CN112394072B - 一种基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Micro‑CT岩芯宽频介电常数表征方法，包括：对岩芯三维网格模型进行有限元数值模拟，施加电场，获得包含水、油两相流下基于宽频的数字岩芯有效介电常数；并对实际岩芯进行实验测量，获得基于宽频的实际岩芯有效介电常数以验证数值模拟并分析水、油两相流对岩芯电磁特性的影响。本发明对于数字岩芯进行数值模拟，并非简单的将油水看为均质的混合物，而是将油水按地层中的分布，放入数字岩芯的孔隙中，使得模拟效果更佳，研究岩芯中相场和电磁场耦合规律，分析电磁场对孔隙中水、油两相渗流的影响，并且在水、油两相渗流改变时，两相流对岩芯电磁特性的反作用，并通过实际岩芯实验测量相对介电常数来验证数值模拟的正确。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理测井技术领域，更具体的涉及一种利用有限元法数值模拟油、水两相流在实际岩芯孔隙中对频散下等效介电常数的影响。
背景技术
岩石物理是地球物理勘探认识油气藏的基础，是衔接油气藏地质认识及油气开发的重要桥梁，以岩石物理为基础的测井是发现、评估油气藏量及产量的重要手段。岩石的介电常数是储层岩石的主要电学参数之一，是评估储层岩石里油水层分布的重要因素。在电法测井领域，利用数字岩芯及数值模拟的方法对岩石介电磁特性进行研究成为新的热点。由于人们对储层岩石物理性质和特性的认识不完善，在油气储层的研究与准确评估方面存在较大困难，因此在岩石物理领域开展相关实验研究工作十分重要。而对于一般的数字岩芯分析，有两种构成方法，一种是通过数学重建的方法，比如模拟退火法、马尔科夫链-蒙特卡洛法，这些数学重建的方法，得到的模型，与实际地层中的岩芯结构不太相似，只能对于自己想研究的情况进行建模；第二种方法是通过CT成像，图像分割的方法，然后通过几何重构得到数字岩芯的物理模型，这种方式得到的岩芯孔隙结构与真实情况十分相似。
2005年M.Saadatfar采用高分辨率的X-rayμCT用于沉积岩微观结构成像，从得到的3D图像中，分析岩石的孔隙结构从而研究岩石的物理性质。2007年M.A.Knackstedt利用分辨率2.5μm的3D成像技术，对岩石进行分析，来研究Archie公式中m、n系数与岩石孔隙结构之间的关系。2012年Nikolai E基于X-ray计算机断层扫描技术对密度不均匀的数字岩芯进行分析，描述其裂缝、孔洞和孔隙度等特性。2020年Hijaz Kamal利用Micro-CT重构数字岩芯，对砂岩的连通性，连续性和渗透率进行表征。计算了薄砂岩层渗透率，但上述研究只是对岩石的结构进行分析，并没有研究岩石电磁特性。2010年中国石油大学的刘学锋建立三维数字岩芯模型，研究了储层微观因素在不同物理参数的基础上对岩石宏观物理属性的影响。2012年张天华提出了一种新型的实验室大直径宽频介电常数测量设备，可以直接非破坏性的测量传统的1.5英寸岩芯样品，被用来测定的物质有很多，如石英、合成陶瓷以及单晶硅，实验测得的结果和解析解相对应。在2016年Pan Baozhi，Li Meng，Zhang Rui，计算并验证了混合流体岩石介电磁特性的CRI模型和Maxwell-Garnett模型，而且研究了岩石介电常数与矿化度，饱和度，频率，比表面的关系，研究中并没有对内含物形态进行具体分析，只是理想化的模型，没有考虑结构对岩芯的电磁特性影响；Daosheng Ling和Yun Zhao等，用时域反射的方法研究了土石混合体介电常数与含水量的关系，Yun Zhao等人提出的经验方程，显示了良好的精度，岩土混合物，TDR方法可以用来测试重力水分含量方便，高效，无需校准现场。2020年Jing Li利用Micro-CT扫描构建数字岩芯，研究致密砂岩渗流特征，但没有研究电磁特性对渗流特征得影响。
现有技术中，多相流结构对有效介电常数的影响研究，存在岩芯有损研究、模拟效果不佳的缺陷。数字岩芯技术多用于对岩石结构和渗流规律的分析，但缺少将岩石渗流规律和实际岩石介电常数的分析相结合并拓展研究频率，同时研究电磁特性对岩石孔隙中流体的渗流影响，和流体的流动对整体电磁特性的反作用。
发明内容
本发明实施例提供一种基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征方法和装置，用以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明实施例提供一种基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征方法，包括：
采用Micro-CT无损扫描实际岩芯，获得岩芯二维灰度切片图；
对岩芯二维灰度切片图进行数字图像处理，获得岩芯三维模型；
对岩芯三维模型进行有限元数值模拟，施加电场，获得孔隙中含水、油两相流下基于宽频的数字岩芯有效介电常数；
对实际岩芯进行实验测量，获得基于宽频的实际岩芯有效介电常数；
对数字岩芯有效介电常数和实际岩芯有效介电常数进行对比，获得孔隙中水、油两相流对岩芯介电常数的影响和电场对含两相流岩芯的影响。
进一步地，所述对岩芯三维模型进行有限元数值模拟，施加电场，获得孔隙中含水、油两相流下基于宽频的数字岩芯有效介电常数，包括：
在岩芯三维模型中，按图像灰度分布将孔隙和骨架分开，得到数字岩芯三维模型；
利用有限元数值模拟软件对数字岩芯三维模型进行数值分析，将水、油两相流按地层中分布规律填充至孔隙中，对骨架赋予岩石属性，对数字岩芯施加外部电场，获得孔隙中水、油两相流下基于宽频的数字岩芯有效介电常数。
进一步地，所述对实际岩芯进行实验测量，获得基于宽频的实际岩芯有效介电常数，包括：
采用矢量网络分析仪发射源，同轴探头测量实际岩芯，获得实际岩芯的反射参数S；
根据实际岩芯的反射参数S，获得基于宽频的实际岩芯有效介电常数。
进一步地，本发明实施并提供的基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征方法，还包括：
从井场中取出固定规格的实际岩芯，并对实际岩芯进行干燥、平滑处理。
进一步地，所述岩芯三维模型中三维图像的像素分辨率为10nm、离子束切割厚度为20nm。
本发明实施例提供一种基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征装置，包括：
二维切片图获取单元，用于采用Micro-CT无损扫描实际岩芯，获得岩芯二维灰度切片图；
三维模型获取单元，用于对岩芯三维模型进行有限元数值模拟，施加电场，获得孔隙中含水、油两相流下基于宽频的数字岩芯有效介电常数；
数字岩芯有效介电常数确定单元，用于对数字岩芯有效介电常数和实际岩芯有效介电常数进行对比，获得孔隙中水、油两相流对岩芯介电常数的影响和电场对含两相流岩芯的影响；
实际岩芯有效介电常数确定单元，用于对实际岩芯进行实验测量，获得基于宽频的实际岩芯有效介电常数；
岩芯介电常数影响确定单元，用于对数字岩芯有效介电常数和实际岩芯有效介电常数进行对比，获得孔隙中水、油两相流对岩芯介电常数的影响和电场对含两相流岩芯的影响。
进一步地，所述数字岩芯有效介电常数确定单元，包括：
数值模拟模块，用于利用有限元数值模拟软件对数字岩芯三维模型进行数值分析，将水、油两相流按地层中分布规律填充至孔隙中，对骨架赋予岩石属性，对数字岩芯施加外部电场，获得孔隙中水、油两相流下基于宽频的数字岩芯有效介电常数。
进一步地，所述实际岩芯有效介电常数确定单元，包括：
反射参数获取模块，用于采用矢量网络分析仪发射源，同轴探头测量实际岩芯，获得实际岩芯的反射参数S；
计算模块，用于根据实际岩芯的反射参数S，获得基于宽频的实际岩芯有效介电常数。
进一步地，本发明实施例提供的基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征装置，还包括：预处理单元；
用于从井场中取出固定规格的实际岩芯，并对实际岩芯进行干燥、平滑处理。
进一步地，所述岩芯三维模型中三维图像像素分辨率为10nm，离子束切割厚度为20nm。
本发明实施例提供一种基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征方法和装置，与现有技术相比，其有益效果如下：
本发明通过对岩芯经行CT扫描，处理得到三维模型，对模型进行数值模拟，得到在孔隙中两相流下数字岩芯的有效介电常数，再对实际岩芯进行实验测量整体有效介电常数，通过对比得到孔隙中两相流对岩芯的介电常数的影响。其中，对于数字岩芯的建立，利用Micro-CT无损扫描，可以精确的得到岩芯内部孔隙结构；对于数值模拟，并非简单的将油水看为均质的混合物，而是将油水按地层中的分布，放入数字岩芯的孔隙中分析其宽频下电磁特性，并将相场和电磁场进行多物理场耦合，分析电磁场对孔隙中水、油两相渗流的影响，并且研究在水、油两相渗流改变时，对岩芯电磁特性的反作用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征方法示意图；
图2为本发明实施例提供的二维岩芯切片图；
图3为本发明实施例提供的数字岩芯的三维模型图；
图4a～4b分别为本发明实施例提供的数字岩芯在宽频下不同内含物电特性下有效介电常数实部和虚部图。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本发明实施例提供一种基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征方法，该方法包括：
步骤1，采用Micro-CT扫描实际岩芯，获得岩芯二维灰度切片图。
步骤2，对岩芯二维灰度切片图根据灰度阈值设定区分孔隙和骨架，进行数字图像处理，获得岩芯三维模型。
步骤3，对岩芯三维模型进行有限元数值模拟，施加电场，获得孔隙中含水、油两相流下基于宽频的数字岩芯有效介电常数。
步骤4，对实际岩芯进行实验测量，获得基于宽频的实际岩芯有效介电常数。
步骤5，对数字岩芯有效介电常数和实际岩芯有效介电常数进行对比，获得孔隙中水、油两相流对岩芯介电常数的影响和电场对含两相流岩芯的影响。
对于上述步骤1～5，具体说明如下：
从整体讲，对从井场中取出的固定规格的岩芯，进行加工处理得到干燥平滑的岩芯，通过Micro-CT无损扫描实际岩芯得到二维灰度切片图，如图2所示。然后将得到的切片图，经过数字图像处理得到三维模型，如图3所示。然后对得到的三维模型进行数值模拟。其中数字岩芯被分为两部分，一部分为岩石骨架，一部分为孔隙结构。对其中的孔隙结构进行处理，通过数值模拟将油气两相物按地层中分布规律填充至孔隙中，骨架赋予一般岩石属性，然后对整体岩芯施加外部电场，然后研究其在宽频下孔隙中油水混合物对数字岩芯有效介电常数的影响。
需要说明的是，Micro-CT简介Micro-CT(micro computed tomography，微计算机断层扫描技术)，又称微型CT、显微CT，是一种非破坏性的3D成像技术，可以在不破坏样本的情况下清楚了解样本的内部显微结构，它与普通临床CT的最大差别在于分辨率极高，可以达到微米级别。
数字岩芯孔隙中两相流对有效介电常数的影响，其数字岩芯选择由Micro-CT进行扫描，并成像，重构的三维图像像素分辨率为10nm，离子束切割厚度为20nm。得到多张岩芯的切片图后，经过图像处理软件，将二维图像三维化。按图像的灰度分布，将其孔隙和骨架分开，得到数字岩芯。利用有限元数值模拟软件对得到的三维模型进行数值分析，将岩芯孔隙中填充水和油的两相物质，对其在频域下进行研究。得到宽频下有效介电常数，分析孔隙中的流体对有效介电常数影响，并将数字岩芯进行多物理场耦合，分析电磁场对孔隙中水、油两相渗流的影响，并且研究在水、油两相渗流改变时，对岩芯电磁特性的反作用。然后对实际岩芯运用矢量网络分析仪，用同轴探头测量其真实的有效介电常数，通过对比数值模拟的结果验证可行性。
对于实验测量实际岩芯的方法，用矢量网络分析仪发射源，同轴探头测量岩芯，得到岩芯的反射参数S，然后经过接收器进行信号分离返回矢量网络分析仪，进行数据处理，得到频散下岩芯的有效介电常数。对于实际岩芯的介电常数测量，利用同轴探头接触岩芯表面测量反射系数，来推导出介电常数。对于随着频率的增加，较慢的介电机理会依次退出，所以介电常数的值会随着频率的升高而降低。测量频率范围：10MHz～20GHz；测量参数范围：5<εr<100；损耗正切角：0.05<tanδ<0.5；测量精度：±5％。
对于步骤3，对岩芯三维模型进行有限元数值模拟，施加电场，获得孔隙中含水、油两相流下基于宽频的数字岩芯有效介电常数，原理如下：
对于两相物质等效介电磁特性的研究，首先运用Debye模型将单个材料介电磁特性扩展到宽频，如公式(1)所示：
式中ε∞是电介质在光频下的相对介电常数，εs是电介质在稳态时的相对介电常数，τ是弛豫时间；其次利用混合公式在宽频中固定频率计算混合两相物质的等效介电常数，发明选择M-G(Maxwell Garnett)混合公式
其中εeff是混合后总体的相对介电常数亦等效介电常数，εi是内含物的相对介电常数，εe是外部物质的相对介电常数，f是中间夹杂物占总体的体积比。
对于步骤4，对实际岩芯进行实验测量，获得基于宽频的实际岩芯有效介电常数，使用矢量网络分析仪利用同轴探头法进行测量反射系数S11从而推出岩芯的相对介电常数，具体原理如下；
反射系数表示为：
其中S11是反射系数的幅度，
是反射系数的相位，Z0是同轴线的特性阻抗，C0表示传输线位于空气中时的电容，Cf表示与测量介电常数无关的阻抗分量(边缘场效应所引起的阻抗)，求解上式方程可得：
εr＝ε′r-j″εr (5)
求ε′r、ε″r必须求未知量Cf、C0，通过测量已知介电常数的材料(校准样品)，一般为去离子水
对于步骤5，对数字岩芯有效介电常数和实际岩芯有效介电常数进行对比，获得孔隙中水、油两相流对岩芯介电常数的影响和电场对含两相流岩芯的影响，具体原理如下：
对于两相流在岩芯孔隙中流动，满足Navier-Stokes(N-S)方程(10)和连续性方程(11)：
在方程中u是流体速度，ρ是流体密度，p是流体压力，μ是流体动力黏度。公式(3)中4项分别对应着(1)惯性力、(2)压力、(3)黏性力、(4)作用在流体上的外力。对于(4)这里是由磁场中洛伦兹力产生的外应力，洛伦兹力的速度是由于岩芯孔隙中流体流动的实时速度。从而实现岩芯电磁特性和渗流特性的耦合。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种基于Micro-CT岩芯宽频电磁特性表征装置，该装置包括：
二维切片图获取单元，用于采用Micro-CT无损扫描实际岩芯，获得岩芯二维灰度切片图；
三维模型获取单元，用于对岩芯二维灰度切片图进行数字图像处理，施加电场，获得岩芯三维模型；
数字岩芯有效介电常数确定单元，用于对数字岩芯有效介电常数和实际岩芯有效介电常数进行对比，获得孔隙中水、油两相流对岩芯介电常数的影响和电场对含两相流岩芯的影响；
实际岩芯有效介电常数确定单元，用于对实际岩芯进行实验测量，获得基于宽频的实际岩芯有效介电常数；
岩芯介电常数影响确定单元，用于对数字岩芯有效介电常数和实际岩芯有效介电常数进行对比，获得孔隙中水、油两相流对岩芯介电常数的影响和电场对含两相流岩芯的影响。
进一步地，所述数字岩芯有效介电常数确定单元，包括：
数字岩芯三维模型获取模块，用于在岩芯三维模型中，按图像灰度分布将孔隙和骨架分开，得到数字岩芯三维模型；
数值模拟模块，用于利用有限元数值模拟软件对数字岩芯三维模型进行数值分析，将水、油两相流按地层中分布规律填充至孔隙中，对骨架赋予岩石属性，对数字岩芯施加外部电场，获得孔隙中水、油两相流下基于宽频的数字岩芯有效介电常数。
进一步地，所述实际岩芯有效介电常数确定单元，包括：
反射参数获取模块，用于采用矢量网络分析仪发射源，同轴探头测量实际岩芯，获得实际岩芯的反射参数S；
计算模块，用于根据实际岩芯的反射参数S，获得基于宽频的实际岩芯有效介电常数。
进一步地，本发明实施例提供的基于Micro-CT岩芯宽频电磁特性表征装置，还包括：预处理单元，
用于从井场中取出固定规格的实际岩芯，并对实际岩芯进行干燥、平滑处理。
进一步地，所述岩芯三维模型中三维图像像素分辨率为10nm，离子束切割厚度为20nm。
本发明实施例提供了一种基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征装置，由于该装置解决技术问题的原理与一种基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
以上公开仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征方法，其特征在于，包括：
采用Micro-CT无损扫描实际岩芯，获得岩芯二维灰度切片图；
对岩芯二维灰度切片图进行数字图像处理，获得岩芯三维模型；
对岩芯三维模型进行有限元数值模拟，施加电场，获得孔隙中含水、油两相流下基于宽频的数字岩芯有效介电常数；
对实际岩芯进行实验测量，获得基于宽频的实际岩芯有效介电常数；
对数字岩芯有效介电常数和实际岩芯有效介电常数进行对比，获得孔隙中水、油两相流对岩芯介电常数的影响和电场对含两相流岩芯的影响；
所述对实际岩芯进行实验测量，获得基于宽频的实际岩芯有效介电常数，包括：
采用矢量网络分析仪发射源，同轴探头测量实际岩芯，获得实际岩芯的反射参数S；根据实际岩芯的反射参数S，获得基于宽频的实际岩芯有效介电常数，具体包括：
反射系数表示为：
其中S11是反射系数的幅度，
是反射系数的相位，Z0是同轴线的特性阻抗，C0表示传输线位于空气中时的电容，Cf表示与测量介电常数无关的阻抗分量，求解上式方程可得：
εr＝ε′r-jε″r
求ε′r、ε″r必须求未知量Cf、C0，通过测量已知介电常数的材料去离子水，获得：
2.如权利要求1所述的基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征方法，其特征在于，所述对岩芯三维模型进行有限元数值模拟，施加电场，获得孔隙中含水、油两相流下基于宽频的数字岩芯有效介电常数，包括：
在岩芯三维模型中，按图像灰度分布将孔隙和骨架分开，得到数字岩芯三维模型；
利用有限元数值模拟软件对数字岩芯三维模型进行数值分析，将水、油两相流按地层中分布规律填充至孔隙中，对骨架赋予岩石属性，对数字岩芯施加外部电场，获得孔隙中水、油两相流下基于宽频的数字岩芯有效介电常数。
3.如权利要求1所述的基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征方法，其特征在于，还包括：
从井场中取出固定规格的实际岩芯，并对实际岩芯进行干燥、平滑处理。
4.如权利要求1所述的基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征方法，其特征在于，所述岩芯三维模型中三维图像的像素分辨率为10nm、离子束切割厚度为20nm。
5.一种基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征装置，其特征在于，包括：
二维切片图获取单元，用于采用Micro-CT无损扫描实际岩芯，获得岩芯二维灰度切片图；
三维模型获取单元，用于对岩芯二维灰度切片图进行数字图像处理，获得岩芯三维模型；
数字岩芯有效介电常数确定单元，用于对岩芯三维模型进行有限元数值模拟，施加电场，获得孔隙中含水、油两相流下基于宽频的数字岩芯有效介电常数；
实际岩芯有效介电常数确定单元，用于对实际岩芯进行实验测量，获得基于宽频的实际岩芯有效介电常数；
岩芯介电常数影响确定单元，用于对数字岩芯有效介电常数和实际岩芯有效介电常数进行对比，获得孔隙中水、油两相流对岩芯介电常数的影响和电场对含两相流岩芯的影响；
所述实际岩芯有效介电常数确定单元，包括：
反射参数获取模块，用于采用矢量网络分析仪发射源，同轴探头测量实际岩芯，获得实际岩芯的反射参数S；
计算模块，用于根据实际岩芯的反射参数S，获得基于宽频的实际岩芯有效介电常数，具体包括：
反射系数表示为：
其中S11是反射系数的幅度，
是反射系数的相位，Z0是同轴线的特性阻抗，C0表示传输线位于空气中时的电容，Cf表示与测量介电常数无关的阻抗分量，求解上式方程可得：
εr＝ε′r-jε″r
求ε′r、ε″r必须求未知量Cf、C0，通过测量已知介电常数的材料去离子水，获得：
6.如权利要求5所述的基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征装置，其特征在于，所述数字岩芯有效介电常数确定单元，包括：
数字岩芯三维模型获取模块，用于在岩芯三维模型中，按图像灰度分布将孔隙和骨架分开，得到数字岩芯三维模型；
数值模拟模块，用于利用有限元数值模拟软件对数字岩芯三维模型进行数值分析，将水、油两相流按地层中分布规律填充至孔隙中，对骨架赋予岩石属性，对数字岩芯施加外部电场，获得孔隙中水、油两相流下基于宽频的数字岩芯有效介电常数。
7.如权利要求5所述的基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征装置，其特征在于，还包括：预处理单元，
用于从井场中取出固定规格的实际岩芯，并对实际岩芯进行干燥、平滑处理。
8.如权利要求5所述的基于Micro-CT岩芯宽频介电常数表征装置，其特征在于，所述岩芯三维模型中三维图像像素分辨率为10nm，离子束切割厚度为20nm。
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