虚拟岩石物理研究进展

虚拟岩石物理(或称数字岩石物理)是在地质条件约束下,利用现代数学方法与成像技术,建立数字岩心,开展物理场数值模拟,计算等效物理参数,研究岩石微观结构、物质组成与宏观等效性质之间的关系。虚拟岩石物理主要包含数字岩心建模和等效物理性质模拟两大部分,其中数字岩心对应于真实岩心,等效物理性质模拟对应于实验室物理实验,两者的结合实现了物理实验的数字仿真。虚拟岩石物理存在两种研究路线:一是按照一定的研究目的,采取适当的建模技术建立数字岩心序列,计算等效参数,系统地探讨储层特征参数与等效物理参数间的关系,这是一种间接方法;二是采用物理方法建立数字岩心,计算等效参数,并结合实验室分析测量数据、测井资料直接进行油气检测与储层评价。文中讨论了虚拟岩石物理的进展及存在的问题后认为,虚拟岩石物理已经成为物理实验的重要补充手段,将促进岩石物理学各领域的发展。     

数字岩心技术测井应用与展望

分别从数字岩心的建模、岩石物理属性模拟及数字岩心技术在测井领域中的应用等3个方面介绍了数字岩心技术。介绍了2种建模方法——物理实验方法和数值重建方法,指出其各自优缺点。提出了数字岩石物理实验的概念,基于数字岩心进行岩石电性、声学特性、核磁共振特性及渗流特性等数值模拟实验。重点探讨了数字岩心技术在测井领域中的应用——定量分析低电阻率的成因、确定碳酸盐岩储层的饱和度指数、建立测井解释模型等。指出了数字岩心技术在测井领域的发展方向。     

致密岩心核磁共振孔隙度影响因素分析

岩心孔隙度是致密储层油气评价和储量预测的基础参数,由于致密岩心孔隙非均质性较强、微孔隙结构发育,且岩心内部磁场畸变严重,利用核磁共振技术准确测量孔隙度是实验室研究的关键技术问题.CPMG脉冲序列是利用核磁共振测量岩心孔隙度的常用方法,尽管可以应用该序列综合分析多种因素对核磁共振测量岩心孔隙度结果的影响,但缺乏核磁共振弛豫机理的定量验证.在核磁共振实验测量的基础上,结合随机行走法的三维数字岩心数值模拟方法,对实验结果提供可靠解释.通过对18块不同类型的致密岩心测试和数字岩心数值模拟辅助验证,发现等待时间、回波间隔、仪器磁场强度及标准样品的选择均对测量结果产生不同的影响.当等待时间大于某一值后,岩石测量孔隙度不再变化,而随着等待时间的减小,岩石测量孔隙度逐渐减小;随着回波间隔的增大,岩石测量孔隙度减小;当核磁仪器的磁场强度较高时,黏土矿物或有机质的存在对核磁共振孔隙度测量结果影响较大;采用峰点弛豫时间较短的核磁共振孔隙度标样进行孔隙度刻度,增加了低孔隙岩心测量结果的精度.综合分析多方面影响因素有助于提高致密岩心核磁共振孔隙度测量结果准确性,为地质建模和油气资源赋存量的估算提供基础数据.     

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.     

砂岩岩石核磁共振T_2谱定量表征

基于统计学中的正态分布模型和地质混合经验分布模型,应用图解法和矩法2种数学算法,对核磁共振T2谱进行定量表征研究,提取出核磁共振T2谱反映自身孔隙结构及流体赋存状态信息的16项特征变量。在此基础上,结合压汞孔喉分布资料分析了核磁共振定量参数的岩石物理意义,验证了核磁共振定量参数表征储层微观孔隙结构方法的可靠性。在核磁共振定量表征参数相关性分析基础上,优选参数进行储层渗透率和束缚水饱和度求取,与实际岩心分析资料对比,新模型计算效果良好。进一步结合地区储层产能特征,利用核磁共振T2谱定量表征参数对储层进行分类综合评价,在冀东油田某井区的实际应用效果表明,核磁共振T2谱定量参数在储层微观孔隙结构特征研究、储层渗透率及束缚水饱和度计算、储层综合分类等方面均具有良好的评价效果。     

数字岩石构建方法及应用前景

数字岩心技术经过多年发展,在复杂储层的岩石物理微观机理研究方面取得了一系列成果,该技术提高了测井评价的效率和精度,在测井领域发挥重要作用.针对数字岩心在应用中存在样品尺寸与分辨率互相矛盾、样品尺寸局限于柱塞样品及以下尺度、在非均质地层尺度效应明显等问题,提出数字岩石的概念,将数字岩石的发展分为数字井筒、井周数字岩石和数字地层3个阶段,扩展数字岩心的应用范围.该文在利用不同尺寸、不同分辨率扫描图像构建多尺度数字岩心的基础上,结合电成像和地层元素等测井资料,采用多点地质统计学算法构建数字井筒.构建的数字井筒各组分含量分别与岩心、测井资料结果对比,相对误差均小于9％,证实该构建方法可靠,并展望数字岩石的应用前景.     

数字岩心电性数值模拟方法及其发展方向

以致密砂岩为代表的非常规油气储层孔隙空间复杂导致岩石物理实验测量周期长,成本高,难以定量研究微观参数对电阻率的影响,而以X射线CT扫描为基础发展起来的数字岩心岩石物理属性模拟技术则弥补了这种不足。系统总结了基于数字岩心电性数值模拟格子波尔兹曼方法、基尔霍夫电路节点法、随机游走法以及有限元法的优缺点,探讨了目前电性数值模拟研究存在的4个主要问题:1缺乏模拟更多微观因素的方法模型;2分辨率与储层非均质性之间的矛盾;3图像分割方法的局限性;4数字孔隙格架的多解性。指出了基于数字岩心电性模拟的4个发展方向:1精细三维孔隙网络模型的构建;2基于多阈值分割方法的图像处理;3电性模拟方法模型的优化;4基于数字岩心高性能并行计算技术。该研究有助于提高致密砂岩岩石电性数值模拟研究水平,为非常规储层勘探开发奠定坚实的基础。     

核磁共振岩屑分析技术的实验及应用研究

提出了一种利用核磁共振技术进行现场岩屑油层物理参数定量分析的新方法。对比分析了核磁共振岩屑与岩心分析的异同，对核磁共振现场岩屑分析的可行性进行了室内实验研究，同时给出了利用核磁共振技术确定岩屑孔隙度、渗透率等重要油层物理参数的方法，该方法利用流体在不同岩石孔隙中的弛豫特性来获得岩石物性参数；在青海油田、吉林油田、冀东油田开展了核磁共振岩屑分析技术现场应用研究，将现场核磁共振岩屑分析得到的孔隙度、渗透率等储集层参数与常规取心分析及核磁测井得到的相应结果进行了对比分析。图3表3参7     

图像处理技术在数字岩心建模中的应用

岩石物理的研究对象是由形状极其复杂的孔隙、岩石骨架及多相填充物组成的体系.而在传统的模拟油气藏条件下的岩心试验中,岩心的微观孔隙结构是不可被直接观察和控制的.用图像处理技术对从现场得到的二维铸体薄片进行处理,进而由二维岩心结构重构三维数字岩心.这种数字岩心能最大程度地与实际的岩石接近,能反映地层的一些真实的信息.这对岩石物理的研究有着十分重要的意义.     

数字岩心技术研究及应用

常规岩石物理实验存在实验周期长、实验数据种类少、实验数据信噪比低等问题。介绍数字岩心技术的主要工作内容。其工作流程为取心、现场快速分析、基于岩石物理精细实验和数据库技术的数学分析建模、将数字岩心孔隙度、渗透率、饱和度模型用于测井解释。以核磁共振岩样分析为基础,建立岩心现场快速测量与分析技术以及与区块相统一的岩石物理量转换关系。通过系统分析核磁共振T2谱及岩石物理数据挖掘技术,实现由核磁共振信息计算求取孔隙度、渗透率、岩电参数m、n。建立基于核磁共振T2谱的孔隙度结构指数及S1、S2、S3,以实现对岩样孔隙结构类型的综合评价。在满足测井解释精度的前提下,实验周期由原来的1.5个月减少到3d。该技术已在华北、长庆、吐哈和青海等油田应用,取得了较好的效果。     

基于数值模拟的储层岩石力学参数预测模型分析及应用

由于储层钻孔采样所获取的实际岩心数量有限,导致室内物理力学试验结果具有较大离散性,难以准确地标定储层岩石力学参数。为此,应用数值模拟方法,根据某油田取心样品的物理力学试验结果以及测井资料中不同埋深储层岩石的孔隙度,利用有限元分析软件RFPA2D建立相应的数值模拟岩心,进而对不同孔隙度数值模拟岩心的弹性模量、应力峰值强度、残余应力强度及泊松比等岩石力学参数进行数值分析。将物理力学试验结果与数值模拟结果进行整体回归分析,得到以孔隙度为主变量的岩石力学参数预测模型。基于该预测模型,建立某油田储层三维水力压裂模型,探讨三维水力压裂裂缝的扩展形态,并将数值模拟试验与现场施工的压裂曲线进行对比,发现二者的压裂压力在变化趋势上基本一致,且压裂段的起裂压力与延伸压力相差也较小,验证了研究成果及方法的合理性和适用性。     

页岩气储层岩石三维数字岩心建模——以导电性模型为例

由于页岩气储层具有低孔低渗、各向异性突出、矿物组分复杂等特点,作为基础研究的岩石物理实验开展非常困难,三维数字岩心模型的建立可为其物理特性的数值模拟奠定基础,但常规的建模方法并不适用于复杂的页岩气储层。利用页岩气储层的二维SEM—EDS图像获得其各组分的分布特征,选取导电性模拟需要的组分(孔隙、黏土矿物、黄铁矿、有机质等)以及可以体现岩石宏观特性的尺度(40μm~3),选用马尔可夫链—蒙特卡罗(MCMC)法并加以改进,分别构建各微观组分的三维模型,并将这些模型嵌套组合,最终获得包含导电性相关的矿物组分以及原始结构特征的页岩气储层微米级三维数字岩心。对建模方法和建模的结果进行了评价,结果表明建立的数字岩心模型可以进行页岩气储层导电性的数值模拟研究,也为页岩气储层其他物理性质的三维数字岩心建模提供了思路;提出了建模方法中存在的问题和不足,对以后的页岩气储层数字岩心建模方面的研究提出了建议。     

核磁测井资料在岩石粒度反演中的应用

岩石粒度参数是储层岩石物理分析的关键评价参数。研究岩心核磁共振T₂谱与岩石粒度分布曲线之间的关系,发现核磁共振T₂分布与岩石粒度分布直接相关,因此可以利用核磁T₂谱资料来反演岩石粒度分布。首先基于岩心实验结果对每块岩心采用分段非线性刻度转换方法由核磁T₂分布计算岩石粒度分布,调整刻度参数使得计算得到的粒度分布与岩心分析粒度分布逼近,误差最小时即获得每块岩心的转换刻度参数。然后结合孔渗参数对岩心进行分类,确定每类岩心的刻度参数。最后根据实际核磁测井T₂分布曲线对井下岩石粒度进行反演,反演结果与岩心分析结果对比效果良好,验证了方法的可靠性,为地质储层岩石物理分析提供准确的连续岩石粒度分布剖面。     

NMR泥浆测井技术在中国的应用

核磁共振（NMR）泥浆测井技术已经被广泛应用于中国各油田．并成功解决了许多关键性的问题,比如,岩屑低信噪比、井场储层特征、快速地层评价和传统岩心测量需要很长的样品准备时间。这项技术实现了储层岩石物理分析从实验室到井场的转变和岩样分析从传统岩心到小岩屑、井壁岩心和地层流体的拓展。通过NMR泥浆测井技术测量得到的微小岩屑的地层岩石物理性质包括总孔隙度、有效孔隙度、绝对渗透率、最小和最大渗透率、束缚水饱和度（流体）Swire自由水（流体）饱和度、含油饱和度等．实验室运用中,它能提供大多数标准的NMR岩石物理参数。另外．NMR泥浆测井具有许多优点．例如．采样数量少、分析时间短、低成本、非破坏性、从单样中获取多个参数、高精度、优良的可重复性以及随钻测量和分析。它是测井标定低廉的替代品．甚至当从电缆仪器中很难获取NMR测井曲线时．它都可能代替。 从井场岩屑、岩栓和井壁岩心中我们利用NMR泥浆测井技术通过快速、精确地分析如孔隙度、渗透率、FFI、BVI、含油饱和度等岩石物理参数能有效地评价地层岩石物理特性、储量和孔隙流体体积。然后为现场钻井、完井决策提供有价值的、关键性的信息。近年来,NMR泥浆测井系统已测量了成千上万的岩屑和岩样,并且此技术在岩石物理评价、孔隙结构评价、孔隙流体特征评价、测试层确定以及地层压力评价方面已取得了良好的应用效果。在中国的六个油田中,这项技术已经融进了泥浆测井工业中。     

致密气储层参数精细建模的测井分析方法

针对致密气储层受多期沉积、成岩作用及构造等因素影响,储层孔隙空间细小、孔隙类型结构和测井响应复杂,储层具有非均质、非线性分布的特点。利用岩石物理相分类研究致密气储层参数,确定评价储层岩石物理相的多种信息、划分方法和分类储层参数建模及评价解释方法。通过研究区致密气储层各类测井、岩心和试气资料,利用岩石物理相分类后建立储层参数模型中,其数据点的均匀程度及其反映出的线性关系都具有相对集中的趋势。特别是分类模型分别利用密度、声波时差孔隙度参数的综合拟合值求取孔隙度;渗透率则采用多种分类测井响应曲线求取,并利用Hodges-Lehmann法综合评估确定。从而,在一定程度上克服了致密气储层低信噪比、低分辨力的评价特征,为准确计算致密气储层参数提供了有效方法。     

高仿真三维数字岩心建模及数字图像分析方法

高质量的数字岩心模型是微观尺度的油气层研究的基础,运用图像形态学方法模拟砂岩的成岩过程,建立三维数字岩心.通过对数字岩心模型的孔隙度,孔喉结构,粒度分布,比面等油层物理参数进行分析,发现数字岩心的成岩过程,岩心图像效果和各物理统计参数都与真实岩心高度相似,并可以初步模拟剩余油的微观分布形态.利用循环边界法消除了模型的边界效应,且适合建造大规模数字岩心是本方法在数字岩心建模上的重要突破.高仿真数字岩心建模和分析可替代物理实验获取油气储层参数,运用形态学方法分析数字岩心孔喉结构优于现有的其他方法,为进一步的微观渗流模拟打下了坚实的基础.     

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。     

岩石物理学为油田注入新的活力

为了评价PY-3储层，在油田开发的不同阶段一直进行过多次岩石物理分析。PY-3油田位于印度东海岸海上Cauvery盆地，发现于1988年。1997年有四口井投入生产。这些年的油藏动态表明该油田的实际储量要比体积计算的高。主要储层砂岩为上白垩纪Nannilam地层，对常规岩心的沉积学研究将其解释为海底斜坡环境的岩屑流沉积。最初的岩石物理学研究假设岩性为相对较纯净的砂岩，并用印度尼西亚方程求取含水饱和度。根据整个油藏动态所指示的更高储量，重新进行了岩石物理学研究。首先，根据采出水修正地层水电阻率。其次，在进行新的测井解释前，检查不同井的岩心来确定阿尔奇方程参数。根据岩心测量确定的a、m、n值和由新侧向井钻井所观察到的储层泥质特征的其他证据，改变含水饱和度模型。新测井解释与重新绘图结合，重新绘图显示了体积计算与物质平衡的匹配。因此，一直设想进一步开发油田。这证实了需要一种有意义的岩石物理解释综合方法。     

基于岩石物理相分类确定致密储层孔隙度——以苏里格气田东区为例

针对鄂尔多斯盆地苏里格气田东区致密储层受多期不同类型沉积、成岩作用及构造等因素影响,储层孔隙空间小、孔隙类型结构和测井响应复杂等问题,分析了致密储层岩石物理相分类评价体系,从而提出利用岩石物理相分类确定致密储层孔隙度的技术思路。利用研究区致密储层各类测井、岩心及试气资料,建立了不同类别岩石物理相储层孔隙度参数解释模型;在分类岩心刻度测井解释模型的数据点分布拟合中,分类模型具有相对集中分布趋势及较好的线性关系;特别是分别利用分类的密度、声波时差孔隙度参数模型的综合拟合值来求取有效孔隙度参数,这集中地体现出岩性、物性、孔隙类型结构及测井响应特征与差异,明显改善和提高了致密储层孔隙度参数的计算精度和效果,克服了致密储层低信噪比、低分辨率的评价缺陷。现场应用效果表明,致密储层分类建模技术实现了将非均质、非线性的问题转化为相对均质、线性的问题来解决,为准确建立致密储层参数模型提供了有效方法。     

地震岩石物理学研究有关问题的探讨

对油气藏研究的目的在于弄清油气藏的构造特征、岩性特征和储集参数,进而减少油气勘探开发的风险.储集参数包括孔隙度、渗透率、流体类型和地层压力等,但由地震资料获得的是地震波的旅行时和振幅信息,并以此来计算地层波阻抗和其它地震属性,无法直接获得油气藏的储集参数.岩石物理学的研究成果在储集参数和地震属性之间架起了一座桥梁,这种跨学科的研究生成了一门新的学科--地震岩石物理学.进行地震岩石物理学研究,首先需要分析不同地质条件下储层的物性和流体特征与地震响应特征的相关关系;然后建立不同研究尺度(岩心、测井和地震)的岩石物理分析模型;最终利用岩石物理模型(或经验公式)通过流体替换和叠前弹性参数反演对油气藏进行多学科的综合研究,全面表征油气藏的储集性能.