煤炭开采等地下工程问题的数字岩石力学解决方案

煤炭开采等地下工程的可观测性极为有限,导致很多复杂的工程问题难以获得可靠的事前分析依据,尤其在面临深部作业和高强度开采所带来的全新工程环境时,现有理论体系和技术方案的适用性面临着严峻的挑战。基于数字化时代的技术发展特点,提出了融合数据规律、力学逻辑和工程经验的数字岩石力学解决方案;充分利用工程数据中包含着真实工程规律的客观特点,建立了理论成果、工程经验与数据规律挖掘进行底层融合的具体模式;借助煤岩物理力学参数无损推断场景,验证了上述技术路径的可行性,实现了兼具可靠性和可解释性的数据挖掘利用。进一步构建了以煤岩物性、矿井结构和空间应力为基本要素的数字岩石力学理论体系,提出了以“工程素描—物理嵌入—业务融合—决策生成”为步骤的数字岩石力学地下工程通用作业模式,并通过在复杂工程现场的应用检验了数字岩石力学解决方案的可靠性,为煤炭开采等地下工程的数字化转型、智能化升级提供了切实可行的实现路径。

多尺度数字岩石建模进展与展望

数字岩石技术可对岩心进行精细数字化表征,结合数值模拟方法研究微观岩石物理属性。非常规储层岩石在不同尺度上表现出不同的特征,多尺度成像技术能以亚纳米—毫米级分辨率观测不同尺度的岩石微观组构,然而单一分辨率扫描方法无法解析跨尺度结构信息,构建多尺度、多分辨率、多组分的数字岩石模型是解决这一矛盾的关键方法。通过系统的调研,将现有的多尺度数字岩石建模方法分为两大类,分别为基于混合叠加、模板匹配和深度学习的图像融合建模方法,以及带有显式微孔网络、仅添加额外喉道和含裂缝系统的孔隙网络整合建模方法。其中:图像融合建模法能够真实反映不同尺度岩心的孔隙、矿物三维分布并进行多物理场模拟,但受计算效率限制难以实现尺度差异较大的混合建模;孔隙网络整合法能够实现多个连续尺度的建模,模型储存空间小且数值模拟效率高,但可研究的物理属性受限。此外,数字岩石工作流程还存在如何精确提取矿物、如何确定适当的代表性体积元大小等共性问题。笔者认为下一步探索方向为:利用实验数据优化建模,按需研究物理属性建模及结合均化等效理论建模,以早日形成具体的应用体系,支撑实际测井解释及油气藏开发。

新工科背景下数字岩石物理在岩土类课程实践教学中的应用

该文以岩土类课程为例,针对传统岩土力学实践教学中存在的不足,提出在岩土类教学实践过程中引入数字岩石物理和数值仿真分析辅助传统实践教学的新方法。通过数字岩石物理和数值仿真分析可以实现对岩土材料微观组构特征、渗透现象和变形破坏过程的可视化观测与定量表征;使抽象的物理概念具象化,可以有效激发学生的探索创新意识和学习兴趣,进而提高课程的教学效果。

基于微CT技术的砂岩数字岩石物理实验

数字岩石物理技术可弥补传统岩石物理实验的诸多不足,为岩石物理学研究提供一个新平台.本文以常规砂岩为研究对象,利用微CT扫描结合先进的图像处理技术建立了具有真实孔隙结构特征的三维数字岩芯模型;应用Avizo软件内含的多种形态学算法进行数字岩芯孔隙结构量化及表征研究,统计获取了孔隙度、孔隙体积分布及孔径分布特征,建立了等价孔隙网络模型;将Avizo与多场耦合有限元软件Comsol完美对接,实现了孔隙尺度的渗流模拟并计算获得绝对渗透率,对于考虑固相充填孔隙的情况,模拟计算了岩石有效弹性参数,并与近似Gassmann方程良好验证.本文所提出的将Avizo与Comsol结合使用的方法丰富了现有的数字岩石物理研究手段,为其大规模发展提供了一条新途径.

数字岩石物理中弹性参数的有限差分计算方法

数字岩石物理利用三维成像技术和数学方法,建立数字岩心,开展多场物理响应模拟,计算岩石的等效弹性参数,为岩石物理学研究开拓了新的领域.本文发展了一种基于高阶有限差分的岩石模量数值计算的新方法,该方法便于理解,容易实现,占用内存相对较少,计算效率高,结果合理,弥补了常规岩石物理实验周期长,成本高,误差大等不足.该方法将三维数字岩心样本嵌入一个具有与岩心样本骨架颗粒相同弹性性质的区域中扩充成一个新模型,测量由数字岩石样本非均匀结构带来的纵波或横波峰值振幅的时间差,利用该时间差(相对参考模型)估算纵横波的等效速度,进而求取等效弹性模量.理论模型和实际岩心的计算结果表明,数值模拟结果与实验结果有较高的吻合度,验证了该方法的合理性.

数字岩石物理学及测井解释应用概论

数字岩石物理学是岩石物理学的一个新分支。数字岩石物理包括数字岩心构建、数值模拟、综合分析3个部分。数字岩心构建是数字岩石物理学的基础,为数值模拟提供高分辨率模型。数值模拟是数字岩石物理学的核心,基于数字岩心模型,利用有限元法、随机游走法等数值算法计算岩石电学、声学、输运和核磁共振弛豫等岩石物理参数。对数值模拟结果综合分析,可以研究电流传导、弹性波传播、流体渗流、核磁共振弛豫等岩石物理的响应机理、响应特征,还可以分析不同微观因素的影响规律,以及为地层评价提供模型等。系统阐述了数字岩石物理学在致密砂岩、页岩、碳酸盐岩、干热岩等地层评价中的应用,总结了数字岩石物理学的应用场景和应用条件,并展望了未来发展前景。研究表明,作为宏观岩石物理参数与微观因素之间的桥梁,数字岩石物理学是兼具理论岩石物理与实验岩石物理元素的新手段,必将发挥更大作用。

基于沉积过程的数字岩石建模方法研究

本文提出模拟地层沉积及成岩过程的矿物沉积算法,建立数字岩石模型,并通过对比Micro-CT扫描图像和数值模型的局部孔隙度及平均渗流概率函数分布特征,评价建模的准确性.结果表明,由二维扫描提取的粒径信息作为输入参数,模拟矿物沉积过程建模得到的三维数字岩石模型,能够准确重构原始岩心的非均质性及渗流特性,成功应用于泥质砂岩、碳酸盐岩、页岩等存在多矿物或多尺度孔隙的数字岩石建模中.数字岩石物理是正在兴起的重要技术.数字岩石采用超高分辨率先进成像装备,采集和表征微纳尺度岩石结构,在岩石弹性、电性、核磁、渗流特性等数值计算中发挥重要作用.但是,由于三维直接成像在有限视域内难以表征足够的岩石非均质性,提取二维结构统计特征,利用统计或地质过程法重构具有代表性的三维岩石结构成为十分有价值的研究课题,而且,对业界大量存在的岩石薄片及电镜高清二维图像的深度开发应用也具有重要的现实意义.本文发展的新方法,复原沉积过程,较好地解决了孔隙尺度岩石物理定量研究中数值建模与理论计算的技术瓶颈.

DR-100和DR-500型数字岩石分析系统

DR-100和DR-500数字岩石分析系统应用美国斯坦福大学研制开发的数字岩石技术(DRT),通过实测与数字模拟相结合,利用细碎岩屑的显微图像,确定储集层孔隙度、渗透率、岩石强度等参数;应用岩石物理计算程序,可模拟三维数字岩石模型。简单的应用实例表明,此项技术所获取的数据与测井数据有较好的对应性,现场应用此技术结合其它录井手段,可作为录井过程中解决细碎岩屑描述与分析的一种有效手段。因此,可以说这种技术的开发应用为国内常规地质录井的岩屑分析向高科技手段发展起到了借鉴的作用。

基于微米焦点CT技术的煤岩数字岩石物理分析方法--以沁水盆地伯方3号煤为例

数字岩石物理技术既可实现煤体孔隙的三维空间表征及重构,又可模拟孔裂隙系统中流体的流动和绝对渗透率的计算。以伯方矿3号煤层为研究对象,基于微米焦点CT扫描与图像处理技术相结合,建立了真实的三维数字岩心模型;应用MATLAB编程及AVIZO软件内含的多种形态学算法,进行了数字岩心孔隙结构量化和表征,建立了等价孔隙网络模型;将AVIZO与COMSOL完美对接,实现了孔隙尺度的渗流模拟、绝对渗透率计算,并探讨了流体运移过程中的压力场及速度场的分布。研究方法丰富了现有数字岩石物理研究手段,为微观尺度上的煤体孔隙结构及流体运移研究提供了一种新的途径。

数字岩石构建方法及应用前景

数字岩心技术经过多年发展,在复杂储层的岩石物理微观机理研究方面取得了一系列成果,该技术提高了测井评价的效率和精度,在测井领域发挥重要作用。针对数字岩心在应用中存在样品尺寸与分辨率互相矛盾、样品尺寸局限于柱塞样品及以下尺度、在非均质地层尺度效应明显等问题,提出数字岩石的概念,将数字岩石的发展分为数字井筒、井周数字岩石和数字地层3个阶段,扩展数字岩心的应用范围。该文在利用不同尺寸、不同分辨率扫描图像构建多尺度数字岩心的基础上,结合电成像和地层元素等测井资料,采用多点地质统计学算法构建数字井筒。构建的数字井筒各组分含量分别与岩心、测井资料结果对比,相对误差均小于9%,证实该构建方法可靠,并展望数字岩石的应用前景。

基于数字岩石物理的深层缝洞型碳酸盐岩储层地震弹性特征表征

塔里木盆地的深层缝洞型碳酸盐岩储层油气资源潜力巨大,但钻遇该类储层时频频发生漏失和放空现象,很难获取岩芯和准确的测井数据对其地震岩石物理响应特征进行表征.本文以塔里木顺北地区实际的钻井、成像测井和录井资料为基础构建了典型的缝洞储集体数字岩石模型,并利用静力学模拟方法对其弹性波速度与溶洞孔隙度、裂隙密度的关系进行了研究.数字岩石物理模拟结果显示,溶洞储集体相较于围岩的纵波速度有明显的下降,但由于溶洞本身具有较强的刚度系数,因而纵横波速度对溶洞内充填物的多少和溶洞孔隙度的改变并不敏感.由于裂隙的较低刚度系数,因而缝洞碳酸盐岩储层的纵横波速度随着基岩中裂隙密度的增加呈现近似线性下降的趋势.而在测井尺度上,弹性波速度对于溶洞内部充填物多少和孔隙度的变化具有一定的敏感度.基于数字岩石物理模拟构建了深层缝洞储层的弹性特征与孔隙度变化的岩石物理模板,为塔里木深部岩溶储层的定量地震解释提供了岩石物理指导.

多源数据融合数字岩石模型研究与信息管理平台研发

岩石是多孔隙、多矿物非均质复合体,内部结构复杂且不可透视,极大地限制了岩石破裂及力学相关研究的发展。数字岩石技术可以实现岩石透明化和结构精细化表征。针对岩石数字模型中孔隙、矿物特性等信息难以同步集成的问题,通过CT扫描和高分辨率电子显微镜获取岩石孔隙和矿物成分信息,基于微元化处理和物元理论构建了一种多源数据融合的数字岩石模型,设计搭建了相应的信息管理平台。研究结果表明,数字岩石模型与信息管理平台能直观观测到岩石内部初级、次级孔隙,有效处理细观结构数据;能实现裂隙不同发育阶段岩石细观结构信息的大数据调用,和多对象、多场景的动态、贯通、分级的数据信息化管理。研究成果可为数字岩石数据融合集成和岩石力学大数据分析处理提供重要的理论基础支撑。

复杂储层多尺度数字岩石评价

复杂储层岩石矿物组成非均质性强,孔喉结构细小.储集空间有效性评价、岩石结构精细评价及流体赋存状态与运移规律评价是决定复杂储层油气勘探成效的关键.针对复杂储层的储集空间(孔喉、裂缝)、岩石结构(矿物、有机质)、流体特征3方面,建立了复杂储层多尺度数字岩石评价技术及工作流程.储集空间表征方面:二维大面积分析技术可建立跨越6~7个数量级的多尺度选取及非均质性评价;多尺度CT及FIB-SEM联用可精确刻画孔喉和裂缝的三维空间分布;电化学和显影剂技术可以有效地帮助分析微观孔隙连通性.固体组分分析方面:XRF及Qemscan联用可定量评价矿物组成与分布;三维FIB-SEM技术可以实现有机质形态和分布的定量分析.流体特性方面:荷电效应可用于微量残留有机流体的识别与表征;通过合成孔径、润湿性、表面微结构均可调控的纳米材料,开展地层条件下页岩油赋存及流动物理模拟研究,确定了单一因素对页岩油赋存及可动孔径下限的影响;利用分子模拟研究油气在无机、有机质纳米孔隙中的聚集机理与扩散潜力.复杂储层多尺度数字岩石评价技术体系和一系列具体应用可以有效地填补常规储层分析手段的不足,为页岩油气、致密砂岩油气储层以及深部油气储层等复杂储层有效性评价和含油气性定量评价提供技术支撑.

数字岩心技术测井应用与展望

分别从数字岩心的建模、岩石物理属性模拟及数字岩心技术在测井领域中的应用等3个方面介绍了数字岩心技术。介绍了2种建模方法——物理实验方法和数值重建方法,指出其各自优缺点。提出了数字岩石物理实验的概念,基于数字岩心进行岩石电性、声学特性、核磁共振特性及渗流特性等数值模拟实验。重点探讨了数字岩心技术在测井领域中的应用——定量分析低电阻率的成因、确定碳酸盐岩储层的饱和度指数、建立测井解释模型等。指出了数字岩心技术在测井领域的发展方向。

数字岩心EDS彩色图像分割

在非常规油气的勘探与开发中,很难通过岩石物理实验对页岩、致密砂岩、碳酸盐岩等复杂储层进行属性研究。数字岩石物理,一种基于数字岩心的岩石物理数值模拟,能够从微观、多尺度层面上对这些复杂储层进行无损岩心测试。数字岩心建模方法包括物理实验方法和数值重建方法两大类。数值重建方法的一项重要步骤就是对岩心二维图像进行图像分割,从而提取建模信息进行三维重建。X射线能谱仪(EDS),作为微区成分分析的重要手段之一,能够得到岩石各种矿物和孔隙分布的彩色图像。本文通过对Eagle Ford页岩EDS彩色图像进行分割,得到各种矿物及孔隙的二值图像。

弹性特征约束下的矿物成分页岩脆性评价方法研究

脆性评价对页岩储层可压裂性评估、设计压裂层段、提升压裂改造效果具有重要意义.但传统基于矿物成分的脆性评价方法将不同矿物成分对脆性指数贡献程度进行平均化,忽略了不同矿物对岩石脆性影响的差异性.本文采用数字岩石物理实验来标定不同矿物成分对岩石脆性整体特征的影响程度,定量分析了岩石弹性参数随矿物组分含量的变化关系,采用基于弹性参数的脆性指数来建立不同矿物成分对页岩脆性的差异性影响关系,建立不同矿物组分相较于黏土矿物与脆性指数的相对关系及敏感因子,在弹性参数脆性指数的约束下确定了不同矿物成分在脆性指数中的权重,提出了基于矿物成分贡献程度自适应变化的脆性评价方法.矿物脆性评价结果与弹性参数脆性评价结果的相关性分析及下寺湾地区岩样脆性评价测试表明,考虑不同矿物成分的差异性所构建的脆性评价方法更加合理有效.

基于电-力-声多物理场耦合数值模型的含水合物多孔介质声速和衰减特性研究

在物理模拟实验中对水合物微观赋存模式和饱和度进行准确控制和评价尚存在技术困难,仅依赖实验技术研究含水合物沉积物声学特性、建立储层参数解释模型存在局限性。采用基于有限元的数字岩石物理技术,针对悬浮、接触和胶结三种典型的水合物微观赋存模式分别建立多孔介质的三维电−力−声多物理场耦合模型,考察了微观赋存模式和水合物饱和度对多孔介质声速和衰减的影响规律,对比了声速数值模拟与理论模型计算结果,建立了声波衰减参数与水合物饱和度之间的关系式。研究结果表明:(1)对于三种水合物赋存模式,由于水合物相比孔隙水具有更高的弹性模量,多孔介质的声速随着水合物饱和度的增大而增大;水合物的存在导致声波在传播过程中遇到更多不连续的声阻抗界面,声衰减随着水合物饱和度的增大而近似线性增大;(2)悬浮和接触赋存模式条件下,水合物饱和度对多孔介质的声速和衰减影响规律基本一致;对于相同的水合物饱和度,胶结模式条件下含水合物多孔介质具有更高的声速和更小的声衰减;(3)通过合理选择参数值,利用权重方程与Lee改进的Biot-Gassmann Theory(BGTL)模型估算的含悬浮和接触模式水合物多孔介质的声速较为准确;通过等效介质理论模型C计算的含胶结模式水合物多孔介质的声速更为准确。研究结果可为获取复杂条件下含水合物沉积物的声学特性提供数值建模方法,为基于声波测井数据的水合物储层精细评价提供理论支撑。

基于Micro-CT扫描技术的低渗砂岩储层微观孔喉特征研究

以Micro-CT扫描技术为基础的储层微观孔隙特征研究是油藏精细描述的首要内容,也是孔隙尺度提高采收率的必然选择。以Micro-CT扫描获取的全尺寸岩心三维数字图像为基础,通过高级图像处理算法,得出岩心切面孔隙率随切片位置的变化规律,整体考察了低渗砂岩储层天然岩心的宏观非均质性。为了详细描述岩心内部微观孔喉特征,对钻取的2 mm岩样精细扫描,利用最大球算法提取真实孔隙结构相等价的球棍模型,定量考察了孔喉半径、表面积、拓扑结构、有效孔隙度等的分布规律,形象展示了孤立孔隙、连通孔隙的空间分布。该研究可为数字岩石物理实验的应用提供思路。

场发射扫描电镜及PerGeos系统在安页1井龙马溪组页岩有机质孔隙研究中的联合应用

安页1井是中国地质调查局在我国南方盆地外围武陵山复杂构造区实施并取得页岩气突破的一口地质调查参数井。本文以安页1井龙马溪组富有机质页岩为研究对象,利用场发射扫描电镜,研究了上扬子地区盆地外围龙马溪组富有机质页岩储集空间类型,并将Per Geos数字岩石处理系统引入有机质孔隙定量分析,定量刻画了有机质微纳米孔隙结构及发育特征。研究认为:有机质孔隙是安页1井龙马溪组富有机质页岩最主要的储集空间,形态上表现为填隙于自生硅质中的有机质发育着均匀海绵状孔隙结构,或与黏土矿物交互生长的有机质发育着气泡状孔隙结构,这两类不同赋存形态的有机质的孔隙均极为发育。通过Per Geos数字岩石系统处理,揭示了两类有机质孔隙孔径发育呈现双众数分布,其中海绵状结构的有机质孔隙孔径众数为5~10 nm,气泡状结构的有机质孔隙孔径众数为51~100 nm,有机质孔隙主要介于中孔~宏孔范畴。安页1井龙马溪组有机质孔隙的大量发育,指示了盆地外围的龙马溪组页岩经历了较强烈的生烃过程并具有较好的储集能力,具备良好的开发潜力。

基于深度学习的页岩孔隙类型自动识别方法

页岩孔隙研究对页岩油甜点预测和储层评价具有重要意义,与常规储层相比,页岩储层的孔隙类型更为多样,孔隙结构更为复杂,纳米尺度的孔隙广泛发育。目前,常规的岩石物理实验在页岩储层参数表征方面遇到困难,难以满足页岩等复杂岩石类型评价的需求。基于多分辨率的数字岩心技术,在数据规则化的基础上,利用高分辨率的数字岩心图像,采用深度学习算法,对页岩储层的孔隙类型进行自动智能识别。该算法识别精度达到0.65(mAP@0.5),极大提升了页岩孔隙类型识别的时效性,为非常规储层孔隙类型的表征提供了新的方法和手段。