数字岩心实验室：根据三维成像分析油藏岩心碎片

已经利用高分辨率X射线的微计算层析成像设备(微CT)分析了大量岩心塞样品。该设备包括一个能够采集三维成像的系统，该系统在直径为6厘米的岩心塞样品上的成像是由2000^3体元(voxel)^1组成，分辨率可小至2微米。分析的岩心包括各种砂岩样品和一种碳酸盐岩心。这些岩心的孔隙大小、粒径、孔隙度、渗透率和矿物学成分分布范围广。直接处理数字化的层析图像所得到计算结果可为某个孔隙范围的渗透率和排泄毛细管压力，这些数据可以由单个岩心塞计算出来。对比同一岩心材料下的渗透率与排泄毛细管压力计算值和常规实验室测量值，结果吻合一致。这就证明，层析成像具有用不适宜于实验室试验的岩心材料(例如，井壁取心或受损岩心和钻屑)来预测岩石物理特性的能力，以及数字化图像与数值计算相结合来预测岩石性质、导出具体岩石岩性相关性的可行性。核磁共振弛豫响应是从数字成像计算得到的，用测井平均弛豫时间去估计与核磁共振响应有关的长度尺度。我们还直接根据孔隙体积-表面积比和临界孔道直径测定长度尺度，临界孔道直径与水银孔率法测量值有联系。讨论了这两个长度尺度之间的差异，也根据层析成像计算了地层因素。给出了基于沉积岩三维数字化图像的流体渗透率与地层因素及各种孔径参数的经验关系式。在使用最可靠的毛细管压力测量值得到的渗透率参数时，全部关系式运行良好。我们讨论了将该方法拓展到各种岩石物理性质。尤其是要把模拟数据校准到实验室同一岩心的测量值。这一进展将导致更系统地研究行业内通常使用的各种假设、解释和分析方法，得到岩石物理性质和测井测量值间的更好相互关系。     

基于格子玻尔兹曼方法的数字岩心孔隙流动模拟

基于格子玻尔兹曼方法的多孔介质流动模拟应用广泛,然而岩石孔隙流动的研究多数针对基于岩石切片数值重构的数字岩心,较少有真实岩心孔隙流动模拟。本文基于渤海S油田真实数字岩心开展孔隙流动模拟。利用灰度处理、图像二值化、边界跟踪等图像处理技术实现岩石孔隙网络建模,基于格子玻尔兹曼方法完成三维孔隙流动建模,实现数字岩心三维流动可视模拟,并依托模型计算开展储层孔隙度-渗透率统计分析。研究结果表明,模型计算孔隙度-渗透率关系与油田实际误差低于4.0%。     

基于格子玻尔兹曼方法的多孔介质渗流模拟

应用格子玻尔兹曼法模拟了单一孔隙尺度下的多孔介质渗流,预测了单向流动条件下的多孔介质的绝对渗透率,以及油水两相情况下的相对渗透率,并动态再现了水驱替油的过程。模拟结果表明,基于格子boltzmann模拟法计算的绝对渗透率和相对渗透率结果与实验室结果一致,水驱油模拟则反映了毛细管力占主导时,驱替前缘呈枝状突进;而粘性力占主导时,驱替前缘均匀推进。     

孔隙尺度各向异性与孔隙分布非均质性对多孔介质渗透率的影响机理

借助微CT扫描实验,建立致密砂岩的三维数字岩心,定量评价孔隙尺度各向异性和孔隙分布非均质性;采用四参数随机生成算法,构建三维各向异性、非均质性多孔介质模型,同时运用多弛豫时间格子-玻尔兹曼模型分析多孔介质渗透率与孔隙尺度各向异性、孔隙分布非均质性的关系,研究对岩心渗透率的微观影响机理。研究表明,致密砂岩孔隙形态复杂,孔隙尺度各向异性、孔隙分布非均质性显著,各向异性因子具有明显的方向性;孔隙尺度各向异性影响多孔介质中孔隙长轴的取向性及流体流动路径,沿各向异性因子大的方向迂曲度小、流体流动消耗能量小,迂曲度与各向异性的强相关是各向异性影响渗透率的根本原因;孔隙分布非均质性对渗透率的影响表现为迂曲度与比表面积的共同作用,比表面积与迂曲度的乘积与非均质性呈明显负相关,孔隙分布非均质性越强,乘积值越小,渗透率越大;复杂多孔介质的渗透率与迂曲度满足乘幂关系式,拟合精度较高,可用于岩心渗透率的近似估算。图19表5参39     

储层岩石孔隙尺度的数字化表征

流体的渗流是一种十分常见的自然现象,在许多工程领域都有应用,如化学工程、地下资源开采、农田水利、地下土壤污染防治等。石油工业领域中,人们关注油或油水在储层岩石这种孔隙介质中的流动。本文采用数值模拟的方法,用格子-Boltzmann这一计算流体流动的数值方法计算毫米尺度的数字岩心的渗透率。同时本文研究了如何用各种方法得到三维数字化岩心,其中包括用实际岩心铸体薄片结合多点地质统计学的方法得到三维数字岩心。由于用多点地质统计方法得到的三维数字岩心可以更有效的发现长程的连通孔隙,因此计算的渗透率更加准确,同时将计算的结果与实际岩石物理实验的结果进行了对比。     

碳酸盐岩孔隙空间三维成像及描述：单相和两相流体

岩石中流体的储存和流动能力取决于孔隙体积、结构及其连通性。碳酸盐岩自身的各向异性是在一系列的沉积和成岩作用下形成的。因为碳酸盐岩的孔隙大小变化有几个数量级，孔隙的连通性不同，从而大大影响其流动性，描述碳酸盐岩储层就特别困难。例如，在一个基质孔隙系统中，独立的孔洞可以增加孔隙度但不增加渗透率，由于孔洞已被堵死导致其剩余油饱和度高。连通的孔洞系统对渗透率的影响很大，获得较高的采收率。 本文利用的是从露头和储层中所取的碳酸盐岩岩心，用微型计算机X照相（micro computed Tomography，简写为uCT）进行三维成像。不同岩心的空间孔隙形态具有不同的布局和连通性。低分辨率成像（采样尺寸大）可以用于判断（不连通的）孔洞孔隙的大小、形状及空间分布。高分辨率成像（分辨率小于21um）能够进行三维晶粒间的孔隙度探测。通过uCT差异对比技术可以在微观孔隙度上进行区域性的描述。对岩心成像的实验室MICP测量值和基于成像的MICP模拟值具有很好的一致性。这个结果表明成像方法可以用于解决跨越几个数量级的孔洞、大孔隙、微孔隙的空间分布问题。 在数字成像资料中已经采用单相流体的高分辨率数值模拟和溶质传递技术。结果表明，在多数情况下，少量的主要通道决定了岩心的渗透率。通过三维可视化技术、局部流体速度测量值及溶质传输结果中描述了流场中微孔隙度的规律。 经成像技术得出的孔网模型说明在碳酸盐岩样中观察到的孔隙结构和形态有很大的变化，其孔网的外观及定量参数都有很大的差异。两相残余流体饱和度在很大程度上取决于孔网的布局和结构，在实验室测定的碎屑岩和碳酸盐岩的残余油饱和度和数值模拟的结果有很好的一致性。结果表明，在按岩心描述参数、孔隙度、渗透率、MICP和相对渗透率分类时，不同的岩心的岩石物理性质是不同的。三维成像和分析有助于把不同的岩石分类方法结合起来。     

基于三维地应力的渗透率转换方法

储层渗透率的测量及其储层条件下的转化方式是油藏工程研究的重要内容.随着储层岩石有效应力的增加,储层岩石孔隙半径减小,渗透率降低,地面测量的岩石渗透率比地层条件下的渗透率高.为将地面测量的渗透率应用于油藏工程,须将其换算到储层条件.根据岩石在地面和地层条件下的应力状态,研究了地面一地下渗透率的转换方法,该方法采用三维地应力,克服了仅采用上覆地层压力的不足.胜利油区渗透率覆压实验校正结果表明,仅采用上覆地层压力计算的渗透率转换值,比采用三维地应力计算的渗透率转换值明显偏小.对于中渗透地层,三维地应力的渗透率转换方法与原方法差别不大,对于低渗透地层,基于三维地应力的渗透率转换方法的计算值比原方法增大约10％.     

碳酸盐岩岩心孔隙空间的三维成像和特征描述，预测单相流和两相流性质

岩石储存和流动流体的能力取决于孔隙体积、孔隙几何形状及孔隙连通性。许多沉积环境中的碳酸盐岩本身是非均质的，并且经历过明显的成岩作用。这些碳酸盐岩尤其难以描述，其原因是它的孔隙大小的变化可达几个数量级，不同尺度的孔隙的连通性对流动性质有极大影响。例如，骨架孔隙系统中单独的孔洞孔隙会使孔隙度变大，而不是渗透率，会因圈闭在单个孤立孔洞中的油气导致残余油饱和度大。接触型孔洞网络可对渗透率有极大影响，导致采收率更高。 在本文中，我们对采自露头和储集层的一组碳酸盐岩岩心以微计算层析X射线成像（μCT）方式进行三维（3D）成像。不同岩心的孔隙空间的形态显示了多种布局和连通性。分辨率低（样品尺寸大）的图像可降低不连通孔洞孔隙度的大小、形状和空间分布。这组岩心中的某些岩心的分辨率高（分辨率小于2微米）的图像可以探测3D粒间孔隙。通过微层析X射线成像的一种局部对比，实现消除具有亚微米孔隙的区域。对成像的岩心进行MICP实验测量，其测量值与基于成像的MICP模拟值一致性好。这些结果指示了能探测几种尺度数量级的孔洞／大孔隙／微孔隙空间分布的成像方法质量。 对求解的数字图像数据进行单相流和溶解物运移的高分辨率数值模拟。研究出一种混合数值方案，它包含了微孔隙对总岩心渗透率的影响。这些结果表明：在许多情况下，有几个流动通道对岩心渗透率有重要影响。用3D可视化、局部流速测量和溶解物运移结果图示说明了流场中微孔隙的作用。 由图像得到的孔隙网络模型说明了在碳酸盐岩样品中所观察到的孔隙布局和几何形状变化大。孔隙网络的图像和定量数据都说明了变化大。说明所得到的两相自吸驱替残余饱和度与孔隙网络不同的布局性质和结构性质有很大关系。比较了碎屑岩和碳酸盐岩岩心的与实验室测量速度有关的残余油饱和度和数值模拟残余油饱和度，结果喜人。 这些结果说明：当用岩心描述参数（Lucia，1999）、孔隙度-渗透率、MICP（Skalinski等，2005）和相对渗透率（Hamon，2003）分类时不同岩心的岩石物理特性差异，3D成像和分析有助于不同岩石分类方法的综合。     

3D多孔介质渗透率的格子Boltzmann模拟

多孔介质结构的复杂性使其内部的流动非常复杂,通常不加简化就难以求解.格子Boltzmann方法以其无需简化就能处理复杂孔隙结构的优势,成为研究多孔介质流动的一种有效的数值计算方法.从现场采集的彩色铸体剖面图中提取孔隙信息重构了一种接近真实岩石的3D孔隙介质数字岩心.在此基础上,使用格子Boltzmann方法进一步得到能准确求解多孔介质中流动问题的Navier-Stokes方程,用以研究孔隙岩石的渗流特性.该方法对简单模型渗透率的模拟结果与相应的解析解或实验测量结果吻合良好,对某油田6个样品的模拟结果与实验结果的误差不大,说明格子Boltzmann方法可以用来计算实际问题的渗透率.     

提高油井产能的综合性研究方法

应用精确的三维地质油藏模型对集层进行了综合研究：首先开发了三维地震记录体系，对其数据进行分析得出流动单元的相关性和地震一进地质统计的相互关系，针对油田裂缝性孔隙的特点采用双孔隙流动模拟器进行流动模拟建立流动单元模拟。通过这一方法建立了垂向分辨井数据的准确模型，模型的准确性最终由与油井拟合结果的质量确定，这一最新模拟结果反映了预测的油田产量趋势。     

Wettability and Its Effects on Oil Recovery in Fractured and Conventional Reservoirs

Abstract

The lattice Boltzmann method is a relatively new simulation technique of computational fluid dynamic class. Its several advantages such as dealing with complex boundary and incorporating of microscopic interaction make it an alternative and promising numerical scheme for simulating fluid flow in porous media. Three lattice Boltzmann equation models are introduced and used for calculating permeability of a 2D porous media. Analytical solutions of Poiseuille flow between infinite parallel plates is used for validating lattice Boltzmann equation models. In the numerical simulations the effects of grid resolution and viscosity on the predicted permeability are checked.     

黏弹性流体分形多孔介质渗流数学模型及计算方法

为了研究黏弹性流体在多孔介质中的渗流规律,将分形理论应用于黏弹性流体的渗流模拟中,通过推导黏弹性流体有效黏度关系式,得到了多孔介质的分形孔隙度和分形渗透率表达式,进一步建立了黏弹性流体分形多孔介质渗流数学模型。使用有限差分方法对黏弹性流体分形多孔介质渗流数学模型进行了数值求解,并利用拉格朗日插值法求得了稳定流状态不同压力下的流量。通过对大庆油田采油四厂5口复合驱井进行实例计算的结果表明,黏弹性流体分形多孔介质渗流数学模型计算所得产液量与实测产液量之间的平均相对误差较小,该模型具有一定的实用价值。     

单裂缝多孔介质渗透特性研究

单裂缝多孔介质渗透特性的研究是裂缝性介质渗流分析的基础。针对含单裂缝的多孔介质,分别利用Darcy方程和Stokes方程描述基岩和裂缝中的流动,采用连续边界条件、Bea-vers-Joseph边界条件和Beavers-Joseph-Saffm an边界条件,得到考虑基岩渗透率的广义立方定律和分别满足3种边界条件的单裂缝介质的等效渗透率理论计算公式。参数分析表明,由3种边界条件所得到的单裂缝介质的等效渗透率较为一致(尤其当α>1时),因此应用经典的连续边界条件可简化问题,提高计算效率。研究结果为含裂缝多孔介质流动分析的参数确定提供了理论依据。     

石英砂中甲烷水合物渗透率实验与模型验证

多孔介质渗透率是影响天然气水合物开采的重要物理参数,目前研究该参数所采用的测试手段和多孔介质差别很大,没有形成较为公认的实验手段和测量结果。为此,研制了含甲烷水合物多孔介质渗透率一维测试装置,利用该装置合成甲烷水合物,并在稳定流态条件下测量流入液态水的流体流量和压差;基于达西定律的基本原理,采用稳态法注水计算了30~40目石英砂中甲烷水合物体系的渗透率。结果表明:(1)该装置可以在稳定压力、温度的条件下,获得稳定流体流量和压差,满足达西定律的基本条件,进而计算出渗透率;(2)该装置可在渗透率试验中有效控制甲烷水合物饱和度,保证了含甲烷水合物石英砂渗透率测量的可靠性和可重复性;(3)甲烷水合物晶体在孔隙中心形成并逐渐生长,占据孔隙空间并阻碍流动通道,液相有效渗透率随甲烷水合物饱和度的增加而迅速降低;(4)Masuda模型、Dai模型和Li模型渗透率参数值分别为13.0、7.0和4.0时,其计算的渗透率与实验结果吻合良好。结论认为,该研究成果为含甲烷水合物的多孔介质中流体渗透率的量化,提供了实验数据和理论计算依据。     

基于数字岩心技术的气体解析/扩散格子Boltzmann模拟

在页岩气和煤层气等非常规储层中普遍存在着气体解析/扩散现象,为了描述微观尺度下的流动模拟,通过在格子Boltzmann方法的演化方程中添加源汇项,模拟了多孔介质中的解析/扩散现象。并以Langmuir等温吸附定律为例进行模拟,模型计算结果与宏观扩散方程的有限差分结果基本一致,但有限差分方法对时间步长要求较高,计算量比格子Boltzmann方法大,格子Boltzmann方法在迭代次数上具有明显的优势。最后基于CT扫描的二维数字岩心,模拟了气体在复杂结构多孔介质中气体解析/扩散过程。这种处理方式避免了复杂的边界条件,计算量不会明显增加,并可以用来模拟具有复杂孔隙结构的真实岩心中的解析/扩散现象,同时可以根据不同储层中气体满足的解析/吸附规律来配置源汇项。     

苏里格气藏滑脱作用影响下的渗流机理模式

通过试验和理论相结合的方法建立了考虑科林贝尔效应的低渗透气藏非线性渗流方程。通过渗流流量和压力相关试验测定了滑脱修正系数和渗流指数以及渗流系数,并将该方程的计算结果和现场产量做了对比,证明了该方法的正确性。气体渗流存在着滑脱效应,特别是在低渗、低速和低压时,滑脱效应更为显著。该项研究成功实现了对低渗透气藏的产量动态预报,为低渗透气田开发设计和开采方案优化提供了一项强有力的技术手段,为进一步开展低渗透气藏渗流理论研究、油藏工程研究和动态分析建立了基础。     

低渗油藏CO_2驱油混相条件的探讨

CO2与地层油能否达到混相状态对CO2驱油技术的应用效果有重要影响,界面张力法和细管实验法测量的最小混相压力(MMP)存在较大差异。岩心孔隙结构对原油相对体积及CO2密度的影响实验均说明,多孔介质的孔隙特征对流体物性参数产生较大影响,用细管实验MMP值作为油藏条件下CO2-原油体系MMP值的做法也需要理论完善。对影响CO2驱油混相条件的主要因素进行分析,认为岩石孔隙特征、地层压力以及注入流量对多孔介质中CO2-原油体系MMP有明显影响。渗透率下降,测量的MMP值也不同程度地降低;相对而言,平均地层压力较低的油藏,测量的MMP值也较低;对注入流量的研究认为优化流量可获得较低的MMP值。综合分析以上3个因素,初步建立计算多孔介质中CO2-原油体系MMP的方程。该研究将压力分布曲线进一步细化,补充了对不同压力间流体状态的描述。图7表1参11     

气体滑脱因子快速实验测定的理论及方法

为了研究气体在多孔介质中渗流时的滑脱行为机理及其渗流规律，需要快速实验测定气体滑脱因子和低渗、特低渗岩心的绝对渗透率，常规方法须经多次测量方可获得一个滑脱因子和绝对渗透率值。为此，依据达西定理和波-马定律研究了一个压力容器内的理想气体经岩心自由渗流的过程，导出了描述岩心气测渗透率与容器内两不同时刻气体压力及其时间隔的关系式，从而提出了一种新的测试岩心气测渗透率的方法。由此可在气体经岩心自由渗流、容器内压力下降的过程中，用计算机计录下多个压力、时间点，并利用这些数据计算出多个气测渗透率值，再由克氏方程经最小二乘法拟合得出绝对渗透率和滑脱因子。该测试方法可在一次压力下降过程中完成对绝对渗透率和滑脱因子的测量，而且测量速度较快。     

Experimental determination of permeability in the presence of hydrates and its effect on the dissociation characteristics of gas hydrates in porous media

Although there are many uncertainties in hydrate dissociation process in porous media, numerical simulation gives useful information in evaluating economically feasible gas recovery processes from gas hydrate reservoirs. Furthermore, there are several unknown parameters involved in the numerical model and determination of accurate values of these parameters is essential for reliable production forecasts. One of these parameters is the variation of permeability of the porous media in the presence of hydrates. In this study the permeability to gas was experimentally determined at varying hydrate saturations in a porous medium made of packed glass beads.By comparing the experimentally determined permeability with those calculated using the empirical permeability correlations it was found that for initial water saturations less than 35%, hydrate tends to form on the grain surfaces. However, for initial water saturations greater than 35%, the experimental results indicate a pore filling tendency of hydrate formation. The experimental permeability values were also correlated with the Masuda et al.'s (1997) permeability model and a value of 3.0 was obtained for the permeability reduction exponent. To evaluate the impact of permeability reduction exponent on the dissociation process, a one-dimensional numerical model was developed for dissociation of gas hydrates in porous media by depressurization. The numerical model includes the three mechanisms i.e. kinetics of hydrate decomposition, heat transfer and fluid flow; that might be associated with the dissociation of hydrates in porous medium. The effect of permeability reduction exponent on the dissociation characteristics of hydrate was analyzed using this simulator.     

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双重介质裂缝型油气藏在我国油气资源中占有十分重要的地位。该类气藏的共渗流机理和储层物理参数的确定都远远比一般单重介质孔隙型气藏更为复杂和困难。双重孔隙中多相流动与固体变形藕合的作用是双重介质油气层中一个特殊的和复杂的物理现象。针对这一现象,建立了考虑这些比较复杂的物理因素的数学模型,包括基本概念（孔渗饱、介质总体积、质量密度、流体速度和流体压力等表达式）和基本方程（流动方程、质量守恒方程、固体守恒方程以及应力平衡方程）等,采用有限元法对这些方程做了数值解,并计算了实例,得到了满意的结果