shù)也能得到較高分辨率的巖心圖像，但是該方法只能對(duì)巖心薄片進(jìn)行成像處理，因而得到的數(shù)字巖心呈薄片狀，規(guī)模很小?；赬射線CT技術(shù)獲取的巖心圖像，孔隙結(jié)構(gòu)清晰、準(zhǔn)確，是最直接、最準(zhǔn)確的方法，但是由于實(shí)驗(yàn)成本過(guò)高，限制了該項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

1.2 數(shù)值重建方法建立數(shù)字巖心

數(shù)值重建方法通常以巖心切片圖像為基礎(chǔ)，借助不同的統(tǒng)計(jì)方法或模擬巖石的形成過(guò)程建立數(shù)字巖心。計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了數(shù)字巖心技術(shù)的發(fā)展。最初，研究者們用孔隙網(wǎng)絡(luò)模型表示巖心，當(dāng)時(shí)能較好地預(yù)測(cè)巖石的宏觀特性。1974年，Joshi［8］通過(guò)分析巖石薄片的統(tǒng)計(jì)資料將孔隙度和相關(guān)函數(shù)為約束條件，建立了二維數(shù)字巖心。Quiblier做了進(jìn)一步的研究，建立了三維數(shù)字巖心。1997年，Hazlett［9］提出了模擬退火方法，與高斯場(chǎng)法相比，該方法包含了更多的相關(guān)信息，建立的三維巖心結(jié)構(gòu)更加真實(shí)可靠。1997年，Bakke和Oren通過(guò)模擬巖石的形成過(guò)程（沉積、壓實(shí)和成巖）構(gòu)建數(shù)字巖心，就此提出過(guò)程法建立數(shù)字巖心的思想，該方法構(gòu)建的數(shù)字巖心在傳導(dǎo)性上較其他方法有很大優(yōu)勢(shì)。2003年Oren［10］和Bakke同時(shí)采用隨機(jī)法和過(guò)程法建立了Berea砂巖的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，研究表明，傳導(dǎo)性上有較大改進(jìn)。朱益華和陶果［11］采用順序指示模擬方法構(gòu)建三維數(shù)字巖心，孫建孟和劉學(xué)鋒［12］等人利用局部孔隙度理論和平均滲流理論等進(jìn)行了準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)重構(gòu)的數(shù)字巖心與真實(shí)巖心有相似的統(tǒng)計(jì)特性，但孔隙連通性較差。孫建孟［13］等人結(jié)合過(guò)程法和模擬退火法建立了楓丹白露砂巖的數(shù)字巖心，該方法與模擬退火算法相比，改進(jìn)了三維數(shù)字巖心的孔隙連通性，與過(guò)程法相比，使三維數(shù)字巖心與巖石二維圖像具有相似的統(tǒng)計(jì)特性。Okabe和Blunt［14］應(yīng)用多點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的方法建立數(shù)字巖心，他們使用9×9模板統(tǒng)計(jì)并存儲(chǔ)巖心切片圖像中的孔隙空間結(jié)構(gòu)特征，并把統(tǒng)計(jì)得到的信息充分反映到所建的數(shù)字巖心中。建立的數(shù)字巖心具有良好的孔隙連通性，但是該方法的建模速度較慢。Wu［15］等開(kāi)發(fā)出一種建立數(shù)字巖心的有效方法。該方法以馬爾可夫隨機(jī)濾網(wǎng)統(tǒng)計(jì)模型為基礎(chǔ)，借助2點(diǎn)及5點(diǎn)鄰域模板對(duì)孔隙與巖石骨架交界面的特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并將統(tǒng)計(jì)信息映射到所建立的數(shù)字巖心中。該方法建立的數(shù)字巖心具有良好的孔隙連通性，此外，它的建模速度很快。

2 基于數(shù)字巖心的巖石物理屬性模擬

2.1 電學(xué)特性模擬

巖石電學(xué)特性不僅依賴于孔隙空間流體的分布和性質(zhì)，還取決于微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征。假設(shè)巖石骨架不導(dǎo)電。對(duì)于單相流體飽和巖石，三維數(shù)字巖心可視為由單相孔隙流體和巖石骨架構(gòu)成的雙相復(fù)合材料。對(duì)于雙相流體飽和巖石，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法確定巖心不同含水飽和度下三維數(shù)字巖心中孔隙流體分布后，三維數(shù)字巖心可視為由3種組分：油、水和巖石骨架構(gòu)成的復(fù)合材料。

三維數(shù)字巖心中，每個(gè)像素代表了不同的巖石組分。假設(shè)巖石的骨架中不含導(dǎo)電礦物，則數(shù)字巖心由絕緣的巖石骨架和孔隙流體組成。計(jì)算電阻率的步驟：① 將數(shù)字巖心中每個(gè)像素視為1個(gè)立方體并根據(jù)巖石在不同含水飽和度下的流體分布情況確定立方體所代表的巖石組分；② 設(shè)定相應(yīng)的電導(dǎo)率，施加外加電場(chǎng)；③ 利用有限元方法計(jì)算三維數(shù)字巖心上的電壓分布，進(jìn)而得到巖石在不同含水飽和度下的電阻率。

2.2 聲學(xué)特性模擬

探索巖石孔隙結(jié)構(gòu)與巖石聲學(xué)特性之間的關(guān)系一直是地球物理領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問(wèn)題。弄清巖石骨架、孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙流體如何影響巖石聲學(xué)參數(shù)有助于改善地球物理測(cè)量中的解釋方法。傳統(tǒng)的巖石聲學(xué)實(shí)驗(yàn)很難定量研究巖石各種因素對(duì)巖石聲學(xué)特性參數(shù)的影響規(guī)律。相比聲學(xué)實(shí)驗(yàn)，三維數(shù)字巖心較為準(zhǔn)確地反映了巖石的孔隙結(jié)構(gòu)，能定量計(jì)算巖石物理有效介質(zhì)模型中的孔隙特征參數(shù)，因此聲學(xué)特性數(shù)值模擬還可以擴(kuò)展巖石物理有效介質(zhì)模型的適用性。借助于數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)，還可以研究流體替換對(duì)巖石彈性參數(shù)的影響，找出對(duì)流體變化敏感的參數(shù)，更有效地進(jìn)行流體性質(zhì)識(shí)別。

在三維數(shù)字巖心的基礎(chǔ)上，利用有限元方法計(jì)算巖石的體積模量和剪切模量。具體步驟與計(jì)算電學(xué)特性類似。根據(jù)彈性力學(xué)基本知識(shí)，若已知巖石的體積模量、剪切模量和密度，則可以計(jì)算巖石的縱橫波速度。

2.3 核磁共振特性模擬

基于數(shù)字巖心也可以模擬巖石的核磁共振特性。目前主要采用隨機(jī)行走算法模擬三維數(shù)字巖心的磁化強(qiáng)度衰減曲線，并通過(guò)解譜得到核磁共振T2譜。模擬步驟：① 粒子隨機(jī)放在孔隙空間中，在每個(gè)時(shí)間步中，粒子從它們的初始位置移動(dòng)到一個(gè)新的位置；② 如果粒子進(jìn)入巖石骨架，按照一定的概率被“殺死”而消失；③ 如果粒子存活，它的位置不發(fā)生改變，同時(shí)進(jìn)行時(shí)間的更新。

通過(guò)對(duì)大量粒子重復(fù)這個(gè)過(guò)程，可以得到隨機(jī)行走粒子的生命分布曲線，進(jìn)而計(jì)算磁化強(qiáng)度幅度隨時(shí)間的變化，然后通過(guò)多指數(shù)反演可以得到T2譜分布。

2.4 滲流特性模擬

基于數(shù)字巖心滲流特性模擬主要是計(jì)算巖石的絕對(duì)滲透率和相對(duì)滲透率。目前主要采用格子玻爾茲曼方法進(jìn)行計(jì)算，該方法是一種流體力學(xué)數(shù)值模擬方法。計(jì)算絕對(duì)滲透率步驟：① 讀入數(shù)據(jù)并設(shè)定模型參數(shù)；② 設(shè)定孔隙空間格子上流體的初始粒子分布函數(shù)；③ 進(jìn)行迭代并輸出計(jì)算結(jié)果。

在雙相不相溶格子玻爾茲曼模型中，每一相既相互獨(dú)立，又相互耦合。相互獨(dú)立是指每一相流體要獨(dú)立進(jìn)行流動(dòng)和碰撞過(guò)程，每一相流體在格子上均有其粒子分布函數(shù)；相互耦合是指在模擬過(guò)程中還要考慮兩相流體間的相互作用。目前兩相流模擬主要基于數(shù)字巖心提取的能反應(yīng)真實(shí)巖石孔隙結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行計(jì)算。

3 數(shù)字巖心技術(shù)在測(cè)井領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 數(shù)字巖心技術(shù)在頁(yè)巖評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

油氣在頁(yè)巖中的滲透與儲(chǔ)存空間主要是納米尺度裂縫與孔隙，再加上頁(yè)巖的強(qiáng)非均質(zhì)性，實(shí)驗(yàn)面臨的特殊困難（飽和、潤(rùn)濕、驅(qū)替、有機(jī)質(zhì)骨架隨溫度壓力變化），導(dǎo)致頁(yè)巖巖石物理研究面臨著很大挑戰(zhàn)。因此高分辨率的三維數(shù)字巖心分析，有望發(fā)揮獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在頁(yè)巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中，利用數(shù)字巖心技術(shù)主要可以實(shí)現(xiàn)：① 孔隙度分析，包括連通孔隙、孤立孔隙及有機(jī)質(zhì)孔隙度；② 絕對(duì)滲透率分析；③ 干酪根含量、有機(jī)質(zhì)含量分析；④ 氣水相對(duì)滲透率計(jì)算及毛細(xì)管壓力測(cè)試。圖1是利用X射線CT建立的頁(yè)巖的三維數(shù)字巖心［16］，分辨率為3nm。其中圖1（a）是頁(yè)巖樣品的三維數(shù)字體（包含巖石骨架信息），其中白色表示骨架，黑色表示孔隙，灰色表示干酪根。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)圖1（a）進(jìn)行處理，移去巖石骨架，從而可以得到巖石孔隙空間的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1（b），干酪根（綠色）和大部分非連通孔隙（紅色）均勻分布在樣品中，而連通孔隙（藍(lán)色）主要集中在樣品的一邊。利用數(shù)字巖心技術(shù)對(duì)所建立的頁(yè)巖三維數(shù)字巖心進(jìn)行分析，可得頁(yè)巖孔隙度為5%，干酪根含量為24%，沿Z方向的滲透率為0.002mD＊＊非法定計(jì)量單位，1mD＝9.87×10－4μm2，下同。

圖1 利用X射線和CT建立的頁(yè)巖的三維數(shù)字巖心［16］

3.2 低電阻率儲(chǔ)層成因機(jī)理定量分析研究

數(shù)字巖心技術(shù)充分考慮了巖石的巖性、孔隙結(jié)構(gòu)、潤(rùn)濕性、導(dǎo)電礦物、微孔隙等微觀因素對(duì)巖石電性的影響。通過(guò)在孔隙尺度研究微觀因素對(duì)巖石電性的影響，可以對(duì)低電阻率儲(chǔ)層成因機(jī)理進(jìn)行定量分析，從而更好地對(duì)低電阻率油氣層進(jìn)行測(cè)井評(píng)價(jià)，提高低電阻率油氣層的解釋水平和符合率。

采用數(shù)字巖心技術(shù)模擬了低電阻率儲(chǔ)層的電學(xué)特性，主要步驟：① 選取了9塊實(shí)驗(yàn)巖心，分別建立了所對(duì)應(yīng)的三維數(shù)字巖心；② 利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法確定巖石孔隙空間的流體分布（見(jiàn)圖2），其中藍(lán)色部分為巖石骨架，青色部分為地層水，黃色部分為油；③ 基于三維數(shù)字巖心利用有限元得方法計(jì)算巖石的電學(xué)特性；④ 低電阻率成因分析。

圖2 不同含水飽和度下流體分布圖

圖3為2號(hào)巖心與9號(hào)巖心數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，其中實(shí)點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)線表示數(shù)值模擬結(jié)果，可以看出數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果較為吻合。

圖4為數(shù)字巖心I與Sw的關(guān)系曲線，通過(guò)模擬結(jié)果顯示1號(hào)、2號(hào)、6號(hào)和8號(hào)巖心其電阻率增大指數(shù)小于2，滿足低電阻率油層的定義，模擬結(jié)果吻合試油結(jié)論；4號(hào)、5號(hào)和7號(hào)巖心模擬結(jié)果顯示電阻率增大指數(shù)大于3為正常油層，這同實(shí)際情況相一致；9號(hào)巖心泥質(zhì)含量最多，模擬顯示結(jié)果為低電阻率特性，由于該點(diǎn)為水層無(wú)法驗(yàn)證；3號(hào)巖心處為低電阻率水層，但是有一定的油水分布時(shí)顯示為高電阻率。

從圖4中可以看出，9條曲線明顯分為正常和低電阻率2個(gè)部分，這時(shí)根據(jù)電阻率增大指數(shù)由大到小的順序由表1給出相應(yīng)巖心的泥質(zhì)含量，二者對(duì)比可以看出，低電阻率巖心的泥質(zhì)含量明顯高于正常巖心的泥質(zhì)含量，表明巖性細(xì)、泥質(zhì)含量高，泥質(zhì)中黏土礦物吸水性能強(qiáng)，從而導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)變差，存在大量微孔隙，束縛水含量增大，是導(dǎo)致油層低電阻率的主導(dǎo)因素。

表1 所選9塊巖心的泥質(zhì)含量

3.3 測(cè)井解釋模型的建立

3.3.1 碳酸鹽巖儲(chǔ)層飽和度模型建立

由于碳酸鹽巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致經(jīng)典的飽和度評(píng)價(jià)模型Archie公式在裂縫性碳酸鹽巖中的應(yīng)用受到限制，主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：① 對(duì)不同類型的碳酸巖儲(chǔ)層，膠結(jié)指數(shù)和飽和度指數(shù)在取值上存在顯著差異；孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，使經(jīng)典阿爾奇公式的孔隙膠結(jié)指數(shù)取值范圍大大增加，并影響含油飽和度的正確求解；② 在裂縫性碳酸鹽巖中既有微孔隙又有宏觀孔隙。微孔隙的存在導(dǎo)致電流流通路徑的增加，即使只有少量的微孔隙也會(huì)導(dǎo)致巖石電阻率下降，形成低電阻率儲(chǔ)層。按照Archie公式，該類儲(chǔ)層含水飽和度高，但通過(guò)試油發(fā)現(xiàn)它是非常好的產(chǎn)油層，與測(cè)井分析結(jié)論不一致。

由于裂縫發(fā)育的碳酸鹽巖取心困難，難以通過(guò)傳統(tǒng)的巖石物理實(shí)驗(yàn)手段定量考察其導(dǎo)電機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上建立起適用的飽和度模型。此時(shí)通過(guò)巖石物理數(shù)值模擬首先建立巖石的微觀數(shù)值模型，然后采用數(shù)值模擬方法研究巖石物理宏觀屬性，最后進(jìn)一步建立飽和度模型。飽和度模型具體建模步驟為：① 構(gòu)建碳酸鹽巖的三維數(shù)字巖心；② 應(yīng)用格子玻爾茲曼方法確定三維數(shù)字巖心不同飽和度下的流體分布（見(jiàn)圖5），其中藍(lán)色表示水，紅色表示油；③應(yīng)用有限元方法計(jì)算不同飽和度下的電阻率并建立電阻率模型；④ 在電阻率模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步導(dǎo)出飽和度模型。在數(shù)字巖心分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建了碳酸鹽巖儲(chǔ)層的飽和度模型，當(dāng)巖石含油氣時(shí)，含水飽和度為Sw，巖石電導(dǎo)率為

式中，θ為裂縫與電流傳導(dǎo)方向的夾角；Cf為裂縫飽和地層水時(shí)的電導(dǎo)率；Cp為基質(zhì)孔隙飽和地層水時(shí)的電導(dǎo)率；f（φf(shuō)，φp）為裂縫對(duì)基質(zhì)孔隙的耦合因子。

3.3.2 滲透率模型建立

孔隙級(jí)流動(dòng)模擬技術(shù)是以反映孔隙尺度上巖心孔隙空間特征的模型為基礎(chǔ)，以定義的孔隙級(jí)流動(dòng)模擬模型為依托，模擬單相或多相流體在孔隙模型中的流動(dòng)，繼而對(duì)流動(dòng)性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析的技術(shù)方法。目前，格子玻爾茲曼方法在孔隙介質(zhì)滲流特性研究中應(yīng)用廣泛，通過(guò)單相流體模型可以模擬巖石的絕對(duì)滲透率，利用雙相不相溶流體模型可計(jì)算巖石的相對(duì)滲透率。

對(duì)于單相流體流動(dòng)模擬，通過(guò)改變孔隙微觀結(jié)構(gòu)計(jì)算不同情況下的絕對(duì)滲透率，最終建立滲透率模型；對(duì)于兩相流體，孔隙級(jí)流動(dòng)模擬過(guò)程中，不斷增加孔隙模型兩端的壓差，計(jì)算出每一壓差下飽和度和相對(duì)滲透率。由不同壓差下的飽和度和相對(duì)滲透率可以得到兩相流時(shí)的相對(duì)滲透率曲線，進(jìn)而建立兩相流時(shí)的滲透率模型。在此基礎(chǔ)上可研究滲透率的影響因素，提出新的測(cè)井解釋滲透率模型。

3.4 通過(guò)數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)求取困難條件下的測(cè)井解釋模型參數(shù)

數(shù)字巖心建立后，特別是在井場(chǎng)數(shù)字巖心測(cè)井服務(wù)隊(duì)的支撐下，通過(guò)數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)（即在計(jì)算機(jī)內(nèi)開(kāi)展聲、電、核磁共振等巖石物理模擬實(shí)驗(yàn)），可為困難條件下的測(cè)井解釋模型參數(shù)求取提供一條新途徑，這也將極大地提升井場(chǎng)數(shù)字巖心隊(duì)服務(wù)能力，提高測(cè)井解釋的時(shí)效。

以碳酸鹽巖為例進(jìn)行分析。某地區(qū)多塊巖樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行RI－Sw交會(huì)，擬合得到的n值較為穩(wěn)定。多塊巖樣的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示飽和度指數(shù)n為2.27（見(jiàn)圖6）。利用X射線CT建立該地區(qū)一塊碳酸鹽巖巖樣的三維數(shù)字巖心，掃描分辨率為4.5μm／像素，尺寸為600像素×600像素×600像素（見(jiàn)圖7）。利用數(shù)值模擬方法計(jì)算RI－Sw驅(qū)替的全過(guò)程，飽和度指數(shù)為2.20（見(jiàn)圖8），這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，這說(shuō)明利用數(shù)值模擬的方法確定飽和度指數(shù)n是可行的。

圖5 不同驅(qū)替壓力下的孔隙空間油水分布

圖8 數(shù)值模擬結(jié)果

4 展 望

數(shù)字巖心技術(shù)在測(cè)井領(lǐng)域?qū)?huì)發(fā)揮非常重要的作用，對(duì)其進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究有著重要的理論和實(shí)際意義。中國(guó)石油大學(xué)結(jié)合近10年在數(shù)字巖心方面的研究工作，認(rèn)為今后的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面。

（1）利用更加廣泛的資料手段獲得數(shù)字巖心，如錄井巖屑資料、粒度資料、壓汞資料、核磁共振與電成像測(cè)井資料等。

（2）采用多種手段結(jié)合，如CT與FIB－SEM（Focused Ion Beam Combined with SEM）成像技術(shù)結(jié)合得到分辨率高達(dá)3nm的三維數(shù)字巖心。

（3）開(kāi)展更加廣泛和深刻的物理屬性模擬，即開(kāi)展數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)測(cè)錄井等多學(xué)科的結(jié)合。在聲學(xué)特性模擬方面，不局限于模量模擬，還可開(kāi)展全波列模擬。

（4）針對(duì)碳酸鹽巖、致密砂巖、頁(yè)巖氣這當(dāng)前世界3大研究熱點(diǎn)建立適合于復(fù)雜儲(chǔ)層的多尺度、多組分三維數(shù)字巖心，使其同時(shí)包括宏觀次生孔隙（溶洞，裂縫等）和微觀基質(zhì)孔隙以及各種礦物組分。

（5）在未來(lái)結(jié)合電成像與核磁共振等成像測(cè)井技術(shù)，利用數(shù)字巖心技術(shù)構(gòu)建三維可視化數(shù)字井筒，實(shí)現(xiàn)全三維數(shù)字測(cè)井響應(yīng)模擬，為未來(lái)構(gòu)建全新的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理與解釋平臺(tái)奠定基礎(chǔ)。

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Log Application and Prospect of Digital Core Technology

SUN Jianmeng1，JIANG Liming1，LIU Xuefeng2，WANG Haitao1，YAN Guoliang1，ZHAO Jianpeng1（1.School of Geosciences，China University of Petroleum，Qingdao，Shandong 266555，China；2.College of Physics and Technology，China University of Petroleum，Qingdao，Shandong 266555，China）

Digital core technology is introduced about model construction，numerical simulation of petrophysical properties and its log applications.The advantage and disadvantage are presented of 2reconstruction methods——physical experiment method and numerical reconstruction method.The concept of digital rock physical experiment is first proposed.Various numerical simulation experiments including electrical properties，acoustic properties，nuclear magnetic properties and percolation have been made based on digital cores.The log applications of digital core technology are mainly discussed，such as quantitative analysis of genesis of low resistivity，determination of saturation exponent in carbonate formation and modeling construction of logging interpretations.At last，the development direction of digital core technology is pointed out.

digital rock physical experiment，three dimensional（3D）digital core，complex reservoir，virtual digital borehole，low resistivity，carbonate

P631.84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2011－10－10 本文編輯 王小寧）

畢勝宇，男，1976年生，博士研究生，從事巖石力學(xué)和射孔參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究。