低渗透储层渗流机理研究现状及展望

概括了低渗储层渗流机理的研究现状,总结了目前研究低渗储层渗流机理实验的方法,指出了现有渗流机理研究方法的不足,探讨了可视化物理模型及先进实验和孔隙级数字岩心结合的方法在油田开发领域内的应用前景。可视化模型实验可以清楚观察到驱替的详细过程,有利于弄清流体在驱替过程中的流动状况。应用有限的实验数据和孔隙级数字岩心相结合的方法,可以研究储层的微观渗流机理、模拟驱替实验、评价驱替效果等等。     

微CT扫描重建低渗气藏微观孔隙结构——以新场气田上沙溪庙组储层为例

为了提高气藏采收率,从微观孔隙结构出发,建立孔隙网络模型,定量描述孔隙微观尺度上的渗流机理。以川西新场气田上沙溪庙组岩心为例,开展孔隙结构三维重构研究。首先采用微CT技术对岩心进行扫描获得投影数据,采用FDK算法重建岩心灰度图像,然后以宏观孔隙度为基础利用二值分割法分割灰度图像,最后使用光线跟踪算法得到三维孔隙结构图像,即数字岩心。对数字岩心的相关性质进行统计分析,得到的数字岩心孔隙度与岩心实验孔隙度基本一致,相对误差约为0.1。 这一数值与新场气田上沙溪庙组储层物性相吻合,说明微CT扫描法重构微观孔隙结构是可行的。该研究为建立孔隙网络模型及开展后续微观渗流模拟研究奠定了基础。     

低渗砂岩储层数字岩心构建及渗流模拟

基于CT扫描的数字岩心技术是研究低渗砂岩储层内部微观孔喉特征及孔隙尺度渗流机理的有效途径。为直观、深入研究低渗砂岩储层微—纳米尺度流体输运特征,先通过Micro-CT扫描技术获取低渗介质多尺度三维灰度图像,统计轴向截面孔隙率分布整体考察岩心非均质程度;再结合三维重构及逆向工程技术,精准构建低渗介质复杂孔隙三维数字模型后并转换成CAD实体模型;再利用COMSOL建立多组表征单元体有限元模型,数值计算不同边界条件下微—纳米孔隙内流体输运特征;然后通过三维流线及孔隙压力分布场,动态可视化再现低渗介质渗流过程;最后对比常规渗流实验与数值模拟结果,分析两者差异的产生原因,并提出应用数字平台研究低渗岩石物性及渗流机理的深入关注点。文中研究成果为低渗油藏多尺度数字岩心建模及深层次微观渗流机理研究提供了思路。     

基于礁灰岩真实岩心薄片模型的微观水驱渗流实验研究

为了更好地了解真实岩心微观渗流过程中的渗流规律和流体分布特征,研制了一套新的微观可视化驱替观测装置。利用真实礁灰岩岩心制作岩心薄片模型,采用可视化岩心夹持器模拟水驱油过程,选取具有代表性的三组模型实验。实验观察发现,基质对岩心水驱的影响很大,不能忽略,同时观察到流体在岩心呈现明显的三维流动状态,这将导致通过面积计算得到的孔隙度、饱和度、采收率等数据存在误差,误差大小与孔隙组成和分布有关。     

顺序指示模拟重建三维数字岩心的准确性评价

采用X射线CT获得反映岩石微观结构的三维真实数字岩心过于昂贵和费时,因此正确评价利用岩心二维图像重建三维数字岩心的准确性具有重要的应用价值。利用顺序指示模拟方法,依据岩心的二维图像重建三维数字岩心,并计算了真实数字岩心与重建数字岩心的孔隙尺寸分布函数、局部孔隙度分布函数和平均渗流概率函数。应用有限元方法计算了重建数字岩心与真实数字岩心的体积模量和地层因素。重建数字岩心与真实数字岩心的对比表明,两者具有相同的孔隙度、变差函数和均质性,但相比真实数字岩心,重建数字岩心的平均孔隙半径偏小,孔隙连通性较差。     

不同孔隙类型礁灰岩模型微观水驱渗流实验

为了更好地了解礁灰岩储层中的流体在微观渗流过程中的渗流规律和分布特征,文中以流花油田D5P1井为例,利用礁灰岩岩心制作了岩心薄片模型,采用可视化技术微观模拟水驱油过程,并选取具有代表性的4种孔隙类型进行对比分析研究。实验观察发现,裂缝方向与微观流体渗流和剩余油的分布密切相关,孔洞的存在有利于提高岩心采收率,在驱替结束时基质中普遍存在大量的剩余油。这些发现为该油田下一步进行注水开发提供了参考依据。     

吉木萨尔凹陷页岩油储集层渗流机理

为认识页岩油储集层岩石中流体的流动规律,以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组为例,利用室内物理实验和数字岩心技术,开展了页岩油储集层微观孔隙结构和渗流机理研究。通过页岩油岩心单相渗流物理实验,获得基于启动压力梯度的单相渗流非线性数学模型以及与孔隙结构特征参数相关的渗透率经验公式;基于数字岩心,利用格子玻尔兹曼方法,进行页岩油单相流体的模拟,实现流体流动的精细表征。结果表明,页岩油储集层的渗流速度与压力梯度关系具有典型的非达西渗流特征,呈三次函数关系,具有非常好的相关性。     

数字岩心分析与真实岩心实验平行对比研究

为探讨数字岩心分析与真实岩心实验之间的可替代性问题,采用大庆油田砂岩样品开展了数字岩心研究,并建立了三维孔隙网络模型,以此为基础,剖析了储层微观孔隙结构特征;应用恒速压汞实验获取了同一块样品的真实微观孔喉结构特征参数,并将数字岩心分析结果与恒速压汞实验检测结果进行了对比分析。研究结果表明：数字岩心技术是表征储层微观孔隙结构特征,进而研究微观渗流机理的有效手段,该技术的可靠性取决于对真实岩心特征参数提取的全面性与精确性,构建数字岩心过程中,除了满足孔隙度和渗透率与真实岩心高吻合度条件外,还有必要参考压汞测试得到的孔喉半径分布数据,建议增加平均喉道半径作为更严格的约束条件。     

利用IRIS Explorer数据可视化软件进行孔隙级数字岩心可视化研究

孔隙级渗流机理研究是在孔隙尺度上研究多相流动规律，对数据的可视化要求较高，利用可视化软件IRIS Explorer可以很方便地对结果数据进行可视化。对由模拟退火算法重建的数字岩心进行可视化后，可以形象地观察孔隙空间的分布，为算法的改进提供依据。此外由岩心提取的孔隙网络模型是一个抽象的数据体，经可视化后可以观察到孔隙孔喉的连接分布情况，为进一步的流动机理研究提供了有力的帮助。     

考虑气体滑脱及Knudsen扩散的低渗致密砂岩微观流动模拟

低渗致密砂岩纳米-微米尺度孔喉发育,微观非均质性强,渗流机理复杂,现有物理实验方法难以准确评价。采用基于数字岩心理论的微观流动模拟方法来分析低渗致密砂岩中天然气的渗流规律。以川西地区沙溪庙组砂岩样品为基础,利用CT扫描建立目标岩样三维数字岩心,通过孔喉识别、形态简化及喉道调整,构建了包含不同孔喉分布的低渗致密砂岩三维孔隙模型;考虑天然气在纳米-微米孔喉中输运机制的复杂性,建立了耦合Darcy渗流、气体滑脱和Knudsen扩散的流动控制方程,并结合孔隙模型对其进行离散求解。开展流动模拟,评价不同孔隙压力下各输运机制对天然气产出运移的影响。结果表明：低渗致密砂岩中喉道越小、孔隙压力越低,气体流动非线性越强;在孔隙压力高于10 MPa范围,天然气在平均喉道半径大于0.1 μm的砂岩孔隙空间中的流动基本满足Darcy渗流;而对于平均喉道半径小于0.1 μm的致密砂岩,孔隙压力低于10 MPa后气体滑脱和Knudsen扩散是气体运移中重要机制,对天然气生产的影响不可忽略。     

基于氮气吸附实验的页岩孔隙结构表征

页岩储层微观孔隙结构研究对页岩含气性评价具有重要意义。为此,采用低温氮气吸附法,对宁夏六盘山盆地下白垩统乃家河组页岩样品的微观孔隙结构进行了实验研究,计算了页岩的比表面积、孔径分布、孔体积和平均孔径等孔隙结构参数,并探讨了页岩孔隙发育的控制因素及孔隙结构对页岩气存储的意义。实验结果表明：①页岩平均孔径为3.6~4.3 nm,主体孔隙为中孔,也含有一定量的微孔和大孔,孔隙形状以平行板状和墨水瓶孔为主,同时具有无定形孔特征;②页岩比表面积和孔体积远大于常规储层岩石,孔径小于50 nm的微孔和中孔提供了主要的比表面积和孔体积,构成了页岩中气体吸附存储的主要空间;③页岩微孔、中孔的发育与有机质有关,有机碳含量与微孔、中孔的比表面积、孔体积呈正相关性,页岩大孔的发育与黏土矿物含量有关,黏土矿物含量增加,大孔的比表面积和孔体积都增大。     

顺序指示模拟技术及其在3D数字岩心建模中的应用

传统的数值模拟孔隙微观结构的建模方法过于理想化和简单化;而用X射线超薄片图像技术来得到3D孔隙结构的高分辨率的图像却又过于昂贵和耗时.利用从现场得到的2D铸体薄片提供的地层信息作为条件数据,用顺序指示模拟技术可构建出3D孔隙介质模型,由此得到的数字岩心的孔隙结构可最大程度地与实际岩石接近.这种数字岩心不仅可用来精确预测岩心渗透率,而且还可作为其他物理特性模拟的共享对象.介绍了顺序指示模拟原理和地质统计学在3D数字岩心建模中应用原理的概率论表达式,3D数字岩心模型建立方法,以及3D数字岩心应用实例;认为岩石物理的研究应该向数字岩心方向发展.     

鄂尔多斯盆地延安地区山西组泥页岩孔隙表征

以鄂尔多斯盆地延安地区上古生界二叠系山西组泥页岩储层为研究对象,通过核磁共振、扫描电镜、高压压汞、氮气吸附以及二氧化碳吸附等实验,对泥页岩储层进行了详细的全孔隙表征。研究区山西组主要发育粒间孔、粒内孔、裂缝及有机质孔四类孔隙类型,以粒内孔和有机质孔居多。核磁共振T₂谱曲线多以单峰分布,离心后曲线几乎无变化,说明样品中含有较多的纳米级孔隙,并且连通性较差。高压压汞、氮气吸附、二氧化碳吸附实验表明,孔隙体积以中孔和宏孔为主,二者占孔总体积的85%左右,微孔仅占总孔体积的15%;而比表面积主要由微孔和中孔提供,微孔占总比表面积的51.94%,中孔占47.98%,二者占总比表面积的99%以上,宏孔可以忽略不计;样品孔隙形态以两端开孔或狭缝型的平行板孔为主。      

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为了提高单位体积吸附剂的天然气储存量，对由含碳原料制备的高表面富微孔粉体吸附剂进行块体化被认为是有效的方法。研究表明，粘接压缩成型是一种实现粉体天然气吸附剂块体化的较好技术，但粘接剂对块体吸附剂的微观结构影响还鲜见报道。文章利用比表面—孔分布和扫描电子显微镜测定了粘接成型型炭的微观结构，研究了粘接剂对型炭微观结构的影响并对型炭吸附剂的构性关系，并进行了初步讨论。结果表明，粘结剂种类及其含量决定了型炭的微观结构，Cx-3型炭具有缠绕联接的体型结构，其表面存在明显的褶皱、棱翅，具有丰富的微孔结构；粘接型炭的单位质量比表面和微孔容积下降，比表面和微孔孔容的损失主要与粘接剂的含量有关，但单位体积型炭的微孔容积和比表面积均明显增大；粘接剂对吸附剂微孔的堵塞主要是一种表面或孔口的涂敷作用，其对不同尺度的微孔具有相同的涂敷几率，粉体吸附剂和型炭吸附剂具有基本相同的孔分布归一化曲线。     

川东北地区下侏罗统自流井组陆相页岩储层孔隙结构特征

页岩的孔隙结构对页岩气的成藏和富集有着重要的影响。通过对川东北地区下侏罗统自流井组样品的薄片观察、氩离子抛光扫描电子显微镜分析、物性测试、压汞—N₂吸附联合、X衍射全岩分析以及X衍射黏土矿物分析,对该区陆相页岩储层的孔隙结构特征进行了研究。（1）川东北地区自流井组陆相页岩的孔隙形态以平行板状孔和狭缝状孔为主,也发育墨水瓶状孔,页岩比表面积平均4.031 m2/g,总孔体积平均93.88×10-4 mL/g,微孔隙以介孔（2~50 nm）为主;（2）页岩的比表面积与微孔、介孔孔体积存在正相关性,与大孔孔体积不存在相关性;黏土矿物中的伊—蒙混层、绿泥石与页岩比表面积和微孔孔体积呈正相关;陆相页岩TOC含量对大孔孔体积产生一定影响,与其呈一定程度的正相关;（3）自流井组大安寨段的页岩孔隙结构特征整体近似,东岳庙段依据页岩孔隙结构特征的差异可分为西北部和东南部两块,东南部东岳庙段的孔隙结构与大安寨段相似。      

火山岩储层微观孔隙结构分类评价——以准噶尔盆地东部西泉地区石炭系火山岩为例

基于准噶尔盆地西泉地区火山岩储层特征研究较薄弱的现象,通过25口井的岩心观察、铸体薄片、扫描电镜及高压压汞等分析,以产能大小为依据,将火山岩储层分为4类,对火山岩储集空间类型及组合、微观孔隙结构特征进行分类评价。根据研究区火山岩储层面孔率及优势储集空间组合关系:Ⅰ类为气孔+溶蚀扩大孔、溶蚀孔+裂缝型,Ⅱ类为气孔+构造缝（溶蚀缝）型,Ⅲ类为气孔+溶孔型,Ⅳ类为孤立小孔隙型,面孔率依次降低。火山岩储层不同类型微观孔隙结构特征表明:Ⅰ类储层发育大孔隙、粗喉道,为优势储集层;Ⅱ类和Ⅲ类储层发育大—中孔隙,中—细喉道,为较好到中—差储层;Ⅳ类储层发育小孔隙、细喉道,为致密储层。在此基础上,结合测井资料,建立了研究区火山岩储层分类评价标准。      

Pore-scale study of the pressure-sensitive effect of sandstone and its influence on multiphase flows

The pressure-sensitive effect on the pore structure of sandstone was investigated using X-ray computed micro-tomography and QEMSCAN quantitative mineral analysis. In a physical simulation study, we extracted the pore network model from digital cores at different confining pressures and evaluated the effect of pressure sensitivity on the multiphase displacement process. In both the pore network model and QEMSCAN scanning, the pore structure was observed to be damaged under a high confining pressure. Due to their different scales, the pores and throats exhibited inhomogeneous changes; further, the throats exhibited a significant variation compared to that exhibited by the pores. Meanwhile, the heterogeneity of the pore structure under the two aforementioned activities was aggravated by the elastic–plastic deformation of the pore structure. The pressure-sensitive effect increased the proportion of mineral particles, such as quartz (the main component of the core skeleton), and reduced the proportion of clay minerals. The clay minerals were originally attached to the pore walls or interspersed in the pores; however, as the pressure increased, the clay minerals accumulated in the pores resulting in blockage of the pores. While simulating the multiphase displacement process, increasing the confining pressure was observed to severely restrict the flowability of oil and water. This study promises to improve the efficiency of reservoir development in terms of oil and gas exploitation.     

西昌盆地B1井龙马溪组页岩储集空间发育特征及影响因素

为研究西昌盆地B1井龙马溪组页岩储集空间发育特征,结合氩离子抛光和高分辨率扫描电镜观察技术对样品储集空间发育特征进行研究,并确定其发育类型,通过氩气（Ar）吸附—脱附测试测量样品的孔隙结构参数,实现了1~300 nm范围内的储集空间定量表征。结果表明：西昌盆地B1井龙马溪组页岩微观孔以有机质孔为主,部分为粒间孔、粒内孔。氩气（Ar）吸附等温曲线“滞后环”形态显示,孔隙形态以墨水瓶状为主,部分为狭缝状,孔隙直径分布呈“双峰”特征,孔隙直径分布差异较大,呈现较强非均质性。总有机碳含量和脆性矿物含量对样品中微纳米级储集空间的发育起主要控制作用,两者与孔隙的比表面积及比孔容等孔隙结构特征参数均呈正相关性;分形维数随着总有机碳含量和脆性矿物含量的增加而增大,孔隙结构愈加复杂,有利于页岩储层吸附能力的增强。该成果对研究西昌盆地龙马溪组页岩储集空间结构特征具有重要意义。     

基于有限体积法的致密油储层数字岩心中流动与传热研究

以新疆吉木萨尔致密油储层岩心为研究对象,利用Micro-CT扫描技术并结合先进的图像处理技术建立了具有真实孔隙结构特征的三维数字岩心及孔隙网络模型,统计获取了孔隙与喉道体积及等效直径等特征参数的分布。利用基于有限体积法(FVM)的计算流体力学(CFD)软件ANSYS FLUENT完成了三维数字岩心的渗流模拟并计算获得了岩心内部速度场与温度场的分布情况,得到了复杂孔隙空间不同流动方向的绝对渗透率大小。其微观流场计算结果显示岩心内部存在汇流通道,汇流通道的尺度对岩心不同方向的渗透率具有重要影响。所提供的方法为研究致密储层内的复杂流动与传热问题的研究提供了一种途径。