王平全,陶 鵬,劉建儀,黃麗莎

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610500; 2.長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,湖北武漢430100)

基于數(shù)字巖心的低滲透儲層微觀滲流機(jī)理研究

王平全1,陶 鵬1,劉建儀1,黃麗莎2

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610500; 2.長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,湖北武漢430100)

以數(shù)字巖心為基礎(chǔ)的孔隙微觀滲流機(jī)理研究是精細(xì)油藏描述的發(fā)展趨勢,也是微觀尺度上提高原油采收率的必然選擇。為詳細(xì)表征低滲透儲層微觀孔隙空間結(jié)構(gòu),利用高級可視化軟件Avizo對CT掃描法重建的數(shù)字巖心進(jìn)行可視化,直觀形象地考察了孔隙度、孔喉大小和方位、孔隙空間面積、骨架體積等的定量分布,結(jié)合有限元軟件研究了附面層厚度和黏度對低滲透儲層微觀滲流的影響。結(jié)果表明,附面層相對黏度一定時(shí),低滲透儲層中流體的實(shí)際黏度隨附面層相對厚度增大而增大;附面層相對厚度一定時(shí),低滲透儲層中流體的實(shí)際黏度隨附面層相對黏度的增大而增大。低滲透儲層中流體流量隨附面層相對黏度的增大而減小。

Avizo軟件;數(shù)字巖心;三維重構(gòu);微觀滲流;附面層

近年來,頁巖氣勘探開發(fā)已成為廣大油氣藏工程師關(guān)注和研究的焦點(diǎn),但是頁巖氣儲存于致密低滲透的頁巖中,傳統(tǒng)的油氣藏模擬技術(shù)不適用,要合理進(jìn)行頁巖氣勘探開發(fā),首先必須研究其孔隙微觀滲流特征?？紫段⒂^滲流機(jī)理研究是在微米尺度上研究流體的各種流動(dòng)規(guī)律及其與宏觀性質(zhì)之間的聯(lián)系,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,利用數(shù)字巖心三維重構(gòu)來研究微觀滲流機(jī)理已成為一個(gè)熱門的方向[1-2]。CT技術(shù)具有無損檢測的特性,其獲取的巖心二維切片及三維立體圖像是當(dāng)前建立數(shù)字巖心三維重構(gòu)可視化的基礎(chǔ)。本文利用Avizo數(shù)據(jù)可視化軟件形象地展現(xiàn)了孔隙微觀滲流的實(shí)質(zhì),同時(shí)與Comsol、Ansys等有限元軟件對接,能有效地解決當(dāng)前低滲透儲層微觀滲流機(jī)理的研究難題。

1 數(shù)字巖心三維重構(gòu)可視化

在微米級滲流機(jī)理研究中,如何詳細(xì)表征孔隙空間結(jié)構(gòu)是亟待解決的重大問題。目前主要有兩大類方法:物理實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值重建法。物理實(shí)驗(yàn)法是借助高精度光學(xué)儀器獲取巖心的平面圖像,序列成像法、聚焦掃描法和CT掃描法是應(yīng)用較為廣泛的物理實(shí)驗(yàn)方法。數(shù)值重建法就是借助巖心的二維切片,利用各種算法獲取巖心的孔隙結(jié)構(gòu)特征,進(jìn)行數(shù)字巖心三維重構(gòu),按所用算法的不同,數(shù)值重建法又可分為隨機(jī)法和過程模擬法。其中隨機(jī)法主要包括高斯隨機(jī)法、模擬退火法、順序指示模擬法、多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法和馬爾科夫鏈方法等[3-6]。數(shù)值重建法具有實(shí)驗(yàn)成本低、建模速度快的優(yōu)點(diǎn),但這類方法重建數(shù)字巖心的連通性較差,反映的巖心孔隙結(jié)構(gòu)與真實(shí)多孔介質(zhì)有一定差距。

本文利用Avizo對CT掃描法重建的數(shù)字巖心進(jìn)行了可視化。從簡單的可視化、分析測量到先進(jìn)復(fù)雜的圖像處理、量化和骨架化,Avizo為可視化(二維、三維)、三維建模、物理屬性計(jì)算等提供了一個(gè)全面、多模態(tài)的數(shù)字實(shí)驗(yàn)室。本文所用的巖心切片圖像數(shù)據(jù)來自西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”的MICROXCT-400三維重構(gòu)成像X射線顯微鏡的掃描圖像。

以巖心切片CT圖像數(shù)據(jù)為輸入?yún)?shù),形成數(shù)字巖心數(shù)據(jù)體,實(shí)驗(yàn)用的巖樣為長度0.45cm、直徑0.55cm的圓柱體,掃描的體素大小為5.69μm。

1.1 Avizo的圖像處理

基本的圖像處理流程包括載入數(shù)據(jù)、濾波、圖像二值化處理和分割,以及滲流方向上的孔隙連通性判斷(圖1),最重要的是濾波和圖像二值化處理和分割。

1.1.1 濾波處理

濾波的目的是減少噪聲,提高質(zhì)量,以便對圖像進(jìn)行分割和顯示,常用的濾波函數(shù)按照目的分為平滑圖像、提高圖像對比度、邊緣檢測3類。平滑圖像的濾波函數(shù)命令模塊有Median filter、Non-Local Means filter、Anisotropic Diffusion filter;提高圖像對比度的濾波函數(shù)命令模塊有Unsharp masking;邊緣檢測的濾波函數(shù)命令模塊有Sobel。Sobel算子是邊緣檢測中最常用的算子之一。Sobel算子有兩個(gè),一個(gè)是檢測水平邊沿的個(gè)是檢測垂直邊沿的Sobel算子利用像素點(diǎn)上下、左右鄰位的灰度值加權(quán)算法,根據(jù)邊緣像素點(diǎn)處達(dá)到極值這一現(xiàn)象進(jìn)行邊緣檢測。不僅能產(chǎn)生較好的邊緣檢測效果,而且對噪聲具有平滑和抑制作用,可以提供較為精確、明朗的邊緣信息。應(yīng)用在大面積區(qū)域時(shí)抗噪特性更好;但計(jì)算量會(huì)增大,容易檢測出偽邊緣,定位精度不高。

1.1.2 圖像二值化處理和分割

二值化處理是一個(gè)重要的圖像前期處理過程,是后續(xù)圖像處理的基礎(chǔ),本文所用的巖心切片圖像包括孔隙喉道、巖石骨架及實(shí)驗(yàn)過程中的噪聲,要從多值的數(shù)字圖像中直接提取出孔隙和骨架信息,最常用的方法是設(shè)定一個(gè)閾值T,用T值把圖像數(shù)據(jù)分成兩部分(大于T的像素群和小于T的像素群),這種方法稱為圖像二值化。具體就是將圖像上像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為0或255,將整個(gè)圖像呈現(xiàn)出只有黑和白的視覺效果。基于二值化的閾值分割是一種最常用的并行區(qū)域技術(shù),是圖像分割中應(yīng)用最多的一類。在Avizo中一般添加Interactive Thresholding命令模塊進(jìn)行圖像分割。

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果

經(jīng)過一系列圖像處理得到了巖心孔隙度、孔喉大小和方位、孔隙空間面積、骨架體積等定量結(jié)果,達(dá)到了對巖心微觀孔隙結(jié)構(gòu)的形象描述。通過統(tǒng)計(jì)每個(gè)參數(shù)位于某個(gè)范圍內(nèi)的個(gè)數(shù)來描述孔隙的結(jié)構(gòu)特征,利用Avizo軟件得到巖心三維重構(gòu)和孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)果(圖2)。

2 存在附面層的低滲透儲層微觀滲流數(shù)值模擬

2.1 理論基礎(chǔ)

描述流體滲流的方法根據(jù)尺度不同可分為:分子動(dòng)力學(xué)模型、介觀動(dòng)力學(xué)模型、宏觀連續(xù)模型3類。分子動(dòng)力學(xué)模型通過對每一個(gè)分子運(yùn)動(dòng)的刻畫采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法描述流體整體流動(dòng)機(jī)理;介觀動(dòng)力學(xué)模型通過研究流體流速的分布函數(shù)與宏觀物理量之間的關(guān)系來研究宏觀流動(dòng)規(guī)律;宏觀連續(xù)模型是將流體視為一個(gè)連續(xù)集合體,通過一組或多組偏微分方程來描述流體的滲流規(guī)律。上述3種模型存在不同的假設(shè)前提,分子動(dòng)力學(xué)模型所研究的問題局限于納米尺度的分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律,介觀動(dòng)力學(xué)模型涉及的液體滲流理論不成熟,而宏觀連續(xù)模型可直觀、定量描述流體滲流規(guī)律,因此是目前發(fā)展較成熟、應(yīng)用最廣泛的方法。通常用克努森數(shù)Kn來劃分各類數(shù)學(xué)模型的適用范圍,具體表達(dá)式如下:

式中 λ——?dú)怏w分子平均自由程;

D——流體流動(dòng)通道的特征尺寸。

通過計(jì)算克努森數(shù)Kn能夠很好地劃分多孔介質(zhì)中的流體流動(dòng)類型,繼而選擇合適的數(shù)學(xué)模型,各數(shù)學(xué)模型的適用性劃分見表1。

表1 數(shù)學(xué)模型適用性表(計(jì)光華,2009)Table1 Applicability of mathematical model(Ji Guanghua,2009)

由表1可見,當(dāng)Kn＜10-3時(shí),Navier-Stokes方程適用于整個(gè)連續(xù)流場;當(dāng)10-3≤Kn≤10-1時(shí),流動(dòng)類型為滑移流,此時(shí)Navier-Stokes方程逐漸失效;當(dāng)10-1≤Kn≤100時(shí),Navier-Stokes方程完全失效,可采用Boltzmann方程來描述流動(dòng)特征;當(dāng)Kn＞10時(shí),可采用無碰撞Boltzmann方程來求解流體流動(dòng)問題。對于低滲透儲層來說,主要滲流流體為油、水等液體,雖然孔喉尺寸處于微米級,但Navier-Stokes方程依然適用,故本文研究微觀滲流理論采用Navier-Stokes方程:

式中 ρ——流體宏觀密度;

u——流體速度;

t——時(shí)間;

e——內(nèi)能;

σ——應(yīng)力張量;

q——熱通量;

Δ——拉普拉斯算子。

2.2 微觀滲流數(shù)值模擬

附面層是大雷諾數(shù)滲流中作用在物體表面上的黏性力流動(dòng)薄層,也稱界面層,這是低滲透儲層中存在低速非線性流動(dòng)的主要原因。流體在低滲透儲層中的黏度影響因素主要有附面層厚度和黏度;但在實(shí)際研究中這兩個(gè)因素?zé)o法直接測定,因此本文設(shè)定這兩個(gè)參數(shù)為已知來研究其對微觀滲流的影響機(jī)理。在實(shí)際研究中,無量綱參數(shù)能更好地描述滲流機(jī)理,通過下式將附面層厚度和黏度進(jìn)行無量綱化處理。

式中 Hr——附面層相對厚度;

H——附面層絕對厚度;

r0——多孔介質(zhì)平均孔喉半徑;

μr——附面層相對黏度;

μ1——邊界流體黏度;

μ2——體相流體黏度。

通過給定附面層相對厚度Hr和附面層相對黏度μr,利用Comsol軟件計(jì)算出描述低滲透儲層中流體滲流機(jī)理的重要參數(shù)——真實(shí)黏度。主要參數(shù)設(shè)置為:流體密度ρw=1×103kg/m3;進(jìn)口壓力p0=0.5MPa/5cm;出口壓力p1=0,模擬結(jié)果見圖3。

由圖3可見,在給定附面層相對黏度時(shí),低滲透儲層中流體的實(shí)際黏度隨附面層相對厚度的增大而增大;當(dāng)附面層相對厚度一定時(shí),低滲透儲層中流體的實(shí)際黏度隨著附面層相對黏度的增大而增大,并呈線性相關(guān)。

為定量描述低滲透油藏微觀滲流機(jī)理,著重考慮壓力一定時(shí),低滲透儲層中流體流量與附面層相對黏度及相對厚度的變化關(guān)系(圖4)。

由圖4可見,當(dāng)附面層相對黏度一定時(shí),低滲透儲層中流體流量Q隨附面層相對厚度Hr的增大而減小;當(dāng)Hr一定時(shí),低滲透儲層中流體流量Q隨μr的增大而減小,經(jīng)過擬合后兩者呈4次方相關(guān),擬合優(yōu)度R2均在0.998以上。

3 展 望

國內(nèi)對數(shù)字巖心的研究還較少,難以形成一個(gè)完整的體系,許多重大問題還有待探索,主要包括以下方面:

(1)如何在孔隙尺度上考慮聚合物、稠油等復(fù)雜的非牛頓流體的非線性滲流規(guī)律。

(2)如何在孔隙尺度上考慮流體與流體、流體與骨架間的物理化學(xué)作用(聚合物吸附、酸鹽反應(yīng)、沉淀、黏土礦物水化膨脹等)。

(3)如何將孔隙尺度模擬結(jié)果應(yīng)用到巖心分析、單井生產(chǎn)、油藏生產(chǎn)動(dòng)態(tài)評價(jià)中。

4 結(jié) 論

(1)基于Avizo的圖像處理可以形象地揭示數(shù)字巖心的基本問題,表征巖心的微觀孔滲飽特性及流體滲流特征,借助于科學(xué)的可視化軟件,可更為形象地反映出問題的本質(zhì)。

(2)Avizo軟件與有限元模擬軟件Comsol、Ansys等結(jié)合能有效地進(jìn)行數(shù)字巖心研究,為開展油藏精細(xì)描述和油氣藏微觀滲流機(jī)理研究奠定良好基礎(chǔ)。

(3)附面層是影響低滲透儲層滲流的重要參數(shù),而附面層的黏度和厚度與流體的黏度及相界面相關(guān),附面層性質(zhì)是決定低滲透油藏微觀滲流的重要參數(shù)。

(4)數(shù)字巖心研究在國內(nèi)處于初級階段,許多重大理論問題需要進(jìn)一步研究。

[1] Blunt M J.Flow in porous media-pore-network models and multiphase flow[J].Current Opinion in Colloids and Interface Science,2001,6(3):197-207.

[2] 陶軍,姚軍,趙秀才.利用IRIS Explorer數(shù)據(jù)可視化軟件進(jìn)行孔隙級數(shù)字巖心可視化研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2006,28(5):51-53.

[3] 趙秀才.數(shù)字巖心及孔隙網(wǎng)絡(luò)模型重構(gòu)方法研究[D].東營:中國石油大學(xué)(華東),2009.

[4] ?ren P E,Bakke S.Reconstruction of Berea sandstone and pore-scale modelling of wettability effects[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering,2003,39 (3):177-199.

[5] Hou J,Zhang S K,Li Y.Reconstruction of 3D network model through CT scanning[C].EUROPEC/EAGE Conference and Exhibition.Society of Petroleum Engineers,2007.

[6] 陳書榮,王達(dá)健,張雄飛.多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2001,18(6): 531-535.

[7] 張毅.分水嶺算法在圖像分割中的應(yīng)用研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2013.

[8] 沈晶,楊學(xué)志.一種新的邊緣保持分水嶺的圖像分割算法[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2007,30(5):80-88.

[9] 劉海賓,何希勤,劉向東.基于分水嶺和區(qū)域合并的圖像分割算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2007,24 (9):307-308.

[10] 黎鑫.基于形態(tài)學(xué)梯度和分水嶺的圖像分割算法研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2007.

[11] 王鳳娥.改進(jìn)后的分水嶺算法在圖像分割中的應(yīng)用研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2008.

[12] 李菊花,鄭斌.微觀孔隙分形表征新方法及其在頁巖儲層中的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2015,35(5): 52-59.

Mechanism of Micro Seepage in Low-Permeability Reservoirs Based on Digital Core

Wang Pingquan1,Tao Peng1,Liu Jianyi1,Huang Lisha2
(1.State Key of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Sichuan,Chengdu 610500, China;2.Yangtze university,Department of Resources and Environment,Wuhan,Hubei 430100,China)

Research on microscopic percolation mechanism in pores based on digital core is the development trend of fine reservoir description,and is also the inevitable choice to improve the oil recovery on the micro scale.In order to characterize the micro pore space structure of the low permeability reservoir in detail,realize the visualization of digital core that rebuilt by CT scanning method and advanced visualization software Avizo,the porosity,pore size and position,pore space area and skeleton volume have been investigated vividly,and studied the effect of boundary layer thickness and viscosity on the micro seepage of low-permeability reservoirs combined with the finite element software.The results showed that when the relative viscosity of boundary layer is constant,the actual viscosity of fluid in the low permeability reservoir increases with the increase of the relative thickness of boundary layer;when the relative thickness of boundary layer is constant,the actual viscosity of fluid in the low permeability reservoir increases with the increase of relative viscosity of boundary layer. The flow rate of fluid in low permeability reservoir decreases with the increase of relative viscosity of boundary layer.

Avizo software;digital core;three-dimensional reconstruction;micro seepage;interface layer

TE19

:A

國家自然科學(xué)基金“高含硫氣藏井筒硫沉積機(jī)理研究”(51474181)。

王平全(1963年生),教授,博士生導(dǎo)師,主要從事鉆井液與完井液、井壁穩(wěn)定、處理劑、堵漏等理論與技術(shù)研究。郵箱:wpq64@163.com。