肖飛,李戈理,陳玉林,楊智新,陸艷萍,王茜瑜

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井應(yīng)用研究院,陜西西安710077)

0 引 言

隨著勘探開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)逐步向低滲透、致密、頁(yè)巖等復(fù)雜儲(chǔ)層轉(zhuǎn)移[1],巖石物理機(jī)理研究對(duì)提高解釋符合率、開(kāi)發(fā)效率及甜點(diǎn)識(shí)別能力日趨重要。在取心或驅(qū)替困難、微觀物理屬性為重點(diǎn)研究對(duì)象的儲(chǔ)層,基于數(shù)字巖心的巖石物理機(jī)理研究需求越來(lái)越多。因此,數(shù)字巖心建模及巖石物理屬性數(shù)值模擬技術(shù)[2-5]的發(fā)展對(duì)非常規(guī)及復(fù)雜儲(chǔ)層的研究至關(guān)重要。數(shù)字巖心分析技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的巖石物理實(shí)驗(yàn)相比具有效率高、可重復(fù)使用、便于研究單一微觀因素的響應(yīng)規(guī)律等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)數(shù)字巖心在應(yīng)用中仍存在一些無(wú)法克服的問(wèn)題,需要通過(guò)進(jìn)一步發(fā)展。據(jù)此,本文提出數(shù)字巖石概念,將數(shù)字巖石的發(fā)展分為數(shù)字井筒、井周數(shù)字巖石和數(shù)字地層3個(gè)階段,以致密砂巖為例,介紹數(shù)字井筒的構(gòu)建方法,并講述各個(gè)階段數(shù)字巖石的應(yīng)用前景。

1 數(shù)字巖心建模現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

目前數(shù)字巖心建模主要有2類方法[6-8]:①基于CT掃描構(gòu)建數(shù)字巖心,該方法能很好地表征孔隙喉道特征,但是無(wú)法識(shí)別小于儀器分辨率的小孔隙及喉道;②以二維圖像為基礎(chǔ)用數(shù)值重建方法構(gòu)建數(shù)字巖心,具體可分為過(guò)程模擬法、多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法、順序指示模擬法、模擬退火法、高斯模擬法、馬爾可夫重建法[9-14],具有代表性的是過(guò)程模擬法和多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法。過(guò)程模擬法是以巖石顆粒粒度分布為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),模擬地質(zhì)成因過(guò)程,通過(guò)對(duì)顆粒的沉積過(guò)程及壓實(shí)作用、成巖作用進(jìn)行模擬建立數(shù)字巖心。該方法優(yōu)點(diǎn)是可人為控制數(shù)字巖心的孔隙結(jié)構(gòu)和骨架粒度分布,便于巖石物理機(jī)理研究,缺點(diǎn)是只適應(yīng)較簡(jiǎn)單的成巖過(guò)程,無(wú)法模擬復(fù)雜孔隙系統(tǒng)的成巖過(guò)程。多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)法主要解決儲(chǔ)層建模中沉積相特別是河道的連續(xù)性問(wèn)題[15-16],以二維圖像訓(xùn)練為基礎(chǔ),通過(guò)建立搜索樹(shù)、選取硬數(shù)據(jù)、隨機(jī)模擬、更新條件數(shù)據(jù)及建立條件數(shù)據(jù)集實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字巖心構(gòu)建。該方法優(yōu)點(diǎn)是以掃描電鏡為基礎(chǔ),其分辨率比CT掃描高,可表征復(fù)雜儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)及幾何形態(tài),缺點(diǎn)是樣品尺寸比CT掃描更小,難以確定選取的訓(xùn)練圖像是否具有代表性。

數(shù)字巖心在應(yīng)用中存在的問(wèn)題主要在3方面:①儀器分辨率與樣品尺寸相互矛盾,單一分辨率的數(shù)字巖心難以兼顧樣品尺寸與分辨率的需求;②在非均質(zhì)地層尺度效應(yīng)明顯、宏觀傳導(dǎo)性不強(qiáng),代表性樣品難選,后續(xù)的物理屬性模擬代表性較差;③實(shí)際應(yīng)用局限性較大,現(xiàn)有的數(shù)字巖心研究對(duì)象局限于柱塞樣品及以下尺度巖心,主要用于微觀機(jī)理研究,與工程施工、測(cè)井儀器仿真、生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)合性較差。所以,建立測(cè)井尺度及以上的數(shù)字巖心尤為重要。

2 數(shù)字巖石構(gòu)建方法探索

2.1 數(shù)字巖石構(gòu)建技術(shù)

針對(duì)上述問(wèn)題,提出數(shù)字巖石概念,以高分辨率數(shù)字巖心和多尺度數(shù)字巖心技術(shù)為基礎(chǔ),將數(shù)字巖石的發(fā)展分為3個(gè)階段:數(shù)字井筒、井周數(shù)字巖石、數(shù)字地層。首先,針對(duì)8 in(1)非法定計(jì)量單位,1 in=25.4 mm,下同井眼,構(gòu)建直徑約0.25 m的數(shù)字井筒,獲取這個(gè)范圍內(nèi)的巖屑錄井信息,加上井壁取心可以獲取約5 cm的巖心,可以得到徑向直徑為25 cm的巖石信息。其次,構(gòu)建直徑為6 m的井周數(shù)字巖石,由于大部分測(cè)井儀器的探測(cè)深度(半徑)都小于3 m,這個(gè)尺寸的數(shù)字巖石是儀器仿真的理想工程尺度。最后,構(gòu)建直徑約300 m的數(shù)字地層,由于單井的采油泄油最大半徑約150 m,水力壓裂縫的延伸長(zhǎng)度最大值約150 m,所以構(gòu)建這個(gè)規(guī)模的數(shù)字地層是研究單井產(chǎn)能、模擬水力壓裂的基礎(chǔ)。

2.2 數(shù)字巖石構(gòu)建方法

通過(guò)不同尺度、不同分辨率的CT/電鏡掃描圖像構(gòu)建多尺度數(shù)字巖心,融合電成像、地層元素等測(cè)井資料信息構(gòu)建數(shù)字井筒,在獲取更多地層徑向變化信息(如遠(yuǎn)探測(cè)聲波測(cè)井、井間地震、地震信息等)的基礎(chǔ)上,向徑向方向擴(kuò)展數(shù)字巖石尺寸,構(gòu)建井周數(shù)字巖石及數(shù)字地層。以致密砂巖的數(shù)字井筒構(gòu)建方法為例,詳述其構(gòu)建過(guò)程。

2.2.1構(gòu)建多尺度數(shù)字巖心

為減小儲(chǔ)層非均質(zhì)性帶來(lái)的誤差,在構(gòu)建數(shù)字井筒前,需先構(gòu)建多尺度數(shù)字巖心,以獲得尺寸盡量大、孔隙及礦物組分分割盡量準(zhǔn)確的三維數(shù)字巖心。將巖樣經(jīng)過(guò)多級(jí)掃描成像、巖心圖像配準(zhǔn)及不同分辨率灰度圖像關(guān)聯(lián)分割步驟得到多尺度數(shù)字巖心。取直徑為2.54 cm的標(biāo)準(zhǔn)柱樣進(jìn)行低分辨率(14 μm)CT掃描,再?gòu)臉?biāo)準(zhǔn)樣中鉆取直徑為5 mm的小樣進(jìn)行高分辨率(3 μm)CT掃描,得到2種不同尺度、不同分辨率的CT圖像數(shù)據(jù)。對(duì)于低滲透致密砂巖儲(chǔ)層,可動(dòng)流體與束縛流體的孔喉半徑界限為0.1 μm,用微米CT不能識(shí)別微孔隙及喉道,還需在巖樣上進(jìn)行分辨率為50 nm寬離子束掃描電鏡成像,共得到3種不同分辨率的樣品數(shù)據(jù)。

為了將不同設(shè)備、不同分辨率的巖心圖像建立聯(lián)系,需保證高分辨率掃描的樣品包含在低分辨率掃描的樣品中,經(jīng)過(guò)圖像特征提取、特征匹配、估計(jì)變換模型參數(shù)、圖像插值和幾何變換[17]實(shí)現(xiàn)基于圖像特征配準(zhǔn),將小尺寸的圖像配位到大尺寸的圖像上,實(shí)現(xiàn)圖像空間位置的一一對(duì)應(yīng),即得到巖心-選定區(qū)域不同分辨率的圖像(見(jiàn)圖1)。

圖1 巖心選定區(qū)域不同分辨率圖像

將高分辨率CT圖像分割,假定分割的孔隙度及礦物組分滿足研究需求,構(gòu)建高分辨率數(shù)字巖心模型。再對(duì)次一級(jí)分辨率的CT掃描圖像進(jìn)行分割,根據(jù)圖像配準(zhǔn)關(guān)系,建立圖像灰度值與孔隙度、礦物含量的定量關(guān)系(見(jiàn)圖2),將關(guān)系曲線外推到全部低分辨率圖像,高分辨率圖像信息升尺度到低分辨率圖像,經(jīng)關(guān)聯(lián)分割得到多尺度數(shù)字巖心(見(jiàn)圖3)。

圖4 電成像圖像轉(zhuǎn)孔隙度分布成果圖

圖2 低分辨率圖像的灰度組分比例分布曲線

圖3 由低分辨率圖像關(guān)聯(lián)分割得到的多尺度數(shù)字巖心

2.2.2計(jì)算孔隙度分布

由于電成像測(cè)井儀器無(wú)法完全覆蓋井壁,在電阻率分布圖像上存在空白帶區(qū)域,采用多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)Filtersim算法[18],以電成像測(cè)井的電阻率動(dòng)態(tài)圖數(shù)據(jù)為訓(xùn)練對(duì)象,對(duì)空白條帶進(jìn)行填充,形成完整的井壁電阻率圖像。

圖4為電成像圖像轉(zhuǎn)孔隙度分布成果圖。利用淺側(cè)向電阻率曲線對(duì)電成像數(shù)據(jù)進(jìn)行刻度,轉(zhuǎn)換為沖洗帶電阻率圖像,再用阿爾奇公式將電阻率轉(zhuǎn)換為視孔隙度。以總孔隙度為約束對(duì)視孔隙度進(jìn)行線性刻度,得到真實(shí)孔隙度值,將電阻率分布轉(zhuǎn)為孔隙度分布圖像,結(jié)合井徑曲線將孔隙度分布卷成柱體。

2.2.3數(shù)字井筒孔隙度及礦物建模

在精細(xì)劃分地層的基礎(chǔ)上,建立整體井筒的幾何模型。所建的數(shù)字井筒模型為規(guī)則的體素模型,網(wǎng)格劃分與體素分辨率一致,體素分辨率與電成像分辨率一致(5 mm)。由于網(wǎng)格尺寸較大,一個(gè)網(wǎng)格可能包含多個(gè)孔隙及多種礦物,所以定義數(shù)字井筒的數(shù)據(jù)架構(gòu)為

f(x,y,z)={φ,Vi}

(1)

式中,f(x,y,z)為三維數(shù)字井筒某一個(gè)體素的數(shù)據(jù)集;x,y,z為三維空間坐標(biāo);φ為孔隙度,%;Vi為第i種礦物組分的含量,%。

結(jié)合多尺度數(shù)字巖心及孔隙度分布數(shù)據(jù),利用多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)中的Filtersim算法構(gòu)建每一層的數(shù)字巖石孔隙度模型。訓(xùn)練圖像來(lái)自多尺度數(shù)字巖心模型,硬數(shù)據(jù)為卷成柱面的孔隙度二維圖像,軟數(shù)據(jù)為測(cè)井孔隙度曲線,用以約束每一層的孔隙度分布。根據(jù)每一體素孔隙度值確定總礦物占比,結(jié)合地層元素測(cè)井解釋結(jié)論,利用最優(yōu)化方法對(duì)各個(gè)礦物占比進(jìn)行調(diào)整,使各礦物組分平均值與地層元素測(cè)井礦物曲線吻合,得到數(shù)字井筒模型(見(jiàn)圖5)。

圖5 數(shù)字井筒孔隙度及礦物模型

圖6 XX井?dāng)?shù)字井筒模型各組分對(duì)比效果圖

2.3 數(shù)字井筒模型精度分析

圖6為XX井1 623～1 627 m井段的數(shù)字井筒模型各組分對(duì)比效果圖,各種組分曲線變化趨勢(shì)與測(cè)井曲線一致性好,相對(duì)誤差在9.00%以下(見(jiàn)表1)。模型孔隙度與測(cè)井孔隙度相對(duì)誤差為1.81%、與實(shí)驗(yàn)室?guī)r心孔隙度相對(duì)差誤為8.75%,其原因是實(shí)驗(yàn)室對(duì)巖樣洗油洗鹽,巖心總孔隙度增大,導(dǎo)致誤差偏大。

表1 XX井?dāng)?shù)字井筒建模誤差分析

3 數(shù)字巖石應(yīng)用前景

(1)基于數(shù)字巖石的物理屬性模擬。由于數(shù)字巖石的每個(gè)體素不再是具體的某一成份,而是多種組分的數(shù)據(jù)集,在模擬巖石物理性質(zhì)時(shí)與常規(guī)數(shù)字巖心方法有所區(qū)別,其關(guān)鍵是要給每個(gè)體素賦值等效物理屬性參數(shù)。在聲、電和滲流性質(zhì)模擬中,需要為每一體素賦值彈性模量、電阻率及滲透率值。先用有限元方法模擬多尺度數(shù)字巖心的屬性參數(shù),建立取值概率函數(shù),再根據(jù)數(shù)字巖石每一體素的組分比例,依照取值概率函數(shù)得到各體素點(diǎn)的屬性參數(shù),最后與常規(guī)數(shù)字巖心方法一致模擬數(shù)字巖石的屬性參數(shù),實(shí)現(xiàn)物理屬性升尺度模擬。模擬的結(jié)果與測(cè)井處理成果曲線對(duì)比,驗(yàn)證升尺度算法的準(zhǔn)確性。

(2)基于數(shù)字巖石的全三維數(shù)字測(cè)井響應(yīng)仿真。把測(cè)井儀器的正演模型放到數(shù)字巖石中進(jìn)行模擬測(cè)井,考慮地層井眼、溫度、壓力、鉆井液侵入等因素,提供盡量真實(shí)的地層環(huán)境,并由真實(shí)測(cè)井曲線校驗(yàn)?zāi)M測(cè)井曲線,可指導(dǎo)已有儀器改進(jìn)及新儀器研發(fā)。仿真的測(cè)井儀器包括聲波、感應(yīng)、側(cè)向、電磁波及核磁共振測(cè)井儀器。

(3)頁(yè)巖儲(chǔ)層巖石物理機(jī)理評(píng)價(jià)。近年來(lái)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)快速發(fā)展,對(duì)其巖石物理機(jī)理評(píng)價(jià)需求迫切?；跀?shù)字巖石可開(kāi)展頁(yè)巖的流體賦存狀態(tài)分析,有機(jī)質(zhì)孔及無(wú)機(jī)質(zhì)孔識(shí)別及定量計(jì)算,含氣量及敏感參數(shù)分析,頁(yè)巖可壓性評(píng)價(jià)及壓后裂縫定量分析。

(4)用井壁取心替代鉆井取心巖石物理實(shí)驗(yàn)?；诰谌⌒募皽y(cè)井資料重構(gòu)數(shù)字巖石,獲取連續(xù)的井筒巖石物理信息,用于巖石物理屬性分析,具有替代全直徑巖心物理分析的潛力。

(5)提高地質(zhì)建模精度。結(jié)合遠(yuǎn)探測(cè)聲波、井間地震等信息構(gòu)建數(shù)字地層,精細(xì)刻畫(huà)地層層界面及橫向變化特征。為水平井井軌跡設(shè)計(jì)提供精細(xì)的地層模型,優(yōu)化井軌跡設(shè)計(jì)參數(shù),提高水平段鉆遇率。

(6)射孔模擬及參數(shù)優(yōu)化?；跀?shù)字巖石所構(gòu)建的含孔隙非均質(zhì)介質(zhì),模擬射孔參數(shù)與產(chǎn)能的關(guān)系,提升射孔機(jī)理認(rèn)識(shí)及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究。如鄭長(zhǎng)建等[19]按照某目標(biāo)區(qū)射孔各參數(shù)對(duì)產(chǎn)能影響的重要程度進(jìn)行排序:孔深、孔密、相位、孔徑。

(7)水力壓裂模擬及參數(shù)優(yōu)化。在非均質(zhì)較強(qiáng)的地層及水平應(yīng)力差較大的情況下,水力壓裂時(shí)容易形成沿最大水平地應(yīng)力方向多點(diǎn)同時(shí)起裂的非對(duì)稱多裂縫系統(tǒng)[20],需進(jìn)行裂縫預(yù)測(cè)及壓裂縫擴(kuò)展規(guī)律研究。數(shù)字巖石可提供與地層實(shí)際相符的環(huán)境,進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合模擬,提高水力壓裂模擬精度。此外,還可模擬裂縫參數(shù)(半縫長(zhǎng)、穿透比、裂縫導(dǎo)流能力)與產(chǎn)量關(guān)系,提供優(yōu)化裂縫參數(shù),指導(dǎo)壓裂施工方案設(shè)計(jì)。

(8)單井產(chǎn)能及采油模擬。將數(shù)字巖石模型與地質(zhì)模型結(jié)合,精細(xì)刻畫(huà)地層非均質(zhì)特征,在認(rèn)清微觀滲流、驅(qū)替機(jī)理的基礎(chǔ)上,研究剩余油分布規(guī)律,可有效提高采油預(yù)測(cè)精度,提高采收率。

4 數(shù)字巖石發(fā)展面臨的難點(diǎn)及對(duì)策

數(shù)字巖石的發(fā)展難點(diǎn)主要體現(xiàn)在有效徑向地層信息獲取、數(shù)字巖石三維體的數(shù)據(jù)量及不同尺度數(shù)據(jù)融合3個(gè)方面:①構(gòu)建的數(shù)字巖石在徑向上超出測(cè)井探測(cè)深度,有效的徑向地層數(shù)據(jù)獲取困難;②隨著數(shù)字巖石構(gòu)建規(guī)模變大,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量龐大,基于有限元方法的數(shù)值模擬對(duì)處理器的運(yùn)算能力考驗(yàn)巨大;③實(shí)驗(yàn)室CT分辨率為納米-微米級(jí),測(cè)井資料分辨率為毫米-厘米級(jí),井間地震及地質(zhì)模型分辨率在米級(jí)以上,數(shù)據(jù)的尺度相差極大,將不同尺度數(shù)據(jù)融合到一起難度很大。

針對(duì)上述難點(diǎn),所采取的技術(shù)對(duì)策:①深入挖掘聲波遠(yuǎn)探測(cè)數(shù)據(jù)得到反映地層變化的信息,結(jié)合井間地震、地質(zhì)構(gòu)造模型及屬性模型信息,實(shí)現(xiàn)多學(xué)科構(gòu)建數(shù)字巖石;②采用多尺度、多分辨率方法,既保證微觀孔喉研究,又能保證宏觀規(guī)律研究,有效降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量,采用CPU-GPU并行計(jì)算,大幅度提高運(yùn)算效率;③采用升尺度方法,將細(xì)尺度的微觀信息轉(zhuǎn)換到粗尺度上等效物理屬性,采用多級(jí)孔隙網(wǎng)格模型,將不同尺度的孔隙和礦物信息耦合,實(shí)現(xiàn)不同尺度信息耦合。

5 結(jié)論與期望

(1)利用不同尺度、不同分辨率圖像數(shù)據(jù)構(gòu)建多尺度數(shù)字巖心,融合電成像、地層元素等測(cè)井資料信息,利用多點(diǎn)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)算法構(gòu)建數(shù)字井筒,并與實(shí)驗(yàn)及測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證模型的可靠性。

(2)隨著數(shù)字巖石構(gòu)建及模擬技術(shù)的不斷完善,從微觀、中觀、宏觀多個(gè)尺度上描述巖石屬性,可定量解析復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)和流體網(wǎng)絡(luò),更加全面刻畫(huà)油藏特征,直接反映油氣聚集的有效性及儲(chǔ)集空間展布規(guī)律,彌補(bǔ)傳統(tǒng)數(shù)字巖心的不足。

(3)期望數(shù)字巖石服務(wù)于鉆井、測(cè)井、射孔、壓裂、開(kāi)發(fā)等工程應(yīng)用中,實(shí)現(xiàn)從巖心到油藏的服務(wù),有效擴(kuò)展數(shù)字巖心的應(yīng)用范圍。