[發明專利]一種高分辨率三維數字巖心建模方法

有效

• 申請號: 201410105012.0
• 申請日: 2014-03-20
• 公開（公告）號: CN103822865A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發明（設計）人: 孫建孟;張晉言;趙建鵬;運華云;崔利凱;董旭
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）;中石化勝利石油工程有限公司測井公司
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N23/083;G01N24/08
• 代理公司: 青島高曉專利事務所 37104
• 代理人: 楊大興

1.一種高分辨率三維數字巖心的建立方法，首先采用X射線CT掃描方法構建巖石三維數字巖心，然后從巖心壓汞實驗資料得到巖石喉道半徑分布，從巖心核磁實驗資料得到巖心孔隙半徑分布，截取孔喉半徑小于CT掃描分辨率的部分，作為隨機網絡生成的輸入參數，選取的截止值與CT掃描分辨率有關；將CT掃描得到的數字巖心孔隙度與實驗測量孔隙度對比，計算CT掃描數字巖心丟失孔隙的大小，利用截取的孔喉半徑分布采用隨機網絡法構建孔隙網絡拓撲結構，生成網絡模型的孔隙度與CT掃描丟失的孔隙度一致；應用網格化方法將孔隙網絡模型轉化為微孔隙數字巖心并采用多尺度融合的方法將壓汞核磁方法構建的數字巖心疊加到CT掃描數字巖心上，其特征是，具體步驟如下：

（1）利用X射線CT對巖心進行掃描，步驟包括：

①從柱塞巖心上直接鉆取待掃描樣品；

②固定樣品并檢查樣品放置位置是否合適；

③啟動X射線源，在給定的時間內獲取圖像，避免CCD過度曝光；

④關閉X射線光束，得到五張沒有X射線照射時的暗場圖像，用來校正原始圖像；

⑤設定實驗參數，包括：初始角，終止角，角度增量和白場頻率，然后重新開啟光束，從初始角到終止角按設定的角度增量旋轉樣品并獲取圖像；

⑥計算機存儲掃描獲得的圖像，當樣品旋轉角度達到180°或360°終止角后結束實驗；

當X射線穿透物體時，會發生光電效應、康普頓效應、電子對效應及瑞利散射的物理過程，由于反射、散射以及吸收作用，使得射線強度發生衰減，不同的物質組成對X射線的吸收系數也不相同，樣品吸收X射線的量取決于樣品中各組分的密度，所以通過測定物質對X射線的吸收系數來判定物質的組分，X射線透過單組分的衰減程度通過Beer定律計算：

I＝I₀·exp(-μx)

其中，I₀和I分別表示入射的和衰減后的X射線強度，μ是材料的線性衰減系數，x是X射線透過材料途經路徑的長度；

如果材料是由多種物質成分組成的，上述方程寫為：

I=I0·exo[Σi(-μixi)]]]>

其中μ_i是第i種組分的線性衰減系數，x_i是第i種組分在X射線途徑路徑上的長度；

X射線CT成像原理正是建立在Beer定律的基礎上，當X射線從多個方向沿物體某一選定的斷層層面進行照射，測定并記錄透過的X射線能量，形成投影數據，之后，采用重建方法計算出與物體斷層空間位置一一對應的吸收系數，從而恢復物體的截面；

（2）利用核磁實驗數據獲得巖心孔隙半徑分布

核磁實驗中自旋回波串的衰減是流體中氫核的數量及分布的函數，回波幅度隨時間增大而減小，因而可以用飽和水巖石的核磁回波串的衰減速度反映孔隙結構信息，回波串的初始幅度經恰當刻度就可以得到孔隙度，當親水巖石完全被水飽和時，單一孔隙的T2值與孔隙的表面積與體積的比值成正比，它就是孔隙尺寸的度量，這樣，觀測到的所有孔隙的T2分布就代表著巖石的孔隙半徑分布，通過確定轉換因子，將核磁T2譜曲線進行合理的移動，T2分布與孔隙半徑分布會基本重合，

1T2=ρ2(SV),]]>

其中：T₂是核磁橫向弛豫，ρ₂是表面弛豫率，(S/V)是孔隙比表面積；

（3）利用壓汞實驗數據獲得巖心喉道半徑分布

壓汞實驗主要反映了巖石喉道的半徑分布信息，而高壓壓汞在180MPa的壓力下，進入4nm的吼道，在450MPa壓力下可以進入1nm的吼道，可以有效突破CT掃面分辨率限制，由于汞對巖石固體的潤濕角基本恒定，故毛管力和喉道半徑的關系可以由下式確定：

pc=2σcosθr,]]>

式中，p_c是毛管壓力，單位為MPa；θ表示汞與巖石固體表面的潤濕角，單位為（°）；σ是水銀-空氣系統的表面張力，單位為N/m；r為喉道半徑，單位為um；在實際應用中，汞的表面張力取480mN/m，潤濕角取140°，因此上式可以寫為：

pc≈0.735r;]]>

（4）利用隨機網絡法構建孔隙網絡系統

核磁與壓汞實驗分別主要反映的是所有巖心孔隙與喉道的尺寸分布，為構建低于CT掃描分辨率的高分辨率數字巖心，需要截取孔喉半徑小于CT掃描分辨率的部分，作為隨機網絡生成的輸入參數，選取的截止值與CT掃描分辨率有關；將CT掃描得到的數字巖心孔隙度與實驗測量孔隙度對比，計算CT掃描數字巖心丟失孔隙的大小，利用截取的孔喉半徑分布采用隨機網絡法構建孔隙網絡拓撲結構，生成網絡模型的孔隙度與CT掃描丟失的孔隙度一致，具體步驟為：

①確定擬構建的隨機網絡的長寬高；

②將孔隙隨機的放到網絡中，并賦予每一個孔隙一個索引值PIdx，PIdx范圍為[1,n]，n為孔隙的總個數；

③賦予每一個孔隙幾何結構信息和拓撲信息，主要包括配位數，孔隙半徑，孔隙體積，喉道半徑；

④利用如下公式計算每一個孔隙的權重；

Pi=[Di-DminDmax-Dmin]n,]]>

其中，P_i是第i個孔隙的權重；D_i是第i個孔隙的直徑；D_min和D_max分別為最小孔隙和最大孔隙的直徑；n是相關系數，n＝0表明孔隙與喉道之間沒有相關性，n＜0表明小孔隙連接大喉道的概率較大，n＞0表明大孔隙連接大喉道的概率較大；

⑤根據配位數，將第一個孔隙與最近的孔隙連接，然后將第二個孔隙根據配位數與最近的孔隙連接，同時將孔隙的連通數目減1；

⑥重復步驟⑤直到完成最后一個孔隙的連接，當網絡中所有孔隙連接之后，通過下式計算喉道權重；

Ti=P1+P22,]]>

其中T_i是第i個喉道的權重；P₁和P₂是與第i個喉道相連的兩個孔隙的權重，對每一個喉道按照權重大小賦予喉道半徑值，最小的權重賦予最小的喉道半徑值，以此類推；

（5）建立高分辨率三維數字巖心

將隨機網絡系統進行離散化，然后通過多尺度融合方法逐體素疊加，其中骨架體素與骨架體素疊加后依然是骨架體素，其它疊加情況下均為孔隙體素，疊加后得到高分辨率三維數字巖心。