全直徑油氣儲(chǔ)層巖心三維可視化信息采集方法及應(yīng)用前景

張守鵬，方正偉，楊詩棣，麥 文，張銅耀

(1.中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257015； 2.東營三英精密儀器研發(fā)中心，山東 東營 257000；3.中國海洋石油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300451)

全直徑油氣儲(chǔ)層巖心三維可視化信息采集方法及應(yīng)用前景

張守鵬1，方正偉1，楊詩棣2，麥 文3，張銅耀3

(1.中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257015； 2.東營三英精密儀器研發(fā)中心，山東 東營 257000；3.中國海洋石油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300451)

在微米X-CT基礎(chǔ)上，通過對(duì)X射線強(qiáng)度的調(diào)整和掃描方式的更新，建立了Geoscan系列，并相應(yīng)將樣品室改裝成了平放式加長掃描區(qū)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全直徑巖心進(jìn)行三維掃描成像。測(cè)試結(jié)果顯示，以往難以描述的巖心斷面構(gòu)造、層理結(jié)構(gòu)、非均態(tài)構(gòu)型、孔—縫展布等全直徑三維參數(shù)信息均能得到清晰的三維圖像，有效拓寬了地學(xué)領(lǐng)域微觀分析的視野。通過對(duì)石油鉆井巖心全直徑掃描，可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)較為寬泛的深度段內(nèi)，觀察分析不同礦物組分的含量變化、油氣運(yùn)移軌跡以及縫隙的延展性等重要參數(shù)信息，通過對(duì)儲(chǔ)層物性參數(shù)數(shù)字化處理的圖像可直接反映油氣聚集的有效性及儲(chǔ)集空間展布規(guī)律。這項(xiàng)技術(shù)將通過提供儲(chǔ)集巖孔—滲架構(gòu)三維可視化網(wǎng)格圖和給予的儲(chǔ)層品質(zhì)定性結(jié)論來指導(dǎo)優(yōu)化油區(qū)勘探部署。

全直徑巖心；三維;可視化;成像原理；信息采集；X-CT掃描

在油田鉆井地質(zhì)錄井工作中，全直徑巖心所體現(xiàn)的巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及孔隙非均質(zhì)性特征，通常只是通過肉眼觀察并進(jìn)行粗略描述，信息量和精確度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足研究需求。對(duì)鉆井獲取的全直徑巖心進(jìn)行的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)分析，多是在巖心中再次鉆取小樣或用錘敲擊巖心取得小塊樣品進(jìn)行測(cè)試，完整的全直徑巖心信息由于分解取樣而不被保全。如對(duì)油氣儲(chǔ)集空間的觀察分析，主要是借助各類顯微鏡對(duì)小樣品薄片進(jìn)行觀察，視域被限制在0.03～2 mm之間。連續(xù)數(shù)米的取心段內(nèi)，全直徑巖心孔隙分布狀況需要整合若干個(gè)薄片微區(qū)分析結(jié)果來間接獲取。如果利用工業(yè)級(jí)CT嘗試全直徑巖心掃描，其分辨率又不能滿足要求。因此，基于微米CT基礎(chǔ)上的全直徑巖心掃描技術(shù)是獲取大巖心數(shù)據(jù)的有效途徑[1-2]。

利用新研制的“X-CT全直徑巖心掃描儀”對(duì)全直徑巖心進(jìn)行的掃描圖像顯示，全直徑巖心中相對(duì)宏觀量(2 mm～2 m)的參數(shù)采集非常成功，采集到的孔隙、喉道和裂縫架構(gòu)呈現(xiàn)十分清晰的三維圖像，其他礦物信息也由不同的灰度信息組成。全直徑巖心的最大化利用對(duì)儲(chǔ)油巖心的非均質(zhì)性觀測(cè)和長深度、大直徑巖心的全方位信息采集是精準(zhǔn)掌控地下油—?dú)狻\(yùn)動(dòng)規(guī)律及保障油氣采出的關(guān)鍵。

1 全直徑巖心X-CT掃描成像原理

X-CT對(duì)樣品的檢測(cè)是基于樣品內(nèi)物質(zhì)對(duì)X射線的吸收衰減。當(dāng)X射線穿過巖心時(shí)，部分被礦物吸收，能量衰減，透過巖心的部分在探測(cè)器上形成投影圖像。礦物對(duì)X射線吸收光子量μ可表達(dá)為：

(1)

式中：E，ρ，Z分別為X射線能量、礦物密度、原子序數(shù)，a是與射線能量相關(guān)性較小的參數(shù)，b為常數(shù)。當(dāng)射線被穿透路徑上的多種礦物吸收后，強(qiáng)度I1可表達(dá)為：

(2)

式中：I1為探測(cè)器接收到的射線強(qiáng)度，I0為射線源發(fā)出的射線強(qiáng)度，dl為射線穿過路徑總長度l的微分，x為所給定的空間位置。

基于以上原理所研發(fā) 的全直徑巖心檢測(cè)裝備Geoscan(圖1a)，其核心部件運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要由水平運(yùn)動(dòng)軸(控制射線源和探測(cè)器的水平移動(dòng))、旋轉(zhuǎn)軸(控制巖心樣品的旋轉(zhuǎn))組成(圖1b)。巖心在檢測(cè)過程中可360°旋轉(zhuǎn)，獲得不同角度下的投影圖像，利用投影數(shù)據(jù)結(jié)合重建算法，計(jì)算出檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)的線性衰減系數(shù)μ，基于μ的分布生成相應(yīng)的三維灰度圖像。

掃描得到的原始灰度數(shù)據(jù)體，經(jīng)數(shù)字化處理后就可得到三維空間內(nèi)巖心的各個(gè)參數(shù)分布規(guī)律并成圖。對(duì)任意切面進(jìn)行剖切，還可以得到不同平行層面二維區(qū)內(nèi)的儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)及礦物分布特征。利用相應(yīng)的圖像處理技術(shù)可以對(duì)數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間提取并進(jìn)行相應(yīng)的定量計(jì)算[3]。對(duì)全直徑巖心掃描形成的數(shù)據(jù)庫，可以服務(wù)于勘探、開發(fā)、工藝工程等不同的專業(yè)人員。

關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的高低是衡量任何一臺(tái)設(shè)備性能的最好標(biāo)準(zhǔn)，CT機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)是分辨率。為便于比較，對(duì)同一塊全直徑巖心進(jìn)行了Geoscan和常用醫(yī)學(xué)CT的對(duì)比測(cè)試(表1)。結(jié)果顯示，Geoscan對(duì)全直徑巖心的掃描分辨率大大超出醫(yī)用CT。

2 Geoscan掃描信息的提取和量化

本項(xiàng)研究中，Geoscan所檢測(cè)的全直徑巖心樣品系由中海油渤海研究院提供。圖2a-c分別給出了3個(gè)視野方向上的二維切片圖像(分辨率為91 μm)，圖2d為全直徑巖心的體視圖。從圖中可以看到，樣品中的結(jié)構(gòu)清晰可見，包括孔隙、裂縫和高密度的礦物(黃鐵礦)。

將樣品切面圖像的局部進(jìn)行放大，可以對(duì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸測(cè)量，圖3b給出了將圖3a所示圖像，從圖中可以看到在二維切面上，最大孔隙直徑在15.50 mm左右。

表1 全直徑巖心檢測(cè)裝備Geoscan與醫(yī)學(xué)CT產(chǎn)品技術(shù)對(duì)比

圖1 Geoscan全直徑巖心掃描儀

利用閾值分割技術(shù)，將巖心中存在的裂縫孔隙進(jìn)行空間提取。圖4a給出了孔隙裂縫整體架構(gòu)的提取圖像。在此基礎(chǔ)上，對(duì)孔隙裂縫的形態(tài)進(jìn)行篩分以進(jìn)行滲透能力的判識(shí)。圖4b即為規(guī)定形狀因子區(qū)間的結(jié)構(gòu)篩選圖，是將體積較大且形狀扁平的類裂縫結(jié)構(gòu)從巖心中提取出來而形成的圖像。

圖5a-b為另一段全直徑巖心的掃描二維切面圖像，可以看到樣品中的結(jié)構(gòu)清晰可見。進(jìn)行全直徑巖心掃描并圖像處理后，對(duì)孔隙和高密度礦物進(jìn)行提取并計(jì)算相應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)。圖5c-d分別為孔隙和高密度礦物的空間提取圖，計(jì)算體積含量分別為0.77%和0.034%。

圖2 全直徑巖心的XZ，YZ和XY 3個(gè)視野的切面圖像(a-c)和全直徑巖心的體視圖(d)d中紅、綠和藍(lán)色截面分別為YZ、XZ和XY 3個(gè)視野方向

圖3 巖心切面(a)和紅色方框區(qū)域的局部放大(b)

為求取儲(chǔ)層孔喉量值，可以從整個(gè)數(shù)據(jù)體中截取一部分進(jìn)行數(shù)字處理分析[4]。應(yīng)用最大球算法，將樣品中的孔隙空間飽和充填不規(guī)則球棒，建立棒球模型，進(jìn)而對(duì)其孔喉空間量值進(jìn)行計(jì)算(圖6)[5]?？缀碛?jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：平均孔隙/喉道體積為2.67×108/7.2×107μm3；平均孔隙/喉道半徑為183.24/148.31 μm；孔隙/喉道數(shù)目為251/19；平均孔喉比0.19。

圖7a給出了一個(gè)全直徑巖心檢測(cè)樣品中提取的裂縫。利用圖像分析軟件，可以對(duì)該條裂縫(圖7b)進(jìn)行定量分析，包括其體積、長度以及空間取向等參數(shù)，結(jié)果如下：裂縫體積1.28×1012μm3；裂縫長度6.8×104μm；裂縫厚度698.4 μm；裂縫走向與Z軸(豎直方向)夾角63.18°。

圖4 孔隙裂縫整體提取(a)和類裂縫結(jié)構(gòu)篩分提取(b)圖中將每一條類裂縫結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)一種顏色，便于觀察和區(qū)分類裂縫結(jié)構(gòu)

圖5 直徑巖心的掃描二維切面圖像(a-b) 以及孔隙(c)和礦物(d)三維空間提取

圖6 截取小數(shù)據(jù)體(a)、孔隙空間提取(b)和棒球模型(c)

圖7 全直徑巖心樣品切面、裂縫在樣品中的位置(a)以及裂縫空間提取(b)

3 Geoscan 全直徑儲(chǔ)層信息的應(yīng)用前景

3.1孔隙、喉道與礦物組成的刻畫、描述

CT掃描圖像中，不同密度的物質(zhì)具有不同的X射線吸收值[6-10]，表現(xiàn)為不同的灰度值[11]。灰度可分為256個(gè)級(jí)別，從最暗到最亮用0～255之間的數(shù)字來標(biāo)識(shí)，0代表黑色，255代表白色。對(duì)于砂巖CT灰度圖像，0代表密度最低的組分，即孔隙；255代表高密度物質(zhì)，如黃鐵礦等高密度礦物。依據(jù)不同的灰度值，可以將不同的巖石組分區(qū)分開。

人眼對(duì)灰度微弱遞變的分辨能力遠(yuǎn)達(dá)不到顏色灰度的實(shí)際變化，通過增加顏色類別可以彌補(bǔ)不足，即將灰度圖像映射為一幅彩色圖像，該方式稱為偽彩色增強(qiáng)。依據(jù)偽彩色增強(qiáng)編制的CTAn軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖石不同密度物質(zhì)分布狀況的刻畫，主要包括孔隙的大小、形態(tài)和石英、長石、巖屑等骨架顆粒的粒度、形態(tài)及分布，以及填充于儲(chǔ)層孔隙、喉道內(nèi)的化學(xué)膠結(jié)物和泥質(zhì)雜基、黏土類物質(zhì)等。

3.2含油氣性分布與檢測(cè)

儲(chǔ)層在注水開發(fā)過程中，由于流體性質(zhì)、流體流動(dòng)速率、地層壓力等變化，內(nèi)部骨架、孔喉網(wǎng)絡(luò)及滲流特性等發(fā)生持續(xù)變化[12-21]，對(duì)于高含水儲(chǔ)層，在注水開發(fā)初級(jí)階段剩余油分布就變得異常復(fù)雜，給剩余油挖潛帶來了極大的困難，而全巖心CT 技術(shù)在剩余油的賦存特征檢測(cè)中可發(fā)揮重要作用。一方面可以對(duì)開發(fā)井全直徑巖心原始狀態(tài)下進(jìn)行掃描，獲取剩余油分布圖像，利用圖像處理技術(shù)，可以在三維可視化展示剩余油在孔隙網(wǎng)絡(luò)中的分布特征；另一方面，在室內(nèi)地層溫壓下模擬驅(qū)替過程中，可以對(duì)不同驅(qū)替階段剩余油分布特征進(jìn)行掃描分析，獲取不同驅(qū)替階段油水分布，有效指導(dǎo)水驅(qū)井網(wǎng)優(yōu)化，提高水驅(qū)采收率。

3.3構(gòu)造裂縫的延展性描述

構(gòu)造裂縫的張開程度、數(shù)量及平面展布可運(yùn)用CTan軟件在平面上觀察。運(yùn)用CTVox軟件可以對(duì)構(gòu)造裂縫在空間上的展布規(guī)律建立三維模型。以上模型均可制作三維立體動(dòng)畫效果，進(jìn)行全方位的裂縫觀察描述。

為了觀察到構(gòu)造裂縫三維立體分布的情況，還可以截取多個(gè)視角的三維分布圖進(jìn)行對(duì)比分析來獲取縫隙空間分布形態(tài)，并確定油氣沿構(gòu)造裂縫的分布狀況，依此確定斷裂帶的斷層活動(dòng)性和啟閉性。

4 結(jié)論

(1)Geoscan實(shí)現(xiàn)了對(duì)全直徑巖心的掃描觀測(cè)與檢測(cè)，適合對(duì)地質(zhì)巖心樣品的觀測(cè)分析。Geoscan對(duì)中海油全直徑巖心樣品的檢測(cè)結(jié)果顯示，其圖像質(zhì)量優(yōu)良，完全滿足石油行業(yè)對(duì)巖石樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各項(xiàng)參數(shù)描述的需求，不但規(guī)避了柱塞小樣測(cè)試獲取信息較局限的弊病，而且能節(jié)省成本和時(shí)間。

(2)當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，大數(shù)據(jù)時(shí)代來臨，全直徑巖心數(shù)字化將為石油地質(zhì)領(lǐng)域填補(bǔ)無法建立全直徑巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫這一技術(shù)空白。從全直徑巖心上獲取的巖心內(nèi)部結(jié)構(gòu)、孔隙發(fā)育和油氣分布信息，將更好地為鉆井、油田開發(fā)、酸化壓裂等工藝環(huán)節(jié)提供參考。

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(編輯黃 娟)

Techniqueandapplicationofthree-dimensionalvisualizedinformationcollectionoffulldiameteroilandgasreservoircores

Zhang Shoupeng1, Fang Zhengwei1, Yang Shidi2, Mai Wen3, Zhang Tongyao3

(1.ResearchInstituteofExplorationandDevelopmentofSINOPECShengliOilfieldCompany,Dongying,Shandong257015,China; 2.DongyingSanyingPrecisionInstrumentDevelopmentCenter,Dongying,Shandong257000,China; 3.EngineeringBranch,CNOOCEnergyDevelopmentCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

Geoscan series was established by means of X-ray intensity adjustment and scanning way update based on the micro X-ray computed tomography (CT). Sample room was converted to a flat type to extend scanning area, which realized the 3D scanning imaging of full diameter cores. Test results showed that the 3D parameters of full diameter, including core section structure, bedding structure, heterogeneous configuration and hole-seam distribution, could be used to get clear 3D images, which was difficult to describe in the past. Through the full diameter scanning of drilling cores, we analyzed the mineral content, hydrocarbon migration pathway and aperture ductility in a more extensive depth. The digital processing images of reservoir property parameters can reflect the effectiveness of hydrocarbon accumulation and the reservoir distribution rules. This technology provides a 3D visual image for the porosity and permeability of reservoir rocks and a qualitative evaluation of reservoir quality, which may optimize hydrocarbon explorations.

full diameter core; three dimensional; visualization; imaging principle; information collection; X-CT scanning

1001-6112(2017)05-0706-05

10.11781/sysydz201705706

TE122.2

：A

2017-02-06；

：2017-07-20。

張守鵬(1963—)，男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事油氣實(shí)驗(yàn)地質(zhì)工作。E-mail:zhangshoupeng_ff@163.com。

國家重大專項(xiàng)(2017ZX05049004)、中國石化股份有限公司科研計(jì)劃項(xiàng)目(P15081)和國家能源頁巖油研發(fā)中心、頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合資助。