CN114357797A - 用于致密储层数值模拟的多孔介质等效简化模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是用于致密储层数值模拟的多孔介质等效简化模型构建方法，它是基于岩石矿物颗粒压实和胶结协同作用降低储层孔隙空间的思想，建立致密多孔介质砂岩颗粒堆积三维简化几何形态模型；首先，建立等径球体砂岩颗粒相切微元体；通过瑞利分布函数，表征砂岩粒度分布规律，建立粒径服从瑞利分布的大球堆积结合小球填充的形态，粒径纵向随机交错排列构成三维球体堆积模型；引入协同系数表征致密多孔介质的压实作用和胶结物胶结作用对孔隙形态的影响；结合格子玻尔兹曼模拟方法对协同系数进行拟合，实现致密储层孔隙结构的三维简化几何形态模型构建。本发明能够体现致密储层地质成因和孔隙喉道的差异性表征及交替性分布，实现孔隙度及渗流能力。
Description
技术领域：
本发明涉及的是致密储层数值模拟技术中致密多孔介质真实物理结构的模型化简化方法，具体涉及的是用于致密储层数值模拟的多孔介质等效简化模型构建方法。
背景技术：
致密油气储层具有低孔低渗特点，常规的微圆管流动实验无法满足致密气藏孔喉分布范围的要求，需要借助微观数值模拟的方法来实现，从而确定流体在致密多孔介质流动的规律及影响因素。致密砂岩储层最典型的特征为砂岩颗粒分选差、大小颗粒相互填充导致矿物颗粒致密堆积；在储层低孔低渗、物性差的基础上，高岭石等矿物颗粒充填粒间孔，对流体在孔喉中的流动产生堵塞或阻碍作用；由于储层具有致密特征，孔隙和喉道的频繁交替产生了附加流动阻力。
目前国内外致密多孔介质微观数值模拟主要依托数字岩心技术展开，部分学者还沿用传统毛管束模型作为致密油气微观数值模拟的简化模型，这些致密油气微观流动模拟所采用的物理模型缺点主要体现在：
(1)以数字岩心技术开展的多孔介质流体流动规律研究，重构过程受到设备精度及算法收敛性的影响；尤其致密油气层，CT扫描容易忽略纳米尺度细小孔喉结构，并且试验成本很高，其应用范围存在一定局限性；(2)毛管束模型无法体现致密多孔介质复杂结构特征以及孔喉高频率变化导致的流体流动阻力增加，即忽略了流体在致密储层流动与在常规储层流动最为本质的差别和不同之处。
储层物性好坏与矿物颗粒大小无关，而取决于颗粒堆积方式，即储层物性由矿物颗粒粒径分布及堆积方式确定。致密砂岩储层最典型的特征为砂岩颗粒分选差、大小颗粒相互填充导致矿物颗粒致密堆积，在储层孔渗低、物性差的基础上，高岭石等矿物颗粒充填粒间孔，对流体在孔喉中的流动产生堵塞或阻碍作用，此时毛管束模型无法体现其致密特征。
致密多孔介质来流体流动微观模拟结果的准确程度，主要取决于流体流动空间与实际致密岩心内部情形的一致性，现有的模拟方法均存在一定的缺陷，目前缺乏一种科学的致密多孔介质等效物理模型，真实的反映致密储层频繁变化的孔隙和喉道空间物理内涵，从而为致密油气流动规律微观模拟的准确性和高效性提供途径和技术保障。
发明内容：
本发明的目的是提供用于致密储层数值模拟的多孔介质等效简化模型构建方法，这种用于致密储层数值模拟的多孔介质等效简化模型构建方法能够体现致密储层地质成因和孔隙喉道的差异性表征及交替性分布，能够解决现有方法不能真实反映致密储层流体真实流动阻力的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种用于致密储层数值模拟的多孔介质等效简化模型构建方法是构建致密储层内流体流动空间的复杂几何形态模型，基于岩石矿物颗粒压实和胶结协同作用降低储层孔隙空间的思想，建立致密多孔介质砂岩颗粒堆积三维简化几何形态模型；首先，建立等径球体砂岩颗粒相切微元体；通过瑞利分布函数，表征砂岩粒度分布规律，建立粒径服从瑞利分布的大球堆积结合小球填充的形态，粒径纵向随机交错排列构成三维球体堆积模型；引入协同系数表征致密多孔介质的压实作用和胶结物胶结作用对孔隙形态的影响；结合格子玻尔兹曼模拟方法对协同系数进行拟合，实现致密储层孔隙结构的三维简化几何形态模型构建。
上述方案中用于致密储层数值模拟的多孔介质等效简化模型构建方法具体包括以下步骤：
步骤一，选取某致密区块岩心，开展粒度分析测试，确定最小的岩心颗粒半径rmin；得出岩心粒径分布曲线，确定其岩心粒度瑞利分布函数；
式中：r是任一岩心颗粒半径，rmin是粒径最小值，rmax是粒径最大值；f(r)为实测致密砂岩颗粒粒径分布函数；σ是分布系数，通过最小二乘法计算误差，拟合最优的σ值；由于rmin≤r≤rc范围内的流体无法移动，这部分粒径的岩心颗粒为胶结物碎屑，岩石几何形态构建时粒径分布仅考虑粒径大于rc且小于rmax的岩心颗粒，依此确定数值模拟岩石几何形态的岩石粒径分布概率密度函数：
步骤二，数值模拟中岩石几何形态采用等径球体砂岩颗粒相切模式，具体建立方法为：假设相切球微元体为边长2R的正方体，该正方体8个顶点是8个半径为R的球体的球心位置，正方体中心有一个直径为
的球，中心的这个球恰好和圆心在顶点的8个球相切；由相切球组成的岩石几何形态中有两层，一层中每个球体颗粒半径是R，另一层中每个球体颗粒半径是
球体之外的空间为孔喉流动通道；两层球体颗粒相切，此时形成的全部球体半径平均值为0.8660R，数值模拟的岩石几何形态中流体宏观流动方向微元体数量不少于10个，其它两个方向微元体数量不少于5个，微元体总数记为S；
步骤三，由于瑞利分布的岩石粒径平均半径为1.253σ，确定数值模拟中岩石几何形态尺寸中R＝1.4469σ；
步骤四，将几何形态中岩心粒径分布概率密度函数fm(r)分成2S段，每段的积分相等，第n段的半径范围[rn,rn+1)满足：
且各段收尾相连，求出每段平均半径为
将前S个较小的平均半径值
随机替换给数值模拟几何形态中原半径为
球的半径，然后在将后S个较大的平均半径值
随机分配给原半径为R的球，所有球使用新的半径，对于边缘的不完整球体，将同一对称轴线的两个半球作为同一个球处理；边角的球也采用相同的方式处理；
步骤五，开展步骤一选取的某致密区块岩心的孔隙度测定实验，得到该致密区块岩心的孔隙度φr；
步骤六，用体积法计算数值模拟中岩石几何形态的孔隙度φg0，φg0必然远大于实际岩石的孔隙度φr，将数值模拟中岩石几何形的孔隙度φg0还原为真实孔隙结构，引入协同系数αs＝φs/(φs+φc)，其中φs为颗粒镶嵌压实作用而减小的孔隙度，φc为胶结物封堵而减小的孔隙度；在0和1范围内随机估计一个值作为的αs初始值，令φs+φc＝φr-φg0并得出颗粒镶嵌压实作用的孔隙度降低值φs＝αs(φr-φg0)和胶结物封堵产生的孔隙度降低值φc＝φr-φg0-φs；
步骤七，逐渐缩小几何形态中球的间距，保持球的半径不变进而产生颗粒镶嵌效果，直至孔隙度相比缩小前减少φs，得到修正后的几何形态岩心颗粒组成的三维球体堆积模型；
步骤八，向步骤七修正后的几何形态岩心颗粒中加入填充物，继续降低孔隙度；
步骤九、应用微尺度气水两相D3Q19的格子-玻尔兹曼方法，计算不同αs构建出的致密储层岩石微观几何形态模型的相渗曲线，并与实际岩心相渗曲线进行对比，通过改变值αs后，重复步骤六至步骤八，直至用两相D3Q19的格子-玻尔兹曼数值计算方法得出的相渗曲线与实测相渗曲线满足预设要求为止，此时建立模型即为致密储层数值模拟的多孔介质等效几何形态模型。
上述方案中步骤八的具体方法为：估计一个很小的半径rx，将几何形态的孔隙中半径rx球无法接触的角落考虑为胶结物，胶结物区域考虑为非孔隙区域进而产生孔隙度降低。通过改变rx的值，直至几何形态的孔隙度相比步骤七实施后再降低φc。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明基于致密储层地质成因，建立岩石颗粒压实及矿物胶结协同作用下简化的等效几何形态模型，可以等效天然致密岩心实现孔隙度及渗流能力；现有的以数字岩心技术开展的多孔介质流体流动规律研究，重构过程受到设备精度及算法收敛性的影响；对于致密储层，CT扫描容易忽略纳米尺度细小孔喉结构，并且试验成本很高，其应用范围存在一定局限性；通过本发明建立的等效几何形态模型没有对致密岩心真实岩心结构的数值化过程，克服了现有仪器设备和数值化方法主要依赖于设备精度的局限性。
2、本发明通过建立粒径服从瑞利分布的大球堆积结合小球填充的几何形态模型，结合岩石颗粒压实作用和矿物胶结的等效渗流能力表征，更为真实的反映了致密多孔介质复杂结构特征以及孔喉高频率变化导致的气体流动阻力增加，克服了传统毛管束形态模型无法体现孔喉之间流动阻力的弊端。
3、本发明构建致密多孔介质等效简化几何形态模型的方法，将致密储层地质成因与介观尺度格子-玻尔兹曼方法数值模拟相结合，以简化几何形态模型与天然岩心渗流能力等效为标准，不需要考虑致密岩心内部是否含有不可入孔隙体积等内部复杂情形，无需对天然岩心进行选择和预处理，研究结果更具有代表性。
4、本发明提出的致密储层数值模拟的多孔介质等效简化几何形态模型构建方法具有普适性，适用于致密油气、页岩油气等非常规储层，能够用于非常规油气藏真实高温高压条件下流体渗流规律的研究，为非常规储层数值模拟研究提供了可靠的途径和方法。
附图说明：
图1为致密储层数值模拟的多孔介质等效几何形态模型图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
这种用于致密储层数值模拟的多孔介质等效简化模型构建方法是构建致密储层内流体流动空间的复杂几何形态模型，基于岩石矿物颗粒压实和胶结协同作用降低储层孔隙空间的思想，建立致密多孔介质砂岩颗粒堆积三维简化几何形态模型；首先，建立等径球体砂岩颗粒相切微元体；通过瑞利分布函数，表征砂岩粒度分布规律，建立粒径服从瑞利分布的大球堆积结合小球填充的形态，粒径纵向随机交错排列构成三维球体堆积模型，用于表征孔隙喉道直径的差异性表征及交替性分布；引入协同系数表征致密多孔介质的压实作用和胶结物胶结作用对孔隙形态的影响；结合格子玻尔兹曼模拟方法对协同系数进行拟合，从而实现致密储层孔隙结构的三维简化几何形态模型构建，具体步骤如下：
步骤一，选取某致密区块岩心，开展粒度分析测试，确定最小的岩心颗粒半径rmin；进而得出岩心粒径分布曲线，确定其岩心粒度瑞利分布函数；
式中：r是任一岩石颗粒半径，rmin是粒径最小值，rmax是粒径最大值；f(r)为实测致密砂岩颗粒粒径分布函数；σ是这一分布的相关参数，通过最小二乘法计算误差，拟合最优的σ值。由于rmin≤r≤rc范围内的流体无法移动，这部分粒径的岩心颗粒被考虑为胶结物碎屑。岩石几何形态构建时粒径分布仅考虑大于rc且小于rmax的粒径，依此确定数值模拟岩石几何形态的岩石粒径分布概率密度函数：
步骤二，数值模拟中岩石几何形态采用等径球体砂岩颗粒相切模式，具体建立方法为：假设相切球微元体为边长2R的正方体，该正方体8个顶点是8个半径为R的球体的球心位置，正方体中心有一个直径为
的球，中心的这个球恰好和圆心在顶点的8个球相切。形成的由相切球组成的岩石几何形态中有不同的两层，一层中每个球体颗粒半径是R，另一层中每个球体颗粒半径是
球体可以之外的为孔喉流动通道。两层球体颗粒相切，此时形成的全部球半径平均值为0.8660R，数值模拟的岩石几何形态中流体宏观流动方向微元体数量不少于10个，其它两个方向微元体数量不少于5个，微元体总数记为S。
步骤三，由于瑞利分布的岩石粒径平均半径为1.253σ，确定数值模拟中岩石几何形态尺寸中R＝1.4469σ。
步骤四，将几何形态中岩石粒径分布概率密度函数fm(r)分成2S段，每段的积分相等，即第n段的半径范围[rn,rn+1)满足：
且各段收尾相连，求出每段平均半径为
将前S个较小的平均半径值
随机替换给数值模拟几何形态中原半径为
球的半径，然后在将后S个较大的平均半径值
随机分配给原半径为R的球，所有球使用新的半径，对于边缘的不完整球体，将同一对称轴线的两个半球视为同一个球处理，边角的球也采用类似的方式。
步骤五，开展步骤一选取的某致密区块岩心的孔隙度测定实验，得到该致密区块岩心的孔隙度φr。
步骤六，用体积法计算数值模拟中岩石几何形的孔隙度φg0，φg0必然远大于实际岩石的孔隙度φr，主要有两个原因：①岩石矿物之间颗粒镶嵌压实作用使孔隙度降低；②胶结物封堵，使孔隙度降低。需要针对上述原因还原真实孔隙结构，在此引入协同系数αs＝φs/(φs+φc)，其中φs和φc分别为颗粒镶嵌压实作用和胶结物封堵而减小的孔隙度。在0和1范围内随机估计一个值作为的αs初始值，令φs+φc＝φr-φg0并得出颗粒镶嵌压实作用的孔隙度降低值φs＝αs(φr-φg0)和胶结物封堵产生的孔隙度降低值φc＝φr-φg0-φs。
步骤七，逐渐缩小几何形态中球的间距，保持球的半径不变进而产生颗粒镶嵌效果，直至孔隙度相比缩小前减少φs。
步骤八，将步骤七修正后的几何形态岩心颗粒中加入填充物，继续降低孔隙度。具体实施方法为：估计一个很小的半径rx，将几何形态的孔隙中半径rx球无法接触的角落考虑为胶结物，胶结物区域考虑为非孔隙区域进而产生孔隙度降低。通过改变rx的值，直至几何形态的孔隙度相比步骤七实施后再降低φc。
步骤九、应用微尺度气水两相D3Q19的格子-玻尔兹曼方法计算不同αs构建出的致密储层岩石微观几何形态模型的相渗曲线，并与实际岩心相渗曲线进行对比，通过改变值αs后重复步骤六至步骤八，直至用两相D3Q19的格子-玻尔兹曼数值计算方法得出的相渗曲线与实测相渗曲线满足预设要求为止。此时建立模型即为致密储层数值模拟的多孔介质等效几何形态模型，模型如图1所示。
本发明是一种致密多孔介质真实物理结构的等效几何形态模型简化方法，涉及致密储层数值模拟的几何形态等效构建技术，本发明以致密储层多孔介质等效简化几何形态模型反映了微观模拟的流动空间，能科学的体现致密多孔介质的内涵。
Claims (3)
1.一种用于致密储层数值模拟的多孔介质等效简化模型构建方法，其特征在于：这种用于致密储层数值模拟的多孔介质等效简化模型构建方法是构建致密储层内流体流动空间的复杂几何形态模型，基于岩石矿物颗粒压实和胶结协同作用降低储层孔隙空间的思想，建立致密多孔介质砂岩颗粒堆积三维简化几何形态模型；首先，建立等径球体砂岩颗粒相切微元体；通过瑞利分布函数，表征砂岩粒度分布规律，建立粒径服从瑞利分布的大球堆积结合小球填充的形态，粒径纵向随机交错排列构成三维球体堆积模型；引入协同系数表征致密多孔介质的压实作用和胶结物胶结作用对孔隙形态的影响；结合格子玻尔兹曼模拟方法对协同系数进行拟合，实现致密储层孔隙结构的三维简化几何形态模型构建。
2.根据权利要求1所述的用于致密储层数值模拟的多孔介质等效简化模型构建方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，选取某致密区块岩心，开展粒度分析测试，确定最小的岩心颗粒半径rmin；得出岩心粒径分布曲线，确定其岩心粒度瑞利分布函数；
式中：r是任一岩心颗粒半径，rmin是粒径最小值，rmax是粒径最大值；f(r)为实测致密砂岩颗粒粒径分布函数；σ是分布系数，通过最小二乘法计算误差，拟合最优的σ值；由于rmin≤r≤rc范围内的流体无法移动，这部分粒径的岩心颗粒为胶结物碎屑，岩石几何形态构建时粒径分布仅考虑粒径大于rc且小于rmax的岩心颗粒，依此确定数值模拟岩石几何形态的岩石粒径分布概率密度函数：
步骤二，数值模拟中岩石几何形态采用等径球体砂岩颗粒相切模式，具体建立方法为：假设相切球微元体为边长2R的正方体，该正方体8个顶点是8个半径为R的球体的球心位置，正方体中心有一个直径为
的球，中心的这个球恰好和圆心在顶点的8个球相切；由相切球组成的岩石几何形态中有两层，一层中每个球体颗粒半径是R，另一层中每个球体颗粒半径是
球体之外的空间为孔喉流动通道；两层球体颗粒相切，此时形成的全部球体半径平均值为0.8660R，数值模拟的岩石几何形态中流体宏观流动方向微元体数量不少于10个，其它两个方向微元体数量不少于5个，微元体总数记为S；
步骤三，由于瑞利分布的岩石粒径平均半径为1.253σ，确定数值模拟中岩石几何形态尺寸中R＝1.4469σ；
步骤四，将几何形态中岩心粒径分布概率密度函数fm(r)分成2S段，每段的积分相等，第n段的半径范围[rn,rn+1)满足：
且各段收尾相连，求出每段平均半径为
将前S个较小的平均半径值
随机替换给数值模拟几何形态中原半径为
球的半径，然后在将后S个较大的平均半径值
随机分配给原半径为R的球，所有球使用新的半径，对于边缘的不完整球体，将同一对称轴线的两个半球作为同一个球处理；边角的球也采用相同的方式处理；
步骤五，开展步骤一选取的某致密区块岩心的孔隙度测定实验，得到该致密区块岩心的孔隙度φr；
步骤六，用体积法计算数值模拟中岩石几何形态的孔隙度φg0，φg0必然远大于实际岩石的孔隙度φr，将数值模拟中岩石几何形的孔隙度φg0还原为真实孔隙结构，引入协同系数αs＝φs/(φs+φc)，其中φs为颗粒镶嵌压实作用而减小的孔隙度，φc为胶结物封堵而减小的孔隙度；在0和1范围内随机估计一个值作为的αs初始值，令φs+φc＝φr-φg0并得出颗粒镶嵌压实作用的孔隙度降低值φs＝αs(φr-φg0)和胶结物封堵产生的孔隙度降低值φc＝φr-φg0-φs；
步骤七，逐渐缩小几何形态中球的间距，保持球的半径不变进而产生颗粒镶嵌效果，直至孔隙度相比缩小前减少φs，得到修正后的几何形态岩心颗粒组成的三维球体堆积模型；
步骤八，向步骤七修正后的几何形态岩心颗粒中加入填充物，继续降低孔隙度；
步骤九、应用微尺度气水两相D3Q19的格子-玻尔兹曼方法，计算不同αs构建出的致密储层岩石微观几何形态模型的相渗曲线，并与实际岩心相渗曲线进行对比，通过改变值αs后，重复步骤六至步骤八，直至用两相D3Q19的格子-玻尔兹曼数值计算方法得出的相渗曲线与实测相渗曲线满足预设要求为止，此时建立模型即为致密储层数值模拟的多孔介质等效几何形态模型。
3.根据权利要求2所述的用于致密储层数值模拟的多孔介质等效简化模型构建方法，其特征在于：所述的步骤八的具体方法为：估计一个很小的半径rx，将几何形态的孔隙中半径rx球无法接触的角落考虑为胶结物，胶结物区域考虑为非孔隙区域进而产生孔隙度降低。通过改变rx的值，直至几何形态的孔隙度相比步骤七实施后再降低φc。
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