数字岩心建模方法及应用

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1、数字岩心建模方法及应用摘要：实际取样的岩心，实验耗时长，且由于很多岩石实验对岩心有一定损害，必然给下一个实验带来困难和误差。由于数字岩心是对实际岩样的数值模拟,所以数字岩心模型可以替代实际岩心用于研究储层的微观因素。这不仅克服了实际取心困难、样木少的难题，更解决了同一岩心数据多样性的问题。随着计算机的发展，数字岩心技术也在不断进步完善，数字岩心模型的建立也有了更多的方法与应用。各种方法有其优缺点，在针对不同的问题需要选取合适的方法获取模型。综合国内外的发展提出今后数字岩心技术发展趋势。关键词：数字岩心；重建

2、方法；岩石物理；数字模拟；xCT扫描0引言岩右物理实验产生的数据是连接宏观与微观的桥梁，对石油天然气行业中勘探与开发有着不可或缺的作用。随着石油天然气开发的进行，如今大部分的油气储层是非常规的，这就给岩石物理实验的开展带来了很大困难，例如页岩、具裂缝的碳酸盐岩岩心的获取，岩心的驱替问题等。要解决这些问题，仅靠传统的实验技术是不行的，结合计算机技术发展起来的数字模拟给击了新思路。数字岩心技术是一种基于对实际岩心数字化或对实际岩心模拟的技术。根据数字岩心技术做出的数字岩心模型有着类似于真实岩心的孔隙特性和组分特

3、性，因此，可以在计算机中模拟岩石物理实验条件，对数字岩心模型进行类似的实验方法，得到相应的模拟数据。和比于传统的岩石物理实验，数字岩心技术速度快，成本低，精度高，可重复，能够在微观尺度上定量的考察各种因素对宏观物理参数的影响。本文主要介绍数字岩心重建的几种方法以及在石油天然气行业的应用［12］。1数字岩心建模方法数字岩心的建模方法［39］根据建模数据的来源可以分为2种：物理重建与数值重建。物理重建即为全部依靠外部数据重建数字岩心，不通过计算机模拟岩心的结构元素；数值重建则是部分依靠外部数据，然后根据计算机模

4、拟出整块数字岩心。物理重建有几种常用方法：序列成像法、MRI核磁共振成像法、X射线计算机层析成像（XCT）扫描法和聚焦离子束电子显微镜（FIBSEM）扫描法［1012］。数值重建分为2类，分别为随机法和过程法。随机法具体方法有：完全随机法、高斯场法、顺序指示模拟法、模拟退火算法、多点统计法以及马尔可夫链一蒙特卡洛法（MCMC法）。1・1X射线计算机层析成像（XCT）基本原理为通过大量投影数据重建图像。CT设备通过发射X射线投射在实验样本之上，根据投射射线的衰减情况确定被测物体的密度分布图像，以此获得岩心内部

5、结构的详细信息，其核心就是利用采集后的数据求解图像矩阵中个像素的吸收系数，然后重构图像。XCT扫描法建立数字岩心主要包括3步：①对岩样进行预处理后开展CT实验（图1）获得投影数据；②选取某种图像重建方法由投影数据重建岩心灰度图像；③采用图像二值分割方法分离灰度图像中的孔隙空间和岩石骨架建立数字岩心。1.2X射线计算机层析成像随机法随机法有很多种方法，这里只对MCMC方法进行简要说明。MCMC法源于图像处理屮的马尔可夫随机场的广泛应用。该链描述了一种状态序列，序列屮的每个位置的状态值都取决于前面有限个位置的状

6、态，这个状态的概率称为转移概率。MCMC法重构图像的重点在于，利用转移概率为每个像素点赋值，然后重构［1317］。二维图像可以看成一个矩阵，矩阵中的元素代表图像中的像素。第1排从左向右，然后自上而下蛇行，根据一定的规律求得转移概率。例如将第1个元素用孔隙度来赋值，第2个元素的值根据第1个来求得，第3个通过前2个來求得……第2排从右向左，第1个元素由第1排最右边2个元素的联合概率得到，第2个则是由其上3个元素和第1个元素的得到，依此类推，求得整个矩阵的元素（图3）0在平面中，原则上，取2点相关和4点相关。尽管

7、相关元素越多，所构建的数字岩心越准确，但是这必然使得模型更加复杂。1.3过程法过程法即通过模拟岩石成岩过程包括沉积、压实和成岩3个过程，得到数字石心。2数字岩心技术的应用数字岩心能够展现岩心的全貌，甚至包括其内部结构［1820］。这就为研究者创造了研究微观因素对宏观影响的条件，所以数字岩心的应用大部分集中于研究微观因素。2・1岩石结构探寻岩石结构是数字岩心最基础的应用研究。研究岩心，无论是实体岩心还是数字岩心，实质都是为了寻找储层，而流体储存在孔隙中的煤炭等固态能源也都为岩石组成部分。既然流体存储在孔隙中，

8、孔隙的研究就必不可少。且岩石结构研究有助于流体渗流和岩石属性等更深层次问题的研究。对于孔隙的研究，限于当时的手段，只能用简单管束代替孔隙模拟。而后随着理论的进步与完善，对于孔隙的模拟往更加准确的方向发展，例如腐蚀、拓扑的应用。到目前发展到利用数字岩心建立孔隙网络模型（图5）,更加细致、精细地反映岩石结构的复杂性。2・2流体渗流渗流问题一直是流体力学中较为复杂的问题。在岩石孔隙中则更为复杂，尤其是孔隙中含有多相流体