數(shù)字巖心和數(shù)字井筒技術研究與應用進展

孫建孟,孫曉娟,遲 蓬,呂馨頔,張晉言

(1.中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島266555;2.中石化經(jīng)緯有限公司,山東青島266000)

石油是工業(yè)發(fā)展的命脈,隨著工業(yè)化、信息化高速發(fā)展,我國對油氣資源的需求與日俱增。同時,伴隨著降低石油消費對外依存以滿足國家能源安全的需要,加大國內(nèi)油氣勘探與開發(fā)變得尤為重要[1]。目前,如頁巖、碳酸鹽巖、致密砂巖等非常規(guī)儲層成為油田勘探與開發(fā)的核心[2]。但是,非常規(guī)儲層巖石結構與巖性復雜、物性變化大、非均質性強,常規(guī)物理實驗無法對儲層微觀參數(shù)進行定量研究,不利于后續(xù)巖石宏觀物理屬性的研究[3-4]。

國外數(shù)字巖心的發(fā)展起源于滲流機理模擬。反映巖石微觀結構的孔隙模型由1956年FATT提出的毛細管模型逐漸發(fā)展到隨機孔隙網(wǎng)絡模型,再發(fā)展到數(shù)字巖心模型[5]。這些巖石微觀模型經(jīng)歷了由簡單到復雜的發(fā)展過程,經(jīng)過不斷地發(fā)展完善逐漸接近巖石的真實微觀結構?；谌S數(shù)字巖心的巖石物理數(shù)值模擬稱之為數(shù)字巖石物理實驗[6]。經(jīng)過十幾年的研究與發(fā)展,初步形成一套完整的數(shù)字巖心數(shù)據(jù)處理及模擬分析軟件,該軟件可進行CT圖像處理、過程法建模、模擬退火建模、孔隙網(wǎng)絡分析、驅替模擬、電性模擬、彈性模擬、多尺度數(shù)字巖心存儲、滲流模擬以及核磁模擬等。

由于數(shù)字巖心技術對地層參數(shù)受采集到的離散巖心的限制,井筒的尺寸與單個巖心的尺寸存在較大差異,因此無法在井筒尺度下獲得不同深度的連續(xù)性參數(shù)[7]。目前,關于數(shù)字井筒研究較少,“數(shù)字井筒”概念最早由國外研究中心ZHANG等[8]提出。該團隊通過融合微米分辨率的巖心CT數(shù)據(jù)和毫米分辨率的電成像數(shù)據(jù),形成了較為完整的數(shù)值模擬虛擬巖石構建方法流程。國內(nèi)對數(shù)字井筒的研究還處于起步階段,在已有數(shù)字巖心建模方法的基礎上,借鑒地質建模的研究思路并結合多尺度的數(shù)字巖心建模、測井電成像和常規(guī)測井數(shù)據(jù)等,構建了大尺度的三維數(shù)字井筒模型。

本文分別從模型構建技術與測井實際應用兩方面對數(shù)字巖心和數(shù)字井筒技術研究與應用進展進行介紹?？偨Y單孔隙介質系統(tǒng)、雙孔隙介質系統(tǒng)、多元多孔結構和多尺度融合的數(shù)字巖心建模方法,探討數(shù)字巖心建模在電學特性、聲學特性、滲流特性和核磁共振特性方面的應用并展望了未來發(fā)展前景。

1 數(shù)字巖心建模技術

數(shù)字巖心建模方法分為物理實驗方法、數(shù)值重建方法和組合融合法3類[9-10]。物理實驗方法主要包括序列切片成像法、激光掃描共振聚焦掃描法、X射線CT掃描法等,此類方法是利用高精度實驗儀器(如CT成像掃描儀、掃描電鏡和高倍光學顯微鏡等)獲取巖心的二維圖像后進行三維重建,最終獲得三維數(shù)字巖心[5,9,11]。數(shù)值重建方法包括過程法、多點地質統(tǒng)計法、高斯模擬法、模擬退火法、馬爾可夫鏈蒙特卡洛法和順序指示模擬法等。此類方法通過對巖心二維圖像等少量資料的分析提取建模相關信息,采用重建算法建立數(shù)字巖心[6,9,12-13]。此類方法不僅建模速度快,并且建立的巖心具有良好的孔隙連通性。

數(shù)字巖心建模技術可概括為以下4類針對性技術。

1) 針對致密砂巖和低阻砂巖等單孔隙介質系統(tǒng),常用CT掃描方法[14-15]、CT掃描方法結合壓汞技術和核磁共振技術[16]、順序指示建模方法[17](SISIM)、過程法[18]等進行分析研究。X射線CT掃描技術是研究巖心孔隙結構的主要手段之一,該方法可以較好的表征孔隙喉道特征,但X射線微米CT建立的三維數(shù)字巖心受掃描分辨率的影響,無法準確識別非常規(guī)儲層的連通性和孔隙度,從而導致實驗結果與數(shù)值模擬結果相差較大。雖然納米CT的掃描分辨率在幾十到幾百納米,可以反映出巖石孔隙信息,在一定程度上彌補了X射線微米CT掃描的不足,但是納米CT掃描巖樣的尺寸在幾十微米,掃描巖樣尺寸很小,不僅樣品制備較為困難、掃描費用昂貴,并且對于非均質巖心樣品不具備代表性。為了更好地反映巖心真實的微觀孔隙結構,姜黎明等[16]提出了一種高分辨率三維數(shù)字巖心建模的方法。該方法根據(jù)巖心的核磁與壓汞曲線獲得巖心孔隙喉道分布,構建隨機孔隙網(wǎng)絡模型,離散化后與X射線CT數(shù)字巖心多尺度融合得到高分辨率三維數(shù)字巖心。

2) 針對碳酸鹽巖、火成巖和變質巖等裂縫性儲層雙孔隙介質系統(tǒng),裂縫發(fā)育段取心代表性差和無法取心的困難,發(fā)展了裂縫網(wǎng)絡施加技術。2014年,張麗艷等[19]提出將基質數(shù)字巖心與三維裂縫網(wǎng)絡疊加的裂縫網(wǎng)絡三維數(shù)字巖心建模方法(圖1)。該方法基于CT掃描或數(shù)值的方法建立三維數(shù)字巖心,利用隨機方法建立分形離散裂縫網(wǎng)絡并將其離散化后與基質數(shù)字巖心逐個體素疊加,最終建立裂縫網(wǎng)絡數(shù)字巖心[19]。

圖1 裂縫網(wǎng)絡三維數(shù)字巖心構建方法[19]

3) 針對頁巖特殊的多元多孔結構特征,且孔隙很小,以納米級孔隙為主,而普通的X射線CT掃描儀的分辨率通常為微米級,難以反映頁巖納米級孔喉的分布[20],泥頁巖儲層常用聚焦電子-離子雙束掃描電鏡(FIB-SEM)方法進行分析[21]。FIB-SEM屬于雙束系統(tǒng)[18]。典型的雙束系統(tǒng)是由一道垂直的電子束與一道傾斜的離子束組成。FIB-SEM首先用FIB磨削一個溝槽,對溝槽表面用SEM成像,然后用FIB移除一定厚度的薄層,接著再用SEM成像,重復這個過程直到產(chǎn)生一系列連貫的SEM圖像。FIB-SEM方法步驟為:①FIB-SEM圖像掃描;②對圖像進行濾波處理;③圖像配準;④角度矯正;⑤陰影矯正;⑥三維重建。孫亮等[22]利用FIB-SEM三維成像表征技術和數(shù)字巖心技術,進行連通域檢測、連通域形態(tài)分析、連通域分類、量化連通性參數(shù)及聯(lián)通數(shù)字模型提取等。趙巖龍等[21]對頁巖進行FIB-SEM掃描圖像,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡分割法、改進的四參數(shù)隨機生長法(QSGS)和二維布朗運動模型構建了具有裂縫-基質孔隙雙重介質的三維數(shù)字巖心。

4) 多尺度融合處理分析。目前,數(shù)字巖心的構建研究較多的是對巖心孔隙的構建,單一分辨率的數(shù)字巖心模型無法完整描述巖心不同尺度結構信息,需要綜合多種尺度的信息對巖心結構進行描述。2013年,KHALILI等[23]進行了碳酸鹽巖的多尺度成像和升尺度模擬。JIANG等[24]將不同尺度孔隙網(wǎng)絡集成到一個包含所有尺度的單一網(wǎng)絡中,揭示了多尺度孔隙系統(tǒng)對巖石微觀滲流特性的影響。王晨晨等[25]利用圖像疊加的方法構建了雙孔隙的碳酸鹽巖數(shù)字巖心模型。GERKE等[26]提出一種能夠將多尺度空間信息融合的通用技術,并用隨機生成的二維圖像重構出二維多尺度頁巖圖像。2017年,崔利凱等[27]通過礦物和CT掃描實驗結合,利用圖像配準方法將不同分辨率下的巖心掃描圖像進行空間配準,按照分辨率從高到低的順序進行孔隙分割及骨架礦物分割,構建了多尺度多組分數(shù)字巖心模型(圖2)。LIU等[28]使用CT,Energy Dispersive SEM和SEM images tiles(MAPS)技術,研究了從厘米級到納米級的孔隙結構,應用圖像配準、分割和聚類標記算法構建了多礦物組分數(shù)字巖心;CUI等[29]通過對不同分辨率的砂巖巖心圖像進行配準和跨尺度關聯(lián)分割,構建了砂巖的多尺度多組分數(shù)字巖心。近年來,深度學習方法已被運用到多尺度數(shù)字巖心建模[30],例如CT圖像的超分辨率技術。超分辨率卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(SRCNN)[31],增強深度超分網(wǎng)絡(EDSR)[32],以及超分辨率生成對抗網(wǎng)絡(SRGAN)[33],循環(huán)生成對抗網(wǎng)絡(CycleGAN)[34]被用來提升CT圖像的分辨率,由此可進一步構建同時具備大視域和高分辨率的多尺度數(shù)字巖心。

圖2 砂巖樣品多尺度多組分數(shù)字巖心模型[27]

2 數(shù)字巖石物理及應用進展

2.1 電性模擬及應用

電性不僅取決于孔隙空間中的流體分布和流體性質,還取決于巖石微觀結構特征。由于巖石物理實驗無法定量控制、觀察和計算上述微觀因素,因此難以研究微觀因素對電性的影響。數(shù)值模擬在此方面可以起到很好的補充作用。巖石微觀結構描述是巖石物理數(shù)值模擬的基礎,決定了數(shù)值模擬的精度。利用數(shù)字巖心進行巖石導電特性的數(shù)值模擬有孔隙網(wǎng)絡模型、基爾霍夫節(jié)點電壓法、格子玻爾茲曼法[35]和有限元法[36]等?；跀?shù)字巖心建?？煽疾焖ず穸?、潤濕性、微孔隙、泥質、導電礦物、地層水礦化度等微觀電性的影響[37]。

LIU等[38]利用數(shù)學形態(tài)中的開運算模擬了巖石的油水驅替過程,以及不同含水飽和度下油水在孔隙空間的分布(圖3)。利用數(shù)值形態(tài)學算法確定不同含水飽和度的流體分布后,再用有限元法計算巖石的電阻率,為巖石電性數(shù)值模擬提供一種新方法。聶昕等[36]將碳酸鹽巖中各種寬度與角度不同的裂縫加入分形布朗運動算法中結合X-CT掃描構建了含有裂縫的三維數(shù)字巖心模型,利用數(shù)學形態(tài)法對油水分布進行模擬,同時利用有限元法模擬其導電性,研究了裂縫寬度對地層因素、電阻率增大系數(shù)影響以及裂縫角度對儲層導電的影響。ZHAO等[39-40]在三維數(shù)字巖心的基礎上結合有限元法探究裂縫寬度和裂縫角度對電性的影響規(guī)律以及電性各向異性特征,并探究層狀砂泥巖數(shù)字巖心的電性特征。DONG等[41]利用分布數(shù)值模擬方法構建了水合物數(shù)字巖心模型,該模型能夠有效反映出水合物的分布特征和電阻率特征。

圖3 不同含水飽和度下水濕巖石的流體分布

2.2 飽和度模擬及應用

阿爾奇飽和度模型是目前最常用的飽和度模型,它將孔隙度測井與電阻率測井兩大方法聯(lián)系起來。但是,隨著油田開發(fā),近年來低孔隙度、低滲透率儲層以及致密儲層均存在非阿爾奇現(xiàn)象,為克服該問題,孫建孟等[42]提出了一種三組分自動混聯(lián)導電飽和度模型(圖4)的建立方法。該方法突破以往含水飽和度側重并聯(lián)導電的思維,提出巖石中同時存在串聯(lián)和并聯(lián),并且是自動耦合導電,更加接近于實際,有效避免了非阿爾奇現(xiàn)象造成含水飽和度計算不準的現(xiàn)象[42-43]。

圖4 3組分自動混聯(lián)導電模型等效的物理模型[42]

針對砂泥巖薄互層內(nèi)部沉積結構特征,將儲層看作多個不同巖性薄層交互分布的層狀介質,考慮層間耦合與層內(nèi)泥質的共同導電效應,張晉言等[12,44]提出一種橫向、縱向雙“泥質指示因子”導電等效模型,由此建立砂泥巖薄互層飽和度計算模型(圖5)。該模型更加接近巖石的真實導電情況,有效解決了砂泥巖薄互層特征造成含水飽和度計算不準確的問題。

2.3 彈性模擬及應用

巖石的彈性模量受顆粒形狀、顆粒分選性、壓實作用、膠結作用、裂縫、孔隙流體等微觀因素的影響。巖石彈性模量微觀數(shù)值模擬方法有聲格子方法、有限元方法和旋轉交錯網(wǎng)格有限差分方法等[10]。巖石的微觀結構可以從數(shù)字巖心模型中得到。根據(jù)各分量的體積模量和剪切模量,可以采用基于三維數(shù)字巖心模型的有限元法計算出巖石的彈性模量。對于給定的數(shù)字巖心模型,沿主應力方向和切應力方向施加宏觀應力,利用快速共軛梯度法使系統(tǒng)中的彈性自由能En最小以此來求得所產(chǎn)生應變的平均應力,最終得到三維數(shù)字巖心的有效彈性模量[45]。2012年,姜黎明等[46]基于有限元法研究了縱橫波速度、拉梅常數(shù)、泊松比、彈性模量隨含水飽和度的變化規(guī)律。2015年,趙建鵬[47]利用有限元法計算了裂縫性巖心和層狀巖心的彈性特征。2020年,孫建孟等[29]基于多尺度、多組分數(shù)字巖心模型結合有限元法和等效介質理論計算了單相流體飽和巖石與雙相流體飽和巖石在細尺度和粗尺度下的彈性參數(shù),將數(shù)字巖心的應用從毫米級擴展到了厘米級。圖6為單相流體飽和情況下,利用有限元模擬數(shù)字巖心的體積模量和剪切模量與實驗結果對比。ANDHUMOUDINE等[48]基于數(shù)字巖心和有限元方法得到了煤的有效彈性模量。

目前基于數(shù)字巖心的彈性等效建模多集中于靜態(tài)模量數(shù)值模擬,該方法屬于間接類方法,適用于砂巖等組分單一、較為均勻的巖石樣本。對于復雜的非均質巖石樣本則應來用動態(tài)模量數(shù)值模擬方法,此類方法屬于直接類方法。基于數(shù)字巖心中波的傳播響應特征的動態(tài)模量等效數(shù)值模擬方法可直接求取彈性參數(shù)。數(shù)值模擬一般使用有限元方法,其步驟可概括為前處理、單元分析、施加邊界條件、方程求解和后處理5個方面。SAENGER等[49]提出了波動方程旋轉交錯網(wǎng)格計算隨機裂縫介質的彈性參數(shù),并在砂巖的數(shù)字巖心建模的基礎上詳細比較了動、靜態(tài)兩種方法彈性等效數(shù)值建模結構[50],提出動態(tài)方法考慮了波傳播時引起的流動效應及其對有效彈性參數(shù)的影響[51]。簡世凱等[52]利用礦物組分等效模量法計算各類礦物的彈性模量并采用不分裂卷積完全匹配層(CPML)旋轉交錯網(wǎng)格有限差分法模擬不同壓力下彈性波在數(shù)字巖心中的傳播,以未加壓的數(shù)字巖心為參考模型,計算不同壓力下彈性波走時的平均時間差,進而估算出各壓力點的數(shù)字巖心等效速度。朱偉等[53-54]將本構方程與運動方程結合構成二階位移-應力格式的波動方程,在設定周期性邊界條件下利用二階旋轉交錯網(wǎng)格有限差分方法求解波動方程中位移、速度、應變、應力參數(shù),即分別求解網(wǎng)格內(nèi)對角線和坐標方向的差分,獲取網(wǎng)格中心位置的差分,可計算網(wǎng)格中心位置的應變和應變率,此外利用本構方程可求解網(wǎng)格中心位置的應變。通過計算模擬過程中獲取的應力率和應變率的傅里葉變換比值來獲取復縱波模量進一步獲得縱波速度和逆品質因子,同時還提出了基于數(shù)字巖心的寬頻帶動態(tài)應力應變模擬方法來表征復雜非均質含裂縫致密巖石跨頻段擠噴流效應引起的速度頻散與衰減特性,利用數(shù)值模擬表述了控制擠噴流效應的主控因素,同時計算了非均勻含流體多孔巖石發(fā)生周期性拉伸應變的位移場和孔隙壓力增量場。龍騰等[55]利用跨頻段的巖石物理實驗對不同孔隙類型的碳酸鹽巖樣品進行測量,建立可解釋裂縫型、孔洞型、裂縫-孔隙型的碳酸鹽巖在測量頻段的頻散。類似地,電性也可進行動態(tài)特性分析,由此可深入研究聲電頻散現(xiàn)象,這方面研究國內(nèi)還處于起步階段。

2.4 滲透率模擬及應用

在儲層評價中滲透率是非常重要的參數(shù)之一。井的數(shù)量、井間距的確定和地面油管設施的設計都離不開滲透率的準確獲取[56]。但滲透率參數(shù)無法通過測井直接獲取且難以計算,尤其是對于孔隙結構多樣、非均質性強等復雜儲層條件下,獲取準確的滲透率尤為困難。儲層類型不同,滲透率模型也存在差異。數(shù)字巖心可以獲取巖石的微觀結構,為滲透率的準確計算提供了可能。基于數(shù)字巖心獲取微觀孔隙空間的孔隙網(wǎng)絡模型可對孔隙結構進行定量表征。閆國亮[57]構建了三維裂縫網(wǎng)絡數(shù)字模型,在此基礎上,采用孔隙級流動模擬理論方法進行微觀滲流模擬,分別探究了孔隙結構、巖石骨架性質和裂縫性質對絕對滲透率和相對滲透率的影響規(guī)律,此外,還分別研究了配位數(shù)、孔隙半徑、孔喉形狀因子、孔喉半徑和喉道半徑對絕對滲透率和相對滲透率的影響。黃宏等[58]針對碳酸鹽巖儲層的特點,通過數(shù)字巖心實驗以及壓汞、核磁共振等配套的巖石物理實驗建立了基于多重孔隙耦合作用的滲透率計算的新模型。隋微波等[59]在數(shù)字建模的基礎上分別利用N-S方法與孔隙網(wǎng)絡模型法計算巖石的絕對滲透率。

基于數(shù)字巖心的兩相滲流模擬最早是基于孔隙網(wǎng)絡模型[60]。近年來,基于格子玻爾茲曼方法[61]、通過數(shù)值方法求解N-S方程模擬方法[62]、界面追蹤方法[63]等兩相滲流方法迅速發(fā)展。界面追蹤法包括水平集法[64-65]、相場法[63]和流體體積法[66]。趙玉龍等[64]在數(shù)字巖心的基礎上,提取連通孔隙結構并建立非結構化四面體網(wǎng)絡模型,結合水平集法與N-S方程,建立低滲砂巖中氣水兩相流模型,結合有限元法求解氣水驅替過程中兩相數(shù)字模型,研究低滲砂巖氣水兩相流動中的水驅氣過程、殘余氣分布特征、潤濕性對兩相流的影響以及并聯(lián)通管道中的竄流特征。

2.5 核磁響應模擬及應用

核磁共振實驗是無損檢測巖石物性和含油特征的重要手段。通過利用氫原子核與磁場相互作用發(fā)生共振測量巖石孔隙流體的核磁弛豫特性提供有關巖石孔隙度及其分布、滲透率、流體性質及含量等信息[67]。目前,隨機行走算法用于核磁共振T2譜的微觀尺度模擬,該算法是通過模擬粒子的隨機行走獲得磁化強度衰減曲線,然后再通過解譜方法最終得到核磁共振T2譜。閆偉超等[68]基于數(shù)字巖心技術,并根據(jù)核磁共振弛豫基質提出一種估算砂巖核磁共振橫向弛豫(T2)譜的新方法。該方法有助于研究粒度分布、孔隙結構等對巖石核磁共振的影響。TAN等[69]進行了一維核磁共振和二維核磁共振數(shù)值模擬研究,并探究了不同壓實程度和不同含水飽和度條件下核磁共振微觀響應。張少華等[70]對復雜油水層開展了核磁共振長短等待時間(雙TW)觀測模式下飽含油水儲層的弛豫機理研究,推導出雙TW下回波串差與流體體積及其弛豫性質的理論公式,并利用遺傳算法進行非線性反演,而后得到儲層中流體的橫縱向弛豫時間,基于反演結果最終計算得到?jīng)_洗帶含油體積和含油飽和度。

二維核磁共振(2DNMR)是在對橫向弛豫時間觀測的基礎上對橫向弛豫時間T1、流體擴散系數(shù)D、內(nèi)部磁場梯度G等參數(shù)進行觀測[71]。在核磁測井中,由于巖石骨架與孔隙之間磁化率不同會在孔隙空間產(chǎn)生內(nèi)部磁場梯度,導致孔隙流體的核磁共振橫向弛豫產(chǎn)生額外的擴散弛豫,加速回波串的衰減。傅少慶等[72]提出一種基于二維核磁共振方法(T2int,D)計算飽和油水兩相流體孔隙介質中內(nèi)部磁場梯度;謝然紅等[73-74]利用隨機游走方法結合多回波串聯(lián)合反演方法反演獲得了砂巖的D-T2分布和T1-T2分布并研究致密砂巖儲層中的受限擴散現(xiàn)象。譚茂金等[71]針對梯度場下的二維核磁共振測井弛豫機理和數(shù)學模型,提出基于非負最小二乘法(LSQR)和截斷奇異值分解法(TSVD)的混合算法。胡法龍等[75]利用多回波聯(lián)合反演技術獲得孔隙流體弛豫-擴散的二維核磁共振信息,用以識別復雜儲集層流體性質。

3 數(shù)字井筒構建及應用進展

數(shù)字巖心技術的建模和數(shù)值模擬多集中在微米級甚者納米級,探索微觀尺度下的巖石物理屬性,不能有效地解釋宏觀因素(巖石結構、層理、裂縫等)對巖石物理屬性的影響規(guī)律?；跀?shù)字巖心建模在國內(nèi)首次構建了百米連續(xù)組分的三維數(shù)字井筒,首創(chuàng)了基于數(shù)字井筒三維數(shù)據(jù)體的測井響應機理模擬分析方法,為儲層參數(shù)精細評價、疑難儲層診斷提供新技術手段。三維數(shù)字井筒構建步驟[7,76]為:①巖相劃分,通過目標井電成像圖像的巖心觀察分析并結合測井解釋結論獲得研究區(qū)域的分層、裂縫、巖相劃分等資料;②電成像圖像空白帶填充,應用多點地質統(tǒng)計學Filtersim算法對電成像圖像空白帶進行填充,形成完整的井壁圖像;③電成像刻度為孔隙度圖像,依據(jù)阿爾奇公式,將經(jīng)過淺側向電阻率標定的電成像電阻率轉換成視孔隙度,經(jīng)孔隙度刻度后統(tǒng)計孔隙度頻率,可以生成井周視孔隙度譜;④二維電成像圖像調整為三維柱面,以雙井徑作為井筒控制參數(shù)將二維電成像孔隙度圖像卷成三維柱面,其尺度和井眼尺度相匹配;⑤利用多點統(tǒng)計Snesim算法,構建所選巖相的數(shù)字地層;⑥鉆取與測井深度相匹配的三維數(shù)字井筒。

3.1 數(shù)字井筒孔隙度及礦物模型構建

肖飛等[6]在精細劃分地層的基礎上構建了整體井筒的幾何模型。該數(shù)字井筒模型為規(guī)則的體素模型,并將網(wǎng)格劃分、體素分辨率及電成像分辨率三者一致。具體方法為:結合多尺度數(shù)字巖心和孔隙度分布數(shù)據(jù),利用Filterism算法構建每一層數(shù)字巖心孔隙度模型。將多尺度數(shù)字巖心模型作為訓練圖像,卷成柱面的孔隙度二維圖像作為硬數(shù)據(jù),測井孔隙度曲線為軟數(shù)據(jù),以此約束每一層的孔隙度分布。最后,將礦物組分平均值與地層元素測井礦物曲線吻合,得到如圖7所示的孔隙度以及黏土、石英、長石和重礦物的數(shù)字井筒模型。

圖7 數(shù)字井筒孔隙度及礦物模型

3.2 數(shù)字井筒彈性參數(shù)模擬

在多尺度[77]多組分數(shù)字巖心模型的基礎上,利用彈性模量升尺度的方法,通過逐級模擬,可以最終得到全直徑巖心對應的大尺度數(shù)字巖心的彈性模量取值函數(shù),將此取值函數(shù)作為數(shù)字井筒模型中彈性模量取值的依據(jù)。根據(jù)數(shù)字井筒模型中組分的含量,利用微分等效介質模型(DEM)約束法迭代求解得到最終的彈性模量。圖8是數(shù)字井筒彈性模量分布。

3.3 基于三維數(shù)字井筒的電阻率模擬

巖心電阻率受孔隙度、孔隙結構、地層水礦化度、含水飽和度和泥質含量等眾多因素的影響[78],基于三維數(shù)字井筒的構建可以用來進行電性模擬。數(shù)字地層/數(shù)字井筒電阻率模擬包括基于規(guī)則網(wǎng)格的有限元模擬和基于非規(guī)則網(wǎng)格的物理場模擬。

圖9是在多尺度多組分數(shù)字巖心建模的基礎上,利用電阻率升尺度的方法,基于多尺度多組分數(shù)字巖心,通過逐級模擬,確定膠結指數(shù)m的擬合公式,根據(jù)數(shù)字井筒組分模型,最終求取數(shù)字井筒膠結指數(shù)和電阻率分布。膠結指數(shù)接近于2,整體電阻率較小。

3.4 基于數(shù)字井筒研究地層巖石滲流特性

從宏觀物理屬性來看,地層巖石的滲流特性包含絕對滲透率和相對滲透率等參數(shù),其中絕對滲透率決定產(chǎn)液量,相滲透率則反映產(chǎn)業(yè)性質[7]。目前可基于數(shù)字井筒、巖石物理實驗、數(shù)字巖心數(shù)值模擬、核磁共振等方法對地層巖石的滲流特性進行模擬。閆偉超等[7]利用前面所提到的構建數(shù)字井筒的方法構建了三維數(shù)字井筒并以北部灣盆地A井為例對其進行絕對滲透率和相對滲透率的模擬和驗證。

絕對滲透率的模擬步驟為:①構建三維數(shù)字井筒,得到井筒周圍地層孔隙度的三維空間分布;②基于孔隙度與滲透率的關系,構建三維數(shù)字井筒滲透率空間分布;③利用有限單元法獲取連續(xù)深度的滲透率結果。圖10為基于三維數(shù)字井筒所計算的滲透率空間分布。

圖10 基于三維數(shù)字井筒所計算的滲透率空間分布(1mD≈0.987×10-3μm2)

相對滲透率的模擬步驟為:①構建三維數(shù)字井筒;②基于壓汞和核磁共振T2譜建立孔隙度-孔喉半徑平均值相關關系;③將步驟②建立的關系應用到三維數(shù)字井筒中以此得到孔喉半徑均值的三維空間分布,如圖11所示。

圖11 孔喉半徑均值的三維空間分布[7]

3.5 數(shù)字井筒與數(shù)字油田的融合

肖飛等[6]提出數(shù)字巖石概念,以高分辨率的數(shù)字巖心和多尺度數(shù)字巖心技術為基礎,將數(shù)字巖石的發(fā)展分為3個階段,即數(shù)字井筒、井周數(shù)字巖石和數(shù)字地層。此外,近年來國內(nèi)外都在大力開展以數(shù)字油藏、數(shù)字井筒和數(shù)字地面為主的數(shù)字油田建設[79]。其中,三維數(shù)字井筒技術是一種通過模擬較長深度來反映井周孔隙度連續(xù)變化的方法[7]。數(shù)字井筒通過對井筒數(shù)據(jù)集中、井筒數(shù)據(jù)可視化、綜合化的應用為各級用戶構建實時、立體、綜合的井筒數(shù)據(jù)應用環(huán)境,以此來提升油氣田油氣藏及開發(fā)生產(chǎn)的研究及運行[79]。數(shù)字井筒系統(tǒng)構架(圖12)包括數(shù)據(jù)層、服務層、管理層、應用層[79]。主要闡述數(shù)字井筒在應用層的使用,通過構建多尺度數(shù)字巖心模型結合電成像、地層元素等測井資料相關信息構建數(shù)字井筒。

圖12 數(shù)字井筒整體架構設計[79]

4 測井發(fā)展展望

數(shù)字巖心到數(shù)字井筒再到數(shù)字油藏是伴隨計算機技術發(fā)展的必由之路,現(xiàn)階段仍有許多問題亟需攻關研究。從應用潛力看以下幾方面值得關注和深入研究。

1) 多尺度、多組分數(shù)字巖心模型可以進行物性參數(shù)(孔隙度、滲透率)、巖電參數(shù)、孔隙結構微尺度參數(shù)、兩相流流動特性等模擬,數(shù)字巖心在測井領域將會發(fā)揮越來越重要的作用。在未來有望取代物性實驗、巖電實驗、孔隙結構實驗、相滲實驗等部分巖石物理實驗。

2) 通過元素測井、電成像測井和核磁測井等結合建立三維數(shù)字井筒,并將大數(shù)據(jù)、機器學習等應用于數(shù)字巖心和數(shù)字井筒的構建,實現(xiàn)微觀尺度數(shù)字巖心模擬分析、跨尺度巖石物理實驗、基于數(shù)字井筒的聲電測井響應機理模擬研究,提高精度和時效,形成虛擬測井,通過結合多種巖石物理模擬實驗,進一步對地層有效性、非均質性、可壓裂性提供指導和應用。

3) 開展微觀尺度數(shù)字巖心模擬分析、跨尺度巖石物理實驗、基于數(shù)字井筒的聲電測井響應機理模擬研究,通過結合巖石可壓裂性動態(tài)觀測的物理實驗和模擬實驗,為儲層參數(shù)精細評價、可壓裂性評估、流體性質診斷提供新的技術支持。

4) 結合大尺度資料,精細刻畫區(qū)塊三維地質模型將成為數(shù)字巖心發(fā)展的方向。以數(shù)值模擬技術為核心,結合巖心分析化驗、錄井、測井和地質等多尺度儲層信息,建立數(shù)字巖心、數(shù)字井筒,形成以井筒為中心的全尺度數(shù)字化三維模型,全面實現(xiàn)宏尺度、微尺度兩大類儲層質量參數(shù)及流體空間分布的精細描述,實現(xiàn)儲層透明化。

5) 到目前為止,全直徑雙能CT能夠實現(xiàn)全井巖心的連續(xù)掃描,可以得到一條原子序數(shù)曲線,該曲線可以與測井曲線光電吸收截面指數(shù)PE完全對應起來。雙能CT可將數(shù)字巖心與測井曲線相關聯(lián),可對地層非均質的評價以及儲集類型的劃分實現(xiàn)從微觀到宏觀的跨越,該測試方式未來在國內(nèi)將會得到普及。

6) 彈性波在含流體非均勻孔隙介質中傳播時會發(fā)生速度頻散和能量衰減,在數(shù)字巖心建模的基礎上利用動態(tài)應力應變模擬方法開展動態(tài)應力-應變模擬研究、并研究裂縫中噴射流效應所引起的頻散和衰減的各向異性、數(shù)字巖心內(nèi)部的位移場、孔隙壓力的空間和時間變化以及分析頻散和裂縫扁率、頻散與流體粘滯系數(shù)的關系等。建立新的數(shù)字巖心動態(tài)應力-應變模擬方法還處于快速發(fā)展階段。該方法對地震勘探、聲波測井和巖心測試資料的解釋提供了幫助,對油氣藏的開發(fā)具有重要意義。同時,巖石存在電頻散現(xiàn)象,目前在數(shù)字巖心建模的基礎上主要研究其電阻率特性,尚未開展導電頻散特性和介電頻散特性的研究,預期在聲電頻散方面將成為新的研究熱點。

5 結束語

數(shù)字巖心技術將是巖石物理實驗的重要補充和發(fā)展,是大數(shù)據(jù)時代的必然。近期在以下幾方面會取得快速發(fā)展:①困難條件下(頁巖油氣、疏松砂巖、裂縫發(fā)育碳酸巖)替代部分巖石物理實驗;②多物理場響應機理分析推動測井學科發(fā)展,開展多物理場仿真實驗,重新認識多物理場響應機理,構建新的測井解釋模型、確定儲層有效性界限,制作分類圖版輔助地球物理測井解釋;③數(shù)字井筒仿真模擬,開展疑難油氣水層診斷,建立油氣水層判識標準和圖版;開展測井儀器仿真,優(yōu)化結構參數(shù)設計,改進儀器研發(fā)方案;可壓裂性動態(tài)觀測模擬,預測壓裂前后產(chǎn)能等;④數(shù)字井筒實現(xiàn)透明儲層延伸到地質油藏模型,以數(shù)值模擬技術為核心,綜合巖心分析化驗、錄井、測井、地質等多尺度儲層信息,建立數(shù)字巖心、數(shù)字井筒,形成以井筒為中心的全尺度數(shù)字化三維模型,全面實現(xiàn)宏尺度、微尺度、滲流三大類儲層質量參數(shù)及流體空間分布的精細描述,實現(xiàn)儲層透明化,延伸到地質與油藏模型,最終發(fā)展建立起一門新的學科——大數(shù)據(jù)時代數(shù)字巖石物理學。