CN114112850A - 一种厚泥饼的制备方法及其三维数字岩心的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种厚泥饼的制备方法及其三维数字岩心的构建方法，包括厚泥饼的制备和泥饼的CT扫描及其三维数字岩心的构建，按照配方制备的厚泥饼相比常规薄泥饼更具备页岩真实性，且形成的泥饼渗透率平均值为2×10‑4mD,厚度平均值为8mm，用表面光滑且半径大小为5mm的光滑圆管在湿泥饼上取样后冷冻干燥，对冷冻干燥后的小泥饼进行CT扫描后进行CT切片图像处理后构建三维数字岩心，在AVIZO中进行渗流分析和微观孔隙结构计算，比较泥饼实验结果和数字岩心计算结果。该方法可验证数字岩心的可行性，所得的厚泥饼价格低廉、可重复性高，具有广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及到页岩微观孔缝结构的制备方法和数字岩心的构建方法，尤其涉及到一种厚且致密的泥饼制备方法和可以较好的观察泥饼微观结构的数字岩心构建方法。
背景技术
计算机断层扫描技术是一种非破坏性的3D成像技术，可以达到微纳米级别，现已广泛用于多个领域。页岩这种多孔介质内部结构由孔隙相和固体相组成，利用图像分割的方法，提取其中的孔隙，方便后续对页岩进行特性分析，有利于页岩气资源勘探开发研究。
页岩是渗透率、孔隙度极低的低孔、低渗地层，渗透率数量级小于或等于10-4mD级，孔隙结构复杂，其微裂缝、细微裂缝发育，在钻井作业工程中易发生井壁失稳问题。由于页岩的孔隙空间小，渗透性极差，现有的物理实验方法需要消耗大量岩心并且两相驱替实验会有许多不可控制因素，并且物理实验无法探索微观机理，因此建立数字岩心探索微观孔隙结构十分有必要。
由于页岩地层微裂缝微空隙发育，易垮塌破碎的问题，在钻井现场页岩的取芯工作十分困难。而且取芯后的页岩不同位置的孔隙度渗透率有很大的差异，对研究页岩的封堵问题有着很大的影响。当前能模拟出具备页岩纳微米级别的孔缝的“厚岩心”较少，泥饼厚度也较薄，厚度远远不能满足封堵要求，而且方法复杂成本较高。因此，制备出可较好的模拟页岩的厚泥饼对研究页岩的封堵机理、封堵规律有很大的作用。
本发明专利对厚泥饼的制备和对厚泥饼的三维数字岩心进行构建提供一种方法，可实现在孔隙级别上的数据可视化，且制备方法成本低廉，实验重现性好。其中技术难点是如何在制备渗透率级别符合页岩渗透率的模拟泥饼和构建泥饼的三维数字岩心。
发明内容
本发明针对现有的物理实验方法需要消耗大量岩心无法探索微观机结构的问题，本发明提出了一种通过高温高压滤失仪制备厚泥饼的方法，可有效模拟页岩的微裂缝，多次实验发现泥饼厚度可稳定达到8mm以上，平均渗透率达到2×10-4mD，对厚泥饼制作的干泥饼进行CT扫描后构建三维数字岩心，可视化微裂缝并计算渗透率和真实厚泥饼渗透率基本一致。
为达到以上目的，本发明主要有三个主要步骤，分别是泥饼制备、干泥饼的制备、数字岩心的构建，本发明的采用的技术方案如下：
本发明的所述泥饼制备方法步骤为首先选取厚泥饼制备材料，经过反复实验，选取以下材料：
膨润土：其作用是建立泥饼，提供结构。
重晶石：包含用API重晶石达到提高密度的作用和使用毫微重晶石来降失水和提高密度。
两性离子聚合物降黏剂(XY-27)：其作用是一种聚合型降粘剂，有利于钻井液流型的控制。
改性丙烯酰胺共聚物(JT-888)：其作用是一种降滤失剂，有利于页岩裂缝的形成。
两性离子降滤失剂(HF-1)：该剂是由多种非离子、阳离子、阴离子单体共聚而成的水溶性高分子聚合物，其作用是一种集强抑制性、优良抗盐钙和抗温性能于一体的两性离子聚合物降滤失剂来建立结构。
改性石棉(SM-1)：是一种提高钻井液携砂能力的新型处理剂。
第二步将钻井液基浆预水化：取适量100℃的热水倒入搪瓷杯中，在钻井液搅拌仪搅拌的同时缓慢加入合适的膨润土，后加入碳酸钠，搅拌30min，将配置的钻井液基浆密封24h。
第三步为取预水化钻井液基浆边搅拌边加入重晶石，其比例为70％的API重晶石和30％的毫微重晶石，搅拌后加入比例为1：1的XY-27和JT-888，30分钟的搅拌后加入HF-1和SM-1，继续搅拌；30分钟后将搅拌好的钻井液倒入高温老化罐进行老化。其中老化时间为16小时，老化温度为105℃。
最后，使用电动高速搅拌器对老化后的钻井液进行高速搅拌30分钟，将搅拌均匀的钻井液倒入高温高压失水仪中，调整压差为3.5Mpa和温度为105℃，失水后记录失水量，计算渗透率，其计算公式为：
其中V表示滤失量，Q表示滤失速度，K表示滤失介质渗透率，μ表示液体粘度，A表示有效滤失面积(该实验采用的高温高压有效滤失面积为22.6cm2)，Δp为压差。
本发明所述干泥饼的制备方法步骤主要是湿泥饼制样和干泥饼扫描样品制备。由于冷冻干燥后的泥饼强度很低，很容易破碎，不能使用各种微钻头钻取样品，因此需要先取出大小合适可用于CT扫描的湿泥饼。湿泥饼制样的制样方法为以光滑圆管，在湿泥饼上取出圆柱形样品，将样品从圆筒中取出，放置于表面皿内的干燥滤纸上，将表面皿置于冷冻干燥机中冷冻干燥后取出圆柱形样品，随后将其置于表面皿内的干燥滤纸上，将表面皿置于冷冻干燥机中，使整块泥饼冷冻干燥。将冷冻干燥好的“厚泥饼”即干泥饼放置于铣床上，铣出圆柱形样品。
本发明所述数字岩心的构建方法如下：
在AVIZO软件中进行图像处理，包括灰度图像滤波和灰度图像二值化。采用双边滤波去除图像中的系统噪点干扰，双边滤波是一种同时考虑了像素空间差异与强度差异的滤波器，具有保持图像边缘的特性，考虑到CT灰度图像目的是使岩石骨架和孔隙空间的区分明显，便于后续进行阈值分割，使得三维数字岩心更加贴近真实模型。
采取自适应阈值法进行二值化分割，相对全局阈值法，自适应阈值分割算法显然对页岩的CT扫描图像更为适应。阈值分割后的二值图像中孔隙空间以1标记，以0标记岩石骨架，将阈值分割后的二维灰度图像从下往上叠加，便可重构出岩石内部真实的孔隙三维图像，即数字岩心，可直观地观察到岩石内部孔隙的空间结构。
CT扫描后的灰度图像经过滤波处理后，图像中的噪声被去除，有效保留了页岩地孔隙特征和边界信息。而通过二值化处理后岩石孔隙和基质被分割，可以建立起岩石孔隙结构，将处理好的图片由上而下叠加获得三维孔隙网络模型。
利用AVIZO计算微观孔隙结构和渗透率，同样设置压差为3.5Mpa和实验泥饼的渗透率进行对比，验证三维数字岩心的正确性。
附图说明
图1为泥饼渗透率折线图；
图2为双边滤波图像；
图3为阈值分割图像；
图4为三维数字岩心图像。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
一种厚泥饼的制备方法和其三维数字岩心的构建方法，具体的计算方法包括以下步骤：
S1：模拟页岩地层的泥饼制备，配方为8％土浆、1％改性石棉、1％两性离子聚合物降黏剂、0.5％改性丙烯酰胺共聚物、0.5％两性离子降滤失剂、180％重晶石。其制备方法：量取不低于90℃热水300ml倒入杯中，低速搅拌后，缓慢加入18g膨润土，继续搅拌，加入0.9g无水碳酸钠，搅拌30min，将配置的膨润土基浆密封24h实现水化。取300ml预水化膨润土基浆，搅拌30min后加入API重晶石210g，继续搅拌30min后加入毫微重晶石90g，继续搅拌30min后加入两性离子降滤失剂15g，继续搅拌30min后加入改性丙烯酰胺共聚物15g；继续搅拌30min后加入HF-1处理剂1.2g，持续搅拌60min后，装入高温老化罐，在高温滚子炉中105℃下热滚16h。
S2：电动高速搅拌器搅拌老化后的钻井液30min，将搅拌均匀的钻井液倒入高温高压失水仪中，升高温度到105℃后调整压差为3.5Mpa，记录失水量。滤失实验完毕后，打开高温高压滤失仪釜体，倒出多余的钻井液，加入蒸馏水，轻轻晃动釜体，洗去泥饼表面多余的钻井液。继续倒入蒸馏水至高温高压失水仪釜体刻度线，重新调整压差为3.5Mpa和温度为105℃，失水后记录失水量(V)，取出泥饼并测量泥饼厚度(L)。图1为十次实验的泥饼数据折线图，可以看出该方法的渗透率可达到真实页岩渗透率级别上一致，可实现有效复现真实页岩，可重现性好。
S3：制备干泥饼用于数字岩心的制备，湿泥饼制样，由于冷冻干燥后的泥饼强度很低，很容易破碎，不能使用各种微钻头钻取样品，因此需要先取出大小合适可用于CT扫描的湿泥饼。
选用表面光滑，半径大小为5mm的光滑圆管，在湿泥饼上扎出圆柱形样品，将样品从圆筒中取出，放置于表面皿内的干燥滤纸上，将表面皿置于冷冻干燥机中冷冻干燥后取出圆柱形样品。
S4：干泥饼制样，将制备出的“厚泥饼”放置于表面皿内的干燥滤纸上，将表面皿置于冷冻干燥机中，使整块泥饼冷冻干燥。将冷冻干燥好的“厚泥饼”放置于铣床上，铣出圆柱形样品。
S5：数字岩心的构建：CT扫描后获得泥饼的CT成像照片，利用AVIZO软件对扫描出来的650张切片分别进行双边滤波去除图像中的系统噪点干扰，如图2所示。
S6：利用采取自适应阈值法进行二值化分割，如图3所示。
S7：将处理好的图片按照扫描顺序叠加获得三维数字岩心，如图4所示。
S8：在AVIZO软件中对其进行孔隙度分析和渗流分析，设置压差为3.5Mpa和温度为105℃获得其渗透率，在AVIZO中进行孔隙度分析得到该泥饼孔隙尺寸大小为10-950nm(平均孔喉直径为150nm)，迂曲度在1.47-3.52之间，并和物理实验进行数据比对发现基本一致。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种厚泥饼的制备方法及其三维数字岩心的构建方法，其特征在于，按配方制备渗透率不小于10-4mD的泥饼，将其冷冻干燥后利用铣床制作干泥饼便于后续进行CT扫描，对页岩岩心进行纳CT扫描获得CT图像，通过AVIZO软件对CT扫描图像进行图像滤波处理、阈值分割等操作后获取逼近真实泥饼的三维数字岩心，有利于进行后续进行孔隙分析和渗流模拟。
2.如权利要求1中所述的制备渗透率达到10-4mD的泥饼，其特征在于，按照配方制备水基钻井液基浆将其预水化后，将搅拌好的钻井液进行老化后得到泥饼的渗透率不小于10- 4mD且厚度不低于10mm。
3.如权利要求1中所述的泥饼配方，其特征在于，按照8％土浆、1％改性石棉、1％两性离子聚合物降黏剂、0.5％两性离子聚合物降黏剂、0.5％两性离子降滤失剂与180％重晶石的配比制备泥饼。
4.如权利要求1中所述的干泥饼的制备，其特征在于，选用半径大小为5mm的光滑圆管，在湿泥饼上取样，置于表面皿的干燥滤纸上冷冻干燥后取出圆柱形样品后铣出圆柱形样品。
5.如权利要求1中所述的滤波处理，其特征在于，采用双边滤波去除CT扫描重的系统噪点干扰，滤波后的图像可突出显示边缘，其中边缘区域为白色，均匀区域为黑色，噪点区域为灰色。
6.如权利要求1中的阈值分割，其特征在于，选取自适应阈值法进行基质和孔隙的分割，根据图像不同区域亮度分布，计算其局部阈值，所以对于CT扫描设备原因产生的光线不均的现象，此方法能够自适应计算不同的阈值，获取更准确的三维数字岩心。
7.如权利要求1中所述的渗流模拟，其特征在于，选取COMSOL和AVIZO软件联合进行渗流分析和微观孔隙网络结构可视化计算，验证和泥饼数据的一致性，说明数字岩心的可行性。
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