识别油气层的新途径

三维数字岩心的二维切面
JS1-49岩样的二维灰度切面
JS1-56岩样的二维灰度切面
岩样的二维灰度切面说明岩样中微裂缝较为发育，同时存在粒 间孔隙，但大部分被充填，且充填物中微孔隙发育。所以岩样 孔隙空间由:裂缝、微孔隙构成双孔隙系统。图中亮度较高 （白色）区域显示存在密度较大的岩屑。
三维数字岩心的孔隙空间
识别油气层的新途径 ——关于声学特性参数的综合运用
胜利油田
曾文冲
2012.10
报告内容
一、问题的提出 二、声学特性参数分析 三、基于数字岩心的数值模拟
四、岩石物理实验
五、现场应用效果 六、前景分析与技术关键
一、问题的提出
识别储层流体性质，分析油、气、水层的静态与动态分 布，始终是油藏研究与油藏描述的核心，更是测井评价的 核心
报告内容
一、问题的提出 二、 声学特性参数分析 三、基于数字岩心的数值模拟
四、岩石物理实验
五、现场应用效果
六、前景分析与技术关键
三、基于数字岩心的岩石物理特性的微观数值模拟
构建三维数字岩心是数字岩石物理实验的基础。开展基于数字岩心的微观 数值模拟目的是系统研究岩石声电特性、核磁共振和多相渗流等物理属性及 其之间的内在联系，尤其是岩石物理实验难以测量的物理性质。具有速度快、 费用低，能够建立多种物理属性内在联系的特点。通过构建三维数字岩心可 以便捷获得更加反映真实岩石孔隙结构特征并建立各种复杂孔隙结构模式下、 变化各种储层微观特征参数条件下的岩石物理模型，实现对岩石物理特性的 定量研究。它是岩石物理学研究方法的新发展，是对传统岩石物理实验和传 统模拟方法的重要提升，标志岩石物理学研究进入数字岩石物理实验时代
报告内容
一、问题的提出
二、声学特性参数分析 三、基于数字岩心的数值模拟
四、岩石物理实验
五、现场应用效果 六、前景分析与技术关键
二、声学特性参数分析
——与储层流体性质密切相关的主要特性参数
（１）岩石体积压缩系数与体积模量
岩石体积压缩系数与体积模量是从逆向意义上表达岩石可压缩性的 物理参数，二者互成倒数。岩石流体体积压缩系数，则是经过“去骨 架影响的反演法”的处理，获得的能直接反映孔隙空间流体可压缩性 的参数，从而提高识别储层流体性质的分辨率。在各种反映岩石矿物 和流体的力学参数中，气、油、水的流体体积压缩系数差别最大，分 别为 18.05 、 0.837 和 0.444 ，这就是为什么流体体积压缩系数能够有效 的区分复杂储层流体性质的基本原因。岩石体积压缩系数与体积模量 分别由下式表达之： 体积模量，描述岩石在三维空间的形变，即压力增加 (p0→p0+dP) 与岩石体积减小 (V0-dV)的关系： K=(p0+dP)/(V0-dV) 则为岩石的体 积模量。 1 2G 4 K K a b 2 2 3 t 3 t s c 压缩系数 1 CMRP K
Skyscan 1172
X射线
CT扫描
岩心的三维 灰度图像
● X射线CT由X射线源、载物台和检测器三部分组成。 ● 采用的X射线CT为美国国家标准与技术研究所（NIST) 的Skyscan 1172型CT仪。目前，X射线CT的精度可达1 微米。
枫丹白露砂岩数字岩心
X射线CT扫描建立三维数字岩心
典型流体与骨架的压缩系数
流体与骨架
油
密度
(kg / m 3 )
声速
(m / s)
压缩系数
(1 / GPa)
830
1200
0.837
天然气
水 空气 砂岩骨架 灰岩骨架
139.8
1004
18.051
0.444 14.074 1/36.6 1/50.0
泥质
1/20
实际应用时，气、油、水的压缩系数范围分别取：18—20、 0.65—0.84、0.3—0.45
岩石微观模型的发展过程（逐渐接近岩石真实微观结构 ） 毛细管模型 随机孔隙网络模型 数字岩石物理实验 数字岩心
岩石物理数值模拟结构图
岩石物理数值模拟
岩石微观模型
数值模拟方法
首次在国内开创了数字岩石物理实验的方法研究，实现了利用X射线CT建立 三维数字岩心，提出了在岩心二维图像基础上构建三维数字岩心的新方法。首 次将数学形态学算法和有限元方法相结合，计算碳酸盐岩储层三维数字岩心的 导电特性。获得与岩电物理实验相吻合的数值模拟结果，进一步完善了孔隙喉 腔结构理论，并从理论高度验证与诠释阿尔奇参数的变化规律。
岩石物理研究的基本方法
为了全面认识这一问题，下面拟从岩石物理研究的基本方 法入手，即理论分析、岩石物理实验、三维数字岩心微观 数值模拟以及现场应用等四方面，论证声学及其衍生的岩石 力学特性系列参数，在识别复杂储层流体性质的必要性、可 行性和有效性，以确定它们在理论方法方面的地位。
岩石物理实验
三维数字岩心微观数值模拟
孔隙网络模型
在X射线CT建立的岩心三维孔隙（左上图）的基础上，采用最大球算法提 取孔隙网络模型（右上图），红色为孔隙体，绿色为喉道，可计算孔隙 度、渗透率、孔喉半径等岩石孔隙结构特征参数，模拟、确定岩石声电 特性、核磁共振和多相渗流等物理属性。
b
式中Kd为干骨架等价体积压缩模 量，Kma为骨架颗粒体积压缩模量， Kf为孔隙流体体积压缩模量
表明地层横波传播速度仅仅受骨架胶结情况 (G)的影响，而与孔隙流体性 质无关；或者说，横波只在固相介质中传播，而与孔隙流体性质无关。地层 纵波速度同时受到骨架胶结情况(G)和孔隙流体性质(Kf)的影响。地层含气 饱和度增大时，纵波时差增大，横波时差保持不变
0.1471 0.0980 0.0646
473 288 27
非连通占2%
非连通占10.5%
非连通占16%
岩心实物图片
JS1-49岩样实物照片
物性
序号 1 2 来源 吐哈 吐哈 样品号 J1S-49 J1S-56 孔隙度/% 8.9 7.7
JS1-56岩样实物照片
渗透率/10-3um2 0.33 0.441
建立三维数字岩心方法分类图
三维数字岩心
直接和准确 按需要构建，费用低
X射线CT
Arns等(2003)
重建算法
准确性低
费用高
随机法
Hidajat(2001)
过程法
Oren(2002)
适用性强
方法创新
孔隙连通性好 适用性差
孔隙连通性差
混合法
采用二者结合的新方
法建立三维数字岩心
1、X射线CT扫描建立三维数字岩心
一、问题的提出
2 、声波测井蕴含丰富的映射储层特性的信息 是识别气层、轻质油层的有效手段 各种类型的单极与偶极声波测井，高信息丰度的测 井方法，蕴含丰富反映储层特性的信息，其中包括纵横 波和斯通利波的速度、幅度、频率、波形等，以及一系 列“衍生”信息，如一系列反映岩石力学特性的弹性参 数。它们的综合运用，能够有效的进行储层评价和识别 油气层。然而在较长时间里，测井资料的处理和解释主 要局限于时间域（时差或速度）的应用，主要是纵波的 时差和纵、波速度比，许多有用的系列信息尚未得到系 统的挖掘和利用。挖掘与充分利用获得的信息，关键在 于考察和分析各种”原始”、”衍生”信息对储层地质 特性、特别是对储层流体性质的映射能力，揭示它们的 相关性。
JS1-49孔隙空间
JS1-56孔隙空间
在X射线CT建立的岩心三维灰度基础上，通过数字图像处理技 术，识别岩石孔隙空间，并分析孔隙连通性（上图）。图中显 示岩心的孔隙空间发育大量的微裂缝（左上图黄色区域），因 此导致孔隙具有极强非均质性，也势必导致岩石物理属性的各 向异性。
岩石微观孔隙结构分析
孔隙空间
流体性质及其分布状态的正确评价，将 影响油藏的“一生”
胜利油田
一、问题的提出
1、 电阻率测井的固有弱点
●电阻率测井无疑是最重要、最成熟的测井评 价油气层的主体技术，在油田勘探和开发 中有着极其重要的作用和地位。 ●但在复杂岩性、复杂储集空间和复杂储层的 油气评价方面，所暴露出的能力性不足却 十分明显。这是因为其受岩性、储层孔隙 结构和矿化度的影响过大，甚至可覆盖和 淹没储层含油性的影响。 ●因此，随着油田勘探开发的深入，目前的电 阻率测井面临着不少困难和挑战。
22号（2号）样品
编号 22
孔隙度 渗透率 9.8 288mD
分辨率 5 um
数字岩心岩石物理特性微观数值模拟的结果分析
岩心编号 分辨率 (μm/像素 ) 5 5 10 数字岩心孔 隙度 数字岩心 渗透率 (mD) 420 220 16 实验 孔隙度 实验 渗透率 (mD)
1 2 71
0.135 0.09 0.06
一、问题的提出
理论与实践分析证明，声波测井所测量和衍生的特性参 数及其组合，如纵、横波速度/时差、流体体积压缩系数、 拉梅系数 、 泊松比等，与油气层密切相关，可有效识别气 层和轻质油层。而过去长期主要采用纵波时差、纵横波速 度比识别气层，在高 — 中孔隙度碎屑岩储层确实有良好效 果。但对于碳酸盐岩等复杂储层，随孔隙度降低，其有效 性则明显退化，难于排除由岩性、孔隙度变化引起的多解 性。若增加其他衍生的信息，如流体体积压缩系数、拉梅 系数、泊松比等参数，并进行有机的组合，则有明显改善， 能较大幅度提高复杂储层、低孔储层气、油 、 水层的分辨 能力和识别效果。对于轻质油层，只要有针对性优选参数 组合，即使在较低的孔隙度条件下同样会有效果。正是由 于这些参数综合了岩石的纵横波速度、密度以及岩石的刚 性、塑性、粘性等诸多特性，才使这些“衍生”的特性参 数在识别储层流体性质，具有更好的相关性和敏感度。
电阻率测井面临的困难和挑战
● 地层水矿化度低或变化大时，不易识
别油（气）、水层
● 在预探井中地层水矿化度未知或无水层做参
照时，难于评价油气层
● 对大量的水淹层尤其注淡水或注聚合物的水
淹层的解释，难以识别其水淹程度
● 复杂储层（如碳酸盐岩、低孔低渗、低电阻
率、砾岩体、火成岩等），会漏失油气层
● 对策：现有电阻率测井需要发展创新，以应对挑战
（４）纵横波速度
从声波传播的机理分析，纵横波速度Vp、Vs由岩石的体积压 缩模量Kb和剪切模量G、密度b决定：
Vp 2 Vs 2 Kb

G
4 G 3
b

由Biot-Gassman模型可知，Kb是孔隙度和流体性质 Kf的函 数： Kd
)2 Km a Kb Kd (1 ) Kd Kf Km a Km a2 (1
（２）拉梅（λ）常数
拉梅（λ）常数，虽然其物理意义一般难以确切定义，但通常作为一 种特征参数，描述线性弹性体的角度形变联系了岩石应力和应变二者 的关系、综合反映岩石的弹性性质，使它在反映储层流体性质方面具 有甚高的敏感度，并成为识别气、油、水层的重要参数。事实上，关 于拉梅（λ）常数的应用已引起重视，在地震资料反演中被作为寻找天 然气气藏的一个重要的特征参数。然而测井资料的高精度与高分辨率 的特点，使得在测井储层评价中能够更有效地运用它划分气层和识别 油层。
1 2 a b t 2 t 2 s c

由上式可见，和单纯采用体积密度或纵波慢度tc相比，拉梅（λ）常 数能够较大幅度提高气、油、水层的分辨能力。拉梅（λ）常数一般随 着储层含气或含油饱和度的增加而减小，因为含气或含油饱和度的增大 ，将使b减小、tc增大。这一响应特征在多个碳酸盐岩、火山岩和低孔 砂砾岩气、油田的实际应用中已得到验证，在提高复杂储层流体识别的 有效性方面有较好效果。
（３）泊松比 泊松比，描述岩石横向压缩与纵向伸长之间的关系， 无量纲。即岩石在单向受拉或受压时，横向正应变与 轴向正应变绝对值的比值，反映岩石横向形变的弹性 常数。
PR
2 G
泊松比在高孔隙度盐水饱和储层中具有较高数值，在高孔 隙度油饱和的储层中次之，而在高孔气饱和的储层具有异常 低值。对于低孔储层，如川西低孔气藏，饱和盐水的砂岩泊 松比（υ） 在0.20～0.30 之间，含气砂岩储层的泊松比小于 0.2。泊松比随地层灰质和泥质的增加而变大。
三维数字岩心的构建过程（JS1-49）
JS1-49岩心为灰 色荧光细砂岩， 为了最大程度地 识别孔隙，在柱 塞样中钻取直径 为2mm的圆柱体， 采用1um/体素的 分辨率进行扫描， 从而建立三维数 字岩心
三维数字岩心的构建过程（JS1-56）
JS1-56岩心为灰 色荧光细砂岩， 为了最大程度地 识别孔隙，在柱 塞样中钻取直径 为2mm的圆柱体， 采用1um/体素的 分辨率进行扫描， 从而建立三维数 字岩心