低渗砂岩储层孔隙结构模型构建与输运机理研究

论文摘要

低渗透砂岩储层是现今油气勘探的重点之一,其孔隙结构特征的研究是低渗砂岩储层表征研究中的关键问题。由于低渗透率的特性,低渗砂岩储层通常具有比常规砂岩储层更丰富的孔隙类型,更复杂的微观结构,更粗糙的颗粒表面。所以,位于表面的流体倾向于与壁面结合形成不可动流体。在传统的渗透率模型中经常忽略这种自然现象。因此低渗砂岩的渗透率评估模型需要考虑这一地质因素。多孔介质的微观孔隙结构是控制其流体流动的关键属性。然而,直接实验测量或数值重建通常是昂贵的并且不环保,多孔介质的复杂特性也会引起很大的不确定性。如何更加经济地评价三维孔隙结构也显得尤为重要。此外,Archie定律已被广泛用于天然多孔介质的导电输运机理的建模,以及含水饱和度估算。然而,其经验性质一直被广泛探索。因此,本文从低渗砂岩储层的高束缚水、多尺度的孔隙结构、多尺度的颗粒结构特征出发,采用分形理论,结合多尺度表征技术,构建其高精度的孔隙结构模型以及定量分析其内在的输运机理。通过颗粒满足分形分布的假设条件,新的孔隙结构分类模型以及广义的比表面积模型被建立。基于分形理论和改进的Kozeny-Carman方程,定义了一种新的孔隙结构分类指标来定量划分储层的孔隙结构类型。通过数字图像分析技术精确计算出薄片颗粒的分形维数。利用来自中国南海东方气藏的130个低渗透砂岩岩心的综合实验数据,将所提出的模型和传统模型进行了对比。结果表明,低渗透砂岩颗粒满足具有大约30μm的恒定半径边界的双重分形分布,这可能是孔隙空间多尺度的内在原因。与传统模型相比,建立的新模型作为广义表达式在孔隙结构分类中表现得更优,孔隙度-渗透率和结构系数-孔隙半径关系的相关系数更高。新确定的孔隙结构分类指标的范围比传统的流动带指标更大。最后,提出了一种分析多尺度孔隙结构的工作流程,即通过二维岩心照片,铸体薄片,扫描电子显微镜,压汞测试和三维Micro-CT,全面分析孔隙结构的岩石学特征和形态学特征,加深对孔隙结构的遗传类型和差异的理解,这有助于表征油气勘探和开发中颗粒结构-孔隙结构-流动机制的内在联系。进一步选择五个不同孔隙结构类型的样品用于进行Micro-CT测试,基于分形和多重分形方法（数量-面积（N-A）模型,半径-体积（R-V）模型和数量-半径（N-R）模型,共三种模型）来研究其孔隙结构之间的内在差异性。分析了图像尺度对计算分形维数的影响。结果表明从N-A模型来看,不同样品之间具有相似的单一分形维数和广义分形维数,但在多重分形谱上它们有显著差异。特别地,多重分形谱中奇异指数的差值与实验测量的渗透率具有良好的相关性。这表明多重分形谱函数在表征孔隙结构方面具有明显的优势。从R-V模型看,分形曲线上有明显的拐点,被分为三段。从计算最大孔喉半径的值可以看出,只有中间段可用于计算分形维数。从N-R模型看,孔隙网络模型得到的分形曲线不满足传统幂律关系。因此,R-V或N-R模型不能区分岩石物理类型,分形维数与岩石物理性质之间没有明显的相关性。考虑高束缚水饱和度,并基于分形理论,在理论上推导出改进的分形渗透率模型,来揭示低渗岩石内部水力输运机理。最后,选择133个砂岩样品验证了所建立模型的有效性。通过所提出的颜色提取算法来分割孔隙用于计算孔隙分形维数。结果表明,目前可用的分形模型高估了低渗透多孔介质的渗透率。另外,还建立了经典Kozeny-Carman方程的新形式。在低渗透多孔介质中,经验的Kozeny-Carman常数需要取3.5而不是5。但是,在改进的分形模型中,在非常低的渗透率(<0.5×10-3μm2)处也不再具有典型的优势,分析并讨论了相应的原因。一个特殊的孔隙机构“桥梁函数”被建立,它是表观长度和迂曲度分形维数的函数,可以表征孔隙结构二维和三维之间的关系,它可以作为孔隙半径的转换桥梁,来确定毛细管压力曲线（CPC）。选取六种具有不同孔隙度和渗透率的典型砂岩,将所提出的方法的估计值与通过压汞法获得的实验结果进行比较。结果表明,全局孔隙结构的横截面,如薄片,电子探针和Micro-CT扫描切片,对于具有中孔隙度的多孔介质,桥梁函数给出了可靠的CPC估计。然而,在具有相对低孔隙度（10%）或超高孔隙度（30%）的非常规多孔介质中,由于广泛用于计算迂曲度分形维数的方程的经验性质,必须对其进行必要的修改以获得这类多孔介质的CPC。这种桥梁函数可以显著简化获得多孔介质的岩石物理特性的程序,还可以揭示多孔介质的二维和三维孔隙结构之间的固有关联和差异。基于并联的分形迂曲毛细管束模型,一个新的电传导模型被建立来估计饱和多孔介质的电导率或地层因子。共选择了46个来自不同盆地具有不同孔隙度和渗透率的砂岩样品,验证了所建立模型的有效性。通过岩石电学实验将所提出的模型与现有常用模型以及经典Archie模型进行比较。实验结果证实,每个样品应具有特定的胶结因子（m）值,而不是用拟合的m分配给一组中所有的样品。另外,m被解析地解释为电路径的平均迂曲度。所提出的没有任何经验常数的电传导模型在计算低孔隙度（<12%）的地层因子时显示出优于其他著名的经验电导率模型的性能,误差因子仅为±10。另外,通过实验和数值模拟分析了水力传导和电传导之间的微观机制差异。结果表明,电传导似乎没有阈值饱和度,离子沿电势下降的方向均匀向前推进。然而,水力传导对于非润湿相和润湿相都具有明显的阈值压力和孔径依赖性。最后,建立了非饱和多孔介质的分形饱和度模型来提高含水饱和度的估算。提出的电导率模型和饱和度模型可以深入了解多孔介质的电传导特征和Archie定律的内在本质。本次工作中,考虑更为现实的地质因素与复杂的孔隙-颗粒结构建立的物理模型有助于深度理解低渗透砂岩储层或者低渗透率多孔介质的微观结构-水力以及电传导的输运机制。

论文目录

• 作者简历
• 摘要
• abstract
• 符号说明
• 第一章 前言
•   1.1 研究目的与意义
•   1.2 研究进展
•     1.2.1 孔隙结构分类研究进展
•     1.2.2 孔隙结构分形表征研究进展
•     1.2.3 低渗砂岩水力输运机理研究进展
•     1.2.4 单相流动输运特征-毛细管压力曲线研究进展
•     1.2.5 岩石电传导输运机理研究进展
•   1.3 主要研究内容
•   1.4 主要创新点
• 第二章 低渗储层孔隙结构分类模型
•   2.1 多尺度颗粒分布与广义的比表面积方程建模
•   2.2 孔隙结构分类模型的建立
•   2.3 取样与区域地质
•   2.4 图片处理与孔隙提取
•     2.4.1 孔隙结构的准备-铸体薄片
•     2.4.2 压力控制压汞测试和SEM成像
•     2.4.3 孔隙提取和颜色提取算法
•   2.5 模型参数的计算与确定
•     2.5.1 常规物性测试
•     2.5.2 分形维数Df与 DT的确定
•   2.6 孔隙成因类型与广义比表面积的验证
•   2.7 分类效果与误差分析
•     2.7.1 基于FZI和 PSTI的孔隙结构分类
•     2.7.2 岩石物理参数之间相关性的比较
•     2.7.3 异常值分析和潜在应用
•   2.8 多尺度流程表征不同PST
• 第三章 基于Micro-CT与分形几何表征孔隙结构差异性
•   3.1 选样与Micro-CT切片图像处理
•   3.2 单一分形、多重与广义分形理论简述
•     3.2.1 N-A模型和BC算法
•     3.2.2 N-A模型和多重分形分析
•     3.2.3 R-V和 N-R模型
•   3.3 三种分形模型表征结果与对比
•     3.3.1 N-A模型计算结果
•     3.3.2 R-V模型计算结果
•     3.3.3 N-R模型计算结果
•     3.3.4 三种分形模型的对比
• 第四章 低渗多孔介质水力输运机理-渗透率
•   4.1 考虑束缚水的分形渗透率模型
•     4.1.1 低渗透多孔介质中改进的Hagen-Poiseuille方程
•     4.1.2 改进的分形模型推导
•   4.2 取样与模型参数的实验获取
•     4.2.1 取样与常规物性测试
•     4.2.2 分形维数Df的确定
•     4.2.3 最大水力直径和束缚水饱和度
•   4.3 经典的K-C方程的改进
•   4.4 实验验证与效果分析
• 第五章 二维与三维孔隙结构水力桥梁函数
•   5.1 “桥梁函数”模型构建
•   5.2 实验取样以及2D与3D孔隙结构制备
•   5.3 二维横截面分析与压汞曲线的获取
•   5.4 模型计算与实验结果对比验证
• 第六章 低渗岩石电力输运机理
•   6.1 电传导模型构建
•   6.2 取样与岩电实验
•   6.3 模型的对比验证
•   6.4 模型的误差分析
•   6.5 Archie定律中胶结因子的含义
•   6.6 水力传导与电力传导的区别
•   6.7 提高的含水饱和度模型
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈孝君

导师: 姚光庆

关键词: 低渗砂岩储层,孔隙结构,模型构建,分形与多重分形,输运机理

来源: 中国地质大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,石油天然气工业

单位: 中国地质大学

分类号: P618.13

DOI: 10.27492/d.cnki.gzdzu.2019.000144

总页数: 139

文件大小: 9566K

下载量: 148