唐 放，李海龍，戴 宗，謝明英，周江江

（中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518067）

迄今為止，高效精確測(cè)定疏松砂巖巖心的物性參數(shù)仍然是疏松砂巖油田開(kāi)發(fā)中的一個(gè)難題。疏松砂巖取樣、運(yùn)輸、保存、處理、分析都與常規(guī)巖心有較大的差異。針對(duì)疏松砂巖的傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中已有相關(guān)章節(jié)指導(dǎo)工程分析。但需要指出的是，疏松砂巖的本質(zhì)屬性決定了巖心的處理和分析只有一次機(jī)會(huì)。在鉆取柱塞、洗油、實(shí)驗(yàn)分析等環(huán)節(jié)都可能會(huì)不可逆地破壞巖心的孔隙結(jié)構(gòu)，同時(shí)樣品很容易成為一堆散砂；且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中很容易發(fā)生形變，結(jié)果可靠性較差。

近年來(lái)，數(shù)字巖心技術(shù)在石油和天然氣行業(yè)得到快速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于地震、測(cè)井、地質(zhì)、油藏等各個(gè)領(lǐng)域［1-2］，該技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充。數(shù)字巖心技術(shù)與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)相比：對(duì)巖心的尺寸、形狀要求較低，可以對(duì)風(fēng)化較碎的巖心進(jìn)行分析；實(shí)驗(yàn)周期短，時(shí)間可以從數(shù)年縮短到數(shù)月；可以有效保存巖心，能確保巖心可以無(wú)限次被使用［3-6］。

文中采用X射線CT掃描法針對(duì)目標(biāo)油藏密閉取心并冷凍保存的疏松砂巖巖心開(kāi)展數(shù)字巖心建模及分析研究，以解決疏松儲(chǔ)層難以進(jìn)行巖石物理實(shí)驗(yàn)研究的問(wèn)題，該方法首先從疏松砂巖地層密閉取心并冷凍保存入手，創(chuàng)新性地通過(guò)對(duì)飽含原始地下流體的疏松砂巖巖心開(kāi)展米級(jí)、毫米級(jí)、微米級(jí)（聚焦掃描）多尺度CT掃描和非均質(zhì)性分析；應(yīng)用分水嶺算法對(duì)掃描的灰度圖分割，實(shí)現(xiàn)巖石骨架和孔隙空間劃分；最終通過(guò)最大球法提取孔隙網(wǎng)絡(luò)，完成數(shù)字巖心建立，并在數(shù)字巖心平臺(tái)上開(kāi)展巖心物性及流動(dòng)特征分析。

1 方法及流程

本文采用的疏松砂巖數(shù)字巖心建模及分析流程（圖1）與常規(guī)數(shù)字巖心建模及分析流程（圖2）相比，主要差別在于以下幾點(diǎn)：

圖1 疏松砂巖數(shù)字巖心建模及分析流程

圖2 常規(guī)數(shù)字巖心建模及分析流程

①針對(duì)密閉、冷凍保存全直徑巖心開(kāi)展工業(yè)CT掃描；②不進(jìn)行洗油烘干，直接對(duì)含油巖心柱塞開(kāi)展微米CT掃描；③不進(jìn)行小樣鉆取，直接針對(duì)含油巖心柱塞開(kāi)展聚焦掃描；④圖像分割考慮孔隙中原始流體和巖石骨架的灰度區(qū)分。

該流程不進(jìn)行洗油烘干，不進(jìn)行小樣鉆取，避免了對(duì)巖心的物理破壞。而且既簡(jiǎn)化了巖心分析前的處理流程，又降低了疏松砂巖天然巖心制樣難度（疏松砂巖巖心鉆取小樣過(guò)程中易破碎），同時(shí)也為后續(xù)巖心分析結(jié)果的可靠性打下基礎(chǔ)。

1.1 密閉取心與冷凍保存

疏松地層取心必須要考慮到松散的巖心結(jié)構(gòu)，不合適的取心方法會(huì)導(dǎo)致取得的巖心數(shù)量有限，質(zhì)量也難以保證。密閉取心技術(shù)在取心過(guò)程中通過(guò)采用密封圈把巖心封存在取心筒內(nèi)，顯著地提高了疏松地層的巖心收獲率。南海東部海上油田A在1998年應(yīng)用常規(guī)取心方法在探井中獲得21.3 m疏松巖心，收獲率僅35.5%。2017年該油田在另外一口井相同層位應(yīng)用密閉取心技術(shù)獲得67.3 m疏松巖心，收獲率達(dá)96.6%。

無(wú)論是含輕質(zhì)油或稠油的樣品，冷凍法都是疏松巖心保存的推薦方法。A油田密閉取心時(shí)每筒次取得的巖心（含外表取心筒）立即放置在冷柜中貯藏，并在取心結(jié)束后巖心隨冷柜一起運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室。有文獻(xiàn)報(bào)道［10］，近年甚至已有應(yīng)用全程低溫冷凍技術(shù)對(duì)含稠油疏松砂巖開(kāi)展常規(guī)巖心分析工作，并且取得了一些非常有價(jià)值的認(rèn)識(shí)。

1.2 巖心掃描

1.2.1 密閉全直徑巖心工業(yè)CT掃描

針對(duì)A油田3.0 m長(zhǎng)的密閉全直徑巖心，使用工業(yè)CT進(jìn)行密閉全直徑巖心掃描，獲取完整原始狀態(tài)下的全直徑巖心信息。工業(yè)CT是指應(yīng)用于工業(yè)中的核成像技術(shù)，通過(guò)對(duì)全直徑巖心進(jìn)行X射線掃描，得到物體的空間結(jié)構(gòu)信息。工業(yè)CT掃描樣品尺寸長(zhǎng)度為1.0 m，直徑為2.5～25.0 cm，掃描分辨率0.2 mm。掃描結(jié)果可以對(duì)巖心的巖性和非均質(zhì)性進(jìn)行基本判斷，從而指導(dǎo)微米CT選樣位置（圖3）。

圖3 全直徑巖心掃描三維圖和縱切面

A油藏巖心：非均質(zhì)性較強(qiáng)，孔隙中填充大量高密度物質(zhì)；

B油藏巖心：均質(zhì)性較好，地層紋理方向大約為45°，孔隙中含少量填充高密度物質(zhì)；

C油藏巖心：均質(zhì)性較好，少部分填充高密度物質(zhì)。

針對(duì)非均質(zhì)性較強(qiáng)的A油藏巖心，選取高密度物質(zhì)分布處取樣；針對(duì)均質(zhì)性較好的油藏選取砂巖分布均勻的地方取樣，保證微米CT選樣的代表性。

1.2.2 巖心柱塞微米CT掃描

根據(jù)密閉全直徑巖心CT掃描確定的位置采用液氮鉆柱塞樣，微米CT掃描樣品尺寸為1～70 mm，掃描分辨率0.7～40.0μm。針對(duì)疏松砂巖柱塞樣品，為保證樣品完整性，使用熱縮套密封，同時(shí)端面塑料堵頭防止油砂脫落，并通過(guò)保鮮膜密封防止油水揮發(fā)。文中以2號(hào)柱塞樣品為例，粗掃描分辨率為13μm，該樣品微米CT粗掃描圖像如圖4所示。從樣品整體及縱剖面圖像來(lái)看，該樣品分選較好，粒徑中等，含少量泥礫，膠結(jié)程度差。

1.2.3 巖心子樣微米CT掃描

根據(jù)柱塞微米CT粗掃描結(jié)果選取代表性區(qū)域，進(jìn)行巖心子樣微米CT掃描，子樣微米CT掃描的常規(guī)步驟是在柱塞樣品的基礎(chǔ)上鉆取小樣。針對(duì)疏松砂巖柱塞樣品，巖樣原始孔隙結(jié)構(gòu)容易受到破壞，不適宜鉆取小樣，因此采用聚焦掃描模式進(jìn)行精細(xì)掃描。聚焦掃描屬于精細(xì)掃描的一種模式，在不破壞柱塞樣品（不鉆取小樣）的前提下，直接將柱塞樣品放入樣品臺(tái)，通過(guò)高倍聚焦模式進(jìn)行高分辨的小區(qū)域掃描。

由于聚焦掃描圖像像素固定為2 000×2 000，聚焦掃描時(shí)需要選擇合適的分辨率。如果分辨率過(guò)高，掃描區(qū)域會(huì)變小，影響分析效果；如果分辨率過(guò)低，又不能精細(xì)刻畫(huà)孔隙空間。另外，為保證所選聚焦掃描區(qū)域具有代表性，需要對(duì)整個(gè)柱塞巖心進(jìn)行表征單元體積（REV）分析。結(jié)合樣品實(shí)際孔隙尺寸和掃描電鏡等資料，選擇聚焦掃描區(qū)域?yàn)? mm×5 mm×5 mm，掃描分辨率2.5μm，圖像如圖5所示。

圖5 柱塞微米CT精掃圖像

1.3 巖心建模與分析

1.3.1 圖像分割

常規(guī)數(shù)字巖心CT灰度圖是在干樣的情況下掃描得到，由于CT圖像的灰度值反映的是巖石內(nèi)部物質(zhì)的相對(duì)密度，因此CT圖像中明亮的部分認(rèn)為是高密度物質(zhì)，而深黑部分則認(rèn)為是孔隙結(jié)構(gòu)。

本文疏松砂巖柱塞樣品未洗油，利用熱縮套密封，通過(guò)保鮮膜密封防止油水揮發(fā)，但是柱塞樣品中的油水對(duì)CT掃描圖像中顆粒和孔隙劃分會(huì)造成一定的干擾。為了識(shí)別孔隙中的流體，在巖心端面的塑料堵頭中的部分小孔中加水進(jìn)行掃描，進(jìn)而可以精確獲取水和空氣的灰度范圍。同時(shí)，對(duì)巖心進(jìn)行洗油，對(duì)比洗油前后的CT掃描圖像，明確顆粒間不確定灰度物質(zhì)為原始流體，為孔隙精確劃分提供依據(jù)。最后，采用分水嶺算法，對(duì)重構(gòu)的三維微米級(jí)CT灰度圖像進(jìn)行分割，劃分出孔隙與顆粒基質(zhì)，得到可用于孔隙網(wǎng)絡(luò)建模與滲流模擬的分割圖像，建立三維數(shù)字巖心。

1.3.2 孔隙結(jié)構(gòu)分析、物性及滲流特征模擬

本項(xiàng)目采用“最大球法（Maxima-Ball）”進(jìn)行孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的提取與建模，既提高了網(wǎng)絡(luò)提取的速度，又保證了孔隙分布特征與連通特征的準(zhǔn)確性。

利用孔隙網(wǎng)絡(luò)模型可以統(tǒng)計(jì)巖心的孔隙喉道數(shù)目和相應(yīng)的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)，基于分割后的數(shù)字巖心圖像，統(tǒng)計(jì)孔隙體積占整個(gè)巖石的體積比例，得到巖石的孔隙度。利用流體動(dòng)力學(xué)模擬手段，通過(guò)計(jì)算流體在某個(gè)方向上的流量而得到該方向的絕對(duì)滲透率。在低速流動(dòng)和不可壓縮流體假設(shè)前提下，多孔介質(zhì)中的流體流動(dòng)可以用線性斯托克斯方程組來(lái)描述，流體數(shù)值模擬方法通過(guò)有限差分法進(jìn)行迭代求解方程組，從而得到孔隙空間內(nèi)流速分布與壓強(qiáng)分布，在計(jì)算出通過(guò)某一方向橫截面上的平均流量后，可利用達(dá)西公式將該流量轉(zhuǎn)換成絕對(duì)滲透率，最終采用擬靜態(tài)流動(dòng)模擬模型進(jìn)行孔隙網(wǎng)絡(luò)的滲流模擬。

2 實(shí)例分析

雖然近二十年來(lái)數(shù)字巖心技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但技術(shù)本身還存在一些難點(diǎn)，如掃描圖像分辨率的選擇、圖像分割的準(zhǔn)確程度、孔隙網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建方法、流動(dòng)模擬求解算法等［7-9］，由此也對(duì)模擬結(jié)果帶來(lái)一定的不確定性。因此，首先應(yīng)用該技術(shù)對(duì)常規(guī)樣品和疏松巖樣開(kāi)展巖心分析，然后通過(guò)采用平行樣來(lái)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法結(jié)果對(duì)比以證實(shí)該技術(shù)的適用性，最終將疏松巖樣的常規(guī)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果和數(shù)字巖心模擬分析結(jié)果與油田實(shí)際開(kāi)發(fā)情況開(kāi)展比較。

2.1 常規(guī)砂巖巖樣

南海東部B油田儲(chǔ)層為風(fēng)暴席狀砂，以巖屑長(zhǎng)石砂巖、巖屑亞長(zhǎng)石砂巖為主；分選中等-好，儲(chǔ)集巖的膠結(jié)類型以接觸式為主，儲(chǔ)集空間以原生粒間孔為主；測(cè)井孔隙度平均值為20.7%，測(cè)井滲透率平均值為637×10-3μm2。

以南海東部B油田的固結(jié)砂巖樣品a、b為例開(kāi)展數(shù)字巖心技術(shù)和常規(guī)實(shí)驗(yàn)巖心分析結(jié)果對(duì)比。樣品a同時(shí)開(kāi)展了常規(guī)巖心分析和數(shù)字巖心模擬分析，結(jié)果顯示孔隙度兩者相對(duì)誤差為4.1%，滲透率兩者相對(duì)誤差為5.4%（表1）。樣品b采用平行樣分別開(kāi)展了常規(guī)巖心分析和數(shù)字巖心模擬分析，結(jié)果顯示束縛水飽和度相對(duì)誤差為3.7%，殘余油飽和度相對(duì)誤差為3.4%（表2）。通過(guò)上述兩個(gè)例子對(duì)比，證明了本文采用的數(shù)字巖心模擬技術(shù)誤差較小，能夠準(zhǔn)確測(cè)試巖心孔滲參數(shù)。

表1 樣品a實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比

表2 樣品b實(shí)驗(yàn)（平行樣）結(jié)果分析對(duì)比

2.2 疏松砂巖巖心分析對(duì)比

南海東部海上油田A儲(chǔ)集巖以石英砂巖為主，礦物成份主要為石英，其次是長(zhǎng)石，粒度為中-粗粒，磨圓度為次圓狀，分選中等，膠結(jié)度較差。油藏的儲(chǔ)集空間為孔隙型，主要孔隙類型為粒間孔。主要油層儲(chǔ)層物性好，屬于中-高孔隙度，中-特高滲透率儲(chǔ)層。

以南海東部A油田的疏松砂巖樣品為例分別開(kāi)展傳統(tǒng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)字巖心模擬分析研究，并將分析結(jié)果和實(shí)際油田開(kāi)發(fā)效果對(duì)比。

傳統(tǒng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果（圖6）存在如下問(wèn)題：

圖6 A油田疏松樣品室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果

①物性好的巖心束縛水飽和度和殘余油飽和度高，物性差的巖心兩個(gè)參數(shù)反而低；

②束縛水飽和度、殘余油飽和度比密閉取心飽和度分析結(jié)果整體偏高，密閉取心飽和度分析結(jié)果顯示凈砂層段束縛水飽和度和殘余油飽和度均不超過(guò)20%；

③傳統(tǒng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析的驅(qū)油效率與油田實(shí)際開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)存在明顯矛盾。部分油層的采收率預(yù)測(cè)已超過(guò)50.0%，而傳統(tǒng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析的驅(qū)油效率平均才53.5%。從過(guò)路井測(cè)井和油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀（RPM）測(cè)試結(jié)果分析表明，油藏的部分區(qū)域尚未波及到。

數(shù)字巖心模擬分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖7）與油田實(shí)際開(kāi)發(fā)情況吻合較好，特別是與密閉取心飽和度分析結(jié)果整體基本一致。密閉取心飽和度分析結(jié)果顯示凈砂層段束縛水飽和度和殘余油飽和度均不超過(guò)20%；開(kāi)發(fā)中晚期的油藏預(yù)測(cè)采收率已達(dá)到50%。

圖7 A油田疏松樣品數(shù)字巖心模擬分析結(jié)果

3 結(jié)論

（1）與常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法相比，數(shù)字巖心構(gòu)建新方法對(duì)巖心的尺寸、形狀要求較低，制樣更方便，新方法省去了洗油步驟，避免了對(duì)疏松巖樣原始孔隙結(jié)構(gòu)的破壞。

（2）與常規(guī)數(shù)字巖心構(gòu)建相比，數(shù)字巖心構(gòu)建新方法應(yīng)用聚焦掃描模式開(kāi)展微米掃描，省去了微米CT掃描鉆取小樣工作。

（3）巖心實(shí)際測(cè)試分析結(jié)果證明了該方法能夠更為準(zhǔn)確測(cè)試巖心孔滲參數(shù)，相對(duì)誤差在5%左右；模擬分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與油田實(shí)際開(kāi)發(fā)情況吻合程度高。

（4）該方法能精確測(cè)試疏松砂巖物性及流動(dòng)參數(shù)，減少常規(guī)方法帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差并縮短實(shí)驗(yàn)周期，可推廣應(yīng)用于類似疏松砂巖儲(chǔ)層的巖心分析。