利用数字岩石计算有效物理性质的形态学变换策略

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概述 岩石是一种天然多孔介质,其结构中不仅包含岩石骨架,还有大量不规则的孔隙和孔隙流体。储层岩石的电学、力学和物理性质评价对于油气勘探具有重要意义。 基于 micro-CT 图像的数字岩心技术为岩石物理研究提供了新的途径,与传统实验相比也具有很多优势。利用三维数字岩心模型和多物理场模拟可以对岩石样品的有效物理性质进行数值评价。然而,在利用扫描图像进行数字岩心建模的过程中,存在各种影响岩石性质数值计算精度的因素,如形态学变换等。 应用于同一岩心样品的形态学变换策略会导致不同的孔隙率计算结果。研究表明,图像处理算法也会影响孔隙结构的重建,进而对样品的电学性质计算产生较大影响。本项目采用不同的形态学变换策略,对体素为 6003 的三维数字岩心模型进行研究。通过结合使用 Simpleware 和 COMSOL Multiphysics 软件,计算测量岩心模型的孔隙率和孔隙结构,模拟岩心模型的有效电学性质。 亮点 研究对象包含砂岩、页岩和碳酸盐岩在 Simpleware 中使用不同的形态变换方案为每个岩石生成多个微观结构在 COMSOL 中计算岩心模型的有效弹性模量和介电常数 数字岩心建模 获取图像数据 使用蔡司 Xradia 520CT 扫描设备对页岩、砂岩和碳酸盐岩样品进行扫描,它们的尺寸(8 mm)和孔隙度范围(4%-25%)均相同。页岩样品具有明显的层状结构,砂岩样品具有多种孔隙类型、孔径、形状和分布,而碳酸盐岩样品孔隙率小且孔隙结构简单。 图1:micro-CT 扫描样品的横截面:砂岩(左)、碳酸盐岩(中)和页岩(右) 图像处理和分割 扫描获得的灰度图像中存在着噪音,需要通过滤波器提高信噪比。将扫描图像导入 Simpleware 后,首先应用中值滤波器(Median filter)改善图像。为更好地区分孔隙和骨架,图像分割的阈值选择也非常重要。鉴于实测孔隙率已知,可以采用公式基于岩心孔隙率的最佳分割阈值进行分割。 基于图像的三维重建 理论上数字岩心尺寸越大,对岩石微观孔隙结构和宏观特征的表征就越准确。但这样对计算机资源和性能的要求很高。经多次测试发现,当数字岩心尺寸为600 × 600 ×6 00 体素时,物理性能(如孔隙率、弹性模量等)受到的影响最小。因此,本研究选择此尺寸作为代表单元的体积。 在 Simpleware ScanIP 中对图像进行重建、处理和分割后,应用不同的形态学变换策略:ED 腐蚀和膨胀,OC 打开和闭合,SC 平滑滤波器和孔洞填充,FI 填充间隙和孤岛移除。在 Simpleware FE 中对处理过的模型进行网格划分,生成高质量的网格模型并导入 COMSOL 中进行仿真。 图2:形态学变换的结果 图3:数字岩心网格模型:孔隙(左)、骨架(中)、孔隙和骨架(右) 形态学变换对岩石性质的影响 孔隙率 不同形态学变换对岩石孔隙结构的敏感度不同。ED 和 OC 对连续性孔隙的影响更大,而 […]

基于三维数字模型的碳酸盐岩绝对渗透率的数值模拟与评估

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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。 图1:样品 PET-04(a)碳酸盐岩多孔介质三维模型创建过程(b)四面体网格模型 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。 图2:样品 PET-01 不同 ROI 基于图像生成的粗糙网格 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 […]

利用多孔介质和数字岩石研究孔隙尺度流动模拟的参考和基准

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概述 数字岩石物理(DRP)是一种快速发展的多学科工具,可用于计算岩石性质(如孔隙率、渗透率、地层因子、I-Sw 曲线、毛细管压力曲线和相对渗透率),并采用高分辨率图像(如 x 射线计算机断层扫描、扫描电子显微镜)表征微观结构。 在某些情况下,DRP 可以起到补充作用,取代实验室中相对缓慢且昂贵的测量和根据经验趋势获得模型的需求。此外,将岩心柱上的 DRP 工作流程与同一柱体上的物理测量相结合,可以在更大长度范围内实现更可靠、更详尽的地层评估和表征。本研究对包含理想化和异质化的不同微观结构进行图像处理,利用多种不同数值模拟方式计算渗透率并对结果进行比较。 图1:典型的 DRP 工作流程 亮点 采用 36 个包含理想化和异质化的微观结构使用 12 种不同的数值模拟方式计算渗透率对于比较各种数值模拟的速度和精度具有重要参考意义 理想化微观结构和数字岩石 在这项研究中,使用 36 个微观组织生成绝对(单相)不可压缩渗透率的数值参考,其中包含一组具有不同横截面形状、直径(固定值及其正弦变化)的管道结构,5个 2D 岩石结构,1 个球体填充结构和 5 个由 micro-CT 扫描获得的数字化 3D 岩石结构。这些结构的孔隙空间复杂程度不等,除球体填充 Sp.pa. 外,其余结构均为 10243 体素。选择这些样本是因为它们涵盖了可能遇到的组合和纹理的范围。 表1:微观结构名称、孔隙率、图像和体素大小 2D 管道:12 个结构内有一个与流动方向垂直的相同截面管道,截面形状分别为不同尺寸的圆、正方形、三角形、六角形;2D 正弦管道:12 个由以上形状沿流动方向呈正弦变化的三维结构; 图2:4 种不同的截面形状 图3:横截面为圆形及其沿流动方向正弦变化的三维结构图示 2D 混合:1 个结构内有一个与流动方向垂直的相同截面,截面为 4 个直径不同的圆形; 图4 2D 岩石:5 个由二维岩石结构沿流动方向延伸得到的三维结构; 图5 球体填充:1 个在 x、y、z 方向上都是一组相同球体的三维结构;3D 岩石:5 个硅质碎屑岩的三维数字岩石,分别来自 Berea(Rock 1 和 Rock […]

 
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