CN111475982B - 一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法 - Google Patents

一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法，具体涉及油气田勘探开发领域。该方法通过收集取芯资料获得岩石样品，利用CT扫描和等效沉积法，结合Avizo软件构建岩石内部孔隙结构模型，基于体素的有限元法计算岩石内部磁场梯度分布，通过模拟不同外加磁场场强、岩石组分磁化率和孔隙结构条件下的岩石内部磁场梯度分布，分别建立三因素与岩石内部磁场梯度分布几何平均值的关系式，确定岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算公式，并验证其准确性。该方法解决了难以快速批量获取岩石内部磁场梯度值的问题，实现了对岩石内部磁场梯度加权几何平均值的估算，为快速了解油气储层的岩石物理特性提供了重要依据。

Description

一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法
技术领域
本发明涉及油气田勘探开发领域，具体涉及一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法。
背景技术
随着我国原油对外依存度的逐年增加，国内油气的可持续发展已经成为直接影响我国能源安全的关键问题。核磁共振测井作为唯一直接探测流体信号的测井技术，已在常规砂岩储层的参数计算中取得了较好的成果。然而，对于含有高含量粘土矿物或者黄铁矿等顺磁性物质的油气储层，岩石内部磁场梯度过高，核磁共振T2谱发生偏移，导致无法直接应用基于核磁共振响应的储层评价模型计算储层参数。
岩石内部磁场梯度主要受外加磁场场强、岩石组分磁化率和孔隙结构三种不同因素的影响。尽管在核磁共振测井技术中存在岩石内部磁场梯度的测量方法，但多数油气田并未对其进行测量。岩石物理实验手段能够定量评价岩石内部磁场梯度，校正核磁共振T2谱发生的偏移量，有助于准确评价储层参数；但利用岩石物理实验手段定量评价岩石内部磁场梯度时，不同场强的核磁共振仪器测量结果存在差异、岩石内部磁场梯度测量实验既费时又昂贵，因此，难以在有限的时间内大批量获取岩石内部磁场梯度值。
发明内容
本发明旨在解决不同场强的核磁共振设备测量结果存在差异、难以在有限时间内大批量获取岩石内部磁场梯度值的问题，提供了一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法。
本发明具体采用如下技术方案：
一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法，具体包括以下步骤：
步骤1，收集取芯资料，分别利用CT扫描和等效沉积法，结合可视化软件Avizo，构建岩石内部孔隙结构模型，得到等间隔体素网格单元化的孔隙三维空间分布；
步骤2，利用基于体素的有限元法计算岩石内部磁场梯度分布；
步骤3，建立外加磁场场强与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式；
步骤4，建立岩石组分磁化率与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式；
步骤5，建立岩石孔隙结构与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式；
步骤6，定义外加磁场场强、岩石组分磁化率和岩石孔隙结构为岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素，综合步骤3～5确定的外加磁场场强、岩石组分磁化率和岩石孔隙结构与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系，建立岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算公式；
步骤7，验证岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算公式的准确性。
优选地，所述步骤1中，取芯资料为钻井取芯或野外露头取芯，利用取芯资料获得岩石样品，采用CT扫描构建岩石内部孔隙结构模型，通过对岩石样品进行CT扫描得到岩石内部图像，结合可视化软件Avizo和岩石内部图像对岩石内部的孔隙空间进行分割，利用三维重构的方法生成岩石内部孔隙结构模型，得到等间隔体素网格单元化的孔隙三维空间分布，再采用等效沉积法构建岩石内部孔隙结构模型，通过分析岩石样品的颗粒直径分布和孔隙度，结合可视化软件Avizo和等效沉积法构建岩石内部孔隙结构模型，得到等间隔体素网格单元化的孔隙三维空间分布。
优选地，所述步骤2中，设定岩石孔隙组分和非孔隙组分的外加磁场场强和平均磁化率，利用基于体素的有限元法求解岩石内部磁标势的拉普拉斯方程，确定磁标势的三维空间分布，岩石内部磁标势的拉普拉斯方程为：
Figure BDA0002468573100000021
式中，φ表示磁标势，单位为A；
将磁标势代入无电流条件下的麦克斯韦方程，计算岩石内部各体素的磁场场强值H：
Figure BDA0002468573100000022
计算岩石的离散磁场梯度：
Figure BDA0002468573100000023
式中，B表示磁场强度，单位为T；G表示离散的磁场梯度，单位为T/m；
统计全部体素离散磁场梯度在不同区间频率，通过布点生成离散的磁场梯度分布，计算岩石内部磁场梯度加权几何平均值。
优选地，所述步骤3中，采用步骤1中利用CT扫描构建的岩石内部孔隙结构模型进行模拟，固定岩石内部孔隙结构模型的岩石组分磁化率，改变岩石内部孔隙结构模型中外加磁场的场强，基于步骤2得到不同外加磁场场强条件下的岩石内部磁场梯度分布，计算不同外加磁场场强下的岩石内部磁场梯度加权几何平均值，得到岩石内部磁场梯度加权几何平均值随外加磁场场强的变化规律，建立外加磁场场强与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式：
Figure BDA0002468573100000031
式中，
Figure BDA0002468573100000032
表示岩石内部磁场梯度加权几何平均值，单位为T/m；B0表示外加磁场场强，单位为T；a表示外加磁场场强与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的相关参数，单位为m-1。
优选地，所述步骤4中，采用步骤1中利用CT扫描构建的岩石内部孔隙结构模型进行模拟，固定岩石内部孔隙结构模型的外加磁场场强和岩石孔隙组分的平均磁化率，改变岩石内部孔隙结构模型中岩石非孔隙组分的平均磁化率，基于步骤2得到不同岩石组分磁化率差异下的岩石内部磁场梯度分布，计算不同岩石组分磁化率差异下的岩石内部磁场梯度加权几何平均值，得到岩石内部磁场梯度加权几何平均值随岩石组分磁化率差异的变化规律，建立岩石组分磁化率与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式：
Figure BDA0002468573100000033
式中，Δχ表示非孔隙组分磁化率与孔隙组分体积磁化率的差，无量纲；b表示岩石组分磁化率差异与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的相关参数，单位为T/m。
优选地，所述步骤5中，采用步骤1中利用等效沉积法构建的岩石内部孔隙结构模型进行模拟，固定岩石孔隙结构模型的孔隙度、岩石组分磁化率和外加磁场场强，改变岩石内部孔隙结构模型的孔隙半径加权几何平均值，基于步骤2得到不同孔隙半径加权几何平均值下的岩石内部磁场梯度分布，计算不同孔隙半径加权几何平均值下的岩石内部磁场梯度加权几何平均值，得到岩石内部磁场梯度加权几何平均值随孔隙半径加权几何平均值的变化规律，建立岩石孔隙结构与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式：
Figure BDA0002468573100000034
式中，
Figure BDA0002468573100000035
表示孔隙半径加权几何平均值，单位为m；c表示孔隙半径加权几何平均值与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的相关参数，单位为T/(m2)；m表示相关指数，无量纲。
优选地，所述步骤6中，通过对步骤3～5确定的外加磁场场强、岩石组分磁化率和岩石孔隙结构与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式统一刻度值，建立岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算公式，如下所示：
Figure BDA0002468573100000036
式中，d表示岩石内部磁场梯度加权几何平均值的刻度参数值，单位为(T/m)-2。
优选地，所述步骤7中，通过与岩石物理实验得到的岩石内部磁场梯度加权几何平均值进行对比，验证岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算公式的准确性。
本发明具有如下有益效果：
本发明利用数值模拟速度快、成本低的优势，借助基于体素的有限元方法计算岩石内部磁场梯度分布，实现了对岩石内部磁场梯度加权几何平均值的快速估算，解决了不同场强的核磁共振设备测量结果不一致、难以在有限时间内大批量获取岩石内部磁场梯度值的问题，弥补了岩石内部磁场梯度测量实验既费时又昂贵的不足；本发明有助于分析核磁共振T2谱特征，在快速挖掘核磁共振测井响应中的流体信息、提高储层参数评价效率等方面具有一定的指导意义，为快速了解油气储层的岩石物理特性提供了重要数据。
附图说明
图1为一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法流程图。
图2为岩石样品A的内部孔隙空间结构图。
图3为不同外加磁场场强下的岩石内部磁场梯度分布图。
图4为外加磁场场强与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的相关关系图。
图5为不同岩石磁化率差异下的岩石内部磁场梯度分布图。
图6为岩石磁化率差异与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的相关关系图。
图7为不同孔隙半径分布下的岩石内部磁场梯度分布图。
图8为孔隙半径分布加权平均值与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的相关关系图。
图9为本发明估算方法的准确性验证结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
以某砂岩岩石样品A为例，采用本发明提出的一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法，如图1所示，建立岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三要素估算公式，具体包括以下步骤：
步骤1，通过野外露头取芯获得岩石样品A，测量得到岩石样品A的孔隙度为19.7％；通过对岩石样品进行CT扫描得到岩石内部图像，结合可视化软件Avizo和岩石内部图像对岩石内部的孔隙空间进行分割，利用三维重构的方法生成岩石内部孔隙结构模型，得到等间隔体素网格单元化的孔隙三维空间分布，如图2所示；再通过分析岩石样品的颗粒直径分布和孔隙度，结合可视化软件Avizo和等效沉积法构建岩石内部孔隙结构模型，得到等间隔体素网格单元化的孔隙三维空间分布。
步骤2，设定岩石孔隙组分的平均磁化率为-9.22×10-6[SI]，岩石非孔隙组分的平均磁化率为1.14×10-5[SI]，利用基于体素的有限元法对公式(1)岩石内部磁标势的拉普拉斯方程进行求解，确定磁标势的三维空间分布；将磁标势代入无电流条件下的麦克斯韦方程，即公式(2)中，计算岩石内部各体素的磁场场强值，再根据公式(3)计算岩石的离散磁场梯度；统计全部体素离散磁场梯度在不同区间频率，通过布点生成离散的磁场梯度分布，计算得到岩石内部磁场梯度加权几何平均值为0.017T/m。
步骤3，采用步骤1中利用CT扫描构建的岩石内部孔隙结构模型进行模拟，固定岩石组分磁化率，其中设置岩石孔隙组分的平均磁化率为-9.22×10-6[SI]，岩石非孔隙组分的平均磁化率为1.14×10-5[SI]，改变岩石内部孔隙结构模型中外加磁场的场强，分别设置外加磁场的场强为0.047T、0.235T、0.47T、0.94T、1.41T，利用公式(1)～(3)，得到不同外加磁场场强条件下的岩石内部磁场梯度分布，如图3所示，根据岩石内部磁场梯度加权几何平均值随外加磁场场强的变化规律，如图4所示，确定本实施例中外加磁场场强与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的相关参数a＝0.3522m-1，建立外加磁场场强与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式，如下所示：
Figure BDA0002468573100000051
式中，
Figure BDA0002468573100000052
表示岩石内部磁场梯度加权几何平均值，单位为T/m；B0表示外加磁场场强，单位为T。
步骤4，采用步骤1中利用CT扫描构建的岩石内部孔隙结构模型进行模拟，岩石内部孔隙结构模型的外加磁场场强固定为0.47T，岩石孔隙组分的平均磁化率固定为-9.22×10-6[SI]，改变岩石非孔隙组分的平均磁化率，分别设置岩石孔隙组分与岩石非孔隙组分的平均磁化率差异为1.0×10-5[SI]、1.0×10-4[SI]、1.0×10-3[SI]和1.0×10-2[SI]，利用公式(1)～(3)，得到不同岩石组分磁化率差异下的岩石内部磁场梯度分布，如图5所示，根据岩石内部磁场梯度加权几何平均值随岩石组分磁化率差异的变化规律，如图6所示，确定本实施例中岩石组分磁化率差异与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的相关参数b＝7666.2T/m，建立岩石组分磁化率与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式：
Figure BDA0002468573100000053
式中，
Figure BDA0002468573100000054
表示岩石内部磁场梯度加权几何平均值，单位为T/m；Δχ表示非孔隙组分磁化率与孔隙组分体积磁化率的差，无量纲。
步骤5，采用步骤1中利用等效沉积法构建的岩石内部孔隙结构模型进行模拟，岩石孔隙结构模型的外加磁场场强固定为0.47T，岩石孔隙组分的平均磁化率固定为-9.22×10-6[SI]，岩石非孔隙组分的平均磁化率固定为1.14×10-5[SI]，设置岩石孔隙结构模型的孔隙度为19.7％，与岩石样品A的孔隙度相同，改变岩石孔隙结构模型的孔隙半径加权几何平均值，分别设置孔隙半径加权几何平均值为2.13×10-5m、4.35×10-5m、6.65×10-5m和8.49×10-5m，利用公式(1)～(3)，得到不同孔隙半径加权几何平均值下的岩石内部磁场梯度分布，如图7所示，根据岩石内部磁场梯度加权几何平均值随孔隙半径加权几何平均值的变化规律，如图8所示，确定本实施例中孔隙半径加权几何平均值与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的相关参数c＝0.4217T/(m2)，相关指数m＝-24652，建立岩石孔隙结构与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式：
Figure BDA0002468573100000061
式中，
Figure BDA0002468573100000062
表示孔隙半径加权几何平均值，单位为m。
步骤6，定义外加磁场场强、岩石组分磁化率和岩石孔隙结构为岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素，对步骤3～5确定的外加磁场场强、岩石组分磁化率和岩石孔隙结构与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式统一刻度值，得到岩石内部磁场梯度加权几何平均值的刻度参数值d＝305.98(T/m)-2，建立岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算公式，如下所示：
Figure BDA0002468573100000063
式中，
Figure BDA0002468573100000064
表示岩石内部磁场梯度加权几何平均值，单位为T/m；B0表示外加磁场场强，单位为T；Δχ表示非孔隙组分磁化率与孔隙组分体积磁化率的差，无量纲；
Figure BDA0002468573100000065
表示孔隙半径加权几何平均值，单位为m。
步骤7，为了验证本发明方法的准确性，采用场强为0.47T的核磁共振仪器分别测量六块岩心的岩石内部磁场梯度，利用测量结果计算岩石内部磁场梯度加权几何平均值，并与本发明方法估算的岩石内部磁场梯度加权几何平均值进行对比，如图9所示，对比发现尽管两者数值不是完全吻合，但绝对误差小于0.15T/m，说明两者具有较高的相关性，验证了本发明构建的岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算公式的准确性。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，收集取芯资料，分别利用CT扫描和等效沉积法，结合可视化软件Avizo，构建岩石内部孔隙结构模型，得到等间隔体素网格单元化的孔隙三维空间分布；
步骤2，利用基于体素的有限元法计算岩石内部磁场梯度分布；
步骤3，建立外加磁场场强与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式；
步骤4，建立岩石组分磁化率与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式；
步骤5，建立岩石孔隙结构与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式；
步骤6，定义外加磁场场强、岩石组分磁化率和岩石孔隙结构为岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素，综合步骤3～5确定的外加磁场场强、岩石组分磁化率和岩石孔隙结构与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系，建立岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算公式；
步骤7，验证岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算公式的准确性。
2.如权利要求1所述的一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法，其特征在于，所述步骤1中，取芯资料为钻井取芯或野外露头取芯，利用取芯资料获得岩石样品，采用CT扫描构建岩石内部孔隙结构模型，通过对岩石样品进行CT扫描得到岩石内部图像，结合可视化软件Avizo和岩石内部图像对岩石内部的孔隙空间进行分割，利用三维重构的方法生成岩石内部孔隙结构模型，得到等间隔体素网格单元化的孔隙三维空间分布，再采用等效沉积法构建岩石内部孔隙结构模型，通过分析岩石样品的颗粒直径分布和孔隙度，结合可视化软件Avizo和等效沉积法构建岩石内部孔隙结构模型，得到等间隔体素网格单元化的孔隙三维空间分布。
3.如权利要求1所述的一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法，其特征在于，所述步骤2中，设定岩石孔隙组分和非孔隙组分的外加磁场场强和平均磁化率，利用基于体素的有限元法求解岩石内部磁标势的拉普拉斯方程，确定磁标势的三维空间分布，岩石内部磁标势的拉普拉斯方程为：
Figure FDA0002468573090000011
式中，φ表示磁标势，单位为A；
将磁标势代入无电流条件下的麦克斯韦方程，计算岩石内部各体素的磁场场强值H：
Figure FDA0002468573090000012
计算岩石的离散磁场梯度：
Figure FDA0002468573090000021
式中，B表示磁场强度，单位为T；G表示离散的磁场梯度，单位为T/m；
统计全部体素离散磁场梯度在不同区间频率，通过布点生成离散的磁场梯度分布，计算岩石内部磁场梯度加权几何平均值。
4.如权利要求1所述的一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法，其特征在于，所述步骤3中，采用步骤1中利用CT扫描构建的岩石内部孔隙结构模型进行模拟，固定岩石内部孔隙结构模型的岩石组分磁化率，改变岩石内部孔隙结构模型中外加磁场的场强，基于步骤2得到不同外加磁场场强条件下的岩石内部磁场梯度分布，计算不同外加磁场场强下的岩石内部磁场梯度加权几何平均值，得到岩石内部磁场梯度加权几何平均值随外加磁场场强的变化规律，建立外加磁场场强与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式：
Figure FDA0002468573090000022
式中，
Figure FDA0002468573090000023
表示岩石内部磁场梯度加权几何平均值，单位为T/m；B0表示外加磁场场强，单位为T；a表示外加磁场场强与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的相关参数，单位为m-1。
5.如权利要求1所述的一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法，其特征在于，所述步骤4中，采用步骤1中利用CT扫描构建的岩石内部孔隙结构模型进行模拟，固定岩石内部孔隙结构模型的外加磁场场强和岩石孔隙组分的平均磁化率，改变岩石内部孔隙结构模型中岩石非孔隙组分的平均磁化率，基于步骤2得到不同岩石组分磁化率差异下的岩石内部磁场梯度分布，计算不同岩石组分磁化率差异下的岩石内部磁场梯度加权几何平均值，得到岩石内部磁场梯度加权几何平均值随岩石组分磁化率差异的变化规律，建立岩石组分磁化率与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式：
Figure FDA0002468573090000024
式中，Δχ表示非孔隙组分磁化率与孔隙组分体积磁化率的差，无量纲；b表示岩石组分磁化率差异与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的相关参数，单位为T/m。
6.如权利要求1所述的一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法，其特征在于，所述步骤5中，采用步骤1中利用等效沉积法构建的岩石内部孔隙结构模型进行模拟，固定岩石孔隙结构模型的孔隙度、岩石组分磁化率和外加磁场场强，改变岩石内部孔隙结构模型的孔隙半径加权几何平均值，基于步骤2得到不同孔隙半径加权几何平均值下的岩石内部磁场梯度分布，计算不同孔隙半径加权几何平均值下的岩石内部磁场梯度加权几何平均值，得到岩石内部磁场梯度加权几何平均值随孔隙半径加权几何平均值的变化规律，建立岩石孔隙结构与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式：
Figure FDA0002468573090000031
式中，
Figure FDA0002468573090000032
表示孔隙半径加权几何平均值，单位为m；c表示孔隙半径加权几何平均值与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的相关参数，单位为T/(m2)；m表示相关指数，无量纲。
7.如权利要求1所述的一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法，其特征在于，所述步骤6中，通过对步骤3～5确定的外加磁场场强、岩石组分磁化率和岩石孔隙结构与岩石内部磁场梯度加权几何平均值的关系式统一刻度值，建立岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算公式，如下所示：
Figure FDA0002468573090000033
式中，d表示岩石内部磁场梯度加权几何平均值的刻度参数值，单位为(T/m)-2。
8.如权利要求1所述的一种岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算方法，其特征在于，所述步骤7中，通过与岩石物理实验得到的岩石内部磁场梯度加权几何平均值进行对比，验证岩石内部磁场梯度加权几何平均值的三因素估算公式的准确性。
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CN110057853A (zh) * 2019-04-11 2019-07-26 中国石油大学(华东) 一种基于低场核磁共振响应的岩石杨氏模量计算方法

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运用核磁共振录井技术评价砂砾岩体储层;孟祥梅等;《断块油气田》;20100725(第04期);全文 *

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