基于计算模拟和溶蚀实验的碳酸盐岩孔隙定量表征及孔隙演化特征研究

发布时间：2020-07-31 12:26

【摘要】：碳酸盐岩油气储层类型丰富,储层岩性多样,孔隙类型繁多,致使储层非均质性较强~([1])。碳酸盐岩孔隙的空间几何形态及不均质性极大地影响着储层的运移机理~([2,3])。在地表和埋藏条件下溶蚀作用形成的次生孔隙是碳酸盐岩油气储层重要的储集空间~([5])。对于碳酸盐岩溶解动力学机理和控制因素的研究是预测碳酸盐岩的孔-洞-封的时空分布重点~([6])。在不同的温度、压力、环境pH值、孔隙流体动力学性质等条件的作用下所发生的蚀变、溶解、沉淀和孔隙-微裂隙系统演化、结构形成与表征,是碳酸盐岩油气储层评价中的关键科学问题~([7])。本文定量表征并分析了4种典型孔隙类型样品如晶间孔(ZG9细晶白云岩)、粒间孔(LJ1-1鲕粒白云岩)、铸膜孔(LJ5鲕粒白云岩)和混合孔(LJ2-2鲕粒白云岩)在不同直径和不同CT扫描分辨率下的三维微观孔隙结构特征及其非均质性,研究了3个柱体碳酸盐岩样品(黄灰色泥粉晶白云岩(TL-6),灰色砂屑灰岩(TL-8)和鲕粒白云岩(NSP-4))在高温高压化学溶蚀作用下三维微观孔隙的动态演化规律,最后通过三种数学孔隙模型计算模拟了碳酸盐岩孔隙的动态演化过程。本文主要取得以下成果:一、讨论了不同CT扫描分辨率对碳酸盐岩三维微观孔隙定量表征的影响,认为扫描分辨率为2μm及以下为最佳。本文通过9μm和2μm等不同扫描分辨率的三维微观组构的定量表征及非均质性定量刻画研究发现,扫描分辨率大于9μm时,基本无法提取到微孔隙;孔隙空间的微观分布的多重分形谱也反映了扫描分辨率达到2μm及以下时才能有效反映孔隙的结构特征。二、探讨了不同孔隙非均质性定量表征参数的有效性。(1)提出了基于二维CT图像提取的孔隙度与盒子维数关系反应了不同孔隙结构特征的重要意义,为定量表征碳酸盐岩孔隙结构提供了新的视角。通过二维CT图像与多重分形分析,发现,孔隙度一般与盒子维数D_b、信息维D_1和关联维D_2呈正相关关系;孔隙度和盒子维数拟合斜率呈现的规律为:晶间孔[2.205,3.744]粒间孔[0.478,0.772])铸膜孔[0.347,0.863],而混合孔在高扫描分辨率下不满足正相关关系。(2)探讨了评价碳酸盐岩孔隙结构的最佳参数,其中非对称指数R能有效区分不同孔隙类型,在定量表征碳酸盐岩孔隙非均质性方面具有明显优势。统计不同类型的二维CT图像,发现,多重分形参数中的非对称指数R最能代表孔隙结构特征,晶间孔、粒间孔和铸膜孔的非对称指数都为负数;非对称指数R的绝对值的大小具有如下关系:晶间孔[-0.32,-0.44]粒间孔[-0.20,-0.22]铸膜孔[-0.13,-0.15]混合孔[0.08,0.12];与三维微观孔隙结构特征类似,三维孔隙微观组构亦显示相似的规律:晶间孔[-0.55,-0.52]粒间孔[-0.46,-0.45]铸膜孔(-0.35)混合孔[-0.19,-0.16],多重分形谱中的非对称指数R具有稳定性和可重复性。(3)多重分形谱宽度与渗透率呈一定相关关系。不同孔隙类型的渗透率表现为,粒间孔(258.42×10~(-3)μm~2)晶间孔(24.86×10~(-3)μm~2)混合孔(1.94×10~(-3)μm~2)铸膜孔(0.24×10~(-3)μm~2),对应了三维孔隙组构的多重分形谱宽度大小,而多重分形谱宽能有效反映碳酸盐岩孔隙非均质性,粒间孔[5.09,5.88]晶间孔[1.89,2.01]混合孔[0.94,1.86]铸膜孔[0.98,1.32],说明多重分形谱宽度能定量的反映碳酸盐岩孔隙的渗透率。三、基于碳酸盐岩溶解动力学实验和热力学模拟验证“溶蚀窗”,并探究孔隙演化特征。(1)柱塞样品溶蚀实验和热力学模拟验证“溶蚀窗”的存在。本次柱体溶蚀实验温度40℃-160℃,压力10Mpa-50Mpa,流体为0.2%的乙酸溶液;基于水文地球化学软件Phreeqc模拟选取了三种不同的酸性介质,pH=4的硫酸溶液、pH=4的盐酸溶液和含CO_2溶液,进而模拟地层中碳酸盐岩在热液作用下的沉淀-溶蚀机理,根据热力学平衡模拟结果可知Ca~(2+)和Mg~(2+)含量符合溶蚀窗的呈先升高后下降的模式。热力学模拟的白云石(对应白云岩)在H_2SO_4、HCl和含CO_2溶液对应的“溶蚀窗”范围都为150℃-220℃,高于实际柱塞样样品NSP-4(鲕粒白云岩)和样品TL-8(黄灰色泥粉晶白云岩)的“溶蚀窗”范围大约在70℃-120℃(20 Mpa-40Mpa)。(2)碳酸盐岩的溶蚀是复杂的问题,除了矿物成分和流体介质等影响因素,孔隙结构也是控制碳酸盐岩溶蚀重要因素。样品TL-8(砂屑灰岩)并未出现模拟的“溶蚀窗”现象,实际的柱塞样的溶蚀实验和热力学的模拟的差异性,说明孔隙结构也是控制碳酸盐岩溶蚀重要因素。粒间孔(NSP-4)连通了粒间孔形成新的通道。对于二维孔隙结构,通过分形与多重分形方法发现,孔隙度p和盒子维数D_b、多重分形参数Δα_R和Δ?_R呈明显的正相关关系,与Δ?、Δα_L、Δ?_L、R呈负相关,说明在二维结构上,溶蚀作用下孔隙形态变化具有自相似的特征;对于三维孔隙结构,通过多重分形参数亦呈现溶蚀后Δα减小和Δ?增大的趋势;随着溶蚀作用对孔隙空间结构的改造,孔隙连通,孔隙空间扩大,奇异指数范围Δα减小,表明溶蚀反应对孔隙空间的改造,使得孔隙的不规则性减少,孔隙的奇异范围亦缩减;Δ?增大显示了空间上大、小孔隙的分异程度增加;多重分形能够定量反应溶蚀后孔隙结构的变化特征,这种方法的定量性在孔隙结构评价具有明显优势。四、基于计算模拟,探讨了微观孔隙组构分均质性的动态演化过程。(1)RBBDM模型模拟原生孔隙结构,模拟主要是长方体和立方体矿物的堆叠。导致孔隙模型孔隙结构单一,孔隙度偏大,孔隙的分形与多重分形特征主要由长方形晶格和立方晶格两个基本元素出现概率所控制,随着长方体的比例增加,堆积过程形成的孔隙会更加细长,其中非对称指数R呈现比较均匀的变化,没有出现突变,具有连续性,说明非对称指数R最能反映孔隙结构。(2)随机生长四参数法模拟了粒间孔,沉积过程中,颗粒(鲕粒,晶体等)逐渐长大,孔隙空间不断地被填充,孔隙缩小的过程中,由大孔隙不断地被分割为小孔隙,孔隙的连通性变差,对应多重分形参数Δα、Δ?、Δα_L、Δα_R值变大,说明孔隙的非均质增强,粒间孔被填充的过程是非均质性增强的过程。(3)Siepinski地毯模型模拟裂隙型孔隙表明,孔隙的多重分形参数从一定程度上能模拟孔隙在空间上的不均一性,较大的非对称指数、左偏型多重分形频谱的孔隙空间,可能是更好的储层。碳酸盐岩孔隙非均质性强,对碳酸盐岩孔隙的定量表征是碳酸盐岩储层研究的难题,本文运用分形和多重分形进行了探讨,认为扫描分辨率为2μm及以下才能反映碳酸盐岩微观孔隙结构;多重分形参数对定量表征碳酸盐岩孔隙结构及其演化具有较好的指示意义,特别是多重分形谱宽度和非对称指数R能区分不同孔隙类型,多重分形谱宽度反映了孔隙的非均质性,并且多重分形谱宽度与渗透率存在一定相关关系;同时孔隙模拟结果,也表明孔隙在演化过程中对应了多重分形参数的变化,这些研究结果为探究碳酸盐岩储层的储集性能评价提供新的技术支撑。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P618.13
【图文】：

技术路线图,碳酸盐岩,孔隙结构,定量表征

图 1.1 技术路线图Fig 1.1 The working flowchart1.4.3 研究内容(1)碳酸盐岩二维孔隙结构定量表征在不同观测尺度下，对碳酸盐岩孔隙进行定量表征。本次选取孔隙发育样品的铸体薄片，在不同倍数的显微镜下，连续拍摄铸体薄片，再通过 Photoshop 合成整个视域数值图像，再对孔隙进行数值化提取，获得显微镜尺度的二维孔隙图像。对不同孔隙类型的碳酸盐岩进行 CT 扫描，对 CT 样品的图片序列进行二值化提取孔隙，获得不同分辨率碳酸盐岩二维孔隙结构。通过计算机模拟采用不同的孔隙模型获得不同二维孔隙结构。对于上述不同方式获得的二维孔隙，结合 ImageJ 的分形插件(Fraclac)进行孔隙分形与多重分形参数计算[140]，优选表征孔隙结构的分形与多重分形参数。(2)碳酸盐岩三维孔隙结构定量表征对不同孔隙类型的碳酸盐岩进行 CT 扫描，对 CT 样品的图片序列进行二值化

分布图,采样点,分布图,白云岩

第二章实验技术手段与方法技术2.1 样品来源本次采集了塔里木盆地、川东—湘鄂西地区和四川盆地的碳酸盐岩样品，如表2.1 所示，包括发育自塔里木盆地奥陶系鹰山组(O2y)地层的细晶白云岩(ZG9、HMB1-15、JCT147-1、JCT147-3 和 JCT147-9)、粗晶白云岩(JCT147-6 和 JCT147-7)、鲕粒灰岩(JSCT13)、泥粉晶白云岩(TL-6)和砂屑灰岩(TL-8)，以及发育自四川盆地飞仙关组(T1f)地层的鲕粒白云岩(LJ1-1、LJ2-2 和 LJ5)，发育自川东—湘鄂西地区的湖南慈利南山坪剖面灯影组(Z2dn)地层的鲕粒白云岩(NSP-4)，孔隙类型主要包括晶间孔、粒间孔、铸膜孔、混合孔。

示意图,溶解动力学,模拟装置,示意图

图 2.2 溶解动力学模拟装置示意图[139]Fig 2.2 Schematic diagram of the dissolution experiment将前处理后的样品送往中石油杭州碳酸盐岩储层重点实验室采用自主设计的高温高压溶解动力学模拟装置进行柱体溶蚀实验[139,162]。高温高压溶解动力学模拟装置(图 2.2)含有柱塞流反应釜和岩心夹持器，本次实验主要利用岩心夹持器进行岩石内部溶蚀的模拟，还包括用于控制流体的输入及压力的控制阀门，压力表和温度仪用于检测压力和温度。2.4 碳酸盐岩孔隙表征软件及计算模拟技术2.4.1 碳酸盐岩孔隙二维定量表征技术Fraclac(如 2.2 图)是澳洲查尔斯特大学基于 ImageJ 软件开发的用于计算灰度图像和二值化图像的分形和多重分形特征的插件[140]，本插件被广泛运用，譬如，Pantic 等运用 Fraclac 研究了肽对超大胰腺结构复杂性的影响[163]；用分形分析定量

【参考文献】