概述
盐下碳酸盐岩储层复杂的孔隙结构通常表现出多尺度非均质性，给理解流体流动动力学和生产优化带来巨大挑战。与岩心实验分析相结合的数字岩石物理技术已被广泛应用于研究和计算孔隙结构的物理性质和流体流动特征。本项目采用由 micro-CT 高分辨率图像获得的岩石多孔介质 3D 模型进行单相数值模拟，计算和评估盐下碳酸盐岩的绝对渗透率。
亮点
- 在 Simpleware 软件中基于 micro-CT 图像数据创建碳酸盐岩的三维模型并生成高质量的网格模型
- 在 COMSOL 中进行单相流体流动模拟
- 与实验常规岩心分析比较，评估预测的绝对渗透率
创建模型
碳酸盐岩样品来自巴西东北部的贝壳灰岩储层，是由沉积在高能湖相环境中的双壳类组成的颗粒岩，受多个成岩阶段的影响，形成了一个复杂的孔隙系统。选择三个露头岩心样品（PET-01、PET-02 和 PET-04））进行扫描，在 Simpleware 软件中重建岩石多孔介质的三维模型并生成网格模型，用于进一步的仿真。
模拟
考虑到非均匀性和较高的计算成本，为减少网格模型中四面体单元的数量，进而缩减数值解收敛所需的计算量，本研究采用较为粗糙的网格。在 Simpleware 软件中对每个样品的不同感兴趣区域（ROI）在 0.6 到 4.9 cm3 范围内基于图像数据生成四面体网格。总孔隙度由孔隙系统体积和 ROI 在总体占比间的关系估算，有效孔隙率也通过选择连通孔隙结构的体积做类似推算。
为比较评价生成的网格，使用 Comsol 软件在多孔介质模型中进行单相流体流动的数值模拟，以收敛所需时间作为参考。假设流域场中的所有应变都与多孔介质有关，孔隙系统中的流体（液态水）具有恒定的温度和密度（模拟单相流体）、层流（斯托克斯流或蠕动流），并进行静态分析。数值模拟所需计算成本直接取决于 ROI 的自由度（DOF）和计算机硬件，考虑了阈值的变化和 ROI 体积，对预测的绝对渗透率进行评估。
结果
网格生成的预估时间与自定义精细化程度和 3D 模型结构的复杂性有关。对样品 PET-04 的 ROI 进行网格灵敏度研究。生成的粗糙网格包含 1,643,296 个四面体单元，精细网格有 7393,717 个四面体单元，耗时是粗糙网格的近 5 倍。然而由于计算成本过高，在精细网格中无法实现数值模拟的收敛。因此，本研究的数值模拟都采用粗糙网格。
选取孔隙率和渗透率较低的样品 PET-04 用于评估阈值对预测绝对渗透率的影响。基于不同分割方法产生的阈值在96 ~ 118之间，创建 4 个岩石多孔介质数字模型（相同体积为4.9 cm3）。随阈值增大，模拟收敛时间增长，渗透率值也增大。对于最高阈值，由于计算资源的限制，无法成功执行模拟。
考虑 ROI 体积和 Z 轴上位置作为变量，对所有样品进行模拟。实验常规岩心分析显示绝对渗透率变化范围为 10 ~ 103，通过数字岩石物理技术预测的几个 ROI 绝对渗透率与实验值吻合较好。正如在盐下碳酸盐岩中，2 或 3 数量级的渗透率变化主要发生在贝壳灰岩类似物中。
结论
本项目采用贝壳灰岩的三维模型对孔隙尺度单相流体流动进行数值模拟，比较常规岩心分析的实验数据验证预测的绝对渗透率。结果表明，在复杂碳酸盐岩的数字岩石分析中，分割方法的选择非常重要。阈值的微小变化会产生不同的多孔系统，因此数值模拟也会受到这些变化的影响。3D 模型的几何结构和模拟单相流体流动问题所需的时间对微小的变化很敏感。由于绝对渗透率根据所分析的 ROI 变化，而 ROI 不同于代表性体积单元（REV），因此这些较高的值是比较合理的。
参考
- Silveira T M G, Silva W G A L, Hoerlle F O, Et Al. Numerical Simulation And Evaluation Of Absolute Permeability In Carbonates Using 3D Digital Models[J].