过程模拟法重建三维数字岩芯的准确性评价

由于利用X射线CT扫描获得反映真实岩石微观结构的三维数字岩芯过于昂贵和费时,因此,正确评价利用岩芯二维薄片图像重建三维数字岩芯的准确性具有重要理论和应用价值。采用过程模拟法,依据岩芯的二维薄片图像,通过模拟真实岩石的形成过程——沉积过程,压实过程和成岩作用重建了三维数字岩芯,并且应用局部孔隙度分布函数和平均渗流概率函数进行了重建三维数字岩芯的准确性评价。结果表明:过程模拟法重建的三维数字岩芯与真实岩芯具有相同的均匀性和连通性,且重建三维数字岩芯与真实数字岩芯都是各向同性的。重建的三维数字岩芯不仅可以用来表征真实岩芯的孔隙结构,而且也可以作为其他岩石物理属性模拟的基础。

基于数字岩芯技术的高温压浸润岩石摩擦机理研究

基于量子力学格子玻尔兹曼理论和多尺度计算机断层成像(CT)技术,在并行中央处理器-图形处理器(CPU-GPU)平台下,为低密度砂岩、花岗岩、大理岩、榴辉岩及橄榄岩等典型岩石试样建立三维数字岩芯模型;进而,应用夹杂超奇异积分-D3Q27格子玻尔兹曼法对多时空尺度(时间尺度:10～100μs;空间尺度:10μm～10cm)、高温压(温度范围:0～600℃;压力范围:0～1GPa)饱和浸润典型岩石试样摩擦过程进行虚拟实验研究,得到摩擦面微裂纹亚临界扩展、摩擦面摩擦应力变化和摩擦面摩擦系数大小随滑动速度、滑动时间、温度和压力大小及加载方式变化规律;最后,通过分析虚拟实验中高温压饱和浸润典型岩石从静止到发生滑动摩擦过程,讨论了离子态水对摩擦系数影响和摩擦面微观摩擦机理.研究结果为地球内部物质软流圈-岩石圈-地壳间运移机理问题、水库对断层活动构造带影响机理问题分析在理论上提供了支持和帮助.

基于生成对抗网络的页岩三维数字岩芯构建

页岩油气藏孔隙结构复杂,岩芯获取困难,准确表征页岩储层孔隙结构是研究页岩储层内流体渗流规律的关键。基于真实页岩岩芯的三维聚焦离子束扫描图像,对原始生成对抗网络模型的结构重新设计,同时,为了保证重建结果可以充分反映页岩岩芯的孔隙结构信息,增大了训练样本的尺寸,以此训练生成模型,进而生成页岩三维数字岩芯,对比分析了重建数字岩芯和原始岩芯的孔隙度,并基于重建数字岩芯提取了孔隙网络模型,分析了页岩孔隙结构性质。结果显示,重建岩芯的孔隙度、孔隙空间结构、连通性以及孔隙喉道的配位关系与原始岩芯具有很高的一致性,由此验证了生成模型可以实现三维页岩数字岩芯的构建。最后,构建了多个页岩数字岩芯,计算了多个孔隙结构参数的均值及变化区间,证明了生成的数字岩芯具有稳定的孔隙空间特征,训练好的生成模型具有良好的稳定性。

利用数字岩芯评价疏松砂岩气藏渗流特征

针对疏松砂岩气藏岩石物理性质的测试存在取芯难、岩芯易水化和出砂,传统的岩芯驱替实验无法准确评价其渗流特征的问题,利用数字岩芯技术对其开展了渗流特征的研究。研究中以涩北疏松砂岩气藏某井岩芯为研究对象,首先利用CT扫描仪扫描岩芯样品,获取岩芯的三维图像,抽取数字信息,将多孔介质的孔隙结构直接映射至网络,并利用分形几何原理建立数字岩芯,再从中抽提出三维孔隙网络模型;然后将模型计算结果与真实岩芯实验值进行对比和校正,获取客观有效的数字岩芯模型;最后利用该数字岩芯模型计算了不同有效应力、不同地层水伤害时间以及不同泥质含量状态下的渗流物理参数和相对渗透率,为疏松砂岩气藏的开发提供了重要的岩石物理基础数据。

波尔兹曼数字岩芯致密砂岩渗透率研究

致密砂岩渗透率在油气勘探开发、地应力测量及水库地质灾害等领域具有重要意义,但鉴于目前实验技术局限性,温压耦合渗透率测量尚无法通过实验手段实现.在已有研究工作基础上,首次建立了基于D3Q27数字岩芯模型,并计算了高温压耦合低渗砂岩渗透率问题.首先,以鄂尔多斯盆地某油田延长组致密砂岩为例,利用X射线CT断层成像技术岩芯获取10μm,5μm,2μm分辨率致密砂岩内部结构数据,应用基于量子力学第一性原理的D3Q27格子波尔兹曼数字岩芯模型建立数值模型.进而,利用自编3DLBM程序分别计算了不同分辨率渗透率随围压(0～200 MPa)、孔隙压(0～65 MPa)和温度(25 C～180 C)变化规律,通过与Inc AUTOLAB2 000C岩石测试分析系统实验结果对比,验证了程序的可靠性,得到低渗砂岩断层最佳分辨率;最后,在并行CPU--GPU平台上计算了高温高压耦合(0 C～400 C,0～1.4 GPa)下致密砂岩渗透率值及其各向异性随温压变化规律,并讨论了致密砂岩中水在达到超临界状态后对致密岩石内部结构的影响.

数字岩芯仿真技术在岩石力学课程教学实践和人才培养中的应用

岩石力学是研究岩石在外界因素(如荷载)作用下的变形及破坏特性的学科,是土木、石油工程等专业的一门必修基础课程。传统岩石力学课堂教学中,学生难以对岩石内部变形-破坏过程,以及岩石内部应力分布等现象形成直观的认识。为了改善这一不足,文章提出了一种结合微尺度模型重建及数值仿真的新型课堂教学方法。以某砂岩CT图像重建模型为例,文章详细介绍了利用ANSYS软件开展岩石变形仿真分析的课程应用案例设计。该方法可以实现岩石内部变形-破裂的可视化仿真,从而加深学生对课程内容的理解,激发学生兴趣,有效提高岩石力学课程的教学质量。

龙马溪组页岩数字岩芯超声响应数值模拟及散射特征分析

超高频(几百兆赫兹)超声数值模拟微米至纳米尺度的龙马溪组页岩数字岩芯及其强非均质性严重挑战数值模拟算法的精度和数值稳定性.本文利用图像阈值分割算法将龙马溪组页岩数字岩芯主要成分分解为石英类、黏土类、黄铁矿及孔隙四种类型,假定液相(油)均匀分布在整个介质模型中,根据岩芯的孔隙度、渗透率和各类矿物的岩石物理参数,建立了精细的非均质双相介质模型.采用基于Biot双相介质方程的不分裂卷积完全匹配层与高精度旋转交错网格有限差分方法精确模拟超声波在页岩岩芯中传播的散射衰减.通过精确控制匹配层吸收边界数来模拟边界反射量及其对尾波的干涉强度,并与超声实验尾波散射Q值进行比较,估算超声实验中的边界反射量及其对尾波的干涉强度.对不同超声子波主频的数值模拟试验,结合L/a-ka散射态式图分析表明:本文采用的龙马溪组页岩数字岩芯的非均质强度与600 MHz波长尺度相当,产生的散射衰减达到最大.开展页岩岩芯超声波散射数值模拟研究,据此评估页岩岩芯的非均质性,为页岩储层声学非均质预测提供依据.

三维数字岩芯技术在珠江三角洲第四纪软沉积物变形研究中的应用

珠江三角洲地区是否存在晚第四纪的断裂活动是大湾区战略规划的一个重要参考因素。活动断裂带内第四纪松散沉积物是断层活动的主要标志及信息载体,细致、立体地观测松散沉积物并非易事。通过采用X射线全岩芯扫描技术,对珠江三角洲地区主要断裂带上的钻孔岩芯进行了扫描和处理,使用体渲染技术对岩芯的三维结构进行可视化,重点观测第四系未固结沉积物的变形现象。研究表明,岩芯CT扫描图像不仅克服了未固结岩芯难以自由转动、无法开展多角度观测的困难,而且可以揭示大量在岩芯照片上无法观察到的现象,如岩芯的内部非均匀结构、物质分布情况、裂缝的展布形态,以及裂缝处的物质成分变化等。结合沉积物测年结果,可以给出断裂活动时间。因此,对于未固结沉积物钻孔岩芯,全岩芯CT扫描可以作为优选的观测、分析新手段,在未来的工程探查和活动断裂研究中加以推广。

数字岩芯微观结构特征及其对岩石力学性能的影响研究

岩石本质上是一种非均质材料,其力学性质受到微观孔隙结构的影响。通过计算不同岩石微米CT图像的分形维数、孔隙半径分布和孔隙形状因子分布,分析了岩石的微观孔隙结构特征。基于数字岩芯表征单元,用有限元方法开展孔隙尺度下微观变形模拟试验,研究微观孔隙结构对岩石变形的影响。结果表明:岩石孔径分布各异,骨架和孔隙都具有分形特征,浑圆孔隙占比相对较少。岩石变形模拟试验中,由于端部束缚作用强,出现了严重的端部效应,在中部了形成X形的共轭塑性剪切带,会不断发展直至岩石破坏;不规则孔隙的存在,使得岩石内部应力集中现象明显,塑性变形区域分布极不均匀。岩石轴向上具有整体平移的特点,侧向变形严重,变形带之间过渡区域位移梯度较大;X形剪切带的下部,形成位移较小的拱形弹性变形区。岩石有效弹性模量与孔隙度和孔隙分形维数具有良好的相关性。随着孔隙度的增加,有效模量几乎呈指数递减,孔隙度对岩石力学性质影响巨大。孔隙分形维数越大,有效弹性模量大体上逐渐变小。研究从孔隙尺度揭示了岩石微观结构的变形机制,对岩石宏观性质的研究具有重要的指导意义。

我国油气岩芯数字化工作现状与思考

岩芯数字化是一种通过照相、扫描、图像分析、计算机建模等技术实现岩芯信息电子化、数字化的信息化手段,可以帮助实现岩芯信息的长久保存和远程使用。本文在总结和系统梳理常见油气岩芯数字化工作内容及技术方法、管理、成果共享应用等现状的基础上,思考和分析了当前油气岩芯数字化工作中存在的主要问题,主要包括基础性保障不足、全国性政策及技术要求缺位、成果共享应用工作进展缓慢。为促进油气岩芯数字化工作的进一步发展,本文从优化油气岩芯数字化管理角度,有针对性地提出了出台全国性油气岩芯数字化管理制度文件、建立健全油气岩芯数字化成果共享机制、加快制修订行业及国家技术标准、政策扶持国产高精尖数字化设备研制及推广等建议。

国家岩芯科技资源共享机制对策的建议

岩芯科技资源的共享程度直接影响了我国岩芯科技资源的合理配置和高效利用水平,共享机制的建立是提高共享程度的关键。文章通过引入经济学概念,分析国内外岩芯科技资源共享现状和特点,总结了新时期岩芯科技资源共享存在的问题,探讨了岩芯科技资源共享应遵循5个原则、6种方式及共享运行的4大过程,提出了建立和优化岩芯科技资源共享机制对策的建议。

X-CT引导的矿物赋存状态及微区表征研究

在常规岩矿鉴定过程中普遍存在对岩芯内部构造、矿物分布等缺乏了解的问题。X射线断层扫描(X-CT)作为一种无损分析测试手段,近年来在地球科学领域备受关注。以相山火山岩型和沙特碱性花岗岩型岩芯样品为研究对象,采用X-CT对岩芯中高密度矿物的形貌、空间分布等参数进行表征。通过对X-CT测定数据的解析,可以快速准确地获得目标重矿物在岩芯中的空间位置。依据X-CT给出的目标矿物所在岩芯中的空间相对位置,引导传统制靶工艺制备目标区域的靶样,联用扫描电子显微镜(SEM)和激光烧蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)进行微区表征,获得了岩芯中稀土矿物和含铀矿物的空间赋存状态以及微区特定元素分布信息。由于预先采用X-CT对目标矿物及对应微区进行空间位置标定,使得制靶效率和选点准确度得到有效提高。

高清数字钻孔电视技术研发及其在水电工程中的应用

钻孔电视是能直观获得钻孔孔壁原状图像的地球物理方法,高清数字钻孔电视技术采用了先进的时间定时器,改进了光学工艺,加入了人-机互动调色功能的高分辨率摄像头,应用了消除电磁场对图像影响的处理技术,使其具有高精度、高分辨率和高保真度等特点。在某水电站坝址和围堰深厚覆盖层可视化研究中,利用高清数字钻孔电视技术,可清晰地获得钻孔孔壁原状图像,从而有效地查明工区的地质情况,为顺利施工提供技术保障,并为建立"数字化电子岩芯库"奠定了坚实的基础。

基于全直径CT扫描技术的礁灰岩孔隙结构研究

为研究南海岛礁礁灰岩微观孔隙结构特征并进行定量分析,运用X射线CT扫描设备对礁灰岩试样进行扫描;对扫描数据重建处理,得到高分辨率三维数字岩芯。运用三维可视化软件Dragonfly对数字岩芯进行可视化处理,通过阈值建立孔隙和基质的二元结构模型,计算得到礁灰岩试样的整体孔隙率及逐层面空隙率。采用最大球算法计算得到礁灰岩连通孔隙的球棒模型。结果表明:礁灰岩的整体孔隙率为7.47%~8.24%,更接近致密砂岩;逐层面孔隙率离散性均较大,呈现出非常明显的非匀质特性。研究成果可为珊瑚礁灰岩渗透特性和力学特性的深入研究提供基础。

岩石孔隙结构表征与流体输运可视化研究进展

孔隙结构特征的室内测试技术主要分为间接测试和直接测试两大类。前者主要以获取孔径分布等特征统计参数为主的流体注入法及孔隙流体饱和度的反分析法。后者主要为以获取孔隙结构图像为目的的光学辐射法。微观渗流物理实验可以实现孔隙空间中流体流动形态的可视化监测与分析,获取宏观条件下难以观测的实验现象,有助于孔隙尺度下渗流及驱替过程中复杂流动行为的微观力学机制分析。基于岩芯微观孔隙结构图像的模型重建是一种实现孔隙结构精细化表征与流体输运特性可视化研究的数值分析手段。基于不同的表征思想,多孔介质内流体输运控制方程可分为分子动力学模拟、格子玻尔兹曼模拟和计算流体动力学模拟。主要通过泊肃叶定律和准静态模型实现孔隙尺度流体流动和驱替过程的模拟。

碳酸盐岩储层含水饱和度模型发展及分析

在参阅国内外相关文献基础上,根据研究对象、导电方式、研究方法的不同,将目前针对碳酸盐岩储层的含水饱和度模型分为4种:基于阿尔奇方程的经验性扩展模型;按照不同孔隙发育类型划分、基于双重及三重孔隙的饱和度模型;按照孔隙尺寸大小划分、基于双重及三重孔隙的饱和度模型;基于有效介质理论基础的饱和度模型。从导电机理、基本假设、应用情况对不同的饱和度模型进行了分析,指出基于阿尔奇方程的经验性扩展模型形式简洁,在实验数据刻度下往往可以达到数值上的等效,而基于三重孔隙的饱和度模型是目前最有希望达到通用性应用的一种。对于碳酸盐岩饱和度模型的研究,建议今后从导电机理,岩石物理实验、模型参数求取及应用等方面做更深入的工作,并指出基于数字岩芯的孔隙网络导电模型是今后发展的重要方向。

显微CT技术在石油地质中的应用初探

显微CT技术具无损检测实体的优点,所得透视投影数据重建后可直接表征出物体内部微观结构的三维立体信息,且重构结果几乎接近于实际物体。显微CT适用专业领域范围及前景很广。其检测对象可以从低原子序数的有机物质到高原子序数的重金属材料。对显微CT技术方法做了简单介绍,通过对储层微观特征与流体特征的分析,初步探讨了该技术在石油地质领域的应用前景。

电加热下褐煤微观结构的演化研究及其工程应用

针对我国低变质煤层开采难度大、成本高的现状,利用电加热法对低变质煤中褐煤的微观结构进行了研究,利用精细显微CT系统分别观察了25℃、300℃、400℃、500℃后褐煤的微观孔隙,利用3D数字岩芯技术建立了三维孔裂隙骨架图,得到高温作用后,试样孔裂隙发育以及孔隙率都得到明显的提升,其中,400℃后,试样热解充分,孔隙发育完全,试样的孔隙率出现陡增,可见,持续高温作用下,有机质热解充分,加快了孔隙的发育。

CO_(2)+O_(2)地浸采铀采区含铀砂岩孔隙演化试验研究

CO_(2)+O_(2)地浸采铀采区含铀砂岩孔隙结构演化影响了铀矿的高效浸出,已成为制约地浸采铀技术发展的瓶颈。为此,采用自制的CO_(2)+O_(2)地浸采铀试验装置,模拟了某砂岩型铀矿地浸采铀过程;并采用高压压汞仪、CT扫描仪和X射线衍射分析仪等设备表征了含铀砂岩岩芯在试验前后的孔隙演化特征;同时,运用Avizo软件构建了三维数字岩芯及其渗流模型,分析了溶浸液渗流规律。研究结果表明:试验后含铀砂岩岩芯总孔隙度和连通孔隙度与试验前相比分别增加了5.03%和5.53%;且试验后数字岩芯的逐层面孔率分布范围更广、孔喉等效半径和喉道面积急剧增大;试验后岩芯孔隙数量随孔隙配位数增大而减小,但当孔隙配位数C≥4时,试验后孔隙数量与试验前相比成倍数增长,最高达到了试验前的21.63倍,此时岩芯中连通孔隙非常显著,渗透率增大;含铀砂岩岩芯中大孔喉相互连接形成的孔隙网络为溶浸液提供了主要的渗流通道,且溶浸液的渗流速度由岩芯中心沿径向方向呈现出由大变小的规律。研究结果可为后续CO_(2)+O_(2)地浸采铀中分析溶质迁移演化规律提供有意义的参考。

基于数字岩石物理的非常规储层岩石流体替换研究

实践表明利用Gassmann理论预测高孔高渗地层岩石在不同饱和度下的弹性模量具有较好的应用效果,而非常规油气勘探中的低渗透地层与常规Gassmann理论的应用基础差异较大。本文设计了数字岩石物理实验研究低渗透岩石的弹性模量。利用包含孤立孔隙的数字岩芯,变化孔隙中流体的存在形式,结合有限元弹性参数模拟,计算低渗岩石体积模量与饱和度的变化规律。研究表明数值模拟结果与Gassmann理论预测结果存在较大差异,且气水关系变化对数字岩芯的弹性模量有较大影响。研究认为直接利用常规流体替换技术对非常规天然气储层进行流体替换不符合实际情况。