基于數(shù)字巖心技術(shù)的砂巖滲透性研究

孫 潤(rùn)，田午子，徐生雙，孫 澤

(1.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201; 2.成縣祁連山水泥有限公司 設(shè)備技術(shù)部，成縣 742508)

0 引言

有關(guān)砂巖層組的滲透性研究，一直以來都是地質(zhì)類學(xué)科的關(guān)注重點(diǎn)，無論是存儲(chǔ)油氣容量方面還是巖層透水、含水能力方面，歸根結(jié)底都是在探索砂巖層組的滲透性原理。而砂巖，作為一種非均質(zhì)的多孔介質(zhì)，影響其滲透性的因素有很多，包括圍巖應(yīng)力作用、巖樣各礦物含量，以及孔隙的占比、孔徑分布、孔隙形狀因子乃至孔隙分形維數(shù)，都會(huì)一定程度上干擾到巖樣滲透性的數(shù)值結(jié)果，但究其根源，還是孔隙間的連通程度占主要位置。前人利用多種方式或方法來探究孔隙連通情況，包括圖像法的鑄體薄片、掃描電鏡、電子探針、陰極發(fā)光，以及實(shí)測(cè)法的物性分析、恒壓壓汞、高壓壓汞、核磁共振、瞬變電磁等，這些方式或方法都具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但在可視化及定量化方面，又存在一定的弊端，做不到兩者兼顧。三維CT所搭建的數(shù)字巖心模型，不僅能夠在不損壞巖樣的條件下，對(duì)復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行360°檢測(cè)掃描，而且掃描過后的巖樣仍可進(jìn)行其他類型的試驗(yàn)，優(yōu)點(diǎn)十分明顯[1]。唐明明，盧雙舫等學(xué)者基于數(shù)字巖心建模技術(shù)分析了致密砂巖水驅(qū)的微觀過程，發(fā)現(xiàn)當(dāng)提高水驅(qū)注入速度和增加驅(qū)替壓差時(shí)，驅(qū)替的效率會(huì)大大提高[2-4]；呂邦民，王啟立，宋曉夏，TIWARI P. 等學(xué)者通過微米CT掃描技術(shù)，從多孔碳的真實(shí)孔隙結(jié)構(gòu)入手，研究了多孔碳的孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)滲流在不同尺寸孔隙內(nèi)的流動(dòng)情況，并建立了滲流模型[5-8]。王春生，閆國(guó)亮，王冬欣等學(xué)者通過X-微米CT技術(shù)建立了三維數(shù)字巖心模型，并利用該技術(shù)打破了傳統(tǒng)巖石物理實(shí)驗(yàn)對(duì)低孔、低滲、高復(fù)雜性孔隙結(jié)構(gòu)的宏觀巖石物理性質(zhì)的研究[9-11]。以往的研究成果多側(cè)重于如何建立更加精準(zhǔn)的三維模型，鮮有進(jìn)一步討論巖體內(nèi)氣液的滲流路徑，故筆者在前人的研究基礎(chǔ)上，同樣利用三維可視化軟件Avizo對(duì)數(shù)字巖心模型展開氣液滲流路徑的探索。

本文中采用的試驗(yàn)設(shè)備是天津三英科技公司生產(chǎn)的NanoVoxel 3000 高分辨率X-微米CT掃描儀[1]，首先通過電腦前端掃描插件控制X-微米CT掃描儀對(duì)巖樣進(jìn)行三維透視掃描，再采用電腦后端重建插件對(duì)巖樣進(jìn)行三維數(shù)字巖心重構(gòu)，最后，將重構(gòu)的數(shù)據(jù)體導(dǎo)入Avizo軟件中進(jìn)行展示、選點(diǎn)、修整、切割，及相關(guān)信息的提取等一系列工程操作，以求所得數(shù)字巖心模型具有更好地分辨率，更高地精準(zhǔn)度，更準(zhǔn)地還原度，也為下一步模型的滲透性分析墊定了良好基礎(chǔ)。基于上述準(zhǔn)備工作完畢且保證數(shù)據(jù)體正確無誤，就能實(shí)現(xiàn)微米級(jí)孔隙度、滲流曲線等數(shù)據(jù)的可視化展示，這有助于對(duì)地下氣液流動(dòng)機(jī)理認(rèn)識(shí)及研究工作的展開。

1 實(shí)驗(yàn)樣品

本文研究實(shí)驗(yàn)樣品采自于山西省境內(nèi)霍州煤電李雅莊礦區(qū)石炭二疊紀(jì)太原組的砂巖含水層組，巖樣埋深493.87 m，平均厚度2.67 m左右(本次采樣編號(hào)為：Hz-3)。以灰白色、灰色的細(xì)粒砂巖為主，分選性差，磨圓度低，棱角狀明顯，鑄體薄片鏡下鑒定以淺黃色細(xì)粒巖屑砂巖，巖屑含量為主，約占58%，石英約占20%，以硅質(zhì)、鈣質(zhì)孔隙式膠結(jié)為主。Hz-3的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 Hz-3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表

表1所展示的物性分析及核磁共振兩種測(cè)試法的檢測(cè)結(jié)果中，在孔隙度方面呈現(xiàn)出較大的差異性(即物性分析孔隙度1.59%小于核磁共振孔隙度5.02%)，但兩種方法在滲透率測(cè)試結(jié)果方面較為接近，造成此類現(xiàn)象的主要因素是測(cè)試手法的特殊性所致。物性是通過計(jì)算穿過巖樣的氣體體積，所得結(jié)果為連通部分的孔隙占比情況，而核磁經(jīng)過飽水-離心過程，其結(jié)果反映的是總孔隙的占比情況(包括連通孔和封閉孔)，因此，依據(jù)表1可知，Hz-3的總孔隙為5.01%，連通孔隙為1.59%，經(jīng)總孔隙減去連通孔隙的比重，求得孤立孔隙部分約為3.43%，滲透率范圍在0.00221 mD～0.00267 mD之間。

2 數(shù)字巖心滲流場(chǎng)模型的建立

數(shù)字巖心模型是先后經(jīng)歷“選樣—制樣—掃描—重構(gòu)—建?！治觥绷鶄€(gè)步驟，只有通過前4個(gè)步驟，才能在三維數(shù)字可視化軟件Avizo里建立出準(zhǔn)確的巖心模型。由于本次所選研究對(duì)象屬于致密性較強(qiáng)的砂巖，且根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果反映出的巖樣整體孔隙度是較低的，可推斷其孔隙的孔徑較小，因此，在選樣和制樣過程中，盡量保證巖樣的體積在1 cm3以內(nèi)，以確保掃描數(shù)據(jù)體的清晰程度較高(若預(yù)掃的巖心原樣尺寸過大，掃描結(jié)果往往看不到較小的孔徑，因此要將巖樣體積控制在較小的范圍內(nèi))。

2.1 掃描數(shù)據(jù)體重構(gòu)

巖心樣本(如圖1所示)經(jīng)過X-微米CT掃描儀得到的數(shù)據(jù)體不可直接應(yīng)用，需再通過數(shù)據(jù)體重構(gòu)后才能在三維數(shù)字可視化軟件中建立巖心模型。重構(gòu)后的三面切片及其渲染圖像，如圖2所示。

圖1 巖心樣本

圖2 數(shù)字巖心三面切片及其渲染圖

2.2 模型建立及分析

將重構(gòu)后的“.raw”數(shù)據(jù)導(dǎo)入Avizo軟件中，對(duì)應(yīng)輸入重構(gòu)時(shí)的XYZ三軸方向的數(shù)據(jù)及巖樣的掃描分辨率。通過上述操作步驟后，得到初始數(shù)字巖心模型，再輸入對(duì)應(yīng)的命令，最終實(shí)現(xiàn)所要展示的滲流場(chǎng)效果。其主要操作步驟如下所示：

第一步：原始模型加載；

巖樣實(shí)物邊界加載結(jié)果為X方向8639.7 μm、Y方向8360.7 μm、Z方向10220.7 μm大小的不規(guī)則模型，為減小計(jì)算機(jī)的運(yùn)行壓力，需要對(duì)原始模型進(jìn)行校正和裁切。

第二步：裁切；

由于原始數(shù)據(jù)體大小有3.85 GB，若要整體運(yùn)算，則需要2臺(tái)工作站同時(shí)配合工作。受計(jì)算條件限制，從較大的數(shù)據(jù)體中裁切出規(guī)則的目標(biāo)研究體進(jìn)行研究。

第三步：圖像濾波、交互式閾值分割；

圖像未經(jīng)過濾波處理時(shí)，會(huì)出現(xiàn)干擾點(diǎn)。檢測(cè)表明：這些干擾點(diǎn)是顏色過暗的有機(jī)礦物質(zhì)，而非真正的孔隙或微裂隙。

第四步：提取模型中的總孔隙；

提取出的總孔隙部分如圖3所示，藍(lán)色部分為孤立孔隙，紅色部分為連通孔隙。在本次砂巖滲透性研究中，由于孤立孔隙之間不存在連通性，故不作為重點(diǎn)研究。本文著重分析的是基于數(shù)字巖心技術(shù)的連通孔隙部分對(duì)滲透性的影響。

圖3 總孔隙

第五步：提取模型中的連通孔隙；

將總孔隙中的連通孔隙部分提取出來進(jìn)行詳細(xì)分析，如圖 4所示。

圖4 連通孔隙部分

第六步：針對(duì)連通孔隙進(jìn)行滲流場(chǎng)模型的建立；

在建立連通孔隙滲流場(chǎng)模型之前，需要將連通孔隙部分進(jìn)行透視處理，如圖5所示。這是為了后期更好的觀察滲流曲線的路徑及孔隙間連通性的強(qiáng)弱。若孔隙間的連通性越強(qiáng)，通過該部分孔隙的流線，呈現(xiàn)出青藍(lán)色；若孔隙間的連通性越弱，流線呈紅黃色，表明孔隙間不夠暢通，需要較大的壓力才能使流體通過孔隙連接處。由于巖樣在原始環(huán)境埋藏過程處于三向應(yīng)力場(chǎng)、三向滲流場(chǎng)之中，為保證模型的真實(shí)可靠性，本文對(duì)裁切體的連通孔隙部分，同時(shí)建立了XYZ三向滲流場(chǎng)模擬，如圖6所示。

圖5 連通孔隙部分透視圖

從三向滲流場(chǎng)的流場(chǎng)曲線圖6中可以看出，X方向與Z方向存在兩端連通的情況，而Y方向上隔斷，說明Y方向上的滲流是不存在的。X方向與Z方向的滲流場(chǎng)雖然均強(qiáng)于Y方向，但就整個(gè)切塊而言，滲流場(chǎng)的占比依然處于劣勢(shì)，大部分區(qū)域都處于非連通狀態(tài)。此外，本文將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與三向滲流場(chǎng)的模擬滲流數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)兩者誤差較小，即模擬還原程度較好。數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。

圖6 XYZ三向滲流曲線圖

第七步：整理數(shù)據(jù)。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果、模擬結(jié)果對(duì)比分析

通過整理及分析霍州煤電李雅莊礦區(qū)石炭二疊紀(jì)太原組砂巖含水層組Hz-3號(hào)樣的實(shí)測(cè)、模擬結(jié)果，數(shù)據(jù)對(duì)比見表2。

表2 Hz-3實(shí)測(cè)、模擬結(jié)果對(duì)比表

對(duì)比：

(1) 實(shí)測(cè)結(jié)果中，物性分析法反映的是連通孔隙的孔隙度及滲透率，核磁共振法反映的是總孔隙的孔隙度及滲透率；模擬結(jié)果中，可直接得出連通孔隙和總孔隙的孔隙度，以及連通孔隙的XYZ三向滲透率。

(2) 從數(shù)據(jù)結(jié)果的對(duì)比分析來看，兩種方法在預(yù)測(cè)滲透率范圍方面同樣表現(xiàn)出較好的擬合度；實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果誤差較小，通過模擬得出的滲流曲線路徑，可以真實(shí)的還原巖樣在原始沉積環(huán)境下的內(nèi)部孔隙間喉道暢通程度，及其流體動(dòng)向。

(3) 滲流場(chǎng)存在的前提是連通孔隙的占比，以及喉道的寬窄程度。孔隙與喉道的判別，兩者本質(zhì)上是一類事物，當(dāng)孔隙受到三向應(yīng)力的擠壓而變的細(xì)窄狹長(zhǎng)時(shí)，喉道就產(chǎn)生了，因此，反過來理解，若喉道過窄時(shí)，就意味著圍壓的增大或膠結(jié)作用性強(qiáng)，此時(shí)，即便巖樣中仍賦存較多的細(xì)小連通孔隙，在真實(shí)的地層環(huán)境下，流體想要通過這些孔隙或喉道而穿過巖體，就變得十分困難了。

綜上所述，巖樣的孔隙度低，其中連通部分的孔隙體積約占總孔容的30%，其余的孤立孔隙部分約占70%，再結(jié)合樣品埋藏條件及原巖巖性特征等信息，可以判斷，Hz-3為致密性較強(qiáng)的巖屑石英細(xì)粒砂巖。

4 結(jié)論

(1) 從實(shí)測(cè)角度出發(fā)，很難判斷砂巖滲透性的主要參與部分；而從模型角度出發(fā)，就能非常直觀地給出結(jié)論，滲流路徑產(chǎn)生于巖心內(nèi)部的連通孔隙部分，連通孔隙度范圍在1.496%～1.59%之間，其滲透率范圍在0.00215 mD～0.00267 mD之間。

(2) 通過圖像處理軟件Avizo的數(shù)字化操作，得到了較為可靠的數(shù)字巖心三維模型，為砂巖滲透性的研究提供了新方向。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果間的擬合度較好，表明數(shù)字巖心技術(shù)可以簡(jiǎn)化需要多次重復(fù)的實(shí)測(cè)過程，提高科研效率，降低研究成本。其次，通過掃描獲得的數(shù)據(jù)體，還可對(duì)有機(jī)礦物開展研究(即將孔隙剔除，保留其骨架結(jié)構(gòu)部分，觀察沉積狀態(tài)，這有利于對(duì)地層沉積史的推測(cè)及判定)。

(3) 數(shù)字巖心技術(shù)才被引進(jìn)到煤系地層砂巖領(lǐng)域中，在油氣方面的研究已頗具規(guī)模。該技術(shù)展示出了其獨(dú)有的特色，從裁切、孔隙提取、孔隙篩選，到最后的滲流場(chǎng)模型建立，全程可視化、定量化的操作，為煤系地層砂巖領(lǐng)域的研究者們提供幫助。