孫建孟,孫曉娟,遲 蓬,呂馨頔,張晉言

(1.中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島266555;2.中石化經(jīng)緯有限公司,山東青島266000)

石油是工業(yè)發(fā)展的命脈,隨著工業(yè)化、信息化高速發(fā)展,我國對油氣資源的需求與日俱增。同時,伴隨著降低石油消費(fèi)對外依存以滿足國家能源安全的需要,加大國內(nèi)油氣勘探與開發(fā)變得尤為重要[1]。目前,如頁巖、碳酸鹽巖、致密砂巖等非常規(guī)儲層成為油田勘探與開發(fā)的核心[2]。但是,非常規(guī)儲層巖石結(jié)構(gòu)與巖性復(fù)雜、物性變化大、非均質(zhì)性強(qiáng),常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)無法對儲層微觀參數(shù)進(jìn)行定量研究,不利于后續(xù)巖石宏觀物理屬性的研究[3-4]。

國外數(shù)字巖心的發(fā)展起源于滲流機(jī)理模擬。反映巖石微觀結(jié)構(gòu)的孔隙模型由1956年FATT提出的毛細(xì)管模型逐漸發(fā)展到隨機(jī)孔隙網(wǎng)絡(luò)模型,再發(fā)展到數(shù)字巖心模型[5]。這些巖石微觀模型經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的發(fā)展過程,經(jīng)過不斷地發(fā)展完善逐漸接近巖石的真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)?；谌S數(shù)字巖心的巖石物理數(shù)值模擬稱之為數(shù)字巖石物理實(shí)驗(yàn)[6]。經(jīng)過十幾年的研究與發(fā)展,初步形成一套完整的數(shù)字巖心數(shù)據(jù)處理及模擬分析軟件,該軟件可進(jìn)行CT圖像處理、過程法建模、模擬退火建模、孔隙網(wǎng)絡(luò)分析、驅(qū)替模擬、電性模擬、彈性模擬、多尺度數(shù)字巖心存儲、滲流模擬以及核磁模擬等。

由于數(shù)字巖心技術(shù)對地層參數(shù)受采集到的離散巖心的限制,井筒的尺寸與單個巖心的尺寸存在較大差異,因此無法在井筒尺度下獲得不同深度的連續(xù)性參數(shù)[7]。目前,關(guān)于數(shù)字井筒研究較少,“數(shù)字井筒”概念最早由國外研究中心ZHANG等[8]提出。該團(tuán)隊(duì)通過融合微米分辨率的巖心CT數(shù)據(jù)和毫米分辨率的電成像數(shù)據(jù),形成了較為完整的數(shù)值模擬虛擬巖石構(gòu)建方法流程。國內(nèi)對數(shù)字井筒的研究還處于起步階段,在已有數(shù)字巖心建模方法的基礎(chǔ)上,借鑒地質(zhì)建模的研究思路并結(jié)合多尺度的數(shù)字巖心建模、測井電成像和常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)等,構(gòu)建了大尺度的三維數(shù)字井筒模型。

本文分別從模型構(gòu)建技術(shù)與測井實(shí)際應(yīng)用兩方面對數(shù)字巖心和數(shù)字井筒技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行介紹?？偨Y(jié)單孔隙介質(zhì)系統(tǒng)、雙孔隙介質(zhì)系統(tǒng)、多元多孔結(jié)構(gòu)和多尺度融合的數(shù)字巖心建模方法,探討數(shù)字巖心建模在電學(xué)特性、聲學(xué)特性、滲流特性和核磁共振特性方面的應(yīng)用并展望了未來發(fā)展前景。

1 數(shù)字巖心建模技術(shù)

數(shù)字巖心建模方法分為物理實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)值重建方法和組合融合法3類[9-10]。物理實(shí)驗(yàn)方法主要包括序列切片成像法、激光掃描共振聚焦掃描法、X射線CT掃描法等,此類方法是利用高精度實(shí)驗(yàn)儀器(如CT成像掃描儀、掃描電鏡和高倍光學(xué)顯微鏡等)獲取巖心的二維圖像后進(jìn)行三維重建,最終獲得三維數(shù)字巖心[5,9,11]。數(shù)值重建方法包括過程法、多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法、高斯模擬法、模擬退火法、馬爾可夫鏈蒙特卡洛法和順序指示模擬法等。此類方法通過對巖心二維圖像等少量資料的分析提取建模相關(guān)信息,采用重建算法建立數(shù)字巖心[6,9,12-13]。此類方法不僅建模速度快,并且建立的巖心具有良好的孔隙連通性。

數(shù)字巖心建模技術(shù)可概括為以下4類針對性技術(shù)。

1) 針對致密砂巖和低阻砂巖等單孔隙介質(zhì)系統(tǒng),常用CT掃描方法[14-15]、CT掃描方法結(jié)合壓汞技術(shù)和核磁共振技術(shù)[16]、順序指示建模方法[17](SISIM)、過程法[18]等進(jìn)行分析研究。X射線CT掃描技術(shù)是研究巖心孔隙結(jié)構(gòu)的主要手段之一,該方法可以較好的表征孔隙喉道特征,但X射線微米CT建立的三維數(shù)字巖心受掃描分辨率的影響,無法準(zhǔn)確識別非常規(guī)儲層的連通性和孔隙度,從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相差較大。雖然納米CT的掃描分辨率在幾十到幾百納米,可以反映出巖石孔隙信息,在一定程度上彌補(bǔ)了X射線微米CT掃描的不足,但是納米CT掃描巖樣的尺寸在幾十微米,掃描巖樣尺寸很小,不僅樣品制備較為困難、掃描費(fèi)用昂貴,并且對于非均質(zhì)巖心樣品不具備代表性。為了更好地反映巖心真實(shí)的微觀孔隙結(jié)構(gòu),姜黎明等[16]提出了一種高分辨率三維數(shù)字巖心建模的方法。該方法根據(jù)巖心的核磁與壓汞曲線獲得巖心孔隙喉道分布,構(gòu)建隨機(jī)孔隙網(wǎng)絡(luò)模型,離散化后與X射線CT數(shù)字巖心多尺度融合得到高分辨率三維數(shù)字巖心。

2) 針對碳酸鹽巖、火成巖和變質(zhì)巖等裂縫性儲層雙孔隙介質(zhì)系統(tǒng),裂縫發(fā)育段取心代表性差和無法取心的困難,發(fā)展了裂縫網(wǎng)絡(luò)施加技術(shù)。2014年,張麗艷等[19]提出將基質(zhì)數(shù)字巖心與三維裂縫網(wǎng)絡(luò)疊加的裂縫網(wǎng)絡(luò)三維數(shù)字巖心建模方法(圖1)。該方法基于CT掃描或數(shù)值的方法建立三維數(shù)字巖心,利用隨機(jī)方法建立分形離散裂縫網(wǎng)絡(luò)并將其離散化后與基質(zhì)數(shù)字巖心逐個體素疊加,最終建立裂縫網(wǎng)絡(luò)數(shù)字巖心[19]。

圖1 裂縫網(wǎng)絡(luò)三維數(shù)字巖心構(gòu)建方法[19]

3) 針對頁巖特殊的多元多孔結(jié)構(gòu)特征,且孔隙很小,以納米級孔隙為主,而普通的X射線CT掃描儀的分辨率通常為微米級,難以反映頁巖納米級孔喉的分布[20],泥頁巖儲層常用聚焦電子-離子雙束掃描電鏡(FIB-SEM)方法進(jìn)行分析[21]。FIB-SEM屬于雙束系統(tǒng)[18]。典型的雙束系統(tǒng)是由一道垂直的電子束與一道傾斜的離子束組成。FIB-SEM首先用FIB磨削一個溝槽,對溝槽表面用SEM成像,然后用FIB移除一定厚度的薄層,接著再用SEM成像,重復(fù)這個過程直到產(chǎn)生一系列連貫的SEM圖像。FIB-SEM方法步驟為:①FIB-SEM圖像掃描;②對圖像進(jìn)行濾波處理;③圖像配準(zhǔn);④角度矯正;⑤陰影矯正;⑥三維重建。孫亮等[22]利用FIB-SEM三維成像表征技術(shù)和數(shù)字巖心技術(shù),進(jìn)行連通域檢測、連通域形態(tài)分析、連通域分類、量化連通性參數(shù)及聯(lián)通數(shù)字模型提取等。趙巖龍等[21]對頁巖進(jìn)行FIB-SEM掃描圖像,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分割法、改進(jìn)的四參數(shù)隨機(jī)生長法(QSGS)和二維布朗運(yùn)動模型構(gòu)建了具有裂縫-基質(zhì)孔隙雙重介質(zhì)的三維數(shù)字巖心。

4) 多尺度融合處理分析。目前,數(shù)字巖心的構(gòu)建研究較多的是對巖心孔隙的構(gòu)建,單一分辨率的數(shù)字巖心模型無法完整描述巖心不同尺度結(jié)構(gòu)信息,需要綜合多種尺度的信息對巖心結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。2013年,KHALILI等[23]進(jìn)行了碳酸鹽巖的多尺度成像和升尺度模擬。JIANG等[24]將不同尺度孔隙網(wǎng)絡(luò)集成到一個包含所有尺度的單一網(wǎng)絡(luò)中,揭示了多尺度孔隙系統(tǒng)對巖石微觀滲流特性的影響。王晨晨等[25]利用圖像疊加的方法構(gòu)建了雙孔隙的碳酸鹽巖數(shù)字巖心模型。GERKE等[26]提出一種能夠?qū)⒍喑叨瓤臻g信息融合的通用技術(shù),并用隨機(jī)生成的二維圖像重構(gòu)出二維多尺度頁巖圖像。2017年,崔利凱等[27]通過礦物和CT掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)合,利用圖像配準(zhǔn)方法將不同分辨率下的巖心掃描圖像進(jìn)行空間配準(zhǔn),按照分辨率從高到低的順序進(jìn)行孔隙分割及骨架礦物分割,構(gòu)建了多尺度多組分?jǐn)?shù)字巖心模型(圖2)。LIU等[28]使用CT,Energy Dispersive SEM和SEM images tiles(MAPS)技術(shù),研究了從厘米級到納米級的孔隙結(jié)構(gòu),應(yīng)用圖像配準(zhǔn)、分割和聚類標(biāo)記算法構(gòu)建了多礦物組分?jǐn)?shù)字巖心;CUI等[29]通過對不同分辨率的砂巖巖心圖像進(jìn)行配準(zhǔn)和跨尺度關(guān)聯(lián)分割,構(gòu)建了砂巖的多尺度多組分?jǐn)?shù)字巖心。近年來,深度學(xué)習(xí)方法已被運(yùn)用到多尺度數(shù)字巖心建模[30],例如CT圖像的超分辨率技術(shù)。超分辨率卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SRCNN)[31],增強(qiáng)深度超分網(wǎng)絡(luò)(EDSR)[32],以及超分辨率生成對抗網(wǎng)絡(luò)(SRGAN)[33],循環(huán)生成對抗網(wǎng)絡(luò)(CycleGAN)[34]被用來提升CT圖像的分辨率,由此可進(jìn)一步構(gòu)建同時具備大視域和高分辨率的多尺度數(shù)字巖心。

圖2 砂巖樣品多尺度多組分?jǐn)?shù)字巖心模型[27]

2 數(shù)字巖石物理及應(yīng)用進(jìn)展

2.1 電性模擬及應(yīng)用

電性不僅取決于孔隙空間中的流體分布和流體性質(zhì),還取決于巖石微觀結(jié)構(gòu)特征。由于巖石物理實(shí)驗(yàn)無法定量控制、觀察和計(jì)算上述微觀因素,因此難以研究微觀因素對電性的影響。數(shù)值模擬在此方面可以起到很好的補(bǔ)充作用。巖石微觀結(jié)構(gòu)描述是巖石物理數(shù)值模擬的基礎(chǔ),決定了數(shù)值模擬的精度。利用數(shù)字巖心進(jìn)行巖石導(dǎo)電特性的數(shù)值模擬有孔隙網(wǎng)絡(luò)模型、基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電壓法、格子玻爾茲曼法[35]和有限元法[36]等。基于數(shù)字巖心建?？煽疾焖ず穸?、潤濕性、微孔隙、泥質(zhì)、導(dǎo)電礦物、地層水礦化度等微觀電性的影響[37]。

LIU等[38]利用數(shù)學(xué)形態(tài)中的開運(yùn)算模擬了巖石的油水驅(qū)替過程,以及不同含水飽和度下油水在孔隙空間的分布(圖3)。利用數(shù)值形態(tài)學(xué)算法確定不同含水飽和度的流體分布后,再用有限元法計(jì)算巖石的電阻率,為巖石電性數(shù)值模擬提供一種新方法。聶昕等[36]將碳酸鹽巖中各種寬度與角度不同的裂縫加入分形布朗運(yùn)動算法中結(jié)合X-CT掃描構(gòu)建了含有裂縫的三維數(shù)字巖心模型,利用數(shù)學(xué)形態(tài)法對油水分布進(jìn)行模擬,同時利用有限元法模擬其導(dǎo)電性,研究了裂縫寬度對地層因素、電阻率增大系數(shù)影響以及裂縫角度對儲層導(dǎo)電的影響。ZHAO等[39-40]在三維數(shù)字巖心的基礎(chǔ)上結(jié)合有限元法探究裂縫寬度和裂縫角度對電性的影響規(guī)律以及電性各向異性特征,并探究層狀砂泥巖數(shù)字巖心的電性特征。DONG等[41]利用分布數(shù)值模擬方法構(gòu)建了水合物數(shù)字巖心模型,該模型能夠有效反映出水合物的分布特征和電阻率特征。

圖3 不同含水飽和度下水濕巖石的流體分布

2.2 飽和度模擬及應(yīng)用

阿爾奇飽和度模型是目前最常用的飽和度模型,它將孔隙度測井與電阻率測井兩大方法聯(lián)系起來。但是,隨著油田開發(fā),近年來低孔隙度、低滲透率儲層以及致密儲層均存在非阿爾奇現(xiàn)象,為克服該問題,孫建孟等[42]提出了一種三組分自動混聯(lián)導(dǎo)電飽和度模型(圖4)的建立方法。該方法突破以往含水飽和度側(cè)重并聯(lián)導(dǎo)電的思維,提出巖石中同時存在串聯(lián)和并聯(lián),并且是自動耦合導(dǎo)電,更加接近于實(shí)際,有效避免了非阿爾奇現(xiàn)象造成含水飽和度計(jì)算不準(zhǔn)的現(xiàn)象[42-43]。

圖4 3組分自動混聯(lián)導(dǎo)電模型等效的物理模型[42]

針對砂泥巖薄互層內(nèi)部沉積結(jié)構(gòu)特征,將儲層看作多個不同巖性薄層交互分布的層狀介質(zhì),考慮層間耦合與層內(nèi)泥質(zhì)的共同導(dǎo)電效應(yīng),張晉言等[12,44]提出一種橫向、縱向雙“泥質(zhì)指示因子”導(dǎo)電等效模型,由此建立砂泥巖薄互層飽和度計(jì)算模型(圖5)。該模型更加接近巖石的真實(shí)導(dǎo)電情況,有效解決了砂泥巖薄互層特征造成含水飽和度計(jì)算不準(zhǔn)確的問題。

2.3 彈性模擬及應(yīng)用

巖石的彈性模量受顆粒形狀、顆粒分選性、壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、裂縫、孔隙流體等微觀因素的影響。巖石彈性模量微觀數(shù)值模擬方法有聲格子方法、有限元方法和旋轉(zhuǎn)交錯網(wǎng)格有限差分方法等[10]。巖石的微觀結(jié)構(gòu)可以從數(shù)字巖心模型中得到。根據(jù)各分量的體積模量和剪切模量,可以采用基于三維數(shù)字巖心模型的有限元法計(jì)算出巖石的彈性模量。對于給定的數(shù)字巖心模型,沿主應(yīng)力方向和切應(yīng)力方向施加宏觀應(yīng)力,利用快速共軛梯度法使系統(tǒng)中的彈性自由能En最小以此來求得所產(chǎn)生應(yīng)變的平均應(yīng)力,最終得到三維數(shù)字巖心的有效彈性模量[45]。2012年,姜黎明等[46]基于有限元法研究了縱橫波速度、拉梅常數(shù)、泊松比、彈性模量隨含水飽和度的變化規(guī)律。2015年,趙建鵬[47]利用有限元法計(jì)算了裂縫性巖心和層狀巖心的彈性特征。2020年,孫建孟等[29]基于多尺度、多組分?jǐn)?shù)字巖心模型結(jié)合有限元法和等效介質(zhì)理論計(jì)算了單相流體飽和巖石與雙相流體飽和巖石在細(xì)尺度和粗尺度下的彈性參數(shù),將數(shù)字巖心的應(yīng)用從毫米級擴(kuò)展到了厘米級。圖6為單相流體飽和情況下,利用有限元模擬數(shù)字巖心的體積模量和剪切模量與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比。ANDHUMOUDINE等[48]基于數(shù)字巖心和有限元方法得到了煤的有效彈性模量。

目前基于數(shù)字巖心的彈性等效建模多集中于靜態(tài)模量數(shù)值模擬,該方法屬于間接類方法,適用于砂巖等組分單一、較為均勻的巖石樣本。對于復(fù)雜的非均質(zhì)巖石樣本則應(yīng)來用動態(tài)模量數(shù)值模擬方法,此類方法屬于直接類方法?；跀?shù)字巖心中波的傳播響應(yīng)特征的動態(tài)模量等效數(shù)值模擬方法可直接求取彈性參數(shù)。數(shù)值模擬一般使用有限元方法,其步驟可概括為前處理、單元分析、施加邊界條件、方程求解和后處理5個方面。SAENGER等[49]提出了波動方程旋轉(zhuǎn)交錯網(wǎng)格計(jì)算隨機(jī)裂縫介質(zhì)的彈性參數(shù),并在砂巖的數(shù)字巖心建模的基礎(chǔ)上詳細(xì)比較了動、靜態(tài)兩種方法彈性等效數(shù)值建模結(jié)構(gòu)[50],提出動態(tài)方法考慮了波傳播時引起的流動效應(yīng)及其對有效彈性參數(shù)的影響[51]。簡世凱等[52]利用礦物組分等效模量法計(jì)算各類礦物的彈性模量并采用不分裂卷積完全匹配層(CPML)旋轉(zhuǎn)交錯網(wǎng)格有限差分法模擬不同壓力下彈性波在數(shù)字巖心中的傳播,以未加壓的數(shù)字巖心為參考模型,計(jì)算不同壓力下彈性波走時的平均時間差,進(jìn)而估算出各壓力點(diǎn)的數(shù)字巖心等效速度。朱偉等[53-54]將本構(gòu)方程與運(yùn)動方程結(jié)合構(gòu)成二階位移-應(yīng)力格式的波動方程,在設(shè)定周期性邊界條件下利用二階旋轉(zhuǎn)交錯網(wǎng)格有限差分方法求解波動方程中位移、速度、應(yīng)變、應(yīng)力參數(shù),即分別求解網(wǎng)格內(nèi)對角線和坐標(biāo)方向的差分,獲取網(wǎng)格中心位置的差分,可計(jì)算網(wǎng)格中心位置的應(yīng)變和應(yīng)變率,此外利用本構(gòu)方程可求解網(wǎng)格中心位置的應(yīng)變。通過計(jì)算模擬過程中獲取的應(yīng)力率和應(yīng)變率的傅里葉變換比值來獲取復(fù)縱波模量進(jìn)一步獲得縱波速度和逆品質(zhì)因子,同時還提出了基于數(shù)字巖心的寬頻帶動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變模擬方法來表征復(fù)雜非均質(zhì)含裂縫致密巖石跨頻段擠噴流效應(yīng)引起的速度頻散與衰減特性,利用數(shù)值模擬表述了控制擠噴流效應(yīng)的主控因素,同時計(jì)算了非均勻含流體多孔巖石發(fā)生周期性拉伸應(yīng)變的位移場和孔隙壓力增量場。龍騰等[55]利用跨頻段的巖石物理實(shí)驗(yàn)對不同孔隙類型的碳酸鹽巖樣品進(jìn)行測量,建立可解釋裂縫型、孔洞型、裂縫-孔隙型的碳酸鹽巖在測量頻段的頻散。類似地,電性也可進(jìn)行動態(tài)特性分析,由此可深入研究聲電頻散現(xiàn)象,這方面研究國內(nèi)還處于起步階段。

2.4 滲透率模擬及應(yīng)用

在儲層評價中滲透率是非常重要的參數(shù)之一。井的數(shù)量、井間距的確定和地面油管設(shè)施的設(shè)計(jì)都離不開滲透率的準(zhǔn)確獲取[56]。但滲透率參數(shù)無法通過測井直接獲取且難以計(jì)算,尤其是對于孔隙結(jié)構(gòu)多樣、非均質(zhì)性強(qiáng)等復(fù)雜儲層條件下,獲取準(zhǔn)確的滲透率尤為困難。儲層類型不同,滲透率模型也存在差異。數(shù)字巖心可以獲取巖石的微觀結(jié)構(gòu),為滲透率的準(zhǔn)確計(jì)算提供了可能?；跀?shù)字巖心獲取微觀孔隙空間的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型可對孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量表征。閆國亮[57]構(gòu)建了三維裂縫網(wǎng)絡(luò)數(shù)字模型,在此基礎(chǔ)上,采用孔隙級流動模擬理論方法進(jìn)行微觀滲流模擬,分別探究了孔隙結(jié)構(gòu)、巖石骨架性質(zhì)和裂縫性質(zhì)對絕對滲透率和相對滲透率的影響規(guī)律,此外,還分別研究了配位數(shù)、孔隙半徑、孔喉形狀因子、孔喉半徑和喉道半徑對絕對滲透率和相對滲透率的影響。黃宏等[58]針對碳酸鹽巖儲層的特點(diǎn),通過數(shù)字巖心實(shí)驗(yàn)以及壓汞、核磁共振等配套的巖石物理實(shí)驗(yàn)建立了基于多重孔隙耦合作用的滲透率計(jì)算的新模型。隋微波等[59]在數(shù)字建模的基礎(chǔ)上分別利用N-S方法與孔隙網(wǎng)絡(luò)模型法計(jì)算巖石的絕對滲透率。

基于數(shù)字巖心的兩相滲流模擬最早是基于孔隙網(wǎng)絡(luò)模型[60]。近年來,基于格子玻爾茲曼方法[61]、通過數(shù)值方法求解N-S方程模擬方法[62]、界面追蹤方法[63]等兩相滲流方法迅速發(fā)展。界面追蹤法包括水平集法[64-65]、相場法[63]和流體體積法[66]。趙玉龍等[64]在數(shù)字巖心的基礎(chǔ)上,提取連通孔隙結(jié)構(gòu)并建立非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)絡(luò)模型,結(jié)合水平集法與N-S方程,建立低滲砂巖中氣水兩相流模型,結(jié)合有限元法求解氣水驅(qū)替過程中兩相數(shù)字模型,研究低滲砂巖氣水兩相流動中的水驅(qū)氣過程、殘余氣分布特征、潤濕性對兩相流的影響以及并聯(lián)通管道中的竄流特征。

2.5 核磁響應(yīng)模擬及應(yīng)用

核磁共振實(shí)驗(yàn)是無損檢測巖石物性和含油特征的重要手段。通過利用氫原子核與磁場相互作用發(fā)生共振測量巖石孔隙流體的核磁弛豫特性提供有關(guān)巖石孔隙度及其分布、滲透率、流體性質(zhì)及含量等信息[67]。目前,隨機(jī)行走算法用于核磁共振T2譜的微觀尺度模擬,該算法是通過模擬粒子的隨機(jī)行走獲得磁化強(qiáng)度衰減曲線,然后再通過解譜方法最終得到核磁共振T2譜。閆偉超等[68]基于數(shù)字巖心技術(shù),并根據(jù)核磁共振弛豫基質(zhì)提出一種估算砂巖核磁共振橫向弛豫(T2)譜的新方法。該方法有助于研究粒度分布、孔隙結(jié)構(gòu)等對巖石核磁共振的影響。TAN等[69]進(jìn)行了一維核磁共振和二維核磁共振數(shù)值模擬研究,并探究了不同壓實(shí)程度和不同含水飽和度條件下核磁共振微觀響應(yīng)。張少華等[70]對復(fù)雜油水層開展了核磁共振長短等待時間(雙TW)觀測模式下飽含油水儲層的弛豫機(jī)理研究,推導(dǎo)出雙TW下回波串差與流體體積及其弛豫性質(zhì)的理論公式,并利用遺傳算法進(jìn)行非線性反演,而后得到儲層中流體的橫縱向弛豫時間,基于反演結(jié)果最終計(jì)算得到?jīng)_洗帶含油體積和含油飽和度。

二維核磁共振(2DNMR)是在對橫向弛豫時間觀測的基礎(chǔ)上對橫向弛豫時間T1、流體擴(kuò)散系數(shù)D、內(nèi)部磁場梯度G等參數(shù)進(jìn)行觀測[71]。在核磁測井中,由于巖石骨架與孔隙之間磁化率不同會在孔隙空間產(chǎn)生內(nèi)部磁場梯度,導(dǎo)致孔隙流體的核磁共振橫向弛豫產(chǎn)生額外的擴(kuò)散弛豫,加速回波串的衰減。傅少慶等[72]提出一種基于二維核磁共振方法(T2int,D)計(jì)算飽和油水兩相流體孔隙介質(zhì)中內(nèi)部磁場梯度;謝然紅等[73-74]利用隨機(jī)游走方法結(jié)合多回波串聯(lián)合反演方法反演獲得了砂巖的D-T2分布和T1-T2分布并研究致密砂巖儲層中的受限擴(kuò)散現(xiàn)象。譚茂金等[71]針對梯度場下的二維核磁共振測井弛豫機(jī)理和數(shù)學(xué)模型,提出基于非負(fù)最小二乘法(LSQR)和截斷奇異值分解法(TSVD)的混合算法。胡法龍等[75]利用多回波聯(lián)合反演技術(shù)獲得孔隙流體弛豫-擴(kuò)散的二維核磁共振信息,用以識別復(fù)雜儲集層流體性質(zhì)。

3 數(shù)字井筒構(gòu)建及應(yīng)用進(jìn)展

數(shù)字巖心技術(shù)的建模和數(shù)值模擬多集中在微米級甚者納米級,探索微觀尺度下的巖石物理屬性,不能有效地解釋宏觀因素(巖石結(jié)構(gòu)、層理、裂縫等)對巖石物理屬性的影響規(guī)律?；跀?shù)字巖心建模在國內(nèi)首次構(gòu)建了百米連續(xù)組分的三維數(shù)字井筒,首創(chuàng)了基于數(shù)字井筒三維數(shù)據(jù)體的測井響應(yīng)機(jī)理模擬分析方法,為儲層參數(shù)精細(xì)評價、疑難儲層診斷提供新技術(shù)手段。三維數(shù)字井筒構(gòu)建步驟[7,76]為:①巖相劃分,通過目標(biāo)井電成像圖像的巖心觀察分析并結(jié)合測井解釋結(jié)論獲得研究區(qū)域的分層、裂縫、巖相劃分等資料;②電成像圖像空白帶填充,應(yīng)用多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)Filtersim算法對電成像圖像空白帶進(jìn)行填充,形成完整的井壁圖像;③電成像刻度為孔隙度圖像,依據(jù)阿爾奇公式,將經(jīng)過淺側(cè)向電阻率標(biāo)定的電成像電阻率轉(zhuǎn)換成視孔隙度,經(jīng)孔隙度刻度后統(tǒng)計(jì)孔隙度頻率,可以生成井周視孔隙度譜;④二維電成像圖像調(diào)整為三維柱面,以雙井徑作為井筒控制參數(shù)將二維電成像孔隙度圖像卷成三維柱面,其尺度和井眼尺度相匹配;⑤利用多點(diǎn)統(tǒng)計(jì)Snesim算法,構(gòu)建所選巖相的數(shù)字地層;⑥鉆取與測井深度相匹配的三維數(shù)字井筒。

3.1 數(shù)字井筒孔隙度及礦物模型構(gòu)建

肖飛等[6]在精細(xì)劃分地層的基礎(chǔ)上構(gòu)建了整體井筒的幾何模型。該數(shù)字井筒模型為規(guī)則的體素模型,并將網(wǎng)格劃分、體素分辨率及電成像分辨率三者一致。具體方法為:結(jié)合多尺度數(shù)字巖心和孔隙度分布數(shù)據(jù),利用Filterism算法構(gòu)建每一層數(shù)字巖心孔隙度模型。將多尺度數(shù)字巖心模型作為訓(xùn)練圖像,卷成柱面的孔隙度二維圖像作為硬數(shù)據(jù),測井孔隙度曲線為軟數(shù)據(jù),以此約束每一層的孔隙度分布。最后,將礦物組分平均值與地層元素測井礦物曲線吻合,得到如圖7所示的孔隙度以及黏土、石英、長石和重礦物的數(shù)字井筒模型。

圖7 數(shù)字井筒孔隙度及礦物模型

3.2 數(shù)字井筒彈性參數(shù)模擬

在多尺度[77]多組分?jǐn)?shù)字巖心模型的基礎(chǔ)上,利用彈性模量升尺度的方法,通過逐級模擬,可以最終得到全直徑巖心對應(yīng)的大尺度數(shù)字巖心的彈性模量取值函數(shù),將此取值函數(shù)作為數(shù)字井筒模型中彈性模量取值的依據(jù)。根據(jù)數(shù)字井筒模型中組分的含量,利用微分等效介質(zhì)模型(DEM)約束法迭代求解得到最終的彈性模量。圖8是數(shù)字井筒彈性模量分布。

3.3 基于三維數(shù)字井筒的電阻率模擬

巖心電阻率受孔隙度、孔隙結(jié)構(gòu)、地層水礦化度、含水飽和度和泥質(zhì)含量等眾多因素的影響[78],基于三維數(shù)字井筒的構(gòu)建可以用來進(jìn)行電性模擬。數(shù)字地層/數(shù)字井筒電阻率模擬包括基于規(guī)則網(wǎng)格的有限元模擬和基于非規(guī)則網(wǎng)格的物理場模擬。

圖9是在多尺度多組分?jǐn)?shù)字巖心建模的基礎(chǔ)上,利用電阻率升尺度的方法,基于多尺度多組分?jǐn)?shù)字巖心,通過逐級模擬,確定膠結(jié)指數(shù)m的擬合公式,根據(jù)數(shù)字井筒組分模型,最終求取數(shù)字井筒膠結(jié)指數(shù)和電阻率分布。膠結(jié)指數(shù)接近于2,整體電阻率較小。

3.4 基于數(shù)字井筒研究地層巖石滲流特性

從宏觀物理屬性來看,地層巖石的滲流特性包含絕對滲透率和相對滲透率等參數(shù),其中絕對滲透率決定產(chǎn)液量,相滲透率則反映產(chǎn)業(yè)性質(zhì)[7]。目前可基于數(shù)字井筒、巖石物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)字巖心數(shù)值模擬、核磁共振等方法對地層巖石的滲流特性進(jìn)行模擬。閆偉超等[7]利用前面所提到的構(gòu)建數(shù)字井筒的方法構(gòu)建了三維數(shù)字井筒并以北部灣盆地A井為例對其進(jìn)行絕對滲透率和相對滲透率的模擬和驗(yàn)證。

絕對滲透率的模擬步驟為:①構(gòu)建三維數(shù)字井筒,得到井筒周圍地層孔隙度的三維空間分布;②基于孔隙度與滲透率的關(guān)系,構(gòu)建三維數(shù)字井筒滲透率空間分布;③利用有限單元法獲取連續(xù)深度的滲透率結(jié)果。圖10為基于三維數(shù)字井筒所計(jì)算的滲透率空間分布。

圖10 基于三維數(shù)字井筒所計(jì)算的滲透率空間分布(1mD≈0.987×10-3μm2)

相對滲透率的模擬步驟為:①構(gòu)建三維數(shù)字井筒;②基于壓汞和核磁共振T2譜建立孔隙度-孔喉半徑平均值相關(guān)關(guān)系;③將步驟②建立的關(guān)系應(yīng)用到三維數(shù)字井筒中以此得到孔喉半徑均值的三維空間分布,如圖11所示。

圖11 孔喉半徑均值的三維空間分布[7]

3.5 數(shù)字井筒與數(shù)字油田的融合

肖飛等[6]提出數(shù)字巖石概念,以高分辨率的數(shù)字巖心和多尺度數(shù)字巖心技術(shù)為基礎(chǔ),將數(shù)字巖石的發(fā)展分為3個階段,即數(shù)字井筒、井周數(shù)字巖石和數(shù)字地層。此外,近年來國內(nèi)外都在大力開展以數(shù)字油藏、數(shù)字井筒和數(shù)字地面為主的數(shù)字油田建設(shè)[79]。其中,三維數(shù)字井筒技術(shù)是一種通過模擬較長深度來反映井周孔隙度連續(xù)變化的方法[7]。數(shù)字井筒通過對井筒數(shù)據(jù)集中、井筒數(shù)據(jù)可視化、綜合化的應(yīng)用為各級用戶構(gòu)建實(shí)時、立體、綜合的井筒數(shù)據(jù)應(yīng)用環(huán)境,以此來提升油氣田油氣藏及開發(fā)生產(chǎn)的研究及運(yùn)行[79]。數(shù)字井筒系統(tǒng)構(gòu)架(圖12)包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、管理層、應(yīng)用層[79]。主要闡述數(shù)字井筒在應(yīng)用層的使用,通過構(gòu)建多尺度數(shù)字巖心模型結(jié)合電成像、地層元素等測井資料相關(guān)信息構(gòu)建數(shù)字井筒。

圖12 數(shù)字井筒整體架構(gòu)設(shè)計(jì)[79]

4 測井發(fā)展展望

數(shù)字巖心到數(shù)字井筒再到數(shù)字油藏是伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的必由之路,現(xiàn)階段仍有許多問題亟需攻關(guān)研究。從應(yīng)用潛力看以下幾方面值得關(guān)注和深入研究。

1) 多尺度、多組分?jǐn)?shù)字巖心模型可以進(jìn)行物性參數(shù)(孔隙度、滲透率)、巖電參數(shù)、孔隙結(jié)構(gòu)微尺度參數(shù)、兩相流流動特性等模擬,數(shù)字巖心在測井領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用。在未來有望取代物性實(shí)驗(yàn)、巖電實(shí)驗(yàn)、孔隙結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)、相滲實(shí)驗(yàn)等部分巖石物理實(shí)驗(yàn)。

2) 通過元素測井、電成像測井和核磁測井等結(jié)合建立三維數(shù)字井筒,并將大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等應(yīng)用于數(shù)字巖心和數(shù)字井筒的構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)微觀尺度數(shù)字巖心模擬分析、跨尺度巖石物理實(shí)驗(yàn)、基于數(shù)字井筒的聲電測井響應(yīng)機(jī)理模擬研究,提高精度和時效,形成虛擬測井,通過結(jié)合多種巖石物理模擬實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步對地層有效性、非均質(zhì)性、可壓裂性提供指導(dǎo)和應(yīng)用。

3) 開展微觀尺度數(shù)字巖心模擬分析、跨尺度巖石物理實(shí)驗(yàn)、基于數(shù)字井筒的聲電測井響應(yīng)機(jī)理模擬研究,通過結(jié)合巖石可壓裂性動態(tài)觀測的物理實(shí)驗(yàn)和模擬實(shí)驗(yàn),為儲層參數(shù)精細(xì)評價、可壓裂性評估、流體性質(zhì)診斷提供新的技術(shù)支持。

4) 結(jié)合大尺度資料,精細(xì)刻畫區(qū)塊三維地質(zhì)模型將成為數(shù)字巖心發(fā)展的方向。以數(shù)值模擬技術(shù)為核心,結(jié)合巖心分析化驗(yàn)、錄井、測井和地質(zhì)等多尺度儲層信息,建立數(shù)字巖心、數(shù)字井筒,形成以井筒為中心的全尺度數(shù)字化三維模型,全面實(shí)現(xiàn)宏尺度、微尺度兩大類儲層質(zhì)量參數(shù)及流體空間分布的精細(xì)描述,實(shí)現(xiàn)儲層透明化。

5) 到目前為止,全直徑雙能CT能夠?qū)崿F(xiàn)全井巖心的連續(xù)掃描,可以得到一條原子序數(shù)曲線,該曲線可以與測井曲線光電吸收截面指數(shù)PE完全對應(yīng)起來。雙能CT可將數(shù)字巖心與測井曲線相關(guān)聯(lián),可對地層非均質(zhì)的評價以及儲集類型的劃分實(shí)現(xiàn)從微觀到宏觀的跨越,該測試方式未來在國內(nèi)將會得到普及。

6) 彈性波在含流體非均勻孔隙介質(zhì)中傳播時會發(fā)生速度頻散和能量衰減,在數(shù)字巖心建模的基礎(chǔ)上利用動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變模擬方法開展動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變模擬研究、并研究裂縫中噴射流效應(yīng)所引起的頻散和衰減的各向異性、數(shù)字巖心內(nèi)部的位移場、孔隙壓力的空間和時間變化以及分析頻散和裂縫扁率、頻散與流體粘滯系數(shù)的關(guān)系等。建立新的數(shù)字巖心動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變模擬方法還處于快速發(fā)展階段。該方法對地震勘探、聲波測井和巖心測試資料的解釋提供了幫助,對油氣藏的開發(fā)具有重要意義。同時,巖石存在電頻散現(xiàn)象,目前在數(shù)字巖心建模的基礎(chǔ)上主要研究其電阻率特性,尚未開展導(dǎo)電頻散特性和介電頻散特性的研究,預(yù)期在聲電頻散方面將成為新的研究熱點(diǎn)。

5 結(jié)束語

數(shù)字巖心技術(shù)將是巖石物理實(shí)驗(yàn)的重要補(bǔ)充和發(fā)展,是大數(shù)據(jù)時代的必然。近期在以下幾方面會取得快速發(fā)展:①困難條件下(頁巖油氣、疏松砂巖、裂縫發(fā)育碳酸巖)替代部分巖石物理實(shí)驗(yàn);②多物理場響應(yīng)機(jī)理分析推動測井學(xué)科發(fā)展,開展多物理場仿真實(shí)驗(yàn),重新認(rèn)識多物理場響應(yīng)機(jī)理,構(gòu)建新的測井解釋模型、確定儲層有效性界限,制作分類圖版輔助地球物理測井解釋;③數(shù)字井筒仿真模擬,開展疑難油氣水層診斷,建立油氣水層判識標(biāo)準(zhǔn)和圖版;開展測井儀器仿真,優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì),改進(jìn)儀器研發(fā)方案;可壓裂性動態(tài)觀測模擬,預(yù)測壓裂前后產(chǎn)能等;④數(shù)字井筒實(shí)現(xiàn)透明儲層延伸到地質(zhì)油藏模型,以數(shù)值模擬技術(shù)為核心,綜合巖心分析化驗(yàn)、錄井、測井、地質(zhì)等多尺度儲層信息,建立數(shù)字巖心、數(shù)字井筒,形成以井筒為中心的全尺度數(shù)字化三維模型,全面實(shí)現(xiàn)宏尺度、微尺度、滲流三大類儲層質(zhì)量參數(shù)及流體空間分布的精細(xì)描述,實(shí)現(xiàn)儲層透明化,延伸到地質(zhì)與油藏模型,最終發(fā)展建立起一門新的學(xué)科——大數(shù)據(jù)時代數(shù)字巖石物理學(xué)。