CN110702581B - 一种强非均质多孔介质的多尺度渗透率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强非均质多孔介质的多尺度渗透率计算方法，包括以下步骤：用高精度扫描设备扫描岩心，获取并分析包含岩心结构信息的三维数字图像数据体；通过组间分类，基于局部渗透率关系构建强非均质多孔介质的多尺度模型；利用孔隙网络模型和灰格子玻尔兹曼方法，开展多尺度流动模拟，得到样品的多尺度渗透率。本发明考虑真实强非均质孔隙空间的微观非均质特征，计算多尺度渗透率，定量评价强非均质多孔介质的渗流特性，为强非均质多孔介质的精细数值模拟提供了数据基础。

Description

一种强非均质多孔介质的多尺度渗透率计算方法

技术领域

本发明涉及强非均质多孔介质空间多尺度表征技术领域，特别涉及一种强非均质多孔介质的多尺度渗透率计算方法。

背景技术

强非均质多孔介质是指其孔隙空间中的孔隙大小和数量都分布十分不均匀的材料，广泛应用于各个领域，多见于天然多孔介质材料或混合多孔介质材料，例如自然界中常见的页岩/致密储层等非常规油气储集空间都具有很强的非均质性特征。强非均质多孔介质的孔隙空间复杂性主要体现在：(1)孔隙结构类型复杂，区域差异性强，表征单元体(REV)尺寸选择难度大；(2)孔隙大小分布复杂，发育纳米-微米-毫米级孔隙结构，尺度差异性大，受微尺度效应影响，其流动传质模式多样。

在描述常规多孔介质的流动传质特征时一般采用室内试验及传质模拟方法，由于强非均质多孔介质孔隙空间的复杂性，室内实验方法周期长、重复性差、造价高，常规实验很难开展；利用微观流动模拟方法可准确描述微纳尺度的流动规律，但同时受方法适用范围和计算规模的限制，计算范围很有限；宏观尺度的流动模拟可以描述多孔介质的传质模式，但很难全面考虑到此类多孔介质的微尺度流动效应，因此，能够准确表征此类多孔介质的复杂孔隙结构的尺度升级研究备受关注。

目前，尺度升级方法多是基于周期性假设的理想模型，通过引入微观规则孔隙结构模型，采用从微纳米尺度逐级升级到毫米、米尺度的方法推算宏观尺度上的流动传质控制方程，无法全面考虑真实岩心孔隙空间的微观非均质特征，难以应用于复杂的强非均质多孔介质传质性质模拟。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种强非均质多孔介质的多尺度渗透率计算方法，以达到操作简单，成本低，周期短，能够准确表征多孔介质的复杂孔隙结构的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种强非均质多孔介质的多尺度渗透率计算方法，包括以下步骤：

S1：利用高精度成像设备获取样品的三维数字孔隙空间图像数据体P；

S2：通过流动单元结构分类，以数据体P为基础，构建大尺度孔隙结构数据体格子模型P_B；

S3：基于流动单元分类结果选取典型流动单元结构，建立典型流动单元结构的XYZ三轴孔隙网络模型，定量分析其孔隙结构特征；

S4：通过耦合S2中的大尺度孔隙结构数据体格子模型P_B和S3中的典型流动单元结构的XYZ三轴孔隙网络模型，构建多尺度孔隙结构模型M；

S5：开展多尺度孔隙结构模型M的多尺度流动模拟，得到样品的多尺度渗透率K_M。

上述方案中，所述S1中的高精度成像设备为微纳米CT或FIB-SEM。

上述方案中，所述S2包括以下步骤：

S21：判断样品单元体尺度，选择流动单元结构数据体尺寸；

S22：依照流动单元数据体尺寸对原数据体P进行网格粗化，每一个格子P_i代表一个流动单元结构，得到粗化格子模型P_B0；

S23：以流动单元结构的局部孔隙度

作为判定标准，对所有流动单元结构分组归类为N组；

S24：以不同的格子标签j代表不同的流动单元结构类别，j为流动单元结构的分组编号，j∈(1，N)，对粗化格子模型P_B0的格子逐一标注，得到大尺度孔隙结构数据体格子模型P_B。

上述方案中，所述S3包括以下步骤：

S31：分析N组流动单元结构的孔隙结构，每一组选取一种典型孔隙结构P_j作为该组的代表，j为流动单元结构的分组编号，j∈(1，N)；

S32：对S31获得的N个典型孔隙结构Pj进行数据二值化，分离孔隙对应的所有数据点，标记为目标点，并赋值1，其余背景区域标记为背景点或噪声点，赋值0，得到只包含0和1的二值化数据体P_2j。

S33：建立S32获得的N个二值化数据体P_2j的XYZ三轴孔隙网络模型；

S34：通过流动模拟得到N个典型孔隙结构P_j对应的初始的XYZ三轴轴向渗透率K_Pj(K_x、K_y、K_z)＝K_Pj(K_x0、K_y0、K_z0)。

上述方案中，所述S4具体如下：依照标签号j，将大尺度孔隙结构数据体格子模型P_B中的格子P_i与N个典型孔隙结构P_j相关联形成多尺度流动单元结构M_i，构建多尺度孔隙结构模型M。

上述方案中，所述S5包括以下步骤：

S51：给多尺度孔隙结构模型M的压力和边界条件赋初值；

S52：将N个典型孔隙结构的初始XYZ三轴轴向渗透率K_Pj(K_x、K_y、K_z)作为多尺度格子的初始局部渗透率K_Mi(K_x、K_y、K_z)，赋值给大尺度孔隙结构数据体格子模型P_B中每个格子M_i；

S53：利用局部渗透率关系，基于灰格子玻尔兹曼方法开展流动模拟，粒子运动一个时间步长，其中局部渗透率关系为

n_s为流体在穿过孔隙空间的反弹系数，

为流动单元结构的局部孔隙度；

S54：判断多尺度孔隙结构模型M是否平衡，若平衡则输出样品的多尺度渗透率K_M；若不平衡，将每个格子M_i的局部压力及流量参数赋值给对应的典型孔隙结构P_j，计算P_j的XYZ三轴轴向渗透率K_Pj(K_x、K_y、K_z)，循环步骤S52-S53，直到多尺度孔隙结构模型M平衡时输出样品的多尺度渗透率K_M。

通过上述技术方案，本发明提供的强非均质多孔介质的多尺度渗透率计算方法据不同研究需求，基于高精度成像设备开展不同类型样品的多尺度模型构建，依据孔隙网络模型及灰格子玻尔兹曼方法(GLBM)方法，最终获得样品的多尺度渗透率，为强非均质多孔介质的精细数值模拟提供数据基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例一种强非均质致密砂岩多尺度渗透率计算方法的流程示意图；

图2为本发明实施例致密砂岩孔隙空间切面图；

图3为本发明大尺度孔隙结构数据体格子模型构建示意图；

图4为本发明多尺度模型流动模拟循环计算过程示意图；

图5为本发明实施例致密砂岩6类典型孔隙结构的XYZ三轴孔隙网络模型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种强非均质多孔介质的多尺度渗透率计算方法，如图1所示，具体实施例如下：

S1：取强非均质致密砂岩样品一块，岩心柱直径25mm，长25mm，渗透率为3.76mD，孔隙度为7.95％。利用高精度成像设备微纳米CT或FIB-SEM获取致密砂岩样品的三维数字孔隙空间图像数据体P，切面图像如图2所示。

S2：通过对致密砂岩的流动单元结构分类，如图3所示，构建大尺度孔隙结构数据体格子模型P_B。

S21：判断致密砂岩表征单元体(REV)尺度，选择流动单元结构数据体尺寸为300×300×300体素；

S22：依照流动单元数据体尺寸对原数据体P进行网格粗化，得到粗化格子模型P_B0，模型大小为：100×100×100格子，每个格子代表300×300×300体素大小的一块孔隙空间区域；

S23：以流动单元结构的局部孔隙度

作为判定标准，对所有流动单元结构分组归类为6组，(1)微裂隙与较大孔隙相连通的孔隙空间结构，多见于微裂隙发育区；(2)孔隙半径较大且孔隙分布较为均一的孔隙空间结构；(3)小孔为主、孔隙度较低的孔隙空间结构；(4)粘土矿物中溶蚀生成的微孔簇；(5)小孔为主、孔隙度较高的孔隙空间结构；(6)大小孔并存且连通性较好的孔隙空间结构。

S24：以不同的格子标签j(j为流动单元结构的分组编号,j∈(1，6))代表不同的流动单元结构类别，对粗化格子模型P_B0的格子逐一标注，得到大尺度孔隙结构数据体格子模型P_B；

S3：建立典型流动单元结构的XYZ三轴孔隙网络模型，定量分析其孔隙结构特征。

S31：分析6组流动单元结构的孔隙结构，每一组选取一种典型孔隙结构P_j(j为组的编号，j∈(1，6))作为该组的代表。

S32：对S31获得的6个典型孔隙结构P_j进行数据二值化，分离孔隙对应的所有数据点，标记为目标点，并赋值1，其余背景区域(驱替相、骨架等)标记为背景点或噪声点，赋值0，得到只包含0和1的二值化数据体P_2j。

S33：基于孔隙网络模型构建方法，建立S32获得的6个二值化数据体P_2j的XYZ三轴孔隙网络模型，如图5所示。

S34：通过流动模拟得到N个典型孔隙结构P_j对应的初始的XYZ三轴轴向渗透率K_Pj(K_x、K_y、K_z)＝K_Pj(K_x0、K_y0、K_z0)。

S4：依照标签号j，将大尺度孔隙结构数据体格子模型P_B中的格子P_i与N个典型孔隙结构P_j相关联形成多尺度流动单元结构M_i，构建多尺度孔隙结构模型M。

S5：开展多尺度孔隙结构模型M的多尺度流动模拟，如图4所示，得到样品的多尺度渗透率K_M。

S51：给多尺度孔隙结构模型M的压力和边界条件赋初值；

S52：将N个典型孔隙结构的初始XYZ三轴轴向渗透率K_Pj(K_x、K_y、K_z)作为多尺度格子的初始局部渗透率K_Mi(K_x、K_y、K_z)，赋值给大尺度孔隙结构数据体格子模型P_B中每个格子M_i。

S53：利用局部渗透率关系，基于灰格子玻尔兹曼方法开展流动模拟，粒子运动一个时间步长，其中局部渗透率关系为

n_s为流体在穿过孔隙空间的反弹系数，

为流动单元结构的局部孔隙度；

S54：判断多尺度孔隙结构模型M是否平衡，若平衡则输出样品的多尺度渗透率K_M；若不平衡，将每个格子M_i的局部压力及流量参数赋值给对应的典型孔隙结构P_j，计算P_j的XYZ三轴轴向渗透率K_Pj(K_x、K_y、K_z)，循环步骤S53-S54，直到多尺度孔隙结构模型M平衡时输出样品的多尺度渗透率K_M。

S6：最终获得此致密砂岩样品的多尺度渗透率为4.63mD。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种强非均质多孔介质的多尺度渗透率计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：利用高精度成像设备获取样品的三维数字孔隙空间图像数据体P；

S2：通过流动单元结构分类，以数据体P为基础，构建大尺度孔隙结构数据体格子模型P_B；

S3：基于流动单元分类结果选取典型流动单元结构，建立典型流动单元结构的XYZ三轴孔隙网络模型，定量分析其孔隙结构特征；

S4：通过耦合S2中的大尺度孔隙结构数据体格子模型P_B和S3中的典型流动单元结构的XYZ三轴孔隙网络模型，构建多尺度孔隙结构模型M；

S5：开展多尺度孔隙结构模型M的多尺度流动模拟，得到样品的多尺度渗透率K_M；

所述S2包括以下步骤：

S21：判断样品单元体尺度，选择流动单元结构数据体尺寸；

S22：依照流动单元数据体尺寸对原数据体P进行网格粗化，每一个格子P_i代表一个流动单元结构，得到粗化格子模型P_B0；

S23：以流动单元结构的局部孔隙度

作为判定标准，对所有流动单元结构分组归类为N组；

S24：以不同的格子标签j代表不同的流动单元结构类别，j为流动单元结构的分组编号，j∈(1，N)，对粗化格子模型P_B0的格子逐一标注，得到大尺度孔隙结构数据体格子模型P_B；

所述S3包括以下步骤：

S31：分析N组流动单元结构的孔隙结构，每一组选取一种典型孔隙结构P_j作为该组的代表，j为流动单元结构的分组编号，j∈(1，N)；

S32：对S31获得的N个典型孔隙结构Pj进行数据二值化，分离孔隙对应的所有数据点，标记为目标点，并赋值1，其余背景区域标记为背景点或噪声点，赋值0，得到只包含0和1的二值化数据体P_2j；

S33：建立S32获得的N个二值化数据体P_2j的XYZ三轴孔隙网络模型；

S34：通过流动模拟得到N个典型孔隙结构P_j对应的初始的XYZ三轴轴向渗透率K_Pj(K_x、K_y、K_z)＝K_Pj(K_x0、K_y0、K_z0)；

所述S4具体如下：依照标签号j，将大尺度孔隙结构数据体格子模型P_B中的格子P_i与N个典型孔隙结构P_j相关联形成多尺度流动单元结构M_i，构建多尺度孔隙结构模型M。

2.根据权利要求1所述的一种强非均质多孔介质的多尺度渗透率计算方法，其特征在于，所述S1中的高精度成像设备为微纳米CT或FIB-SEM。

3.根据权利要求1所述的一种强非均质多孔介质的多尺度渗透率计算方法，其特征在于，所述S5包括以下步骤：

S51：给多尺度孔隙结构模型M的压力和边界条件赋初值；

S52：将N个典型孔隙结构的初始XYZ三轴轴向渗透率K_Pj(K_x、K_y、K_z)作为多尺度格子的初始局部渗透率K_Mi(K_x、K_y、K_z)，赋值给大尺度孔隙结构数据体格子模型P_B中每个格子M_i；

S53：利用局部渗透率关系，基于灰格子玻尔兹曼方法开展流动模拟，粒子运动一个时间步长，其中局部渗透率关系为

n_s为流体在穿过孔隙空间的反弹系数，

为流动单元结构的局部孔隙度；

S54：判断多尺度孔隙结构模型M是否平衡，若平衡则输出样品的多尺度渗透率K_M；若不平衡，将每个格子M_i的局部压力及流量参数赋值给对应的典型孔隙结构P_j，计算P_j的XYZ三轴轴向渗透率K_Pj(K_x、K_y、K_z)，循环步骤S52-S53，直到多尺度孔隙结构模型M平衡时输出样品的多尺度渗透率K_M。

Images