姜黎明, 劉寧靜, 孫建孟, 屈樂, 崔利凱, 郭英才

(1.中國石油集團測井有限公司, 陜西 西安 710077; 2.中國石油天然氣集團測井重點實驗室, 陜西 西安 710077;3.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島 266555; 4.西安石油大學(xué), 陜西 西安 710061)

0 引 言

對于頁巖、致密砂巖、碳酸鹽巖、油砂等復(fù)雜儲層,巖石物理實驗遇到了諸多困難,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代表性的巖心,頁巖和油砂很難開展巖石物理實驗等。巖石物理實驗無法定量研究儲層微觀參數(shù)對巖石宏觀物理屬性的影響。隨著X射線CT在巖石物理實驗中的廣泛應(yīng)用和計算機技術(shù)的發(fā)展,利用巖心X射線CT掃描建立表征巖石三維微觀孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)字巖心,構(gòu)建了巖心微觀結(jié)構(gòu)和宏觀物理性質(zhì)之間的橋梁。數(shù)字巖心作為微觀滲流、導(dǎo)電特性的研究平臺將在巖石物理研究與應(yīng)用中發(fā)揮重要的作用[1-4]。由于CT掃描分辨率的限制,對于致密砂巖、頁巖等非常規(guī)儲層微孔隙不能準確識別,導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果偏差較大,納米CT從一定程度上彌補了該項不足,但是掃描巖樣的尺寸很小(幾十微米),對于非均質(zhì)性巖心樣品不具有代表性,失去了開展研究的意義。本文提出了利用CT掃描圖像與壓汞核磁共振資料結(jié)合構(gòu)建高精度三維數(shù)字巖心的方法。相比于微米掃描得到的數(shù)字巖心,該方法獲取的數(shù)字巖心在孔隙度和滲透率上都得到了較大提升,與實驗結(jié)果更為接近。

圖1 CT055巖心微米CT掃描二維切片 圖2 CT055巖心三維數(shù)字巖心 圖3 納米CT掃描巖心二維切片 圖4 納米CT巖樣數(shù)字巖心效果圖 (其中紅色表示孔隙,藍色表示基質(zhì),綠色表示高密度礦物)

1 CT掃描構(gòu)建數(shù)字巖心的優(yōu)缺點

微米CT的優(yōu)點是能夠反映更多的巖心大孔隙的信息,得到巖心大尺度上的拓撲及幾何結(jié)構(gòu)。巖心樣品直徑一般在幾毫米到幾厘米,制備相對比較容易。微米CT的缺點是無法識別微孔隙,對于致密砂巖和泥頁巖等以微孔隙為主的巖心很難識別,造成孔隙缺失。圖1為某油田CT055號致密砂巖巖心微米CT掃描的二維切片,CT掃描分辨率為3.8 μm,巖心樣品直徑約為3.8 mm。實驗測得CT055號巖心孔隙度為8.9%,而經(jīng)過CT圖像處理后得到的三維數(shù)字巖心見圖2, 其孔隙度為6.47%, 有2.43%的孔隙缺失。缺失部分孔隙便是小于分辨率的微孔隙。

納米CT掃描分辨率一般在幾十到幾百納米,圖3是CT055號巖樣納米CT掃描的二維切片,其分辨率為63 nm,掃描巖樣直徑為65 μm。納米CT掃描共取得1 017張二維切片,經(jīng)過處理劃分后得到數(shù)字巖心,其效果如圖4所示。從圖4中可以看出其中孔隙多分布在巖樣邊沿處,而且孔隙度非常低,這與選擇巖樣的位置有關(guān),因為在納米尺度上,巖心的非均質(zhì)性很強,選取的位置不同,得到的結(jié)果差異就會很大。納米CT能夠反映巖心微孔隙的信息,可以在一定程度上彌補微米CT掃描的不足,但是納米CT由于其樣品制備較為困難、掃描費用高昂等原因,不可能得到大范圍的應(yīng)用。另外,由于納米CT掃描巖樣的尺寸很小,即使對于均質(zhì)性較好的巖心,選取巖樣時的位置不同,最后得到的巖心參數(shù)也會有所差異,對于非均質(zhì)性強的巖心,結(jié)果差異會更大。因此,選擇掃描巖樣使之更有代表性,是關(guān)系到掃描實驗效果好與壞的關(guān)鍵。

2 構(gòu)建高精度三維數(shù)字巖心

從眾多的數(shù)字巖心建模方法來看[5-10],利用CT掃描構(gòu)建的數(shù)字巖心最能反映巖心真實的微觀孔隙結(jié)構(gòu)。當采用不同的分辨率掃描同一塊的巖心時,發(fā)現(xiàn)隨著分辨率的提高,數(shù)字巖心的孔隙度逐漸增大。當分辨率達到1 μm時,三維數(shù)字巖心的孔隙度仍小于實驗室測量結(jié)果,說明巖心中存在尺寸小于CT掃描分辨率的微孔隙。微孔隙的存在使數(shù)字巖心孔隙度和實驗孔隙度相比偏低,并且影響數(shù)字巖心的孔隙連通性,不利于后續(xù)數(shù)值模擬研究。

高精度三維數(shù)字巖心建立思路:利用X射線CT對巖心進行掃描;從巖心壓汞資料得到巖石喉道半徑分布,從巖心核磁共振實驗資料得到巖心孔隙半徑分布,截取孔喉半徑小于CT掃描分辨率的部分,作為隨機網(wǎng)絡(luò)[11-12]生成的輸入?yún)?shù),選取的截止值與CT掃描分辨率有關(guān)。將CT掃描得到的數(shù)字巖心孔隙度與實驗測量孔隙度對比,計算CT掃描數(shù)字巖心丟失孔隙的大小,利用截取的孔喉半徑分布采用隨機網(wǎng)絡(luò)法構(gòu)建孔隙網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),生成網(wǎng)絡(luò)模型的孔隙度與CT掃描丟失的孔隙度一致。應(yīng)用網(wǎng)格化方法將孔隙網(wǎng)絡(luò)模型轉(zhuǎn)化為微孔隙數(shù)字巖心并采用多尺度融合法將壓汞核磁共振方法構(gòu)建的數(shù)字巖心疊加到CT掃描數(shù)字巖心上。

以CT055巖心為例驗證利用CT與壓汞核磁共振相結(jié)合構(gòu)建高精度數(shù)字巖心方法的可行性。CT055巖心的核磁共振實驗數(shù)據(jù)見圖5。核磁共振實驗中自旋回波串的初始幅度經(jīng)刻度得到孔隙度。當巖石完全飽和水,孔隙的T2值與孔隙的表面積與體積的比值成正比,可以度量孔隙尺寸,滿足關(guān)系

(1)

式中,T2為橫向弛豫時間;ρ2為表面弛豫率;S/V為孔隙比表面積?？紫栋霃嚼鄯e概率分布見圖6。

圖5 CT055巖心核磁共振實驗數(shù)據(jù)

圖6 CT055巖心孔隙半徑累積概率分布

圖7 CT055巖心壓汞實驗結(jié)果

CT055巖心的壓汞數(shù)據(jù)見圖7。汞對巖石固體的潤濕角基本恒定,毛細管力和喉道半徑關(guān)系為

(2)

式中,pc為毛細管壓力,MPa;θ為汞與巖石固體表面的潤濕角,(°);σ為水銀空氣系統(tǒng)的表面張力,N/m;r為喉道半徑,μm。

在實際應(yīng)用中,汞的表面張力取480 mN/m,潤濕角取140°,因此式(2)可以寫為

(3)

由此可以得到喉道半徑的累積概率分布(見圖8)。

考慮到計算機運行能力有限,對于分辨率為3.8 μm的CT055數(shù)字巖心,選擇將分辨率擴大3倍即1.27 μm。截取壓汞與核磁共振得到的孔喉半徑在1.27～3.8 μm的部分,作為隨機網(wǎng)絡(luò)生成的輸入?yún)?shù)。在CT055數(shù)字巖心的不同位置處截取4塊200×200×200的子巖心a、b、c、d,其孔隙度分別為12.07%、5.75%、6.04%、4.44%,平均孔隙度為7.17%,滲透率分別為0.065、0.018、0.034 mD*非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同和0.012 mD,平均滲透率為0.032 mD(見圖9)。將分辨率提升至1.27 μm,巖心尺寸變?yōu)?00×600×600。利用孔隙網(wǎng)絡(luò)模型計算4塊子巖心的絕對滲透率,其中子巖心a的絕對滲透率為0.034 mD,其他3塊子巖心滲透率皆為0。利用隨機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建4組網(wǎng)絡(luò)模型并離散化為600×600×600的數(shù)字巖心(見圖10)。通過將CT055截取的4塊子巖心與得到的4組隨機網(wǎng)絡(luò)模型疊加后得到高分辨率數(shù)字巖心見圖11。經(jīng)過疊加得到的數(shù)字巖心其孔隙度分別為12.96%、6.96%、7.44%、5.9%,平均孔隙度為8.32%,更接近CT055巖心的實驗孔隙度。利用孔隙網(wǎng)絡(luò)模型計算4塊疊加得到的數(shù)字巖心的絕對滲透率分別為0.095、0.078、0.089 mD和0.068 mD,平均滲透率為0.083 mD。從表1可以看出,相比于微米CT掃描得到的數(shù)字巖心,利用微米CT掃描與壓汞核磁共振相結(jié)合構(gòu)建的高分辨率數(shù)字巖心在孔隙度和滲透率上都得到了較大提升,與實驗結(jié)果更為接近。

圖9 CT055巖心4組子巖心三維示意圖

圖10 隨機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建數(shù)字巖心三維示意圖

圖11 高分辨率數(shù)字巖心三維示意圖

微米CT掃描新算法構(gòu)建實驗測試孔隙度/%8.9數(shù)字巖心孔隙度/%7.178.32相對誤差/%19.46.5實驗測試滲透率/mD0.113數(shù)字巖心滲透率/mD0.320.83相對誤差/%7126.5

3 結(jié) 論

(1) 總結(jié)了微米CT和納米CT構(gòu)建數(shù)字巖心的優(yōu)缺點,利用CT圖像與壓汞核磁共振資料結(jié)合構(gòu)建高精度三維數(shù)字巖心的方法能夠同時反映微米級孔隙和CT無法識別的微孔隙。利用新方法構(gòu)建的高精度三維數(shù)字巖心在孔隙度和滲透率上與實驗結(jié)果更為接近。

(2) 高精度三維數(shù)字巖心建模方法能夠解決致密砂巖、泥頁巖等非常規(guī)儲層利用CT掃描構(gòu)建數(shù)字巖心孔隙度偏低、孔隙連通性差的問題。該方法突破了CT儀器分辨率的限制,能夠建立高分辨率三維數(shù)字巖心,為非常規(guī)儲層巖石物理屬性的數(shù)值模擬研究提供了更好的研究平臺。

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