基于数字岩心的岩石声电特性微观数值模拟研究

摘要

岩石物理实验费用高,周期长。针对复杂储层,岩石物理实验遇到了诸多困难,如疏松岩心处理存在困难和裂缝发育的碳酸盐岩难以取到代表性的岩心等。同时,岩石物理实验无法定量研究储层微观参数对岩石宏观物理属性的影响。因此,在三维数字岩心基础上开展岩石物理数值模拟实验将弥补上述不足。
　　 本文通过两种方法建立三维数字岩心。一是利用X射线CT建立真实岩样的三维数字岩心,并提出了孔隙度与渗透率相结合选择最佳扫描分辨率的方法。二是基于岩石二维信息构建三维数字岩心。首先结合过程法和模拟退火算法的优点,提出了基于岩石二维图像重建三维数字岩心的混合法。重建三维数字岩心的均质性和孔隙连通性与通过X射线CT建立的三维数字岩心相似。然后利用过程法构建具有不同储层参数的三维数字岩心,用于定量研究储层微观参数对岩石物理属性的影响。在三维数字岩心基础上,利用数学形态学方法和有限元方法模拟岩石的电阻率、地层因素和电阻率指数；利用有限元方法模拟岩石的体积模量和剪切模量:利用格子玻尔兹曼方法模拟岩石的绝对渗透率,并结合有限元方法计算不同含水饱和度下的岩石电阻率。
　　 基于利用X射线CT建立三维数字,岩心的岩石声电特性和渗透率的数值模拟结果与岩石物理实验结果相符,验证了数值模拟方法的准确性,为开展数字岩石物理实验奠定了基础。在具有不同储层微观参数的三维数字岩心的基础上,利用数值模拟方法研究其对岩石物理属性的影响。模拟结果系统展示了储层微观因素对岩石宏观物理属性的影响。揭示了粘土含量和微孔隙是形成低阻储层的重要因为。岩石润湿性对孔隙流体分布有重要影响,油湿储层的饱和度指数明显大于水湿储层。岩石孔隙尺寸分布影响岩石电性,不同尺寸孔隙的导电网络相互连接,导致岩石电性的非阿尔奇现象。不同的岩石颗粒粒径导致不同的岩石微观孔隙结构,并影响岩石宏观物理属性。在相同孔隙度下,随着岩石粒径的增大,岩石电阻率和弹性模量减小,而渗透率增大。裂缝对岩石的电性影响显著,其影响规律取决于裂缝孔隙度、宽度和方向。岩石弹性模量不但与孔隙度有关,而且与岩石孔隙形状密切相关。微分有效介质模型适用于具有结构泥质的泥质砂岩,而自洽模型和微分有效介质模型相结合适用于具有分散泥质的泥质砂岩。

目录

文摘

英文文摘

第一章 前言

1.1 论文的研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 建立数字岩心的国内外研究现状

1.2.2 基于数字岩心岩石物理属性模拟的国内外研究现状

1.3 论文的研究内容和研究目标

1.4 论文的总体结构

第二章 利用X射线CT建立三维数字岩心

2.1 X射线CT基本原理

2.2 建立三维数字岩心的步骤

2.2.1 X射线CT扫描

2.2.2 图像滤波

2.2.3 图像二值化

2.2.4 代表体积元分析

2.3 孔隙结构参数分析

本章小结

第三章 利用岩石二维信息建立三维数字岩心

3.1 利用岩石二维信息建立三维数字岩心的研究意义

3.2 利用岩石二维图像建立三维数字岩心

3.2.1 建模函数

3.2.2 过程法建立初始三维数字岩心

3.2.3 模拟退火算法改进初始三维数字岩心

3.3 重建实例分析

3.4 三维数字岩心的准确性评价

3.4.1 局部孔隙度理论评价方法

3.4.2 宏观岩石物理属性评价方法

3.5 利用岩石粒度资料建立不同粒径的三维数字岩心

本章小结

第四章 岩石电学特性的数值模拟研究

4.1 数学形态学方法模拟孔隙空间流体分布

4.1.1 膨胀运算

4.1.2 腐蚀运算

4.1.3 开运算和闭运算

4.1.4 不同饱和度下孔隙空间油水分布

4.2 有限元方法计算三维数字岩心的电导率

4.2.1 数字岩心中单元划分和结点编号

4.2.2 有限元方法计算有效电导率

4.3 岩石电学特性数值模拟结果分析

4.3.1 枫丹白露砂岩电性数值模拟结果分析

4.3.2 灰岩电性数值模拟结果分析

4.3.2 低阻储层岩石电性数值模拟结果分析

4.4 微观因素对岩石电性影响规律研究

4.4.1 润湿性对电阻率指数的影响

4.4.2 岩石粒径对岩石电性的影响

4.4.3 粘土对岩石电性的影响

4.4.4 地层水矿化度对岩石电性的影响

4.4.5 微孔隙对岩石电性的影响

4.4.6 孔隙尺寸分布对岩石电性的影响

4.4.7 导电矿物对岩石电性的影响

本章小结

第五章 岩石声学特性的数值模拟研究

5.1 弹性力学基本知识

5.2 有限元方法计算岩石的弹性模量

5.3 数值模拟结果分析

5.3.1 枫丹白露砂岩数值模拟结果

5.3.2 微分有效介质模型分析

5.4 微观因素对岩石弹性模量的影响

5.4.1 岩石粒径对岩石弹性模量的影响

5.4.2 泥质对岩石弹性模量的影响

5.4.3 孔隙流体性质对岩石弹性模量的影响

本章小结

第六章 利用格子玻尔兹曼方法岩石的传导特性模拟研究

6.1 元胞自动机

6.2 格子玻尔兹曼方法的基本原理

6.2.1 D2Q9模型

6.2.2 边界条件处理

6.2.3 D3Q15模型

6.3 单相流体格子玻尔兹曼数值模拟

6.3.1 岩石绝对渗透率模拟

6.3.2 数值模拟结果分析

6.4 双相不相溶流体格子玻尔兹曼数值模拟

6.4.1 双相不相溶流体SC格子玻尔兹曼模型

6.4.2 格子单位与物理系统单位的转换

6.4.3 利用数字岩心油驱水驱替过程数值模拟

6.4.4 不同含水饱和度下孔隙流体分布数值模拟

6.5 岩石电阻率数值模拟结果分析

6.5.1 枫丹白露砂岩电性模拟结果

6.5.2 裂缝对岩石电性的影响

本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

个人简历