數(shù)字巖心分析與真實(shí)巖心實(shí)驗(yàn)平行對比研究

高興軍，齊亞東，宋新民，趙天鵬

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.數(shù)巖科技有限公司，北京 100027)

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數(shù)字巖心分析與真實(shí)巖心實(shí)驗(yàn)平行對比研究

高興軍1，齊亞東1，宋新民1，趙天鵬2

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.數(shù)巖科技有限公司，北京 100027)

為探討數(shù)字巖心分析與真實(shí)巖心實(shí)驗(yàn)之間的可替代性問題，采用大慶油田砂巖樣品開展數(shù)字巖心研究，并建立了三維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，以此為基礎(chǔ)，剖析了儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征；應(yīng)用恒速壓汞實(shí)驗(yàn)獲取了同一塊樣品的真實(shí)微觀孔喉結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，并將數(shù)字巖心分析結(jié)果與恒速壓汞實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果進(jìn)行了對比分析。研究結(jié)果表明：數(shù)字巖心技術(shù)是表征儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，研究微觀滲流機(jī)理的有效手段，該技術(shù)的可靠性取決于對真實(shí)巖心特征參數(shù)提取的全面性與精確性，構(gòu)建數(shù)字巖心過程中，除了滿足孔隙度和滲透率與真實(shí)巖心高吻合度條件外，還有必要參考壓汞測試得到的孔喉半徑分布數(shù)據(jù)，建議增加平均喉道半徑作為更嚴(yán)格的約束條件。

數(shù)字巖心；真實(shí)巖心；平行對比；微觀孔隙結(jié)構(gòu)；恒速壓汞

0 引 言

隨著中國油氣勘探程度的不斷提高，新增油氣資源品質(zhì)越來越差，低滲致密油氣資源已逐步占據(jù)主流地位[1]。低滲致密儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，深入剖析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)并厘清其基本性質(zhì)是高效開發(fā)的基礎(chǔ)[2]，盡管常規(guī)壓汞、鑄體薄片、掃描電鏡等傳統(tǒng)的儲層研究手段仍在發(fā)揮積極作用，但已不能滿足生產(chǎn)需求。此外，從提高采收率角度看[3-4]，傳統(tǒng)的采收率機(jī)理研究均基于宏觀滲流理論體系，欲使油氣采收率大幅度提高，必須深入多孔介質(zhì)內(nèi)部，開展微觀研究。近年快速發(fā)展的數(shù)字巖心技術(shù)正在努力探索和試圖解決上述問題[5-9]，該項(xiàng)技術(shù)大有取代室內(nèi)巖心分析實(shí)驗(yàn)之勢。數(shù)字巖心分析能否真正地取代真實(shí)巖心實(shí)驗(yàn)，需要哪些約束條件，尚有待探討。

1 數(shù)字巖心的建立

數(shù)字巖心技術(shù)以真實(shí)巖樣為基礎(chǔ)，通過一系列的圖像處理技術(shù)和一定的數(shù)值算法將巖心數(shù)字化，構(gòu)建三維數(shù)字巖心。在此基礎(chǔ)上，提取拓?fù)涞葍r(jià)的三維隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型，在數(shù)字巖心和提取的網(wǎng)絡(luò)模型中開展孔隙級的兩相、三相滲流模擬，最終取代室內(nèi)巖心分析實(shí)驗(yàn)，獲得油田開發(fā)所必須的毛細(xì)管壓力和相對滲透率等重要資料。對大慶油田樣品進(jìn)行了數(shù)字巖心分析，具體步驟如下。

(1) 樣品準(zhǔn)備。根據(jù)巖心常規(guī)分析的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5336-2006，對取自大慶油田的砂巖樣品3-16-1進(jìn)行洗油，并進(jìn)行孔隙度和滲透率測試。樣品長度為8.901 cm，直徑為2.512 cm，測試孔隙度為28.5%，滲透率為1 886×10-3μm2。

(2) X光微米級CT掃描成像。采用Xradia公司生產(chǎn)的MicroXCT-200掃描儀對樣品進(jìn)行掃描，其分辨率為0.5～70.0 μm。掃描精細(xì)度逐步增大，對25 mm的樣品進(jìn)行粗掃描，通過圖像重構(gòu)方法得到分辨率為27.25 μm的巖心柱塞三維圖像；通過對三維圖像進(jìn)行非均質(zhì)性分析，選取微樣本優(yōu)選區(qū)域，并鉆取直徑為5 mm的柱樣，進(jìn)行分辨率為2.35 μm的精細(xì)掃描，并重構(gòu)得到三維的數(shù)字巖心灰度切片；再在25 mm巖心當(dāng)中鉆取直徑為2 mm的柱樣進(jìn)行分辨率為1.07 μm的精細(xì)掃描，并重構(gòu)得到三維的數(shù)字巖心灰度切片。

(3) 圖像分析與處理。對在分辨率為2.35、1.07 μm下生成的三維巖心灰度圖像進(jìn)行區(qū)域優(yōu)選、降噪、圖像分割以及后期處理，得到二值黑白圖像，其中黑色區(qū)域代表樣本內(nèi)的孔隙，白色區(qū)域代表顆粒(圖1)。

圖1 CT掃描灰度圖像二值化分割

(4) 三維孔隙空間提取及模型建立。采用“最大球”法從分割后的二值圖像中提取孔隙和喉道的參數(shù)，建立三維孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型。

(5) 流動模擬及參數(shù)預(yù)測。在三維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型上進(jìn)行基于逾滲理論的單相流、兩相流數(shù)值模擬，獲得巖石物理參數(shù)，包括絕對滲透率、相對滲透率、電阻增大系數(shù)以及毛管壓力曲線等重要資料。

2 數(shù)字巖心微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析

2.1 數(shù)字巖心微觀孔隙結(jié)構(gòu)分析方法簡介

實(shí)驗(yàn)樣品的巖性為砂巖，為獲取其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征，對其進(jìn)行微米級CT掃描，掃描分辨率逐漸升高，得到一系列灰度圖像，圖像直觀反映了樣品內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)特征。隨著分辨率的增大，樣品

內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來越清晰，其微觀特征也越來越明顯(圖2)。由圖2可知，10 μm分辨率下，從物質(zhì)組成及內(nèi)部結(jié)構(gòu)看，樣品均是相對均質(zhì)的，未見巖相突變，也未發(fā)育當(dāng)前分辨率尺度下的微裂縫。當(dāng)分辨率提高至2 μm時(shí)，樣品內(nèi)部的骨架和孔隙清晰可見，顆粒尺寸較大，分選相對較差，粒徑主要為100～400 μm，顆粒多呈棱角狀、片狀，邊緣清晰，磨圓度較低，發(fā)育有高密度物質(zhì)(圖2b中亮白色部分)；樣品孔隙發(fā)育較好，孔徑較大，主要分布為5～50 μm，孔隙類型主要為粒間孔，部分發(fā)育溶蝕孔；喉道形態(tài)多樣，有孔隙收縮型喉道、片狀喉道以及彎片狀喉道。在1 μm分辨率下，微觀孔隙結(jié)構(gòu)更為明顯，可識別出顆粒內(nèi)部發(fā)育的微裂縫，微裂縫寬度多在1 μm左右，長度為10～200 μm。隨著分辨率的提高，識別出來的孔隙和喉道越來越多，面孔率從2 μm分辨率下的21.76%增至1 μm分辨率下的28.28%。

圖2 不同分辨率下巖樣CT掃描灰度圖像俯視剖面

通過一系列技術(shù)手段對上述灰度圖像進(jìn)行二值化處理，區(qū)分出孔隙和喉道，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)得到樣品的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)(表1)?；谠撎谆窘Y(jié)構(gòu)參數(shù)，可利用過程模擬法建立樣品的三維數(shù)字巖心，再基于數(shù)字巖心提取相應(yīng)的三維孔隙網(wǎng)絡(luò)模型。

表1 巖心基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

孔隙度和滲透率是多孔介質(zhì)最基本的物理參數(shù)。統(tǒng)計(jì)二值圖像中代表孔隙的像素點(diǎn)數(shù)量，獲得巖樣的孔隙度信息，2 μm分辨率下樣品孔隙度為21.76%，1 μm分辨率下樣品孔隙度為28.28%。滲透率基于提取的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型通過格子-Boltzmann方法計(jì)算獲取，2 μm分辨率下x、y、z方向的滲透率分別為730.5×10-3、742.8×10-3、774.9×10-3μm2；1 μm分辨率下x、y、z方向的滲透率分別為1 872.2×10-3、1 871.3×10-3、2 096.0×10-3μm2。該結(jié)果表明，樣品的滲透率存在各向異性，其中，沿原始巖心柱z方向上的滲透率數(shù)值最大，如果將巖心歸位到地層中，該方向正是儲層的水平方向，而現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)也表明，此方向的滲透率較垂向滲透率高，由此可見，數(shù)字巖心表現(xiàn)出的物性即各向異性可較好地反映儲層性質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)測試得到樣品的孔隙度為28.5%，滲透率為1 886×10-3μm2。將不同分辨率下孔隙網(wǎng)絡(luò)模型所計(jì)算的孔隙度、滲透率數(shù)據(jù)與之對比發(fā)現(xiàn)，1 μm分辨率下的物性參數(shù)與真實(shí)情況最為接近，由此可見，構(gòu)造接近于實(shí)際的孔隙網(wǎng)絡(luò)模型，CT掃描分辨率至少需精確到1 μm。

2.2 孔隙特征分析

對數(shù)字巖心的孔隙進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，圖3為數(shù)字巖心孔隙半徑分布曲線。由圖3可知，不同分辨率下，巖心的孔隙半徑分布的主體形態(tài)大體一致，接近于正態(tài)分布，分辨率越高，識別出的小孔隙越多，因而曲線波峰越偏向于低值區(qū)，且波峰幅度增大。1 μm分辨率下建立的數(shù)字巖心，最大孔隙半徑為69.6 μm，但所占比例很小，孔隙主體分布范圍為2.4～11.7 μm，其中，平均孔隙半徑為6.0 μm，屬于小孔—中孔范疇，孔隙的微觀均質(zhì)系數(shù)為0.066，孔隙的相對分選系數(shù)為0.686，同時(shí)曲線上大孔隙的拖尾現(xiàn)象也表明該巖心孔隙的均質(zhì)程度較差。

圖3 數(shù)字巖心孔隙半徑分布

2.3 喉道特征分析

喉道半徑和長度在不同分辨率下分布的主體形態(tài)大體一致，接近于正態(tài)分布，分辨率越高，曲線波峰越偏向于低值區(qū)，且波峰幅度增大。分辨率為1 μm條件下建立的數(shù)字巖心，最大喉道半徑為59.4 μm，喉道主體分布為2.4～6.3 μm，平均喉道半徑為5.6 μm，屬中—粗喉道范疇，喉道半徑的微觀均質(zhì)系數(shù)為0.073，相對分選系數(shù)為0.680，可見喉道半徑的均質(zhì)程度較差；從喉道長度上看，主要分布為16.5～49.5 μm，平均喉道長度為25.5 μm，從喉道長度的均質(zhì)系數(shù)(0.044)和相對分選系數(shù)(0.528)來看，其均質(zhì)程度同樣較差。

2.4 孔喉配置關(guān)系分析

油氣容易運(yùn)移至孔喉比大、配位數(shù)高的區(qū)域，而剩余油在孔喉比小、配位數(shù)低的區(qū)域容易殘留。由此可見，從成藏和提高采收率角度而言，孔隙和喉道的連通關(guān)系至關(guān)重要。

統(tǒng)計(jì)數(shù)字巖心孔喉比和配位數(shù)分布情況可知，對于孔喉比和配位數(shù)，分辨率對二者的分布特征影響都不大，這主要是因?yàn)殡S分辨率的增大，能識別出的孔隙和喉道尺寸是同步變化的，因而孔喉比變化不大；而對于配位數(shù)而言，成藏條件相同的情況下，配位數(shù)是一個(gè)相對穩(wěn)定的屬性，變化不會太大。分辨率為1 μm條件下建立的數(shù)字巖心，孔喉比最大為11.5，其主體分布為0.4～3.6，平均孔喉比為2.3；配位數(shù)最大為26，主體分布范圍為2～4，平均配位數(shù)為4。

3 恒速壓汞測試結(jié)果對比

數(shù)字巖心是通過一系列數(shù)學(xué)方法構(gòu)建的數(shù)理模型，其反映的儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)與真實(shí)情況的吻合度有多高，取決于建立模型時(shí)選用參數(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。前文述及，1 μm分辨率下建立的數(shù)字巖心，其孔隙度和滲透率與真實(shí)巖心的實(shí)驗(yàn)測試值吻合度很高，此時(shí)的數(shù)字巖心是否能真正地代表真實(shí)巖心有待進(jìn)一步探討。

在儲層微觀孔隙結(jié)構(gòu)定量評價(jià)方面，恒速壓汞技術(shù)因其實(shí)效性和獨(dú)到的特色而得到越來越普遍的應(yīng)用。其工作原理為[10]：汞作為非潤濕相侵入巖心時(shí)，毛細(xì)管力作為阻力在喉道半徑最小處達(dá)到最大值；汞以極低且恒定的速度不斷注入巖心，期間隨著汞突破喉道進(jìn)入孔隙，壓力發(fā)生突降，然后充填該孔隙，壓力相應(yīng)回升；當(dāng)突破下一級喉道時(shí)，壓力再次降落，壓力的一起一落反映的正是喉道和孔隙的信息。據(jù)此，恒速壓汞技術(shù)成功地將孔隙與喉道區(qū)分開來，得到孔、喉尺寸及各自的分布頻率。

對建立數(shù)字巖心選用的真實(shí)巖樣進(jìn)行了恒速壓汞測試，將2種手段得到的微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行對比分析，見圖4和表2。就喉道分布而言，二者差異顯著，恒速壓汞喉道分布曲線的峰態(tài)表現(xiàn)為近乎完美的正態(tài)分布，喉道半徑相對分選系數(shù)為0.167，而喉道半徑均質(zhì)系數(shù)為0.673，表明真實(shí)巖樣的喉道半徑分布十分均勻；而從數(shù)字巖心的喉道半徑分布特征來看，峰態(tài)偏向于低值區(qū)，在高值區(qū)有拖尾現(xiàn)象，喉道半徑相對分選系數(shù)為0.680，而喉道半徑均質(zhì)系數(shù)為0.073，說明數(shù)字巖心喉道半徑分布的均勻程度較差。恒速壓汞測試數(shù)據(jù)顯示，真實(shí)樣品喉道半徑分布的主體范圍為13.0～19.0 μm，平均喉道半徑為16.7 μm，屬于粗喉道范疇；而數(shù)字巖心喉道半徑分布的主體范圍為2.4～6.3 μm，平均喉道半徑為5.6 μm，屬中—粗喉道范疇，數(shù)字巖心反映的喉道半徑較真實(shí)樣品明顯偏小。

圖4 不同技術(shù)喉道半徑分布曲線對比

方法平均喉道半徑/μm喉道半徑相對分選系數(shù)喉道半徑均質(zhì)系數(shù)恒速壓汞16701670673數(shù)字巖心5606800073

分析認(rèn)為，數(shù)字巖心喉道半徑偏低的原因可能與微米CT掃描灰度圖像二值化處理過程中選用的閾值有關(guān)。二值化過程的關(guān)鍵在于分割閾值的選取，如果閾值選取不合理，易將本應(yīng)屬于孔隙或喉道的部分解釋成為顆粒骨架，導(dǎo)致孔隙或喉道尺寸較實(shí)際情況偏小。此次灰度圖像二值化分割過程中所選取的閾值為經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，顯然經(jīng)驗(yàn)取值存在一定的問題，其雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了孔隙度和滲透率與真實(shí)情況保持較高的符合度，但在微觀孔、喉的分布情況等更趨細(xì)節(jié)的問題上有所疏漏，有待進(jìn)一步改進(jìn)，建議將平均喉道半徑作為二值化分割過程中的一個(gè)約束條件。

4 結(jié)束語

數(shù)字巖心的構(gòu)建基于對真實(shí)巖心微觀結(jié)構(gòu)的剖析，如果真實(shí)巖心的微觀特征參數(shù)提取全面精確，則數(shù)字巖心是十分可靠的。數(shù)字巖心可以直觀且定量地反映和描述儲層的微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征，是開展儲層表征的有力手段；數(shù)字巖心可從孔隙尺度上為微觀滲流機(jī)理研究構(gòu)建良好的平臺，可深入研究流體在儲層中的運(yùn)移機(jī)制和分布規(guī)律的微觀本質(zhì)，為高效開采油氣資源奠定基礎(chǔ)；一旦可靠的數(shù)字巖心構(gòu)建成功，所有的研究工作便可重復(fù)進(jìn)行，避免了因巖心損害或巖心數(shù)量不足造成的困難。因此，數(shù)字巖心技術(shù)有常規(guī)巖心實(shí)驗(yàn)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊，有希望取代真實(shí)巖心實(shí)驗(yàn)。構(gòu)建數(shù)字巖心過程中，除了滿足孔隙度和滲透率與真實(shí)巖心高吻合度條件外，還有必要參考壓汞測試得到的孔喉半徑分布數(shù)據(jù)，建議增加平均喉道半徑作為更嚴(yán)格的約束條件。

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編輯 王 昱

20150512；改回日期：20151003

國家科技重大專項(xiàng)“聚合物驅(qū)后進(jìn)一步提高采收率新技術(shù)”(2011ZX05010-005)

高興軍(1972-)，男，高級工程師，1993年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院礦場地球物理專業(yè)，2004年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事油田儲層精細(xì)描述以及剩余油綜合評價(jià)研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.020

TE311

A

1006-6535(2015)06-0093-04