基于数字岩心的天然气储层岩石声电特性数值模拟研究

【摘要】：数字岩心技术作为新兴的数值模拟方法，已逐渐在岩石物理特性研究中发挥重要的作用。利用该数值模拟方法研究微观因素对天然气储层岩石声电特性的影响，弥补了传统岩石物理实验的不足，观测各种微观因素的具体作用和影响规律从而为测井新方法、新理论的产生奠定基础。 本文分别利用X射线CT和过程法构建了三维数字岩心，提出了以孔隙度和自相关函数结合对岩心进行代表元体积的分析方法，然后基于数字岩心利用格子玻尔兹曼方法模拟了气水分离过程，确定了储层岩石孔隙中的气水分布，能真实的再现表面张力、润湿性等基本界面现象，并与澳大利亚国立大学数字岩石物理实验室利用X射线CT扫描获取的实验结果进行了比较，发现数值模拟得到的气水分布规律和实验观察的气水分布规律是吻合的，为开展气层岩石声电特性数值模拟研究奠定了基础。 在数字岩心的基础上，利用有限元方法研究了岩石颗粒粒径、分选性、成岩作用、流体性质等微观因素对气层岩石弹性特性的影响，结果表明岩石颗粒的大小、分选性、压实、胶结作用等均会对岩石的物性以及孔隙结构产生影响，从而引起岩石弹性模量和纵横波速度的变化。粒径对饱水岩石弹性的影响弱于干岩石，并且粒径越小即所形成的孔隙越扁平，岩石体积模量对孔隙流体的变化越敏感。随颗粒分选性变差，岩石体积模量和剪切模量及纵横波速度变大。根据成岩模拟算法，基于数字岩心实现了三种数字成岩模型（胶结模型I、胶结模型Ⅱ、胶结模型Ⅲ），发现按照胶结模型Ⅲ胶结形成的岩石刚度强于其它两种胶结模型。按照胶结模型Ⅱ，胶结物的生长远离接触点，会产生相对比较软的岩石结构。在相同孔隙度下颗粒间通过方解石胶结所形成的岩石刚度最大，石英胶结次之，最小是粘土矿物胶结，并随着胶结物含量的变大岩石弹性模量变大。数字成岩模型的实现会进一步促进数字岩石物理实验的发展。孔隙所充填气体性质的变化会引起弹性参数的变化，数值模拟结果表明对流体性质变化最敏感的参数是拉梅常数和泊松比。通过引入六个正交基矢对有限元模拟算法进行了扩展，使其能应用于气层岩石各向异性研究。利用数字图像处理技术构建了含便士形状裂缝的三维数字岩心并利用扩展的有限元方法计算了岩石弹性参数，计算结果与各向异性Gassmann理论计算结果吻合，为把数字岩心技术应用到岩石各向异性研究奠定了基础。 进一步利用数字岩心技术对比研究了微观因素（颗粒粒径、连通性、润湿性等）对气层和油层岩石电性的影响，揭示了油层和气层电性的微观差异。结果表明：同油层类似，天然气储层的电性受到多种因素的影响，不同影响因素的影响趋势、影响程度不相同。由于天然气同原油在物性上的差异，使得相同的因素对油层和气层的影响存在差异，在岩心孔隙结构、孔隙度、含水饱和度以及地层水矿化度相差不大时，造成气层电阻率高于油层电阻率的主要原因是水膜厚度和天然气的溶解性。分析了非阿尔奇现象产生的主要原因，从数学的角度考察饱和度指数与微观影响因素（含水饱和度、孔隙结构、润湿性、天然气溶解性等）的关系，结合岩石物理实验、基于朗伯W函数提出了天然气储层评价的饱和度模型，并利用新模型对岩心实验数据和数值模拟实验数据进行了处理，拟合效果较好。 【关键词】：数字岩心 天然气储层 弹性模量 岩石电性 格子玻尔兹曼方法
【学位授予单位】：中国石油大学（华东）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P618.13
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 创新点摘要9-14
• 第一章 绪论14-26
• 1.1 课题研究的目的和意义14-15
• 1.2 数字岩心技术15-17
• 1.3 数字岩心建模技术及现状17-21
• 1.3.1 物理实验方法建立三维数字岩心17-18
• 1.3.2 数值重建方法建立三维数字岩心18-21
• 1.4 岩石物理数值模拟研究进展21-23
• 1.4.1 岩石弹性数值模拟的研究现状22-23
• 1.4.2 岩石电性数值模拟的研究现状23
• 1.5 论文的研究内容与研究目标23-25
• 1.6 论文的总体结构25-26
• 第二章 天然气的物理特性及天然气储层特征26-44
• 2.1 天然气的物理性质及分类26-33
• 2.1.1 天然气的物理性质26-31
• 2.1.2 天然气的分类31-33
• 2.2 天然气和石油的物性及储盖层差异33-39
• 2.2.1 天然气的扩散及其影响34-35
• 2.2.2 天然气在水中的溶解35-37
• 2.2.3 天然气在地层中所受到的动力和阻力37-38
• 2.2.4 天然气和石油的储盖层差异38-39
• 2.3 天然气储层岩石电性研究的必要性39-43
• 2.3.1 地层水的导电性40-41
• 2.3.2 润湿性41-42
• 2.3.3 表面张力42-43
• 2.3.4 孔隙尺寸及连通性43
• 2.4 本章小结43-44
• 第三章 数字岩心建模及格子玻尔兹曼方法研究44-73
• 3.1 X 射线 CT 建立三维数字岩心的方法44-52
• 3.1.1 X 射线 CT 扫描获取投影数据的基本原理45-46
• 3.1.2 CT 投影数据构建图像的方法46-47
• 3.1.3 CT 图像构建三维数字岩心的方法47-49
• 3.1.4 代表元体积（REV）分析49-52
• 3.2 过程模拟建立三维数字岩心的方法52-56
• 3.2.1 沉积过程模拟53-55
• 3.2.2 压实过程模拟55-56
• 3.2.3 成岩过程模拟56
• 3.3 格子玻尔兹曼方法56-71
• 3.3.1 格子玻尔兹曼方法介绍56-57
• 3.3.2 单相格子玻尔兹曼模型57-63
• 3.3.3 气液两相格子玻尔兹曼模型63-71
• 3.4 本章小结71-73
• 第四章 天然气储层岩石声学特性数值模拟研究73-120
• 4.1 弹性力学的基本知识73-75
• 4.2 有限元法计算岩石的弹性模量75-85
• 4.2.1 数字岩心中单元划分和结点编号76-77
• 4.2.2 有限元方法计算有效弹性模量77-85
• 4.3 气层岩石声学特性模拟算法验证85-92
• 4.3.1 基本的理论模型86-88
• 4.3.2 数值模拟结果与理论、实验结果比较分析88-92
• 4.4 微观因素对气层岩石声学特性的影响92-112
• 4.4.1 颗粒尺寸对气层岩石弹性性质的影响93-97
• 4.4.2 颗粒分选性对气层岩石弹性性质的影响97-99
• 4.4.3 成岩作用对气层岩石弹性特性的影响99-103
• 4.4.4 气饱和度对气层岩石弹性性质的影响103-106
• 4.4.5 气油比对气层岩石弹性性质的影响106-109
• 4.4.6 气体比重对气层岩石弹性性质的影响109-112
• 4.5 气层岩石的各向异性研究112-118
• 4.5.1 各向异性数字岩心建立及模拟算法实现113-115
• 4.5.2 各向异性 Gassmann 理论115-116
• 4.5.3 流体性质对含裂缝岩石弹性参数的影响116-118
• 4.6 本章小结118-120
• 第五章 天然气储层岩石电学特性数值模拟研究120-138
• 5.1 有限元方法计算三维数字岩心的电导率120-124
• 5.1.1 有限元方法的实现120-122
• 5.1.2 数值模拟算法验证122-124
• 5.2 微观因素对天然气储层岩石电性影响规律研究124-135
• 5.2.1 粒径尺寸对气层岩石电性的影响124-126
• 5.2.2 连通性对气层岩石电性的影响126-127
• 5.2.3 润湿性对气层岩石电性的影响127-130
• 5.2.4 水膜厚度对气层岩石电性的影响130-131
• 5.2.5 天然气溶解性对气层岩石电性的影响131-133
• 5.2.6 地层水矿化度对气层岩石电性的影响133-134
• 5.2.7 典型天然气储层和油层电阻率比较134-135
• 5.3 本章小结135-138
• 第六章 天然气储层饱和度模型研究138-149
• 6.1 饱和度模型研究现状分析138-142
• 6.1.1 经典的阿尔奇公式138-139
• 6.1.2 考虑泥质影响的饱和度解释模型139-140
• 6.1.3 考虑多重孔隙影响的饱和度解释模型140-141
• 6.1.4 基于网络导电的饱和度解释模型141-142
• 6.2 非阿尔奇特性产生的主要原因142-146
• 6.2.1 孔隙结构对饱和度指数的影响142-143
• 6.2.2 润湿性对饱和度指数的影响143-145
• 6.2.3 含水饱和度对饱和度指数的影响145-146
• 6.3 天然气储层饱和度新模型及验证146-148
• 6.4 小结148-149
• 第七章 结论与展望149-153
• 7.1 主要结论149-152
• 7.2 展望152-153
• 参考文献153-168
• 攻读博士学位期间取得的研究成果168-170
• 致谢170-171
• 个人简历171

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